Применение программного комплекса ruscosmic в задаче расчета основных характеристик потоков вторичных космических лучей

УДК 524.1

Е. А. Маурчев

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА RUSCOSMIC В ЗАДАЧЕ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ ВТОРИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Аннотация

Представлено краткое описание параметризации программного комплекса RUSCOSMIC для расчетов каскадов вторичных космических лучей в атмосфере Земли. Приведены типовые результаты в виде энергетических спектров различных компонент. Показаны сравнения с экспериментальными данными с учетом общей погрешности вычислений.

Ключевые слова:

космические лучи, численный метод Монте-Карло, GEANT4, PolarFox in HEP project.

E. A. Maurchev

APPLICATION OF THE RUSCOSMIC SOFTWARE SYSTEM

IN THE TASK OF CALCULATING OF THE BASIC CHARACTERISTICS

OF SECONDARY COSMIC RAY FLUXES

Abstract

This article gives a brief description of the RUSCOSMIC package parameterization for the secondary cosmic rays cascades calculation in the Earth atmosphere. Also it presents the typical results in the form of the various components energy spectra. Comparison with experimental data taking into account the overall computation error agrees well.

Keywords:

cosmic rays, Monte-Carlo numerical method, GEANT4, PolarFox in HEP project. Введение

В настоящее время исследования космических лучей (КЛ) проводятся различными способами. С самого начала это были преимущественно экспериментальные методы (шары-зонды, детекторы излучения различного типа, спутники). Одной из самых современных и надежных наземных систем регистрации космических лучей является международная сеть нейтронных мониторов. По данным этой сети определяются характеристики релятивистских солнечных протонов, зарегистрированных во время событий солнечных космических лучей (СКЛ) посредством моделирования возрастаний приземного фона вторичных космических лучей (события GLE [1, 2]). Также традиционно запускаются шары-зонды [3]. С началом компьютеризации активно развивается методика изучения распространения КЛ в веществе с помощью численного метода Монте-Карло.

Нами был разработан программный комплекс RUSCOSMIC©, включающий в себя модели детекторов различного типа, а также модель прохождения первичных КЛ через атмосферу Земли для получения информации о каскадах вторичных КЛ. Основой является пакет GEANT4 [4], из которого наследуются классы, отвечающие за отображение процесса взаимодействия

частиц с веществом, построение геометрии, задание начальных параметров, сбора информации о ходе моделирования, состоянии частиц и др.

В данной работе кратко описывается созданный нами программный модуль для расчета прохождения частиц различных энергий через атмосферу Земли. Использование собственной разработки позволило не только применять постоянно обновляющиеся данные для моделирования, но и расширить границы модельных исследований, поскольку без труда можно менять состояние самой модели (физические свойства вещества, различные поля и т. д.). С помощью модуля проводились расчеты как прохождения галактических космических лучей через атмосферу Земли, так и развития каскадов частиц во время некоторых событий ОЬЕ. Результатом данных работ стала база данных энергетических спектров вторичного космического излучения для различных высот. Полученные результаты могут применяться и для оценки скорости ионизации при вычислении эквивалентной дозы, и для детального исследования развития каскадов и поиска новых особенностей во время ОЬЕ. Результаты нашего моделирования сверялись с экспериментальными данными, полученными из данных полетов шаров-зондов, с которыми они имеют хорошее согласие.

Методика и результаты

Одной из самых важных в программном комплексе Яи8С08М1С8 является модель для расчета прохождения первичных протонов КЛ через атмосферу Земли и исследования образований каскадов вторичных КЛ. Для построения модели применялась концепция так называемой «плоской» геометрии, когда выделяется столб атмосферы Земли на заданной широте и долготе, задается его высота и длина граней, а также вычисляются физические параметры каждого слоя (процентное соотношение масс составляющих элементов, плотность, давление и температура) с помощью ККЬМ8КЕ-00 [5]. На границе определяется модельный источник частиц с заданной интенсивностью и спектральной характеристикой (рис. 1).

