Поток нейтронов, связанный с грозовой активностью, за пределами атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Дроздов, Александр Юрьевич

• Дроздов, Александр Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дроздов, Александр Юрьевич

Оглавление.

Список сокращений.

Введение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поток нейтронов, связанный с грозовой активностью, за пределами атмосферы»

Содержание работы.7

Цель работы.8

Задачи работы.Л.8

Научная значимость и новизна работы.8

Практическая ценность работы.8

Личный вклад автора.9

Основные положения, выносимые на защиту.9

Апробация работы.10

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Дроздов, Александр Юрьевич

Выводы

1) Разработана оригинальная модель распространения тепловых нейтронов в неоднородной среде методом клеточных автоматов.

2) Проведен аналитический и численный расчет потока тепловых нейтронов в атмосфере на высотах —350 км по механизму генерации нейтронов в стволе молнии. Показано, что поток таких нейтронов недостаточен для наблюдения.

3) Получен спектр и пространственное распределение источника нейтронов, генерируемых по механизму фотоядерных реакций во время гроз, расположенного на высотах 15 — 40 км и спектр, пространственное распределение, временное распределение и выход таких нейтронов на высоты 50 — 450 км методом Монте-Карло. На основе сравнения результатов этого расчета с расчетом потока нейтронов альбедо в атмосфере на тех же высотах показана принципиальная возможность наблюдения нейтронов от гроз на орбите.

4) Показана возможность использования научной аппаратуры "Разрез", предназначенной для регистрации заряженных и нейтральных излучений в космическом эксперименте для регистрации нейтронов от гроз.

Благодарности

Автор хочет выразить благодарность своему научному руководителю Панасюку Михаилу Игоревичу за постановку интересной задачи, курирование данной работы на всем ее протяжении, за понимание проблем и оказании поддержки автору.

Автор глубоко признателен научному руководителю Григорьеву Александру Валентиновичу и Малышкину Юрию Михайловичу за плодотворную совместную работу над результатами данной работы. Автор хочет особо отметить Братолюбову-Цулукидзе Лидию Семеновну, Нечаева Олега Юрьевича, Юшкова Бориса Юрьевича, Кузнецова Николая Викторовича за ценные советы и неоценимую поддержку, без которой данная работа не могла состояться.

Автор так же признателен всему коллективу отдела Физики космоса НИИЯФ МГУ за доброжелательное отношение. Отдельное спасибо друзьям, родителям и всем, кто был рядом при осуществлении данной работы.

В заключение автор хочет почтить память Петрова Алексея Николаевича и Григоряна Олега Рубиновича, которые при своей жизни внесли огромный вклад в данную работу. Их идеи направляли автора вплоть до выводов данной диссертации.

Заключение

В результате проделанной работы было установлено, что существующих космических экспериментов на данный момент недостаточно, чтобы достоверно судить о возможности регистрации нейтронов от гроз на борту низкоорбитальных спутников.

Для определения характеристик потоков нейтронов на высотах ниже 450 км необходимо было не только проанализировать возможные источники нейтронов, но и более детально исследовать процессы распространения нейтронов в атмосфере.

В результате проделанного анализа было установлено:

Нейтроны, обладающие энергией несколько МэВ, замедляются в плотной атмосфере до тепловых энергий за время порядка t~ 1 с. Длина замедления равна R = 103 м. На высоте 30 км, R—Q км. Установлено, что использование диффузионного приближения допустимо до высот -50 а:;/.

Для расчета распространения нейтронов тепловых энергий в неоднородной среде, такой как атмосфера Земли, разработана модель на основе метода клеточных автоматов.

Расчеты распространения нейтронов показали, что теория генерации нейтронов в результате ядерной реакции в стволе молнии, не обеспечивает наблюдение нейтронов на орбитальных высотах. С другой стороны, подробное рассмотрение теории генерации нейтронов в результате фотоядерных процессов показало, что наблюдение нейтронов от гроз возможно. Для этого анализа были рассчитаны характеристики источника нейтронов, характеристики потока нейтронов от гроз и нейтронов альбедо на орбитальных высотах.

