Обработка данных установки "Нейтрон"
Исследование возможности наблюдения форбуш-понижений установкой "Нейтрон". Проверка влияния гроз на темп счета нейтронов и атмосферных факторов на темп счета тепловых нейтронов с помощью специализированных неэкранированных сцинтилляционных детекторов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.03.2013 |
| Размер файла | 3,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
В 1948 г. Симпсоном было открыто, что широтные вариации испарительных нейтронов в атмосфере в несколько раз больше чем вариации ионизирующей и жесткой компоненты космических лучей. Образование этих нейтронов связано с взаимодействием адронной компоненты космических лучей с ядрами азота и кислорода. Из-за малых расстояний между точками рождения и регистрации интенсивность потока нейтронов близка к интенсивности потока адронов. Это привело к созданию установок на основе борных и гелиевых счетчиков тепловых нейтронов. Установки создавались двух типов: открытые (не считая внешнего кожуха из 2-2.5 см полиэтилена) и закрытые (толстый слой полиэтилена и слой свинца). Открытые детекторы в отличие от закрытых были чувствительны к изменениям в атмосфере, выпадению осадков, слою снега. Поскольку основной задачей было исследование вариаций космических лучей, предпочтение было отдано закрытым детекторам, из которых была сформирована сеть нейтронных мониторов (преимущественно типа НМ64) по всему миру. На рис. 1. показана зависимость интегрального вклада протонов и нейтронов в темп счета нейтронных мониторов от энергии [1].
Рис. 1. Зависимость интегрального вклада протонов и нейтронов в темп счета нейтронных мониторов от энергии.
В настоящее время всё больший интерес среди исследователей космических лучей проявляется к открытым нейтронным детекторам (ссылка на Янке). Создаются небольшие установки при нейтронных мониторах, состоящие из газовых пропорциональных борных и гелиевых счетчиков без свинцовой мишени и/или без внешнего полиэтилена. Такие детекторы имеют другой диапазон энергий, и если нейтронные мониторы имеют порог порядка 50 МэВ, то эти детекторы регистрируют также тепловые и надтепловые нейтроны. По этой причине они, в отличие от нейтронных мониторов, чувствительны к изменениям в атмосфере и грунте. Полностью открытые нейтронные детекторы еще более чувствительны к тепловым нейтронам, а значит и к различным геофизическим процессам способным модулировать эти потоки.
Возникает проблема разделения атмосферных и геодинамических факторов, и задача их исследования. В частности из атмосферных эффектов в ряде статей внимание уделяется влиянию влажности воздуха и грунта, эффекту снега, влиянию гроз.
На ECRS 2012 был представлен доклад, посвященный наблюдению форбуш-понижений сцинтилляционными нейтронными детекторами на основе 6LiF +ZnS [10].
В последние годы активно обсуждается также проблема изменения темпа счета нейтронов во время гроз. Теоретически предполагается возможное увеличение темпа счета нейтронов, за счет так называемого эффекта TGF - то есть тормозного излучения ускоренных в поле облаков электронов и последующей (,n)-реакцией. Теоретические оценки этого эффекта имеют порядок нескольких процентов. При этом, что касается реальных наблюдений, различные авторы сильно рознятся в оценке наблюдаемого эффекта. К примеру, в эксперименте ФИАН на Тянь Шане утверждается об увеличении фонового потока тепловых нейтронов на 100-150% [5], в Якутске - 35-40% [6], на Арагатце - 3-5% [7], на Тибете - 2-3% [8]. При этом отдельного внимания заслуживает статья [9], где наблюдается падение темпа счета во время грозы после длительного сухого периода, где наблюдается падение темпа счета на 2-4%, при этом восстановление темпа счета происходит только через сутки. Подобный эффект также наблюдался ранее в работе [2]. Этот эффект объясняется влиянием сильного увлажнения грунта и повышенным из-за этого замедлением и поглощением нейтронов (на водороде).
В данной работе проведена обработка данных установки "Нейтрон" (МИФИ) с целью исследования возможности наблюдения форбуш-понижений установкой, проверки влияния гроз на темп счета нейтронов и попутного изучения влияния атмосферных факторов на темп счета тепловых нейтронов, а также периодических сезонных и суточных вариаций фонового потока тепловых нейтронов с помощью специализированных неэкранированных сцинтилляционных детекторов.
1. Описание установки
Для регистрации тепловых нейтронов в работе используются счетчики, работающие на сцинтилляторе ZnS(Ag) + 6LiF, который представляет собой белый порошок в виде гранул, заламинированный в полиэтиленовую пленку (средняя толщина слоя 30 мг/см2). Реакция захвата нейтрона:
6Li + n > T + + 4,78 МэВ
В нейтронном счетчике сцинтиллятор находится в основании диффузора, выполненного в виде усеченной четырехгранной пирамиды, на вершине которой расположен фотоэлектронный умножитель ФЭУ-200 с регистрирующей электроникой. Конструкция нейтронного детектора приведена на рис.2. Внутренняя поверхность диффузора покрыта белой краской с высоким коэффициентом диффузного отражения (? 95 %, что уменьшает потери сцинтилляционного света внутри детектора. Также эффективному светосбору способствует пирамидальная форма корпуса.
Рис. 2. Конструкция нейтронного детектора. 1 - ФЭУ-200; 2 - сцинтиллятор ZnS(Ag) + 6LiF; 3 - светозащитный корпус детектора; 4 - светоотражающее покрытие.
