WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 3 09;12 О радиочастотном компоненте переходного излучения широкого атмосферного ливня © А.Д. Филоненко Восточноукраинский государственный университет, 91034 Луганск, Украина E-mail: uni@vugu.lugansk.ua (Поступило в Редакцию 1 июня 2000 г.) Впервые исследован механизм радиоэмиссии, вызванной переходным излученим противоположно заряженных частиц широкого атмосферного ливня в магнитном поле Земли. Найдено, что для ливней с энергией около 1022 eV, для которых максимальная стадия достигается на уровне моря, напряженность электрического поля составляет величину 60 µV/mMHz на расстоянии 500 km от оси ливня. Максимум спектральной интенсивности лежит в области, соответствующей минимуму атмосферных помех ( 1 µHz).

Эти обстоятельства стимулируют, по мнению автора, постановку эксперимента по радиодетектированию космических лучей высокой энергии, схема которого предложена в настоящей работе.

Идея радиодетектирования широкого атмосферного для данной модели с достаточной для нее точностью ливня весьма привлекательна своей простотой и воз- аппроксимируется зависимостью f (z) =N0 exp(-2 ·z2), можностями, недоступными для традиционных методов где = 1/3·10-3 m-1 определяется из того условия, что детектирования. Приблизительно в 80-х годах после активная часть пути, на которой число частиц в ливне измалоэффективных попыток осуществить регистрацию меняется в e раз, составляет расстояние, приблизительно космических частиц по высокочастотному компоненту равное 6 km.

радиоэмиссии интерес к исследованиям сместился в 3) Ливневой диск движется равномерно со скоростью область средних и длинных волн. Причина этого связана c 3 · 108 m/s по траектории с переменным радиусом с обнаружением роста спектральной интенсивности в кривизны. Такое движение вызвано слабым отклонением этом диапазоне частот. Были предложены механизмы в магнитном поле Земли и потерями энергии на ионизатакого феномена, как например в работах [1–3], где цию. Будем считать, где вышесказанное несущественно, авторы указывают на возможность доминирующей ро- что траектория ливня практически не отличается от верли радиоэмиссии в области 50–100 kHz, обусловленной тикали. Подавляющее число электронов (позитронов) торможением -электронов ливня. имеет при этом начальную энергию W1, характеризуеПродолжительную дискуссию вызвал вопрос о роли мую фактором 0 = 200. Ионизационные потери не переходного излучения в формировании радиоэмиссии зависят от скорости вплоть до = 2 и составляют на низких частотах (см. более подробно в [4]). В величину W = 0.25 MeV/m для нормальной атмосферы.

настоящей работе представлены принципиально новые Будем считать также, что частица принадлежит ливнерезультаты теоретических исследований возможности вому диску, если ее энергия, определяемая фактором, использования переходного излучения для детектирова- будет не менее 2.

ния широкого атмосферного ливня от первоначальной 4) Поскольку поле излучения исследуется на расстоячастицы с энергией более 1021 eV. Обнаружено, что нии R0, а диапазон интересующих нас частот лежит вследствие значительного разделения легких заряжен- в интервале 0 < <1MHz (так что размеры источника ных частиц в магнитном поле Земли интенсивность 2r0 <), то там, где это возможно, будем использовать радиоэмиссии возрастает приблизительно на порядок по для плотности тока выражение j = ±cf (z)q(r · r), сравнению с механизмом переходного излучения избы- где c = 3 · 108 m/s, r — значение радиус-вектора точными электронами [5]. произвольной точки пространства, z = z(t) = ct — Для оценки напряженности электромагнитного поля, уравнение движения ливневого диска, q = 1.6 · 10-19 C.

вызванного вторичным излучением от космической ча- 5) В горизонтальной составляющей магнитного поля стицы с энергией W0 1021 eV, будем представлять Земли нейтральный диск расщепляется поперек своего широкий атмосферный ливень (ШАЛ) следующей моде- движения на два так, что величина момента, образовавлью [6,7].