Рассчитано пространственное распределение рождения нейтронов от у-вспышек. При расположении источника у-излучения на высотах 15-20 км высота генерации нейтронов достигает -30 -65 км, для высоты источника 30-40 км высота генерации нейтронов достигает -60 -80 км. Рассчитан спектр первичных нейтронов от гроз в диапазоне от нескольких эВ до десятков МэВ с максимумом в области нескольких МэВ. На высотах генерации (-15-80 км) и на высотах наблюдения (-200-450 км) спектр слабо зависит от высоты. Показана трансформация спектра при распространении нейтронов до высот регистрации. Практически все нейтроны достигают орбитальных высот в первую секунду регистрации. Время регистрации всех нейтронов не превышает 20 с. Пространственное распределение достаточно широкое. Интенсивность падает на порядок на удалении -500 км от оси нормали, проходящей через центр источника.

Форма спектра нейтронов альбедо в диапазоне от энергий нескольких КэВ до десятков МэВ слабо меняется с высотой. Существенные изменения касаются только низкоэнергичной части спектра и определяются процессом замедления нейтронов и влиянием гравитации. Доля нейтронов, уходящих из атмосферы, зависит от высоты наблюдения и составляет 12%-17%. Существенный вклад в поток нейтронов альбедо за пределами атмосферы обеспечивают частицы, родившиеся на высоте 16-24 км.

В результате сравнительного анализа рассчитанных характеристик потоков нейтронов установлено, что максимальное значение потока нейтронов от гроз на орбитальных высотах может обеспечить источник у-излучения на высоте 20 км. При этом возможно наблюдение нейтронов и от источника, расположенного на высоте 30 км. Оптимальная широта наблюдения - до 10° при минимальной энергии регистрации 1 МэВ. Рассчитаны условия генерации нейтронов для их наблюдения на высотах до 450 км.

Рассмотрен комплекс научной аппаратуры «Разрез» для его использования в космическом эксперименте. Такая аппаратура обеспечивает возможность регистрации нейтронов от гроз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Дроздов, Александр Юрьевич, 2010 год

1. Shah G.N., Н. Razdan, C.L. Bhat, О.М. АН, Neutron generation in lightning bolts // Nature. -1985.-Vol. 313.-pp. 773-775.

2. Кужевский Б.М., Генерация нейтронов в молниях // Вестн. МГУ. Физика, Астрономия. -, 2004. 3 : Т. 5. - стр. 14-16.

3. Бабич Л.Т1., Генерация нейтронов в гигантских восходящих атмосферных разрядах// Письма в ЖЭТФ. 2006. - 6 : Т. 84. - стр. 345-348.

4. Bothe W., Becker H., // Z. Phys. 1930. - Vol. 66. - pp. 289-306.

5. Власов НА, Нейтроны. Наука, 1971.

6. Горшков Г.В., В.А. Зябкин, H.M. Лятковская, О.С. Цветков, Естественный нейтронный фон атмосферы и земной коры. Москва : Атомиздат, 1966.

7. Бекурц К. Виртц К., Нейтронная физика. Атомиздат, 1968.

8. Clowdsley M.S., Wilson J.W., Shinn J.L., Badavi F.F., Heinbockel J.H., Atwell IV., Neutron Environment Calculations for Low Earth Orbit. Technical Report: NASA-2001-31ices-msc, 2001.

9. Van Allen J. A., Transcript of 1958 lecture// Nat. Akad. Sci. Washington, D.C.: I.G'.Y. Satellite Rep., 1961.-Vol. 13.

10. Верное C.H., Григоров Н.Л., Логачев Ю.И., Чудаков А.Е., Измерение космического излучения на искусственном спутнике Земли// Доклады АН СССР. 1958. - 6 : Т. 120. -стр. 1231-1233.

11. SingerS. F., Trapped Albedo Theory of the Radiation Belt// Phys. Rev. Lett. 1958. - Vol. 1. -pp. 181-183.

12. Панасюк М.И., Романовский Е.А., Зеленая Н.С., Калмыков Н.Н., Логачев Ю.И., Новиков JI.C., Тулупов В.И., Власова Н.А., Воронина Е.И., Академик Сергей Николаевич Верное: К 100-летию со дня рождения. Москва : Издательство Московского Университета, 2010.