В работе такие счетчики показали высокую надежность и стабильность при достаточно высокой эффективности регистрации тепловых нейтронов - 20%. Счетчик был разработан в ИЯИ РАН и используется в прототипе установки PRISMA для регистрации широких атмосферных ливней [3], [4]. Эффективная площадь детектора составляет 0,75 м2.
Детекторы были установлены на разных уровнях относительно грунта от -3 м до 6 м. Это позволяет проводить измерения под разной толщиной поглотителя (бетона): 0 (2-й детектор), 25 см (4-й детектор), 50 см (3-й детектор) и 100 см (4-й детектор). Также важно расстояние от границы раздела "земля-воздух", вблизи которой есть градиент концентрации нейтронов [3]. Также размещение детектора №1 в подвале делает его особенно чувствительным к вариациям концентрации радона, выходящего из грунта. Места расположения детекторов:
1. Первый детектор расположен в подвале здания на уровне (- 3 м).
2. Второй детектор находится в галерее (переход между зданиями) на уровне второго этажа (4 м).
3. Третий в холле на втором этаже (3 м).
4. Четвертый на третьем этаже (6 м) м.
Схематичное изображение расположения детекторов показано на рис.
Рис. 3. Схема размещения детекторов установки "Нейтрон".
Электроника состоит из компьютера, источника низкого напряжения (±12 В), источника высокого напряжения, триггерный блок - общих для всех детекторов и дискриминаторов-интеграторов на каждом детекторе. Схема электроники представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схема электроники установки "Нейтрон".
У всех детекторов подобрано одинаковое усиление. В этом можно убедиться по спектрам сигналов от нейтронов, представленным на рис. 5.
Рис. 65. Спектры сигналов с детекторов установки "Нейтрон".
Очень важной особенностью установки "Нейтрон" в отличие от большинства других экспериментов по изучению потока нейтронов является отбор нейтронного сигнала по форме импульса. На рис.5 представлены формы сигналов от нейтрона (а) и заряженной частицы (б).
Рис. 5. Осциллограммы сигналов с детекторов установки "Нейтрон". а) - сигнал от нейтрона б) - сигнал от заряженной частицы.
Данные с установки "Нейтрон" представляют собой суточные файлы, содержащие в название дату записи. Показания счетчиков сигналов сбрасываются в файл каждые пять минут, таким образом, файл содержит данные за 288 пятиминутных интервалов (ранов). Файл состоит из 12 колонок: номер рана, 4 колонки счетчиков нейтронов, 4 колонки счетчиков коротких импульсов, не прошедших отбор по форме сигнала, 3 колонки с показаниями датчиков давления, температуры и влажности. Пример файла представлен на рис.
Рис. 7. Первичные данные с установки "Нейтрон".
2. Фильтрация и подготовка данных
Для дальнейшей обработки данных необходимо было провести их фильтрацию. Первая проблема, с которой мы столкнулись, - многие файлы содержат количество ранов отличное от 288. Более подробное рассмотрение файлов показало, что за время работы установки систематически с периодичностью раз в 5-6 дней терялся один ран. Кроме того, порядок нумерации ранов неоднократно сбивался: какие-то раны повторялись, какие-то терялись, какие-то имели номер меньше чем предыдущий, а какие-то содержали нулевые строки данных. Эти ошибки были обнаружены также и в файлах, содержащих верное количество ранов. Очевидно, что подобные данные непригодны в таком виде для последующей обработки, а также для прикрепления к ним данных метеостанции. Пример ошибки в данных показан на рис. 2.
Рис. 8. Пример ошибки в первичных данных (ран №1 повторяется дважды и второй раз он нулевой).
Для решения этой проблемы была разработана технология предварительной коррекции данных. Алгоритм этой технологии следующий:
1. Данные раскладываются по папкам помесячно (дальнейшая обработка происходит с месячными массивами данных - то есть 28, 29, 30 или 31 однодневный файл).
2. В данных ищутся ошибки. Создается файл, содержащий описание ошибок каждого дня, а также информацию о том какой файл содержит 288 ненулевых строк, а какой содержит иное количество, уже вне зависимости от нумерации.
3. Из всех файлов удаляются нулевые строки.
4. Для файлов содержащих 288 ненулевых ранов делается перенумеровка всех строк с 0 до 287. Так устраняются сбои нумерации.
5. У файлов содержащих иное количество строк меняется расширение на bad. Эти файлы далее просматриваются вручную с использованием файла, содержащего ошибки всех данных за период и созданного ранее. В случае нехватки в данных одного или нескольких ранов (например, отключение установки) и отсутствии других видимых недостатков данные считаются хорошими и возвращаются в общую массу. В иных случаях решение относительно каждого файла принимается индивидуально.
6. Далее скорректированные таким образом данные собираются в общие файлы. Вместо номеров ранов строкам присваивается соответствующие им дата и время. Для данных полученных начиная с августа 2011 (начало работы метеостанции НЕВОДа) года вместо значений давления и температуры, записанных датчиками установки, в те же колонки записываются данные метеостанции. Кроме того записываются показания влажности с метеостанции и показания влажности с датчиков установки (метеостанция измеряет относительную влажность, а датчик установки абсолютную, и, в виду сложности перевода одного параметра в другой, пишутся оба).
Кроме того мы столкнулись с наличием в данных ранов с большими и маленькими значениями темпа счета. Понятие большой и маленький темп счета, конечно, относительное. У нас это означает отклонение от скользящего среднего темпа счета (вычисляемого по предыдущим 10 значениям) на 30% (более трех сигм) в одну или другую сторону. Данные, в итоге, решено было создавать в двух вариантах: 1-й - как есть, 2-й - с 30% обрезанием по скользящему среднему по предыдущим 10 точкам.
