Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа

• Автор: Борог, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 184 с. : ил.

ГЛАВА 1. УСТАНОВКА МЮОННЫЙ ГОДОСКОП

1.1. Характеристики 51 2-канального годоскопа

1.1.1. Базовый трехметровый сцинтилляционный счетчик

1.1.2. Сборка усилителей-формирователей сигналов ФЭУ

1.1.3. Установка Мюонный годоскоп "ТЕМП"

1.2. Сбор и накопление данных в режиме on-line

1.2.1. Система регистрации при работе с микро-ЭВМДВК-ЗМ

1.2.2. Модернизированная система сбора на элементах ПЛИС

1.2.3. Блок-схема модернизированной системы регистрации

1.3. Эффективность работы аппаратуры

1.3.1. Тестирование в непрерывном режиме

1.3.2. Характеристики работоспособности установки
1.3.3. Статистика экспериментальных данных
1.4. Краткие выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ МАТРИЧНЫХ ДАННЫХ МЮОННОГО ГОДОСКОПА
2.1. Подготовка данных для физической обработки
2.1.1. Первичное представление данных
2.1.2. Учет тренда временных рядов
2.1.3. Выравнивание при наличии выбросов
2.2. Выделение скрытых периодичностей
2.2.1. Оконное преобразование Фурье
2.2.2. Анализ синхронных временных рядов
2.2.3. Особенности анализа временных
рядов пространственной интенсивности КЛ
2.3. Краткие выводы
ГЛАВА 3. ВАРИАЦИИ КЛ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА СОЛНЦЕИВММП
3.1. СКЛ высокой энергии
3.1.1. Распространение релятивистских СКЛ в ММП
3.1.2. Регистрация СКЛ высокой энергии в интегральном
потоке мюонов

3.1.3. Регистрация СПС "День Бастилии" по матричным данным
3.2. Диагностика возмущений ММП в потоке ГКЛ
3.2.1. Зондирование динамического состояния ММП
3.2.2. Зондирование структуры КВВ при их распространении в ММП
3.2.3. Идентификация петлевых структур ММП
3.3. Изучение динамики ГКЛ высокой энергии
3.3.1. Движение высокоэнергичных частиц ГКЛ в магнитосфере Земли
3.3.2. Метод регистрации тени Луны при умеренных энергиях ГКЛ
3.3.3. Тень Луны по матричным данным годоскопа
3.4. Краткие выводы
ГЛАВА 4. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И ДИАГНОСТИКА
АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
4.1. Высокоэнергичные мюоны в атмосфере
4.1.1. Решение кинетического уравнения для мюонов
4.1.2. Вариации потока мюонов в атмосфере
4.1.3. Метеоэффекты и метод мюонной диагностики
4.2. Диагностика температурного поля атмосферы
4.2.1. Оценка вариаций температуры по интегральному
потоку мюонов
4.2.2. Методика определения поля температуры по угловому
спектру мюонов
4.2.3. Динамика вертикального поля температуры
по данным мюонного годоскопа
4.3. Диагностика волновых процессов в атмосфере
4.3.1. Изучение ВГВ от грозовой активности
4.3.2. Изучение ВГВ при активных воздействиях на атмосферу
4.3.3. Предикторы высокоэнергетичных волновых процессов
4.4. Краткие выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Космические лучи галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) происхождения на протяжении десятков лет успешно используются в качестве зонда, который несет информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают. Особая роль отводится высокоэнергичным заряженным протонам, составляющим основную долю КЛ, попадающих на Землю. При этом интенсивность протонов СКЛ связана с высокоэнергичной импульсной активностью Солнца, а короткопериодные вариации и анизотропия ГКЛ в основном указывают на динамическое состояние межпланетного магнитного поля. В целом, поток ГКЛ (£ > 10 ГэВ), в условиях спокойного Солнца, практически изотропен по всей гелиосфере. Эта особенность ГКЛ, с учетом метеорологической зависимости интенсивности вторичных проникающих мюонов, образующихся в результате взаимодействий КЛ с атомами воздуха (на высотах 10-30 км), позволяет изучать поведение термодинамического поля нижней атмосферы Земли.
Вторичный поток мюонов обладает большей информативностью по сравнению с ядерноактивной нейтронной компонентой на поверхности Земли. При высокой энергии (Е> 10 ГэВ) все три поколения частиц (протоны, пионы и мюоны: р -»/г->/и) практически лежат на одной траектории, что позволяет восстанавливать пространственно-временные характеристики первичного потока КЛ. В этом смысле, регистрация мюонов для диагностических целей даже более предпочтительна. Таким образом, характеристики потока мюонов, регистрируемого на поверхности Земли, являются эффективным индикатором, данным самой природой, для дистанционного изучения динамики различных процессов в окружающей среде, включающей Солнце, гелиосферу, магнитосферу и атмосферу Земли.
На протяжении полувека, большой круг физических явлений изучается с помощью разветвленной сети автономных нейтронных мониторов. Исследован

высоте. Измерение приземной температуры, по аналогии с давлением, не отражает температуру столба атмосферы даже в среднем. Прямой учет этого эффекта вызывает ряд методических трудностей и может быть реализован для ограниченного круга задач с использованием разностного метода "скрещенных телескопов" [1]. Колебания давления и температуры приводят к медленным изменениям интенсивности мюонов на протяжении суточных отрезков времени. В дальнейшем, на суточных временных рядах будет проводиться фурье-анализ, который требует стационарности (среднее значение и дисперсия должны оставаться постоянными на любом участке ряда). Для корректной подготовки временных рядов к фурье-анализу вычисляется медленный тренд чисто математическими методами, без учета метеоэффектов.
Имеется много различных способов вычисления тренда [41, 42], однако не существует универсального рецепта, пригодного для анализа физических временных рядов различных процессов. В данном случае изучаются сравнительно высокочастотные вариации в поведении интенсивности мюонов, с периодами от двух минут до порядка одного часа. Минимальный период (2 мин) ограничен дискретностью шага по времени (1 мин). Максимальный период обусловлен решением физических задач, связанных с высокочастотными вариациями КЛ.
С математической точки зрения функция счета мюонов у-, измеряется равномерно по времени ?( (с постоянным шагом) и имеет практически одинаковые веса (~ 1/ сг?) в пределах каждого ряда матрицы, обусловленные статистической точностью. При этом вариация счета мюонов составляет несколько процентов и поэтому мало влияет на изменение веса в отдельных точках временного ряда. Для рядов такого типа наиболее оптимально вычислять тренд /(() с помощью ортогональных полиномов Чебышева с показателем степени не выше / [43]:
/] (?) = К0у/0 + Км (?) + ...А>, (?), где Ка = 2»; ... К, = (0/1>/2 (0>-