13. Hess W. N., Killeen J., Fan С. Y., Meyer P., Simpson J. A., The Observed Outer-Belt Electron Distribution and the Neutron Decay Hypothesis // J. Geophys. Res. 1961. - 6 : Vol. 66. - pp. 2313-2314.

14. NewkirkL. L., Calculation of Low-Energy Neutron Flux in the Atmosphere by the Sn Method // J. Geophys. Res. 1963. - Vol. 68. - pp. 1825-1833.

15. Lingenfelter R. E., The cosmic-ray neutron leakage flux. // J. Geophys. Res. 1963. - Vol. 68. -p. 5633.

16. Soberman Robert K., High-Altitude Cosmic-Ray Neutron Intensity Variation// Phys. Rev.1956. 5 : Vol. 102.

17. Simpson J. A., Neutrons Produces in the Atmosphere by the Cosmic Radiation // Phys. Rev.1957. 6 : Vol. 83.

18. Lattimore S., Calculations on the Number of Neutrons in the Atmosphere I i Phys. Let. 1951. -Vol. 81.-p. 643.

19. Haymes R.C., Koreff S.D., Slow-Neutrons Intensity at High Ballon Altitudes// Phys. Rev. -1960.-4: Vol. 120.

20. Onge R. N. St., Energy spectrum and flux of fast neutrons in atmosphere // Phys. Rev. 1977. -3 : Vol. 16. - pp. 537-545.

21. Yuan Luke C. L., The Neutron Density in the Free Atmosphere up to 67,000 Feet I I Phys. Rev. -1948. 4 : Vol. 74. - pp. 504-505.

22. Fireman E. L., Measurement of the (n, H3) Cross Section in Nitrogen and Its Relationship to the Tritium Production in the Atmosphere // Phys. Rev. 1953. - Vol. 91. - pp. 922-926.

23. Libby Willard, Radiocarbon dating, 2nd ed. // Chicago: University of Chicago Press. 1955.

24. Hess Wilmot N., Patterson Wade H., Wallace Roger, Chupp Edward L, Cosmic-Ray Neutron Energy Spectrum // Phys. Rev. 1959. - 2 : Vol. 116. - pp. 445^157.

25. Gabbe John D., Some Measurements of Atmospheric Neutrons// Phys. Rev. 1958. - Vol. 112. - pp. 497-502.

26. Matthia D., Sihver L, Meier M, Monte-Carlo calculations of particle fluences and neutron effective dose rates in the atmosphere // Radiation Protection Dosimetry. 2008. - 2 : Vol. 131. -pp. 222-228.

27. Montgomegy C.G., Montgomegy D.D., The intensity of neutrons of thermal energy in the atmosphere at sea level // Phys. Rev. 1939. - Vol. 56. - pp. 10-12.

28. Сигаева, Исследование Временных Характеристик Нейтронного Излучения Вблизи Земной Коры. Москва: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, 2004.

29. Stephanakis S. J., Levine L. S., Mosher D., Vitkovitsky I. M., Young R, Neutron Production in Exploding-Wire Discharges // Phys. Rev. Lett. 1972. - 9 : Vol. 29. - pp. 568-569.

30. Libby L.M., Luken H.R., Production of radiocarbon in tree rings by lighting bolts // J. Geophys. Res. 1973. - Vol. 78. - pp. 5902-5903.

31. Fleischer Robert L , Search for Neutron Generation by Lightning// J. Geophys. Res. 1975. -36 : Vol. 80. - pp. 5005-5009.

32. Shyam A., Kaushik Т. C„ Observation of neutron bursts associated with atmospheric lightning discharge // J. Geophys. Res. 1999. - A4 : Vol. 104. - pp. 6867-6869.

33. Гуревич А. В., Зыбин К. П., Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы //УФН.-2001.-Т. 171.-стр. 1177-1199.

34. Gurevich А. V., Milikh G.M., Roussel-Dupr'e R., Runaway Electron Mechanism of Airi

35. Breakdown and Preconditioning During a Thunderstorm// Phys. Letts. A. 1992. - Vol. 165. -pp. 463-468.

36. Smith David M., Lopez Liliana I., Lin R. P., Barrington-Leigh Christopher P., Terrestrial Gamma-Ray Flashes Observed up to 20 MeV // Science. 2005. - 5712 : Vol. 307. - pp. 10851088.

37. Бабич. Л.П., Механизм генерации нейтронов, коррелированных с разрядами молний // Геомагнетизм и Аэрономия. 2007. - 5 : Т. 47. - стр. 702-708.

38. Babich L. P., Origin of neutron flux increases observed in correlation with lightning// J. Geophys. Res. 2007. - D13303 : Vol. 112.

39. Smith D., Terresterial Gamma-Ray Flashes, Relativistic Runaway, and High-Energy Radiation in the Atmosphere // AIP Conference Proceedings. 2009. - Vol. 1118. - pp. 34-45.

40. Nemiroff R. J., Bonnell J.T., Norris J.P., Temporal and spectral characteristics of terrestrial gamma flashes. // J. Geophys. Res. 1997. - Vol. 102. - pp. 9659-9665.

41. Lehlinen N. G., Belkl T.F., Inan U.S., Monte Carlo simulation of runaway MeV electron breakdown with application to red sprites and terrestrial gamma flashes// J. Geophys. Res. -1999. 11 : Vol. 104. - pp. 24699-24712.

42. Inan U.S., Lehtinen N.G., Production of terrestrial gamma-ray flashes by an electromagnetic pulse from a lightning return stroke // Geophys. Res. Lett. 2005. - Vol. 32.

43. Бабич JI.П., Донской Е.Н., Куцык KM., Р.А. Рюсселъ-Дюпре, Тормозное излучение лавины релятивистских убегающих электронов в атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. - 5 : Т. 44. - стр. 697-703.

44. Л.П. Бабич, Е.Н. Донской, Куцык И.М., Анализ атмосферных вспышек гамма-излучения, зарегистрированных в ближнем космосе, с учетом транспорта фотонов в атмосфере // ЖЭТФ. 2008. - 1(7): Т. 134. - стр. 65-79.

45. Babich L.P, Kudryavtse A.Yu., Kudryavtseva M.L., Kutsyk I.M., Atmospheric gamma-ray and neutrons flashes // ЖЭТФ. 2008. - 1 : T. 133. - стр. 80-93.

46. Babich L.P, Kudryavtse A.Yu., Kudryavtseva M.L., Kutsyk I. M., Terrestrial gamma-ray flashes and neutron pulses from direct simulations of gigantic upward atmospheric discharge // Pis'ma с ZhETF. 2007. - 10 : Vol. 85. - pp. 589-593.

47. Dwyer J.R., Smith D.M., A comparison between Monte Carlo simulations of runaway breakdown and terrestrial gamma-ray flash observations // Geophys. Res. Lett. , 2005. - Vol. 32.

48. Carlson B.E., Lehtinen N.G., Inan U.S., Constraints on terrestrial gamma ray flash production from satellite observation // Geophys. Res. Lett. -, 2007. Vol. 34.

49. Carlson B.E., Lehtinen N.G., Inan U.S., Terrestrial gamma ray flashes production by lightning current pulses // J. Geophys. Res. -, 2009. A00E08 : Vol. 114.

50. Carlson B.E., Lehtinen N.G., Inan U.S., Neutron production in terrestrial gamma-ray flashes// J.Geophys.Res.-2010. A00E19 : Vol. 115.

51. Ostgaard N., Gjesteland Т., Stadsnes J„ Connell P.H., Carlson В., Production altitude and time delays of the terrestrial gamma flashes: Revisiting the Burst and Transient Source Experiment spectra// J. Geophys. Res. 2008. - A02307 : Vol. 113.

52. Coulter D, Are TGFs Hazardous to Air Travelers?. 2010. - http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/1 Ofebfriendlyskies/.

53. Jenkins R. W., Lockwood J.A., Ifedili S.O., Chupp E.L., Latitude and Altitude Dependence of the Cosmic Ray Albedo Neutron Flux // JGR. 1970. - 22 : Vol. 75. - pp. 4197-4204.

54. LockwoodJ.A., Neutron Measuremens on the OGO-VI Spacecraft. NASA, 1973.

55. Antonova I. A., Korolcov E. V., Laxarev V. I., Instrument for neutron leakage fluxes investigation in Earth environment. // Geomagnet. Aironom. 1972. - Vol. 12. - pp. 883-888.