Нужно добавить, что после сборки каждый месячный файл необходимо просматривать вручную для нахождения и удаления моментов нестабильности работы установки (например, когда работал нейтронный источник, или, когда первый детектор в подвале залило водой).
Программа Ineutron
Большая часть данного алгоритма была реализована в программе комплексной обработки данных Ineutron. Программа позволяет не только чистить и собирать файлы данных, но также нормировать данные, вводить поправку на давление, вычислять барометрические коэффициенты и среднемесячные темпы счета, усреднять данные методом наложения эпох и строить соответствующие периодограммы. Описание программы находится в приложении 1.
Структура базы данных
Также необходимо сказать о структуре папок созданной базы данных. Схема базы данных представлена на рис. 3.
форбуш нейтрон сцинтилляционный детектор
Рис. 93. Структура базы данных установки "Нейтрон 1".
Все данные находятся в папке DataNeutron. Внутри этой папки находятся папки 2010, 2011, 2012, соответствующие годам работы установки, и папка MeteoNEVOD, содержащая данные метеостанции в виде годичных файлов. Внутри папки за год находятся папки с названиями ByMonth, WholeYear, соответственно с данными помесячно и за весь год. Внутри папки ByMonth содержатся папки с названиями вида 01January. Внутри каждой такой папки находятся папки NotCorrected, Good , VeryGood . В папке NotCorrected находятся данные с установки за месяц в чистом виде и соответствующий файл DataTest.dat. В папке Good - исправленные данные за каждый день и собранный файл, а также файлы дальнейшей обработки. В папке VeryGood данные аналогичные тем, что в папке Good, но из которых удалены выбросы. В папке WholeYear - папки Good и VeryGood для данных за весь год. Пример содержимого папки Good данных за июнь 2011 года показан на рис. 4.
Рис. 10. Пример папки с данными за июнь 2011 года.
На рис. представлены полученные после фильтрации и подготовки данных темпы счета детекторов установки "Нейтрон" за 2011-2012 гг. без коррекции на давлении.
Рис. 11. Темп счета тепловых нейтронов для 4-х детекторов установки "Нейтрон" за 2011-2012 гг..
3. Исследование вариаций фоновых потоков тепловых нейтронов
Изучение поведения барометрических коэффициентов.
Наибольшее влияние на вариации фоновых потоков тепловых нейтронов оказывает давление, поэтому для корректного анализа полученных данных и наблюдения более тонких эффектов необходимо ввести барометрическую поправку. Как известно, характерная величина барометрического коэффициента для адронов космических лучей составляет примерно -1% / мм рт. ст. Поскольку наши детекторы чувствительны и к нейтронам от естественной радиоактивности, то для наших детекторов этот коэффициент должен быть несколько меньше.
Поправка на давление вводилась следующим образом:
1. Темп счета нейтронов за каждый месяц нормировался на среднемесячное значение.
2. Строилась зависимость нормированного темпа счета от атмосферного давления в мм рт. ст. и аппроксимировалась прямой (рис. 6.).
Рис. 12. Корреляция темпа счета детектора №2 с давлением
3. Зависимость аппроксимировалась прямой, тангенс угла наклона прямой называется барометрическим коэффициентом.
4. В данные вводилась поправка по формуле:
Где Ncorr-темп счета с введенной поправкой, Nnorm-нормированный темп счета, P - атмосферное давление, <P> - среднемесячное атмосферное давление, в - барометрический коэффициент (отрицательный).
На первом этапе обработки данных были посчитаны барометрические коэффициенты для каждого детектора за каждый месяц из рассматриваемого периода. На рис. 6. хорошо видно как несколько значений для второго детектора значительно отличаются от среднего, и превышают 1%/мм рт. ст.
Рис. 13. Барометрические коэффициенты для детекторов 1-4 за 23 месяца работы установки.
Это не согласуется со сделанными предположениями о том, что барометрический коэффициент для темпа счета тепловых нейтронов всегда меньше единицы [Стенькин]. Это предположение основано на том, что источниками тепловых нейтронов в основном являются космические лучи и радон. Считается, что влияние давления на выход радона на порядок ниже чем, на поток космических лучей, а для КЛ барометрический коэффициент равен 1%/мм рт. ст. Таким образом, кажется странным получить барометрический коэффициент для тепловых нейтронов больше 1% / мм рт. ст.
При детальном рассмотрении выяснилось, что в месяцы этих превышений наблюдалось наличие в месяце двух значительно отличающихся барометрических коэффициентов. Пример показан на рис. 7.
Рис. 14. Пример корреляции темпа счета с давлением за март 2011г.
Причем, каждому барометрическому коэффициенту соответствует примерно половина месяца (одному первая половина, второму - вторая). Один из двух тангенсов угла наклона прямой близок к среднему за весь период, а другой отличается на 20-30%. На рис. 8. показана картина при учете только половин с нормальным наклоном фита.
Рис. 15. Барометрические коэффициенты для детекторов 1-4 за 23 месяца работы установки с исправленными двойными барометрическими коэффициентами.
Можно отметить в частности наличие 2-х наклонов прямой в марте 2011г. и в марте 2012г. Предположительно, это связано с таянием снега.
Исследование влияния снега на темп счета тепловых нейтронов.
Были построены графики нормированного темпа счета за весь период наблюдений, с введенной поправкой на давление (рис. 9).
Рис. 16. Темпы счета детекторов 1-4 с поправкой на давление и нормированные за 23 месяца работы установки.
Падение темпа счета на 20% в июле 2011г. в первом детекторе связано с переносом его в другое место. На графиках отчетливо видны провалы в период с января по март во всех детекторах, которые, вероятно, связаны со снежным покровом. Также приведены графики температуры (по данным метеостанции ВВЦ) и темпа счета в феврале-марте 2011г. (рис. 10) и темпа счета и снега (по данным метеостанции ВВЦ) в ноябре-марте.
Рис. 17. Темп счета 2-го детектора с поправкой на давление и температура зимой 2010-2011гг.
Ниже на рис. 11. для сравнения приведен аналогичный график из работы.
Рис. 18. изменение темпа счета в открытом счетчике и в нейтронном мониторе в период таяния снега.
На рис.12 приведены темпы счета 2, 3, 4-го детекторов в период с 1 октября 2011 г. по 1 мая 2012 г.
Рис. 19. Высота снежного покрова и темп счета детекторов 2-4 с поправкой на давление зимой 2010-2011.
Рис. 20. Высота снежного покрова и темп счета детекторов 2-4 с поправкой на давление зимой 2011-2012.
На первом детекторе, расположенном в подвале, влияние снега значительно слабее, чем на остальных, поэтому он не представлен на графике.
Исследование гроз.
Грозоотметчик
Для того, чтобы можно было с уверенностью говорить о близком ударе молнии был изготовлен грозоотметчик принципиальная схема которого показана на рис. 19.
Рис. 21. Схема грозоотметчика.
Устройство работает таким образом, что при сильном электромагнитном излучении вблизи него напряжение на лампочке резко меняется, и она загорается (мигает). Схема была немного доработана, лампа заменена на светодиод и сопротивление. Падение напряжение на этом сопротивлении подавалось на вход АЦП, и при его резком изменении счетчик добавлял событие, и выдавал количество событий в файл раз в пять минут. Грозоотметчик был испытан в начале июля и показал хорошие результаты: отсутствие ложных срабатываний (проверялся отклик на включение галогеновой лампы в помещении лампы), срабатывание во время сильных грозы в те отрезки времени, когда рядом был слышен раскат грома. Таким образом, с его помощью удалось с хорошей точностью регистрировать близкие электрические разряды (молний) в атмосфере.
Зарегистрированные грозы
За время работы в июле и августе за исключением 20.07.2012 влияние эффекта молнии на темп счета тепловых нейтронов не обнаружено. На рис. 20 показан пример грозы 19.07.2012, когда было зарегистрировано несколько близких разрядов.
Рис. 22. Гроза 19.07.2012. Показания грозоотметчика и детекторов 4,3,2 установки "Нейтрон".
Видно, что в моменты времени соответствующие ударам молний никаких видимых особенностей темпа счета не наблюдается. Следует подчеркнуть, что в нашем эксперименте проводится отбор нейтронных сигналов с детекторов по форме импульса, и возможность искажения темпа счета шумами и электромагнитными наводками исключается.
Отдельного внимания заслуживает гроза 20.07.2012, в ходе которой сильный электрический разряд, вероятно, прошел в непосредственной близости от здания экспериментального комплекса НЕВОД, в результате чего вышла из строя значительная часть сетевого оборудования комплекса и 2 АЦП на установке по исследованию тепловых нейтронов (к одному из них был подключен грозоотметчик). К сожалению, во время удара молнии также выключился источник высокого напряжения наружного детектора установленного на лестнице экспериментального комплекса. Таким образом, полноценные наблюдения изменения темпа счета нейтронов во время грозы проводились только 4-мя основными детекторами установки. Детектор 2 зарегистрировал резкое (в течение 20 мин) снижение темпа счета на ~5%. после удара молнии. Прежний уровень темпа счета восстановился только на следующий день. На рис. 21 приведены: показания грозоотметчика до момента удара молнии включительно (после этого перегорел АЦП, к которому он был подключен), показания детектора №2, давление и относительная влажность по данным метеостанции НЕВОДа.
Рис. 23. Гроза 20.07.2012. Показания грозоотметчика, детектора 2, графики давления и относительной влажности.
Наблюдаемый скачок в показаниях второго детектора возможно, связан с изменением влажности (по крайней мере, на графике Rh наблюдается синхронный скачок) и с большим количеством выпавших осадков. На рис. 22 приведены показания всех 4х детекторов установки во время грозы. Ни на одном детекторе кроме №2 не видно никаких особенностей (вероятно, это объясняется тем, что детектор 2 наиболее открыт и наиболее чувствителен к атмосферным эффектам).
Рис. 24. Гроза 20.07.2012. Показания 1,2,3,4 детекторов установки "Нейтрон".
Также был проведен поиск подобных скачков во время других гроз в течение лета 2012, зарегистрированных грозоотметчиком и гроз за 2011-2012 гг. зарегистрированных различными московскими метеостанциями. Аналогичный отклик был обнаружен 15.07.2011, когда по данным метеостанции ВДНХ в этот день выпало около 9 мм. осадков после недельного сухого периода. Других подобных откликов обнаружено не было. Показания детекторов установки Нейтрон 15.07.2011 приведены на рис. 23.
Рис. 25. Гроза 15.07.2011. Показания 1,2,3,4 детекторов установки "Нейтрон".
Таким образом, не подтверждается наличие эффектов, наблюдаемых в работах: [3] - (увеличение темпа счета тепловых нейтронов на ~150%), [4] - (увеличение темпа счета тепловых нейтронов ~ 37%), [5] -(увеличение темпа счета тепловых нейтронов ~ 3-5%).
Что касается падения темпа счета после дождя, то такое падение наблюдалось и ранее:
1. в борном счетчике, окруженном 2 см полиэтилена в работе [Hatton] во время дождей, Это видно на рис. приведенном выше.
2. в гелиевых счетчиках, окруженных 2.5 см полиэтилена во время некоторых гроз в работе [Янке]. Ниже приведены графики, полученные в этой работе: рис. и рис.
Рис. 26. Падение темпа счета безсвинцовых нейтронных мониторов во время гроз.
На рис. 24 представлены темпы счета нейтронов, полученные с помощью гелиевых счетчиков. Для измерений потоков гамма-квантов и заряженных частиц в этой работе использовались сцинтилляционный и пропорциональный счетчики.
Рис. 27. Падение темпа счета безсвинцовых нейтронных мониторов во время гроз.
Также на рис. 24 представлены темпы счета нейтронного монитора, безсвинцовых гелиевых счетчиков и ниже показания пропорционального счетчика. В работе справедливо предполагается, что данное падение связано с увеличением влажности грунта.
Регистрация и изучение Форбуш-понижений.
Детекторы установки Нейтрон расположены на разных этажах здания и защищены от космических лучей разным количеством вещества - разной толщиной бетона. Это создает порог для адронов космических лучей рождающих нейтроны вблизи детекторов.. При тонком поглотителе порог обусловлен, в основном, минимальными ионизационными потерями 2 МэВ г-1 см2. Для толстого поглотителя следует учитывать ядерное взаимодействие адронов и выход рождающихся там вторичных нейтронов. Таким образом, для 1-го детектора порог равен >>0.5 ГэВ (~ 100 см бетона), для 3-го - >0.25 ГэВ, для 4-го - >0.125 ГэВ. 2й детектор расположен в галерее между зданиями вплотную к стене здания бассейна. В результате с половины направлений он экранирован большой толщей воды. С оставшихся направлений он закрыт узким верхним перекрытием галереи (с боков она застеклена). Таким образом, сложно говорить о каком-то конкретном пороге для второго детектора, но за счет стеклянных стен он чувствителен к атмосферным тепловым нейтронам.
На 23d ECRS (2012) в Москве в работе [6], было показано наблюдение эффекта форбуш-понижения 8 марта 2012 г. в данных установки "Нейтрон" и др. нейтронных детекторов этого же типа (аналогичные детекторы расположены на Баксане в Кабардино-Балкарии, в Gran Sasso в Италии, в Обнинске и в МГУ). В продолжение этой работы был проведен поиск крупных форбуш-понижений, за 2011-2012 гг. в данных установки "Нейтрон". Для сравнения использовались данные с Московского нейтронного монитора.
Для поиска в данных установки "Нейтрон" форбуш-понижений применялось 3-х часовое сглаживание.
Видна очень хорошую корреляцию показаний нейтронных детекторов и нейтронного монитора. Более того, величины эффектов ФП также довольно близки. Это позволяет говорить о возможности наблюдения форбуш-понижений на установке "Нейтрон". На рис. 25 показано ФП 08.03.2012 по данным МНМ и детектора 2 установки Нейтрон. Видно, что данные хорошо коррелируют, также видно, что амплитуда для первого из двух последовательных ФП больше на МНМ, а второго на D2.
Рис. 28. ФП 08.03.2012 по данным МНМ и детектора 2 установки "Нейтрон".
На рис. 26 представлены данные со всех 4-х детекторов установки Нейтрон во время ФП 08.03.2012 вместе с данными МНМ. Были сделаны оценки амплитуды ФП для каждого детектора.
Рис. 29. ФП 08.03.2012 по данным МНМ и детекторов 1-4 установки "Нейтрон".
На рис. 27 представлена зависимость амплитуды ФП 08.03.2012 на детекторе установки от толщины вещества над детектором. Зависимость описывается экспонентой с параметром затухания ~ 500 г/см2.
Рис. 30. Зависимость амплитуды ФП 08.03.2012 от толщины вещества над детектором
Ниже представлена таблица №1, в которую занесены амплитуды всех рассмотренных за период 2011-2012 гг. ФП для МНМ и детекторов установки Нейтрон.
Табл. 1. Амплитуды обработанных ФП за 2011-2012 для детекторов установки "Нейтрон" и МНМ.
К сожалению, никаких корреляций между амплитудами ФП на разных детекторах установки "Нейтрон" не наблюдается. Также не наблюдаются корреляции с амплитудами на МНМ.
На рис. 28 представлено одно из рассмотренных ФП (29.03.2011), которое, в данных установки Нейтрон и МНМ хорошо видно. Однако в данных детекторов 2-4 установки наблюдается предшествовавшее ему понижение 28.03.2011, на втором детекторе имеющее амплитуду большую чем у рассматриваемого ФП. В данных МНМ ФП в этот день нет, также его нет и в данных всех остальных нейтронных мониторов.
Рис. 31. ФП 29.03.2011 по данным МНМ и детекторов 1-4 установки "Нейтрон".
Наблюдаемые периодичности.
Установка "Нейтрон" позволяет наблюдать геодинамические эффекты. Для проверки правильности работы установки, а также возможности наблюдать тонкие эффекты, такие как вариации собственных колебаний Земли, в данных проводился поиск суточной и лунной периодичностей.
Суточная волна.
Поиск проводился методом наложения эпох, то есть накладывались точки отстоящие друг от друга на заданный интервал времени. Соответственно для суточной волны этот интервал равен 24 часа (288 пятиминутных точек).
На рис. 14 показана суточная волна, построенная по данным 4-х детекторов за 24 месяца непрерывной работы. При построении графика использовалось 3-х часовое сглаживание.
Рис. 32. Суточная волна по данным детекторов установки "Нейтрон" за период с 01.01.2011 по 31.12.2012.
Видно, что амплитуда волны во 3-м и 4-м детекторах в два раза меньше чем на 2-м детекторе. На детекторе №1 суточная волна вообще не наблюдается. Это позволяет говорить о том, что детектор №2 значительно более чувствителен к изменениям в атмосфере, чем другие детекторы.
Ниже на рис. 15 показана суточная волна по показаниям датчиков температуры метеостанции НЕВОДа. Очевидно наличие корреляции между ней представленными волнами в детекторах (особенно в D2), что говорит о прямо пропорциональном влиянии температуры на темп счета тепловых нейтронов.
Рис. 33. Суточная волна по данным датчика температуры с 01.01.2011 по 31.12.2012 и суточная волна в D2.
На рис. 17 показана волна с периодом 24 ч. 50 мин., что соответствует 2м лунным приливным периодам (12 ч. 25 мин.), построенная по данным детектора №1 за период с 21.12.2010 по 31.12.2012. Выбор начальной точки объясняется наличием полнолуния и верхней кульминации луны в полночь 21.12.2010. Также использовано 3-х часовое сглаживание.
Рис. 34. Лунная полусуточная приливная волна (М2) по данным детектора №1 установки "Нейтрон" за период с 21.12.2010 по 31.12.2012.
Наличие данной волны объясняется в работе [Кужевский] и связано с вариациями концентрации радона в верхних слоях грунта. Воздействие гравитационных сил со стороны луны вызывает не только приливы в морях, но и так называемые земные приливы [Мельхиор]. А "дыхание" земной поверхности влияет на выход радона из грунта.
Надо отметить, что амплитуда волны крайне мала и составляет всего 0.2 %. На других детекторах установки "Нейтрон" она не наблюдается, что означает наибольшую чувствительность детектора №1, расположенного в подвале, к нейтронам от распада радона. На рис. также приведена аналогичная волна, построенная за такой же период по данным точно такого же детектора установленного в Италии в лаборатории Gran Sasso. Видно, что форма волны и фазы совпадают. Также на обоих рис. видна корреляция максимумов волны с верхней и с нижней кульминациями луны.
При этом, видно, также, что по данным детектора в Gran Sasso амплитуда волны больше чем по данным детектора в МИФИ. Это объясняется свойствами грунта: в Gran Sasso грунт скальный, в Москве глинистый, что уменьшает выход радона.
Рис. 35. Лунная полусуточная приливная волна (М2) по данным нейтронного детектора, расположенного в Gran Sasso за зимние и летние периды.
Заключение
В ходе работы были получены следующие результаты:
1. Разработана новая методика фильтрации, подготовки и предварительной обработки данных установки "Нейтрон". На основе методики написана программа, которая позволяет исключать периоды неисправностей, собирать данные, вводить поправку на давление и т. д.
2. Получен временной ряд данных вариаций фоновых потоков тепловых нейтронов, зарегистрированных четырьмя детекторами, находящимися в различных условиях за 2 года. Исследовано влияние атмосферного давления и величины снежного покрова на темп счета тепловых нейтронов. Методом наложения эпох по данным установки получены суточная и лунная периодичности.
3. Проведен поиск отклика нейтронных детекторов на крупные форбуш-понижения за 2011-2012 гг. Исследованы корреляции темпов счета детекторов установки "Нейтрон" с Московским нейтронным монитором. Получены оценки амплитуд крупных форбуш-понижений, зарегистрированных установкой "Нейтрон" за 2011-2012 гг., для каждого из 4-х детекторов. Наблюдаемые различия во времени форбуш-понижения и амплитуде объясняются различным положением детекторов относительно зданий, водного бассейна установки НЕВОД и слоем бетона над ними.
4. Проведены исследования по поиску влияния гроз на вариации фоновых потоков тепловых нейтронов. Статистически значимого увеличения темпа счета не обнаружено ни в одной из наблюдавшихся гроз, в том числе во время грозы 20.07.2012, когда молниевый разряд прошел в непосредственной близости от установки. При этом во время нескольких гроз наблюдалось уменьшение темпа счета детектора 2 установки "Нейтрон", что может быть связано с резким выпадением большого количества осадков после продолжительного сухого периода.
5. По результатам исследования можно сделать вывод, что созданная установка "Нейтрон" оказалась эффективным инструментом для изучения вариаций фоновых потоков тепловых нейтронов.
Список литературы
1. С. J. Hatton The neutron monitor. //Progress in elementary particle and cosmic ray physics 1971 c. 3-97.
2. M. Bercovitch // Proc. Intern. Conf. Cosmic Rays, Calgary 1967 Part A. с. 267.
3. Д.М. Громушкин, А.А. Петрухин, Ю.В. Стенькин и др. Регистрация потока тепловых нейтронов вблизи поверхности Земли. //Изв. РАН. Серия физич., т. 73, № 3, 2009, с. 425-427.
4. В. В. Алексеенко, Д. М. Громушкин, Ю. В. Стенькин. Сравнительные измерения наземных потоков тепловых нейтронов в лабораториях БНО ИЯИ РАН и LNGS(Италия) // Известия РАН. Серия физическая. 2011, том 75, №6, с. 908-910.
5. A.V.Gurevich, V.P.Antonova, A.P.Chubenko, Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms. PHYS. REV. LET. 2012, 108, 125001.
6. V. Kozlov and oth. Neutron bursts associated with lightning cloud-to-ground discharges. Proc. Of 23d ECRS (Moscow 2012) ID: 330.
7. A. Chilingarian, Thunderstorm Ground Enhancements at Aragats (TGEs) - new high-energy phenomenon originated in the terrestrial atmosphere. Proc. Of 23d ECRS (Moscow 2012) Highlight talk.
8. H.Tsuchiya and oth. Observation of thundercloud-related gamma rays and neutrons inTibet// Physical Review D 85 (2012)
9. E. Eroshenko, P. Velinov, A. Belov, V.Yanke Relationships between neutron ?uxes and rain ?ows // Advances in Space Research 46 (2010) с. 637-641.
10. V. Alekseenko, F. Arneodo, G. Bruno, W. Fulgione, D. Gromushkin, O. Shchegolev, Yu. Stenkin, V. Stepanov , V. Sulakov. Registration of Forbush decrease 2012/03/08 with a global net of the thermal neutron scintillation en-detectors Journal of Physics: Conference Series 409, (2013).
Приложение
Описание программы Ineutron
Программа Ineutron написана на языке C++ в среде Turbo C++. Интерфейс показан на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Интерфейс программы INeutron.
Программа предназначена для комплексной обработки данных с установки "Нейтрон" и включает в себя 12 подпрограмм:
1. Подпрограммы для очистки и сборки данных
· DataTest
· DataCorrect
· DeleteHigh/Low
· CombineNoMeteo
· CombineWithMeteo
2. Подпрограммы для первичной обработки данных
· Normalize
· NormalizeByMonth
· CorrForBeta
3. Подпрограммы для анализа данных
· MiddleTemp
· BarKoeff
· FindWave
· WaveSpectrum
Каждой подпрограмме соответствует одноименная кнопка интефейса.
DataTest
Подпрограмма DataTest осуществляет поиск ошибок в данных и составление соответствующего файла. При нажатии кнопки необходимо указать первый файл, и она последовательно обработает все файлы данных в папке. Пример файла-результата работы подпрограммы показан на рис. 3.
Рис. 3. Пример файла-результата подпрограммы DataTest.
Расшифровка ошибок:
· No Run - ран с таким номером отсутствует
· Excess Run - ран с таким номером есть, хотя его быть не должно. Такая ошибка появится, если номер рана будет больше 287.
· Zero Run - ран содержит нулевую строку данных. То есть, по меньшей мере, в колонке одного счетчика нейтронов содержится число <40% от его среднего темпа счета.
· Bad Run - в этом месте произошёл сбой нумерации и текущий номер рана меньше предыдущего.
· Zero Run In The End - частный случай предыдущей ошибки, когда нулевой номер рана записан в конце файла. Ошибка вынесена отдельно потому, что в отличие от предыдущей соответствует не сбою работы установки, а изменению формата нумерации ранов в файле.
· High/Low Amplitude - значение одного из счетчиков нейтронов на 30% больше/меньше скользящего среднего по предыдущим десяти точкам. В строке указываются по очереди текущие значения счетчиков и соответствующие средние.
· Строка -------------BAD FILE------------- означает, что в файле данных количество ненулевых ранов не равно 288.
В файле данных должно быть 288 ранов. Большую часть времени работы установки использовалась нумерация ранов [0…287]. Но были промежутки времени, когда использовалась нумерация [1…288] или [1…287 0). В этом случае программа покажет подряд ошибки 0 - No Run, 288 - Excess Run или 0 - Zero Run In The End.
DataCorrect
Подпрограмма DataCorrect последовательно открывает суточные файлы данных и осуществляет удаление из данных нулевых строк, перенумерацию строк в тех файлах, где количество ранов равно 288 и изменение на bad расширения остальных файлов. При нажатии кнопки DataCorrect диалог, в котором необходимо указать файл, с которого начнется коррекция. Далее программа обработает все файлы в папке, с датой более поздней чем у указанного. Bad файлы после этого могут быть исправлены вручную и возвращены в общую массу.
Таким образом, все файлы становятся пронумерованными от 0 до 287, в них нет повторений и нулевых ранов.
DeleteHigh/Low
Подпрограмма предназначена для удаления из данных значений выше и ниже порога обрезания. Порог обрезания на данный момент - 30% от скользящего среднего по 10 предыдущим точкам. При нажатии кнопки в диалоге необходимо открыть первый файл обрабатываемого временного периода. Все остальные файлы за период должны находиться в той же папке, что и указанный файл.
CombineNoMeteo
Кнопка CombineNoMeteo осуществляет сборку данных в общий файл, присвоение строкам вместо номеров ранов значений даты и времени, присвоение колонкам названий и добавление одной нулевой колонки. Колонки называются:
· DateTime - дата и время, разделенные пробелом.
· N1…N4 - показания счетчиков нейтронов.
· Ch1…Ch4 - показания счетчиков коротких импульсов.
· Pa - атмосферное давление
· Ta - температура воздуха на улице
· Ah - абсолютная влажность
· Rh - относительная влажность (нулевая в данном случае, т. к. датчики установки не её измеряют).
При нажатии кнопки открывается диалог, в котором необходимо указать файл, с которого начнется сборка, и программа соберет этот и все более поздние по дате файлы, имеющиеся в папке.
CombineWithMeteo
Кнопка CombineWithMeteo осуществляет аналогичную сборку данных в общий файл, но с записью в колонки давления и температуры данных с метеостанции НЕВОДа, а в колонку Rh, в которую предыдущая кнопка пишет нули - значений относительной влажности с метеостанции.
