WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 09;12 Низкочастотная радиоэмиссия, вызванная когерентным магнитотормозным излучением заряженных частиц широкого атмосферного ливня © А.Д. Филоненко Восточноукраинский государственный университет, 348034 Луганск, Украина E-mail: uni@vugu.lugansk.ua (Поступило в Редакцию 16 февраля 2000 г.) Сообщается о неизвестной ранее когерентной низкочастотной (0 < v < 50 kHz) радиоэмиссии широкого атмосферного ливня в магнитном поле Земли. Высокая напряженности поля ( 200 µV/m MHz на расстоянии 100 km от оси ливня), вызванная этим механизмом излучения, дает основания полагать, что он является причиной обнаруженной ранее высокой интенсивности радиоэмиссии ливня на низких частотах. Рассматривается возможность радиодетектирования космических лучей очень высокой энергии (W0 > 1021 eV).

Главная особенность метода радиодетектирования кос- механизмов на несколько порядков выше теоретических мических лучей заключается в выводе о принципиальной оценок. По-видимому, с этим связан и возросший в возможности увеличения рабочей площаци детектора последние годы интерес к поискам природы этой рапри относительно малом числе регистрирующих элемен- диоэмиссии (см. литературу в [5]). Диапазон для волн тов. Если для традиционного метода количество сцинти- такого излучения лежит в интервале 2L < <, где ляционных счетчиков может быть оценено, например для L — продольный размер ливня. Одним из возможных проекта ”ШАЛ-1000” [1], пятизначным числом, то для механизмов низкочастотной радиоэмиссии, не связанным радиодетектора установка всего лишь нескольких антенн с геомагнитным и геоэлектрическим полями, является может оказаться вполне достаточной. тормозное излучение -электронов ливня [6–9]. Наиболее эффективно его возможности были использованы Опыт показал, что при относительно низких энергиях космических лучей (W0 > 1020 eV) преимущество тради- для обоснования метода радиодетектирования космических лучей с энергиями 1021-1023 eV за пределами ционного метода является неоспоримым. Для диапазона околоземного пространства [10]. Предложено несколько энергий 1022-1023 eV рабочая площадь детектора для вариантов проверки этого метода [11,12].

минимально приемлемой частоты событий ( 10 year-1) должна иметь величину порядка 106-107 km2. Реализа- В настоящей работе исследована неизвестная ранее ция такого проекта, очевидно, невозможна в ближайшем возможность детектирования космических лучей высобудущем. кой энергии (> 1021 eV) по магнитотормозному когерентному низкочастотному излучению широкого атмоРанее проведенные экспериментальные исследования высокочастотной (30–100 MHz) радиоэмиссии широко- сферного ливня. Ниже показано, что для такой радиоэмиссии напряженность поля составляет приблизительго атмосферного ливня, вызванной черенковским [2] и но 200 µV/m MHz на расстоянии 100 km для частицы с геомагнитным [3] механизмами излучения, указали на ее первоначальной энергией W0 = 1021 eV. Эта величина слабую интенсивность. Характерная напряженность поля значительно превышает оценки поля для любых из ранее оценивалась величиной 5–10 µV/m MHz на расстоянии 100 m от оси ливня [4]. Кроме этого, в подавляющем чи- известных механизмов радиоизлучения ливня. Кроме этого (и это не менее важно), такая радиоэмиссия имеет сле событий отсутствовали следующая из теории прямая широкую пространственную диаграмму излучения.

зависимость амплитуды радиосигнала от энергии ливня.

Поскольку на таких частотах эквивалентная температура Электрон лавины со средней энергией небесной сферы лежит в пределах 104-105 K, то, значит, W1 25 MeV ( 50) описывает дугу с радиусом и величина полезного сигнала должна быть сравнима a = mV/eB 1700 m и длиной S W1/(W /x) в этом случае с галактическими радошумами. Большое 100 m (cогласно известным потерям на ионизацию расхождение теоретических и экспериментальных ре- W/x 2MeV/g·cm-2). Для наглядности удобно зультатов для этого диапазона частот, по-видимому, свя- считать движение ливня вертикальным. В этом зано с идеализацией механизмов излучения. В частности, случае нас будет интересовать только та часть при нахождении численных оценок не учитывалось на- электромагнитной энергии, которая излучается в рушение когерентности при продольном развитии ливня направлении, перпендикулярном оси ливня. Решение вследствие значительного рассеяния электронов лавины. задачи о нахождении поля излучения точечного заряда, С другой стороны, оказалось, что интенсивность ра- движущегося по дуге произвольной длины, известно [13].

диоэмиссии на низкоих частотах для упомянутых ранее Однако в данном случае результаты можно представить Низкочастотная радиоэмиссия, вызванная когерентным магнитотормозным излучением... в более простом и удобном для анализа виде. Такое оказалось возможным, поскольку нас интересует только низкочастотная часть спектра и, так как S a R0, величины (n, a) практически не изменяются при интегрировании.

Для этого представим скорость электрона (позитрона) симметричной ступенчатой функцией U(t):

v = v1(t) +v2(t) = pv[1 - V(t)] + qvU(t), где v — модуль скорости частицы; p, q — единичные векторы для области движения t < 0 и t > 0 соответственно. Будем в рамках этой модели считать, что в области - < t < (за исключением t = 0) электрон движется равномерно и прямолинейно, т. е. |v1| = |v2| = v, а в момент t = электрон находится в середине бесконечно малой дуги S (см. рисунок). Тогда ускорение v = v(q - p)(t), где (t) — дельта-функция. Такое идеализированное представление характеристик движения вполне допустимо в пределах точности оценок, поскольку время движения S/c при выполнении условия когерентности намного меньше периода колебательного контура радиоприемного устройства, т. е. S/c 2L/c T. Фурье-компонент напряженности поля в этом случае будет eeikRE(, n) 40cRоткуда следует, что эта составляющая не изменит направления при e- e+, так как одновременно изменится и n · (n - ) · na направление вектора W на противоположное. Другими ei( - c )d, (1) (1 - n)2 словами, в направлении, перпендикулярном плоскости дуги, интенсивность излучения максимальна.

где все величины выражены в момент времени Если N0 — полное число частиц в ливне, то на пути = t - R/c, = (t)(q - p), = v/c, n = R0/R0, a — L в амплитуду поля (4) дадут вклад N0L/S частиц.

радиус-вектор частицы, причем система отсчета распоОкончательно получим:

ложена в центре окружности, частью которой является дуга S.

N0Le2µ0H V |Emax| =. (5) Результат вычислений (1) можно представить с точно40c2R0m MHz стью до несущественного общего фазового множителя выражением Подставляя в (5) характерные величины L = 6 · 103 m, N0 = 1012 (для W0 = 1021 eV), e = 1.6 · 10-19 c, e E(, n) = µ0 = 4 · 10-7 H/m, H = 40 A/m, 40 10-10 F/m, 40cRc = 3·108 m/s, R0 = 105 m, m = 0.9·10-30 kg, = 50, по(n - v0)(nW) - W[1 - (v0n)] лучим |E| = 200 µV/m MHz. Это — чрезвычайно высо, (2) кая напряженность поля для расстояния 100 km. Однако [1 - (v0n)]реализация этого свойства радиоэмиссии представляет где согласно определению U(t), (0) = = v0, определенные трудности. Известно, что интенсивность v0 — единичный вектор вдоль вертикали (см. рисунок);

атмосферных помех растет с уменьшением частоты и W = (q - p) — перпендикулярен к v0 и лежит в для указанной выше области амплитуда импульса моплоскости дуги, причем |W| = S/a.

жет быть сравнима с величиной исследуемого сигнала.

Для направления наблюдения n W и nv0 имеем Условия проведения опытов радикально изменятся, если исследования проводить в приполярной зоне, где интенe|W | E = -v0. (3) сивность атмосферных помех на полтора–два порядка 40cRниже, чем для средних широт.

Из (3) очевидно, что для позитрона вектор E изменит Рабочая площадь детектора, осуществляемого сейчас знак на противоположный. Поэтому суммарный вклад в США оже-проекта, будет иметь величину 5 · 103 km2.

всех частиц ливня в этом направлении будет близок к В связи с этим здесь имеет смысл обсудить возможность нулю. Для направления наблюдения nW и nv0 имеем радиодетектирования частиц с энергией 1022 eV и выше. По имеющимся на сегодня данным, энергетический e E = -W. (4) спектр космических лучей имеет второй излом в районе 40cRЖурнал технической физики, 2000, том 70, вып. 134 А.Д. Филоненко W0 = 1019 eV, так что показатель спектра понижается [7] Голубничий П.И., Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1994.

Т. 20. Вып. 23. С. 59–65.

до = 2.7 [14,15]. Тогда интенсивность потока частиц [8] Голубничий П.И., Филоненко А.Д., Яковлев В.И. // Изв.

--1.7 РАН. Сер. физ. 1994. Т. 58. № 12. C. 115–118.

J =(> W0) =0.2 · 104W0 m2s · sr, [9] Голубничий П.И., Филоненко А.Д. // Укр. физ. журн. 1996.

Т. 41. № 7–8. C. 696–699.

где W0 выражена в GeV и дает на площади 106 km2 ча[10] Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 10.

стоту ливней приблизительно 20 (year·sr)-1 для энергии С. 57–62.

W0 > 1022 eV.

[11] Филоненко А.Д. // Изв. РАН. Сер. физ. 1997. Т. 61. № 3.

В этом случае, например, 4 антенны можно так [12] Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. Вып. 1.

разместить на этой площади, что любая точка на ней С. 65–68.

будет отстоять от ближайшей антенны на более чем на [13] Багров В.Г., Тернов И.М., Федосов Н.И. // ЖЭТФ. 1982.

Т. 82. Вып. 5. С. 1442–1448.

350 km. Учитывая, что W0 N0 и E() N0, а также [14] Гинзбург В.И. // УФН. 1966. Т. 166. № 2. C. 169–183.

полученные ранее оценки, найдем величину E() для [15] Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.:

такого участка поверхности E() 0.57 mV/m MHz.

МГУ, 1988. 319 с.

Это — очень высокая напряженность поля, она дает надежду на то, что такой вариант радиодетектора имеет для своей реализации необходимые основания.

Исследования радиоимпульсов, сопровождающих широкий атмосферный ливень, проводятся с помощью высокоскоростной электронной техники. Синхронизация в этом случае достигается использованием мастер-сигнала.

Одна из слабых сторон рассматриваемого эксперимента связана с отсутствием импульса синхронизации, который в традиционных установках производился сцинтиляционными счетчиками. Его наличие существенно упрощает задачу опознавания истинного сигнала. Однако если в условиях опыта отсутствуют техногенные радиопомехи, то единственным источником мощных сигналов является грозовой разряд. Это — прерывистый импульс тока, общая длительность которого составляет десятки и даже сотни миллисекунд. Сигнал, наводимый широким атмосферным ливнем — единственный импульс простой формы, и согласно вышеприведенным оценкам, имеет длительность 10–20 µs. Это не единственный признак ожидаемого радиосигнала. Известно, кроме этого, что система разнесенных крестообразных антенн обладает свойством определить местонахождение источника или направление луча, пересекающего источник. Все эти признаки и свойства, а также тот факт, что рассмотренный выше механизм радиоэмиссии ливня обусловливает горизонтальную поляризацию волны (при вертикальном ливне), могут быть достаточными для однозначного определения радиосигнала.

Список литературы [1] Христиансен Г.Б., Вашкевич В.В., Веденеев О.В. и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1989. Т. 53. № 2. C. 286–289.

[2] Аскарьян Г.А. // ЖЭТФ. 1965. Т. 48. С. 988–990.

[3] Kahn F.D., Lerche I. // Proc. Phys. Soc. A. 1966. Vol. 289.

P. 206–213.

[4] Атрашкевич В.Б., Виденеев О.В., Аллан Х.Р. и др. // Ядерная физика. 1978. Т. 28. № 3(9). C. 712–716.

[5] Филоненко А.Д. // Изв. РАН. Сер. физ. 1999. Т. 63. № 3.

C. 565–567.

[6] Голубничий П.И., Филоненко А.Д. // Письма в ЖТФ. 1994.

Т. 20. Вып. 12. С. 57–61.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.




© 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.