Рис. 1. Визуализация моделирования прохождения единичного протона с энергией 100 ГэВ через слои вещества атмосферы и образования каскада частиц. Хорошо видна концепция «плоской» геометрии. Различными цветами показаны заряды частиц. Синий, красный, зеленый — соответственно положительно, отрицательно и нейтрально заряженные частицы. Более точную информацию можно получить

внутренними методами модели

При прохождении частиц через вещество атмосферы рассчитываются параметры каскадов вторичных КЛ (примеры — рис. 2, 3).

ю1 ю2 ю3 10* ю5

Энергия, МэВ

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Энергия, МэВ

Рис. 2. Энергетические спектры протонов (сверху) и гамма-квантов (снизу), полученные в результате моделирования прохождения частиц первичных КЛ со спектром, соответствующим периоду максимума солнечной активности в отсутствие его модуляции СКЛ через атмосферу Земли

Классически высотные профили получают методом запуска шаров-зондов с установленными на них детекторами, чувствительными к заряженной компоненте. Суммарный счет можно выразить через формулу

Ссум = Сгг+ с+(Г + с8 + о,ошу,

где С„+„_, С +ц-, С, — счет, который вносят электрон-позитронная, мюонная, протонная компоненты и гамма-кванты соответственно.

ю ю

Глубина (высота), г*см2

Рис. 3. Высотные профили электрон-позитронной

компонент, полученные в результате моделирования прохождения частиц первичных КЛ со спектром, соответствующим периоду максимума солнечной активности в отсутствие его модуляции СКЛ через атмосферу Земли

Исходя из этого, суммируя полученные в результате моделирования высотные профили, можно произвести сравнение с экспериментальными данными для отдельных времен. Пример такой верификации представлен на рис. 4.

Сумму среднестатистической погрешности и внутренней погрешности метода в результатах удобно представить с помощью ширины линии, что отображено на рис. 5.

Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных (04.09.2009 (сверху) и 21.12.2009 (снизу)) и данных, полученных в результате моделирования прохождения частиц ГКЛ через атмосферу Земли и обработанных в соответствии с формулой

10*

101 10! ю*

Глубина, г см"2

Рис. 5. Высотные профили для различных сортов частиц, представленные

с указанием интервала ошибки вычисления, полученные в результате моделирования прохождения ГКЛ через атмосферу Земли. Ширина линии означает суммарное отклонение от среднего и включает в себя как стандартную,

так и внутреннюю ошибку метода

Заключение

К сожалению, детальное исследование характеристик потоков вторичных КЛ является актуальной, отдельной задачей и его описание не входит в рамки данной работы. На сегодня эти данные используются нами для построения глобальной модели ионизации и в полном объеме будут описаны в последующих работах. Отдельным и огромным плюсом является тот факт, что полученные результаты подлежат сравнению с экспериментальными данными, и для этого существует огромная, накопленная годами, информационная база. В заключение стоит заметить, что первые сравнения уже дали хорошее согласие с небольшими, в районе ~ 10 % от среднего, отклонениями.

Литература

1. Vashenyuk E. V., Balabin Yu. V., Gvozdevsky B. B. Relativistic solar cosmic ray dynamics in large ground level events // Inst. of Exp. Phys.: Proc. 21-st ECRS, Kosice, Slovakia, 9-12 September, 2008 / Slovak Academy of Sci. 2009. 264-268.

2. Shea M. A., Smart D. F. Possible evidence for a rigidity dependent release of relativistic protons from the solar corona // Space Sci. Rev. 1982. 32. 251-271.

3. Bazilevskaya G. A. Cosmic ray Induced Ion Production in the Atmosphere / G. A. Bazilevskaya [et al.] // Space Sci. Rev. 2008. 137.

4. Agostinelli S. Geant4 — a simulation toolkit, Nuclear Instruments and Methods / S. Agostinelli [et al.] // Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 506 (3): 250. Bibcode:2003NIMPA.506...250A. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8.

5. Picone J. M. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues / J. M. Picone [et al.] // J. Geophys. Res. 2002. 107(A12). 1468. DOI: 10.1029/2002JA009430.

Сведения об авторах

Маурчев Евгений Александрович

научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты