Введение.
Согласно современным представлениям, практически все нейтроны в атмосфере Земли возникают в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов воздуха. Вероятность попадания нейтронов в свободном состоянии из отдаленных областей космического пространства (за исключением высокоэнергичных нейтронов от солнечных вспышек) очень мала вследствие того, что нейтрон является нестабильной частицей со средним временем жизни 14,78 минуты и распадается на протон, электрон и антинейтрино:
«->/? + е~ + v
Под действием космического излучения в атмосфере образуются нейтроны в широком спектре энергий. Экспериментально установлено наличие в атмосфере нейтронов с энергией от тепловой (порядка 0.025 эВ) до сотен мегаэлектронвольт.
1. Результаты первичных исследований нейтронов вблизи поверхности Земли.
Изучение нейтронов в атмосфере началось вскоре после их открытия Чедвиком в 1932 году [1]. В многочисленных экспериментах, проводившихся различными исследователями (С. Монтгомери и Д. Монтгомери [2], Н.М.Лятковская и Г.В.Горшков [3], Юан и Ладенбург [4], 5, Хеймс и Корфф [6]), была измерена величина абсолютного потока тепловых нейтронов на уровне моря. Она составила от 24 до 144 нейтронов/(см2 сутки). Столь значительное расхождение объясняется тем, что эксперименты производились в разное время и в различных точках земной поверхности. На Рис. В.1 приведен дифференциальный энергетический спектр нейтронов, полученный Гессом [7]. Наряду с другими исследователями [8, 9] им были проведены наиболее тщательные исследования в интервале от тепловых энергий до 500 МэВ. Экспериментальные измерения проводились на геомагнитной широте 44° с.ш. от давления 1030 г/см2 (соответствующего уровню моря) до давлений порядка 200 г/см2.(на высоте 10 км)
Для обсуждения данный спектр удобно разделить на три области: область I - от тепловых энергий примерно до 50 кэВ, область II - от 50 КэВ до 1 МэВ и область III -более 1 МэВ.
1Е+8-И
1E-8
Mill I IIIIIII I IIIIIII I 11 ПИП ТПТ11Ш IIIIIIIII IIIIIIIII I IIIIIII I IIIIIII
III
1E-10
1E-8
1E-6
i шин i ниш 1E+2 1E+4
1E-4 1E-2 1E+0
Energy, MeV
Рис. B.I. Дифференциальные спектры нейтронов, полученные Гессом для различных давлений [7].
Вычисления абсолютной интенсивности нейтронного излучения в области I проводили
на основании следующих экспериментов: измерения скорости образования С в атмосфере, измерение скорости счета открытого и закрытого кадмием счетчиков и измерения наведенной активности золотых фольг, обернутых кадмием и облученных космическими нейтронами, которые дают сведения о потоке при 4.9 эВ. Форму спектра в этой области рассчитывали по теории замедления нейтронов в двух отдельных энергетических интервалах. Первый интервал - менее 1 эВ. Форма спектра в этом интервале зависит от процесса поглощения, который конкурирует с замедлением нейтронов. Второй интервал - от 1 эВ до 50 КэВ. Если в бесконечной непоглощающей среде сечение рассеяния не зависит от энергии, то спектр в области, лежащей значительно ниже начальной энергии нейтронов, пропорционален 1/Е. Если происходит утечка и поглощение нейтронов, то форма спектра изменяется и может
быть представлена примерно как Ф(Е)ос^Еа [7, 10]. Оценка утечки нейтронов из атмосферы показала [11, 12, 13], что она не влияет заметно на отклонение величины а от единицы [6], за исключением областей, непосредственно прилегающих к верхней границе атмосферы [14]. Отклонение спектра от закона 1/Е обусловлено в основном уменьшением сечения рассеяния с энергией, вследствие чего спектр имеет форму
Ф(Е)«1/Еа9.
В области II (от 50 кэВ до 1 МэВ) спектр определяется не только процессами
замедления, но и спектром нейтронов испарения, имеющих среднюю энергию, близкую
к 1 МэВ.
Спектр нейтронов в области III - свыше 1 МэВ - определяли экспериментально,
учитьюая распределение звезд в фотоэмульсиях, скорость счета ионизационной камеры
деления висмута и скорость счета пропорционального счетчика протонов отдачи. В
области от 10 до 500 МэВ спектр имеет вид Ф(Е) = Е~'5.
Точность данного спектра около 25% при всех энергиях, за исключением области менее
0.04 эВ, где отсутствуют экспериментальные данные о спектре.
Две различные кривые на рисунке соответствуют разным давлениям в атмосфере: 200 и
1030 г/см . Экспериментально установлено (в частности, в работах [7, 15]), что в данном интервале энергий форма спектра практически не меняется с изменением высоты.
Экспериментально была установлена и широтная зависимость потоков нейтронов [16, 17, 18], которая соответствует образованию нейтронов под действием заряженных частиц космического излучения. Широтный эффект сильно зависит от высоты наблюдения. В более высоких слоях атмосферы он значительно больше, чем в нижних. На уровне моря широтный эффект наименьший.
Высотная зависимость медленных нейтронов в атмосфере строилась на основе точных исследований на шарах-зондах Юана [19, 20, 21], Дэвиса [22], Фаулера [23], Ньюбурга [24]. Однако все эти работы объединяет одно: в них отсутствуют измерения в приземном слое. В обзорной работе Бете, Корффа и Плачека [25] достаточно подробно рассматриваются экспериментальные результаты и теоретические расчеты, касающиеся пространственного распределения нейтронов в атмосфере и их энергетического спектра. В частности, отмечается отличие высотного распределения и энергетического спектра нейтронов вблизи земной поверхности по сравнению со свободной атмосферой. Кроме того, указывается, что если для высот от двух до десяти километров количество тепловых нейтронов по разным данным [26] составляет от 15% до 30% от общего числа нейтронов, то для приземного слоя около 80% нейтронов является тепловыми.
В России в70-х годах 20 столетия высотную и широтную зависимости потока нейтронов исследовал В.Д.Соколов [27]. Важным качеством предложенного им метода является то, что во всем рассматриваемом диапазоне использовалась одна и та же аппаратура. При этом измерения высотного хода проводились на самолетах и шарах-зондах (в районе Якутска и Иркутска до высот с остаточным давлением 17-18 г/см2). В результате проведенных экспериментов было установлено следующее:
1. в интервале высот с давлением от 250 до 850 г/см2 интенсивность нейтронов изменяется по экспоненциальному закону;
2. максимальная интенсивность нейтронов наблюдается на глубине около 80 г/см ;
3. за максимумом высотной кривой в интервале высот с остаточным давлением от 60 до 17-18 г/см2 зависимость между интенсивностью и давлением имеет степенной вид;
4. для широты Якутска (62° 10' с.ш.) в максимуме высотной кривой поток нейтронов от тепловых до 100 эВ равен 0.9 нейтрона/см2сек.
В 30-60-х годах XX века большое развитие получила ядерная геология, а с ней и ядерная геофизика [28]. В частности, были разработаны методы анализа содержания различных веществ в пробах, основанные на ядерных реакциях (п, р) - нейтрон-
7
протонный метод [29, 30], (п, а) - нейтронный альфа-метод [31], (а, п) - альфа-нейтронный метод [29], (у, а) - фотонейтронный (или гамма-нейтронный) метод [32] и их разновидности. Кроме того, существуют методы нейтронного и гамма-каротажа, т.е. геофизического исследования скважины с целью выявления полезных ископаемых, основанные на измерении, соответственно, нейтронов и гамма-излучения вдоль ствола скважины [33]. При нейтронном каротаже в скважину помещается прибор, облучающий породу потоком быстрых нейтронов с энергией 4-15 МэВ. В зависимости от изучаемого эффекта взаимодействия нейтронов с горной породой различают [34] нейтрон-нейтронный каротаж, основанный на измерении плотности нейтронов, замедлившихся до надтепловых и тепловых энергий; нейтронный гамма-каротаж, основанный на измерении интенсивности гамма-излучения радиационного захвата и Др.
Исследования, проведенные Масахиро Кодама [35], позволили оценить долю нейтронов альбедо в диапазоне энергий от 1 до 106 эВ. В качестве нейтронных детекторов использовались счетчики, заполненные BF3, окруженные парафиновым замедлителем толщиной 2 см. На протяжении зимнего периода тремя детекторами, установленными, соответственно, на высоте 3 м над земной поверхностью, на уровне земли и на глубине 20 см под землей, было зафиксировано уменьшение потока нейтронов при достижении снежного покрова толщины, соответствующей 10 см водного эквивалента. Расчеты показали, что в диапазоне энергий от 1 до 106 эВ доля нейтронов альбедо в общем потоке нейтронов у земной поверхности составляет около 40%, что по порядку величины сопоставимо с 30% нейтронов альбедо для диапазона энергий от 10 до 100 МэВ [36].