шегося таким образом диполя, равна 0.5 · N0qf (z)d, где 1) ШАЛ — это диск пренебрежимо малой толщины d — установившееся расстояние между центрами просо среднеквадратичным радиусом r0 = 100 m. По тивоположно заряженных дисков, 0.5N0qf (z) —число его поверхности равномерно распределены позитроны и частиц в каждом из них.

электроны так, что в целом он нейтрален.

За время движения электроны (позитроны) отдают 2) Число частиц в ливне в зависимости от высо- свою энергию W1 ( 108 eV) на ионизацию и проходят ты z описывается каскадной функцией f (z), которая путь, равный W1/W = 400 m. На произвольном отрезке О радиочастотном компоненте переходного излучения широкого атмосферного ливня пути dz они смещаются поперек своего движения и Очевидно, амплитуда (3) экспоненциально падает с ропоперек горизонтальной составляющей магнитного поля стом частоты. Из условия определяем границу = 2·105.

Земли на dy = dz sin, где = (z) —угол между Подставляя в (3) характерные величины: N0 = 1012 — мгновенным радиусом кривизны R(z) траектории и ли- число электронов в максимуме [7] для энергии пернией горизонта. Очевидно, он находится суммированием воначальной частицы W0 = 1021 eV, R0 = 104 m — d() = dz/R(z) по всем элементам пути от нуля до расстояние до наблюдателя, d = 50 m, = 0, значения текущей координаты z. Поэтому для полного = 1/3·10-3 m, c = 3·108 m/s, k = /c, = 2·105 s-1, смещения d/2 можно записать q = 1.6 · 10-19 C, (40)-1 = 0.9 · 1010 m/F, получим для модуля |E()| = 10 µV/m MHz.

396 z Для энергии первоначальных частиц максимум ливня dz d/2 = sin dz, (1) находится в непосредственной близости к поверхности R(z ) Земли. Поэтому пределы интегрирования в (2) нужно 0 взять в интервале - < z = 0. В этом случае для выгде предел интегрирования z = 396 m выбран из того числения (2) удобно воспользоваться разложением ин условия, что перед столкновением с Землей ливневый теграла по четным степеням 1/x [10], где x = i/c 2.

диск будет иметь скорость, все еще близкую к скорости Тогда получим света ( 2).

Мгновенный радиус кривизны для релятивистских ча2iqNE() = e- 42cстиц R = mc/qB удобно выразить через пройденный 80c2Rпуть z. Согласно определению, =(W1 - Wz)/mc2 или x = 0 - Az, где A = 0.5m-1. Выполнив расчеты в e- 1 1 - 1 - +... sin(kd cos ). (4) (1), найдем d/2 = 25 m. Это значит, что с поверхноx2 xx стью Земли столкнутся два противоположно заряженных диска с расстоянием между центрами d = 50 m. ПоПри определении главного члена в (4) нужно учесть, скольку среднеквадратичный радиус диска r0 = 100 m, то что выражение тока (позитронов и электронов) подиски будут значительно перекрываться, что приведет к средством -функции требует ограничения на диапазон падению интенсивности излучения. Этот факт в рамках длин волн, рассматриваемых в данной модели. Так как модели будет учитываться фазой exp[ik(R0±d cos )], где размеры диска имеют величину 2r0 = 200 m, то ампли — угол между направлением наблюдения n и осью туды гармоник (2) для 400 m можно складывать диполя.

без учета фазы. Это неравенство соответствует частоте Так как проводимость почвы для средних частот 0 4 · 106 s-1. Для 0 = 4 · 106 s-1 величина ( 1MHz) достаточно высока, то в рамках модели 1/x2 имеет порядок 10-3, поэтому в круглых скобках поверхность Земли можно заменить металлическим поразложения (4) можно ограничиться только нулевым лупространством. Тогда, как известно, для нахождения членом. Для этой же частоты экспоненциальный мнополя излучения, вызванного остановкой ливня на Зежитель exp(-2/42c2) чрезвычайно мал, и тогда для мле, логично воспользоваться не общими формулами |E()| окончательно имеем выражение, пригодное для для переходного излучения, а выражением E() для частот вблизи 0, мгновенной остановки заряда и его изображения [8].

N0q Так как плотность тока заряда (обоих знаков) выражена |E()| = sin(kd cos ). (5) посредством -функции, то, согласно [9], запишем 20cRОбычные антенны типа полупроводникового диполя 2iqN0eikRE() = имеют рабочую полосу частот / 0.1, следова40c2Rтельно, уточнение верхней и нижней границ для (5) не имеет смысла. Аргумент синуса в (5) даже при eiz/c f (z) eikd cos - e-ikd cos dz, (2) cos = 1 равен 0.66. Поэтому для частот, лежащих в интервале 0 < < 0, пространственная диаграмма где учтено, что произведение kz 0 и |[ndz]| = dz, так излучения имеет типичный для элементарного диполя как ось ливня практически вертикальна, а наблюдатель вид. Подставляя уже использванные при вычислении находится в волновой зоне на поверхности Земли и, (3) физические величины, получим для максимального следовательно, всегда выполняется условие (kz) /2.

(при = 0) значения спектральной напряженности Кроме этого, интеграл по переменным x и y (от которых поля E() 630 µV/m MHz при R0 = 104 m. Это зависит только -функция) равен единице.

приблизительно на два порядка больше, чем (3).

Если ливень затухает, не достигнув Земли, то пределы Сравним полученную напряженность поля с известинтегрирования лежат в интервале - < z <. В ными опытными данными на настоящий момент, а также этом случае получаем из (2) сделаем попытку оценить возможность радиодетектиро2 вания космических лучей с энергией более чем 1021 eV.

qN0 42 cE() = e- sin(kd cos ). (3) Вработе [11] подведен итог многолетним исследованиям 0c2RЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. 90 А.Д. Филоненко геомагнитного и черенковского механизма излучения риментальных наблюдений. Однако существует обстояширокого атмосферного ливня. Считалось, что работа тельство, которое нужно учитывать при самостоятельв этом направлении наиболее перспективна с точки ной регистрации космических лучей. Имеется в виду зрения возможности детектирования космических лучей.

отсутствие в приведенной системе эксперимента мастерСогласно этой работе, напряженность поля, вызванного сигнала, всегда сопутствующего регистрации частиц по широким атмосферным ливнем от частицы с первонатрадиционной методике с помощью сцинтиляционных чальной энергией W0 = 1017 eV на расстоянии 100 m от счетчиков. Его наличие в приведенной схеме существеноси ливня, составляет величину около 10 µV/m MHz. Так но упростило бы задачу опознавания. Однако отсутствие как E() пропорционально отношению W0/R0, то фортакого синхроимпульса кажется вполне возместимым мально этот механизм обеспечивает при W0 = 1021 eV недостатком. Во-первых, источником сигнала, который и R0 = 104 m величину E() = 103 µV/m MHz, т. е.

можно ошибочно принять за полезный, может быть приблизительно такую же, как и полученную в натолько грозовой разряд местного происхождения. Если стоящей работе. Однако геомагнитный механизм излуиспользуемые в эксперименте антенны являются, напричения имеет острую диаграмму направленности. Помер, скрещенными рамками, то по соотношению велиэтому в результате реального, а не формального подчин токов, наводимых радиоимпульсом, можно указать счета напряженности амплитуда сигнала будет в [11] направление его прихода [14]. Поэтому все четыре на несколько порядков ниже, чем рассчитанная здесь.

антенны будут представлять собой пеленгационную сиПо этой причине такой механизм, имеющий узкую стему. Анализируя принятые сигналы по направлению, пространственную диаграмму излучения, направленную амплитуде и дительности, можно существенно упростить практически вертикально вниз, принципиально не может задачу распрознавания. Во-вторых, хорошо известно, быть использован для самостоятельного детектирования что грозовой разряд представляет собой прерывистый космических лучей.

импульс тока с общей длительностью десятки и даже Механизм радиоэмиссии, описанный в настоящей расотни миллисекунд. Этим он принципиально отличаетботе, рассматривается впервые и, по мнению автора, мося от полезного сигнала, имеющего простую форму и жет быть использован для регистрации частиц с энергией длительность около 1 µs.

более 1021 eV без помощи мастер-сигнала. Это оказалось Таким образом, этот пример показывает, что имеется возможным благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, еще одна, кроме [15–18], и вполне обоснованная возвследствие высокой напряженности поля радиоимпульса можность оценить интенсивность потока частиц сверхдаже на очень большом расстоянии от источника, вовысоких энергий. Очевидно, что ее нужно рассматривать вторых (и это тоже не менее важно), вследствие минине как законченную схему, а, скорее всего, как начало мального уровня атмосферных помех в диапазоне частот обсуждения реального эксперимента.

1 MHz. Например, для средней полосы Европейской части СССР он составляет величину, меньшую, чем 10-3 µV/kHz [12], а в приполярных районах уменьшается еще на 20–30 dB.

Список литературы Рассмотрим следующий пример. Пусть четыре антенны с вертикальной поляризацией расположены по углам [1] Голубничий П.И., Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1994.

Т. 20. Вып. 12. С. 57–61.

квадрата со стороной 1000 km, например на поверхно[2] Голубничий П.И., Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1994.

сти океана. Тогда ливень с энергией W0 1022 eV в Т. 20. Вып. 23. С. 59–62.

пределах окружности и радиусом 1000 km почти все[3] Голубничий П.И., Филоненко А.Д., Яковлев В.И. // Изв.

гда окажется на расстоянии около 500 km от одной РАН. Сер. физ. 1994. Т. 58. № 12. С. 115–118.

или нескольких антенн. В этом случае напряженность [4] Филоненко А.Д. // Изв. РАН. Сер. физ. 1999. Т. 63. № 3.

поля в месте расположения антенны будет не менее С. 565–567.

120 µV/m MHz. Учет ослабления поля в зоне дифракции [5] Datta P., Pathak K.M. // 21th ICRC. 1990. Vol. 9. P. 218.

на сферической поверхности Земли, сделанный, напри[6] Христиансен Г.Б., Куликов Г.В., Фомин Ю.А. Космимер, по таблицам [12], дает окончательную величину ческое излучение сверхвысокой энергии. М.: Атомиздат, E() 60 µV/mMHz для R0 = 500 km. По ряду дан1975. 246 с.

ных об интенсивности потока частиц в области 1019 eV [7] Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.:

имеется второй излом в энергетическом спектре, так что МГУ, 1988. 319 с.

показатель спектра понижается до = 2.7 [13,7]. В этом [8] Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. М.:

случае интенсивность потока Наука, 1981. 503 с.

[9] Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1967.

-1.J( W0) 0.2 · 104W0 (m2 · s · sr)-1, 460 с.

[10] Справочник по специальным функциям / Под ред.

где энергия W0, выраженная в GeV, дает для круга с М. Абрамовица, И. Стигана. М.: Наука, 1979. 830 с.

радиусом 1000 km частоту ливней порядка 20 в год.

[11] Атрашкевич В.Б., Веденеев О.В., Аллан Х.Р. и др. // Это вполне приемлемая частота событий для экспе- Ядерная физика. 1978. Т. 28. № 3(9). C. 712–716.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. О радиочастотном компоненте переходного излучения широкого атмосферного ливня [12] Cправочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1977. Т. 1.

504 с.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.