56. Юшков Б.Ю., Измерения потоков нейтронов на орбитальной станции «Салют-6» // КИ. -1986.-стр. 793-796.

57. Drozdov A., Amelushkin A., Bratolyubova-Tsidukidze L., Churilo I., Grigoriev A., GrigoryanO., Iudin D., Mareev E., Nechaev O., Petrov V., Experiment based on spacesuit "Orlan-M". Neutron fluxes from thunderstorm // J. Geophys. Res. 2010.

58. Soppera Nicolas, Java-based Nuclear Data Display Program. 2010. - http://www.nea.fr/janis/.

59. Drozdov A, Grigoriev F, Malyshkin Yu., The detection possibility of the neutrons from thunderstorm onboard low orbiting small satellites // STP12 Abrtracts: Berlin, 2010.

60. Grigoriev A.V., Grigoryan O.R., Drozdov A.Yu., Popov Yu.V., Mareev E.A., Iudin D.I., Thunderstorm neutrons at altitudes up to 400 km: Some theoretical estimations // Proc. Of V International Workshop. N. Novgorod, 2008. - pp. 43-45.

61. Hesse Michael, ModelWeb Catalogue and Archive// Community Coordinated Modeling Center. 2009. - http://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/.

62. Beckurts K.H., Wirtz K., Neutron Physics. New York : Springer-Verlag, 1964.

63. Grigoriev A. V., Grigoryan O. R., Drozdov A. Yu, Malyshkin Y M., Popov Y. V., Mareev E.A., Iudin D., Thunderstorm neutrons in near space: Analyses and numerical simulation// J. Geophys. Res. 2010. - doi:10.1029/2009JA014870.

64. Астафьев Г.Б., Короповский A.A., Храмов A.E., Клеточные автоматы. 2003.

65. Воеводин В. В., II НИВЦ МГУ Лаборатория параллельных информационных технологий. 2010. - http://parallel.ru/.

66. Malyshkin Yu., Drozdov A., Grigoriev A., Simulation of Thunderstorm Neutron Generation and Transport// WDS'10 Proceedings of Contributed Papers: Part III Physics (eds. J. Safrankova and J. Pavlu). - Prague : Matfyzpress, 2010.

67. Geant4 collaboration Physics Reference Manual // Geant4. 2009. - geant4 9.3. -http://geant4.web.cern.cli/geant4/UserDocumentation/UsersGuides/PhysicsReferenceManual/fo/ PhysicsReferenceManual.pdf.

68. Jenkins R.W., Ifedili S.O., Lochvood J. A., Razdan II, The Energy Dependence of the Cosmic-Ray Neutron Leakage Flux in the Range 0.01-10 Mev // JGR. 1971. - 31 : Vol. 76. - pp. 74707478.

69. Drozdov A., Grigoriev A., Malyshkin Yu., Modeling of albedo neutrons at low orbiting satellites altitudes // WDS'10 Proceedings of Contributed Papers: Part III Physics (eds. J. Safrankova and J. Pavlu). - Prague : Matfyzpress, 2010.

70. Дроздов А.Ю., Амелюшкин A.M., Научные задачи космического экспериментаf

71. Скафандр» // Тезисы докладов международной молодежной конференции — научной школы. Под. ред. д.ф.-м.н. проф. В.М. Журавлева. Ульяновск : Космические исследования и образование, 2008. - стр. 15-16.

72. AMSAT Executive Team Suitsat has re-entered// The Radio Amateur Satellite Corporation. -2009. http://www.amsat.org/amsat-new/ariss/suitsatContest.php.

73. Пастушенков Д. Д., Дроздов А.Ю., Нейтронная программа эксперимента «Скафандр». Методика отбора нейтронных детекторов. // Тезисы докладов конференции «Ломоносов-2009». Москва, 2009.

74. Petrov V.L., Panasyuk M.I., Amelyushkin A.M., Drozdov A.Yu., Nechaev O.Yu., RAZREZ System For RADIOSCAF Experiment // abstracts, 14th WRMISS Workshop Dublin Castle.2009. p. 37.