При нажатии кнопки сначала открывается диалог, в котором необходимо указать файл, с которого начнется сборка, после чего открывается диалог, где надо указать файл с данными метеостанции. Пример файла с данными метеостанции показан на рис. 6.
Рис. 6. Пример файла с данными метеостанции.
Таким образом, кнопка CombineNoMeteo предназначена для данных до августа 2011 года, а кнопка CombineWithMeteo - после. Количество колонок в обоих файлах одинаковое. Пример собранного файла данных показан на рис. 5. Выходные файлы называются OutFile.dat.
Рис. 5. Пример собранного файла данных.
Normalize
Подпрограмма открывает OutFile.dat, и создает файл Normalize.dat, содержащий данные, нормированные на средние значения за весь период.
NormalizeByMonth
Работает аналогично предыдущей подпрограмме, но выходной файл NormByMonth.dat, содержит данные нормированные на свои среднемесячные значения.
CorrForBeta
Подпрограмма отрывает файл NormByMonth.dat и создает файл CorrForBeta.dat, содержащий данные с введенными поправками на среднемесячные барометрические коэффициенты. Результат работы подпрограмм NormbyMonth и CorrForBeta показан на рис. 7
Рис. 7. Нормированный темп счета второго детектора за июнь 2011 года (верхний) и он же с поправкой на барометрический коэффициент.
MiddleTemp
Подпрограмма MiddleTemp создает файл MiddleTemp.dat, содержащий помесячные средние значения темпов счета всех детекторов (и по нейтронам и по коротким импульсам) и метеопараметров. В качестве входного файла должен использоваться созданный предыдущими подпрограммами OutFile.dat.
BarKoeff
Подпрограмма BarKoeff методом линеной аппроксимации с учетом ошибок барометрические коэффициенты помесячно и выдает результаты работы в файл BarKoeff.dat. файл содержит колонку с номером месяца и 16 колонок барометрических коэффициентов и их ошибок (для 4-х счетчиков нейтронов и 4-х счетчиков коротких импульсов).
FindWave
FindWave осуществляет алгоритм метода наложения эпох с задаваемым периодом. На данный момент период задается в ранах и должен быть кратен целому их числу. Создается файл Wave<число ранов в периоде>.dat, например Wave288.dat.
WaveSpectrum
WaveSpectrum строит периодограмму в заданных пределах значений периода, используя метод наложения эпох. То есть, данные усредняются методом наложения эпох с конкретной длинной периода, результат сглаживается методом скользящего среднего, вычисляется разность между максимумом и минимумом, значение сохраняется. Алгоритм повторяется для всего заданного диапазона периодов. После этого в файл-результат записываются колонка значений периода и колонки амплитуд волны.
Программа Ineutron написана с использованием класса TDateTimeKadr и соответствующих функций, разработанных В. В. Шутенко, а также его реализацию алгоритма линейной аппроксимации.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Анализ возможности создания промышленной установки счета совпадений нейтронов и фотонов различных кратностей. Ознакомление с аппаратурой и методикой цифрового разделения нейтронов и гамма-квантов. Описание последовательности проведения эксперимента.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 07.02.2016Определение эффективных сечений для тепловых нейтронов. Расчет плотности потока нейтронов в однородном гомогенном реакторе; состава и макроскопических констант двухзонной ячейки. Критические размеры реактора. Коэффициент размножения в бесконечной среде.
курсовая работа [364,2 K], добавлен 10.12.2013ООбщие характеристики и классификация нейтронов, механизмы их взаимодействия с веществом: упругое и неупругое рассеяние; ядерные реакции с образованием протона, альфа-частицы. Процесс замедления нейтронов, диффузное отражение; нейтронные волны в средах.
реферат [107,9 K], добавлен 08.03.2012Исследование источников ультрахолодных нейтронов на стационарном реакторе. Анализ гамма-излучения продуктов активации. Расчет плотности потоков на входе и выходе в радиальный канал. Определение радиационного нагрева в различных материалах дефлектора.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 08.06.2017Основы ядерной энергетики. Способы получения энергии. Способы организации реакции горения, цепные реакции. Взаимодействие нейтронов с ядерным веществом, реакция деления ядер. Жизненный цикл нейтронов.
курсовая работа [20,6 K], добавлен 09.04.2003Изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами. Механизм протекания ядерной реакции. Коэффициент размножения нейтронов. Масса урана, отражающая оболочка и содержание примесей. Замедлители нейтронов, ускорители элементарных частиц.
доклад [18,8 K], добавлен 20.09.2011Использование в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, замедлителей нейтронов для повышения коэффициентов размножения нейтронов. Схема процессов в ядерном реакторе, его основные элементы. Построение и запуск первых ядерных реакторов.
презентация [559,1 K], добавлен 24.03.2011Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.
реферат [24,3 K], добавлен 20.12.2011Виды ионизирующих излучений. Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы. Виды взаимодействия нейтронов с ядрами атомов. Расчет биологической защиты ядерного реактора. Критерии биологической опасности радионуклидов в случае внутреннего облучения.
лекция [496,7 K], добавлен 01.05.2014Деление тяжелых ядер. Реакция деления ядра урана-235. Развитие цепной реакции деления ядер урана. Коэффициент размножения нейтронов. Способы уменьшения потери нейтронов. Управляемая ядерная реакция. Главные условия протекания термоядерной реакции.
презентация [459,5 K], добавлен 25.05.2014