Другая работа японских ученых [37] посвящена возможности измерять содержание влаги в почве посредством нейтронов, порождаемых космическим излучением вблизи земной поверхности. После выпадения осадков наблюдалось уменьшение счета нейтронов для всех детекторов, установленных как под землей на глубине 20, 30 и 40 см, так и на уровне земли и в трех метрах над ее поверхностью. Время восстановления счета нейтронов после наблюдаемого эффекта до начального уровня увеличивается с увеличением глубины положения счетчика. Измерения, проводившиеся в течение августа 1978 года, показали, что наиболее четкий эффект от выпадения осадков обнаруживал окруженный кадмием детектор на глубине 20 см, а наилучшая корреляция между потоком нейтронов и влажностью почвы относится к детектору, установленному на глубине 40 см. Кроме того, вьыснилось, что уменьшение потока тепловых нейтронов
8
после дождя составило всего половину от уменьшения потока надтепловых нейтронов. (Подобный эффект, связанный с облачностью, был отмечен еще в работе [26].) Аналогичные результаты, подтверждающие связь между плотностью потока тепловых и надтепловых нейтронов и влажностью горных пород, были получены в работе [38], посвященной изучению корреляции потоков литосферных нейтронов с особенностями состава пород.
Эти и другие эксперименты Ко дама [39] предлагает использовать в рамках прикладной физики космических лучей для определения содержания влаги в почве, толщины снежного покрова и исследования льдов на ледниках, что очень важно в самых различных областях науки и природопользования, в частности в гляциологии, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.
2. Первые результаты исследований высотного распределения потока нейтронов, проведенные в НИИЯФ МГУ.
Основной проблемой при изучении высотного хода нейтронов является то, что, как правило, довольно трудно получить информацию в области от приземного слоя до высоты 2-3 км. Это связано с большой скорости подъема аэростатов или шаров-зондов, на которых располагается научная аппаратура, - порядка 300 метров в минуту, а также с малой абсолютной величиной потока нейтронов на этих высотах. Более поздние исследования распределения нейтронной компоненты ядерного излучения в атмосфере Земли по высоте, с помощью разработанного в Отделе космофизических исследований НИИЯФ МГУ детектора с большой светосилой (порядка 1200 см2 в диапазоне тепловых и медленных нейтронов) привели к обнаружению следующего факта: распределение нейтронов такой энергии не имеет явной высотной зависимости до высоты порядка 1,5-2 км.(Рис. В.2). Для больших высот высотная зависимость аппроксимируется функцией:
50.3А21ехрН).03А) 2<А<8
ЩИ)=< 503h2' expt-О.ОЗй)+(1+^^)A3,8 ? h < h^ 25С(11б-Зй) А>18
где h - высота в км, hmax = 17 км [40,41].
Аналогичные результаты получены в экспериментах в г.Рыльске Курской области и в г.Долгопрудном Московской области [42]. Кроме того, из этих данных следует, что широтная зависимость на малых высотах также несущественна. Следует отметить, что
эти выводы, а также положение максимума высотного хода хорошо согласуются с результатами других авторов, полученными в более ранних экспериментах [19, 20, 21, 23,36,43]
Исследования вариаций потока нейтронов вблизи поверхности Земли, начавшиеся в НИИЯФ МГУ в эти же годы, и привели к открытию связи этих вариаций с динамическими процессами в земной коре [44].
С марта 1996 по май 1998 года проводился эксперимент по изучению вариаций потока нейтронов в сейсмически активной области [45]. При этом регистрирующая аппаратура была установлена в штольне сейсмостанции «Медео» (республика Казахстан), что позволило значительно ослабить космическое излучение, а регистрировать, в основном, нейтроны от земной коры. В результате было установлено, что в период, предшествующий землетрясению, возникают аномально большие по амплитуде всплески нейтронного потока, и предположительно существует нелинейная возрастающая связь между энерговыделением в землетрясении и амплитудой нейтронного всплеска.
Исследования, проводившиеся на Памире в 1987 и 1989 годах, позволили измерить величины потоков нейтронов на различных высотах от 1800 м до 5000 м [46]. Они составили от 1.2 х Ю"3 до 3 х Ю"3 см"2 с"1, что находится в хорошем соответствии с ранее полученными данными [47,48,49].
В одном из самых первых экспериментов в 1990 году на Памире было зарегистрировано мощное возрастание потока тепловых и медленных нейтронов, совпавшее по времени с солнечным затмением [50, 51, 52]. Подобные возрастания наблюдались затем в различное время, а также и в других местах не только в связи с солнечными, но и в связи с лунными затмениями [53], но и во время полнолуний и новолуний [54, 55, 56]. В связи с этим возникло предположение о том, что возмущения такого типа могут быть связаны с прохождением в земной коре гравитационной приливной волны.
3. Пространственные вариации потопа нейтронов вблизи поверхности Земли.
В июле-сентябре 1999 года были проведены измерения на почве прибором, аналогичным тому, результаты эксперимента на котором положены в основу данной работы (см. Главу 2), в различных точках европейской части России. Результаты измерений собраны в Таблице 1.1.
10
Данные заметно (на 15-40%) различаются между собой, хотя поток галактических космических лучей за этот интервал времени варьировался не более, чем на 1-2%. В межпланетном пространстве в этот период времени наблюдались потоки протонов с энергией Е > 10 МэВ небольшой величины. Сами по себе протоны такой энергии не могут вызвать каких-либо вариаций потока нейтронов на уровне моря.
Таблица 1.1. Темп счета тепловых и медленных нейтронов на почве в различных пунктах
Место измерений Скорость счета в час
Воробьевы горы, Москва 414±7
Голицино, Московская область 475 ±5
Район озера Селигер, Тверская область 579 ±4
Из приведенных данных: как по измерениям на аэростатах и шарах-зондах, так и измерений на почве следует, что поток нейтронов вблизи земной поверхности определяется не только генерацией их в атмосфере Земли энергичным космическим излучением. Существует, по-видимому, ещё один источник нейтронов, которым может служить земная кора. При этом нейтронное излучение от земной коры определяется в первую очередь её химическим составом и микроструктурой.
Этот вывод подтверждают и работы других авторов, например [57], в которой приводятся результаты подземных измерений потоков нейтронов на различных глубинах.
Из всего вышесказанного можно заключить, что до высоты порядка 1 км в атмосфере Земли существует поле тепловых нейтронов, которое не имеет заметной широтной зависимости, хотя может испытывать значительные временные и пространственно-локальные вариации. Это обусловлено состоянием земной коры и атмосферы.
11
1Б+4
i
5
а. 1Е+3
Ш+2
/ О»-
/ OoV
/ о
/ 800.0
1/мин +
счета. 400.0 +
/ -° +
ОрОС! + .++ + +
f O 0.0 + + ¦» +++*
1 1 ' ! ' 1
I 0.00 2.00 4.00 6.00
1 Высота. км
1 1 1 1 '
0.00
10.00
20.00 Высота, км
30.00
40.00
Рис. В.2. Высотная зависимость скорости счета нейтронов, полученная в эксперименте на аэростате в г. Апатиты на Кольском полуострове. Кружками отмечены экспериментальные точки. На врезке более подробно приведены показания аппаратуры на малых высотах (до 6 км).
12
4. Постановка задачи
В силу всего сказанного исследование вариаций потока нейтронов вблизи земной поверхности является, таким образом, актуальной задачей. Важность ее определяется не только фундаментальной научной задачей выяснения источников и природы временных и пространственных вариаций потока нейтронов вблизи земной коры, но и тем, что эти исследования могут послужить основой для создания ядерно-физической методики мониторинга экологического состояния земной коры и нижней атмосферы. В диссертации детально рассматриваются теоретические и экспериментальные аспекты сформулированной задачи:
1. Общие характеристики потока нейтронов вблизи земной коры
2. Анизотропия потока нейтронов
3. Сезонная зависимость потока нейтронов и его анизотропии
4. Распределения вероятности регистрации нейтронов и их сезонная зависимость.
5. Источники нейтронов вблизи поверхности Земли
13
Глава 1. Описание экспериментальной установки ДЯИЗА
Для исследования вариаций поля тепловых нейтронов была разработана установка ДЯИЗА (детектор ядерного излучения Земли и атмосферы). На экспериментальных данных, полученных с этой установки, основывается данная работа. Установка ДЯИЗА была создана в конце 1992 года. В нее входят стандартные нейтронные счетчики СИ-19Н, диаметром 3 см и длиной 22 см. Рабочая площадь счетчика 51 см2. Счетчики наполнены газом 3Не при давлении 405.3 кПа. Эффективность регистрации нейтронов гелиевыми счетчиками растет с уменьшением энергии нейтронов [58], и для тепловых нейтронов составляет 0.8. Максимальный
поток регистрируемых нейтронов равен 2x10 ст~ С~ . Регистрация нейтронов в счетчике проходит по реакции:
3 Не + л -W + р + 160keV,
сечение которой максимально (5300±200 бн) для тепловых нейтронов.
Ранее такие счетчики использовались в космических экспериментах на станции «Мир»
[59], где успешно проработали [60] в составе научной аппаратуры более 10 лет до
ликвидации станции. Установка ДЯИЗА является логическим продолжением этих
экспериментов в наземном исполнении.
При создании аппаратуры «Рябина» для космического эксперимента нейтронные
счетчики изучались на предмет их чувствительности к быстрым и медленным
нейтронам [61, 62] и к заряженным частицам [63]. Эксперименты проводились
совместно с ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева и ИЯИ АН УССР, и показали, что
чувствительность счетчиков к релятивистским однократно заряженным частицам
соответствует теоретическим оценкам и не превышает 4% [63]. По результатам
проведенных экспериментов в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» получено
«Свидетельство о государственной поверке № 956/87».
Первоначально установка ДЯИЗА состояла из 80 нейтронных счетчиков, которые, в
свою очередь, разбивались на десятки. Информация с каждой десятки счетчиков
ежесекундно записывается на ЭВМ. Таким образом, у нас имелось восемь нейтронных
каналов.
Кроме того, в состав установки входят блоки для регистрации заряженной компоненты
ядерного излучения в атмосфере, состоящие из счетчиков Гейгера, и для регистрации
14
гамма-квантов (с энергией более 50 КэВ, более ЗООКэВ и более 2 МэВ), состоящие из кристаллов NaJ(Tl).
В дальнейшем (в апреле 1994 года) установка была несколько модифицирована для получения возможности регистрации анизотропных потоков нейтронов. Сорок счетчиков были покрыты кадмием толщиной 1 мм сверху, остальные - снизу. В случае наличия анизотропных потоков, наблюдалось бы резкое различие данных с этих двух групп. Информация с каждого из нейтронных каналов ежесекундно заносилась в память компьютера.
На Рис. 1.1 представлен пример данных, полученных с установки ДЯИЗА, по регистрации нейтронной и заряженной компонент. В этот день, 8 августа 1994 года, наблюдались довольно мощные и длительные возмущения в потоке нейтронов с различных направлений. В районе полудня произошло примерно десятикратное возрастание потока нейтронов из верхней полусферы, которое длилось около получаса, а в районе 16-17 часов - примерно такое же по интенсивности, но более продолжительное возрастание потока нейтронов из нижней полусферы. Такие события наглядно иллюстрируют наличие анизотропии для потока нейтронов вблизи поверхности Земли. Это подтверждает гипотезу о существовании, как минимум, двух независимых источников нейтронов вблизи земной коры. В то же время, поток заряженных частиц не испытал никаких возмущений, что говорит о наличие вариаций в потоке нейтронов, не связанных с заряженной компонентой.
Для определения стабильности работы установки проводилось сравнение средней скорости счета за отдельные периоды непрерывной регистрации и суммарной средней скорости счета за все спокойные периоды. (Определение спокойных и возмущенных периодов дано ниже, в Главе 2). В результате этого анализа выяснилось, что стабильность работы установки не хуже 95%.
Как режим, так и структура установки неоднократно изменялись для решения определенных физических задач. В частности, в течение примерно шести месяцев 1996 года (с января по май) в состав установки, помимо счетчиков, регистрировавших нейтроны отдельно в направлениях к Земле и от Земли, были введены дополнительные каналы (группы нейтронных счетчиков с единым выводом информации), которые регистрировали нейтроны одновременно со всех направлений. Два из них были открыты, а один закрыт со всех сторон кадмием толщиной 1 мм. Этой толщины кадмия достаточно для поглощения нейтронов с энергией Е < 0.45 эВ.
15
Таким образом, два канала регистрировали нейтроны в широком диапазоне энергий, а
третий - только нейтроны с энергией более 0.45 эВ. Такая конфигурация установки
позволила получить две точки в энергетическом распределении нейтронов вблизи
земной коры, в частности, определить, какую часть от полного потока вблизи
поверхности Земли составляют нейтроны с энергией менее 0.45 эВ.
Средние скорости счета нейтронов всех энергий и нейтронов с энергией более 0.45 эВ
составили, соответственно, 0.354 и 0.106 Усек. Таким образом, нейтроны с энергией
менее 0.45 эВ вблизи земной коры составляют 72% от полного потока нейтронов.
В данное время установка работает круглосуточно и накоплен большой объем данных
за период с сентября 1992 года.
Алгоритм обработки данных, полученных с этой установки, приведен ниже на Рис. 1.2.
16
В
о
Рн
о
и
2000
1000
0 2000
1000
0 10.00
5.00
о 0.00 S 24000
н Ь
о
g 20000
10.00
\
12.00
Нейтроны из нижней полусферы F1
Нейтроны из верхней полусферы F2
Заряженная компонента
Т"
14.00
~T
16.00 Время московское
18.00
20.00
Рис. 1.1. Пример одновременной регистрации нейтронной и заряженной компоненты на установке ДЯИЗА 08.08.1994.
17 |
