Исследование радиоизлучения на частоте 32 МГц на Якутской установке широких атмосферных ливней

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 524.1

З. Е. Петров, Д. С. Борщевский, С. П. Кнуренко, В. И. Козлов, И. С. Петров, М. И. Правдин

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧАСТОТЕ 32 МГц НА ЯКУТСКОЙ УСТАНОВКЕ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ

Описана методика регистрации радиоизлучения от широких атмосферных ливней (в дальнейшем ШАЛ) сверхвысоких энергий за период 2009 - 2011 гг. Дано краткое описание установки для регистрации радиоизлучения от ШАЛ, регистрирующей аппаратуры и программное обеспечение. Приведены первые результаты анализа экспериментальных данных.

Ключевые слова: космические лучи, ШАЛ, радиоизлучение, дипольная антенна, спектр радиоизлучения, суточные вариации радиосигнала, черенковское излучение, геомагнитный механизм излучения.

Z. E. Petrov, D. S. Borshevsky, S. P. Knurenko, V. I. Kozlov, I. S. Petrov, M. I. Pravdin.

Radio emission research at 32MHz frequency in the Yakutsk array of extensive air showers

There is described new method of measurements of ultra-high energy extensive air showers (EAS) of radio emission obtained for period 2009-2011. There is given short overview of detection method, detection equipment and program package. First results of experimental data analysis are presented.

Key words: cosmic rays, EAS, radio emission, dipole antenna, radio spectrum, diurnal variation of RF signal, cherenkov radiation, geomagnetic emission process.

ПЕТРОВ Зим Егорович - д. т. н., в. н. с. отдела частиц сверхвысоких энергий Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: pze@ikfia.ysn.ru

БОРЩЕВСКИЙ Денис Сергеевич - аспирант ИКФИА им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: borshevsky@ikfia.ysn.ru

КНУРЕНКО Станислав Петрович - к. ф-м. н., с. н. с. отдела ЧСВЭ ИКФИА им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: s.p.knurenko@ikfia.ysn.ru

КОЗЛОВ Владимир Ильич - к. ф-м. н., в. н. с. РИМ ИКФИА им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: v.kozlov@ikfia.ysn.ru

ПЕТРОВ Игорь Степанович - аспирант ИКФИА им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: igor.petrov@ikfia.ysn.ru

ПРАВДИН Михаил Иванович - к. ф-м. н., в. н. с. отдела ЧСВЭ ИКФИА им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: m.i.pravdin@ikfia.ysn.ru

Детектирование космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий осуществляется с помощью традиционных методов регистрации ионизирующего излучения, в основе которых лежит применение сцинтил-ляционных и других счетчиков [1]. Из-за крайне низкой интенсивности КЛ в современных установках для регистрации частиц с энергией до 1020 эВ, количество счетчиков может быть чрезвычайно велико и занимать площадь в 10 - 3000 км2. При этом на 1 км2 падает 1 частица с энергией 1019 эВ в год [2]. За 50 лет, прошедших с момента регистрации первого события КЛ с энергией выше 1020 эВ (1962, детектор Volcano Ranch, США [3]), на пяти крупнейших установках космических лучей удалось зарегистрировать лишь около десяти событий ШАЛ с энергией E > 1020 эВ и менее сотни событий с E > 5* 1019 эВ. Для детального изучения КЛ таких энергий необходимо увеличить статистику наблюдений. Существующие установки близки к пределу по площади обзора, достижимой для наземных детекторов. По-видимому, дальнейшее расширение энергетического диапазона экспериментальных установок и увеличение

статистики КЛ высоких энергий могут быть связаны с развитием радиометода детектирования КЛ. Как показали первые измерения, этот вид наблюдения имеет практическую перспективу, не требует сложной аппаратной части в регистрации ШАЛ и является менее затратным в финансовом отношении.

Радиоизлучение от ШАЛ было впервые зарегистрировано в Америке Джелли и др. в 1965 г. на частоте 44 МГц [4]. С тех пор с разной периодичностью радиоизлучение исследуется на малых и крупных установках ШАЛ. Целью этих исследований является установление механизмов генерации радиоизлучения от ШАЛ и возможного применения его как дополнительного метода для изучения ШАЛ сверхвысоких и предельных энергий выше 1019 эВ.

Механизмы возникновения радиоэмиссии на частоте 32 МГц при прохождении потока заряженных частиц ШАЛ сверхвысоких энергий

В теоретических моделях существуют разные механизмы радиоэмиссии ШАЛ. Например механизм когерентного черенковского излучения [5]. Избыток электронов есть следствие аннигиляции позитронов ливня и вовлечения в лавину комптон- и 5- электронов. Избыток электронов со средней энергией ~ 1018 эВ может достигать 10% от общего числа частиц в ливне. При большем их числе когерентное излучение избыточного отрицательного заряда может достичь высокой интенсивности.

Также рассматривается геомагнитный механизм излучения. Обновление частиц в электронно-фотонной лавине происходит за время, приблизительно равное отношению радиационной единицы длины к скорости света [1]. Тогда среднее время «жизни» частицы, время в течении которого ее энергия уменьшается в е раз, составляет 10-6 с. Кроме воздействия со стороны нейтральных атомов атмосферы, приводящего к рассеянию частиц и образованию ливневого диска, на заряженные частицы ШАЛ действует магнитное поле Земли. Это накладывает на независимое от заряда поперечное перемещение частиц направленное движение, перпендикулярное оси ливня и магнитному полю, причем электроны и позитроны движутся по взаимно противоположным направлениям. Такое направленное движение частиц представляет собой электрический ток, значение которого определяется величиной заряда, прошедшего через условную площадь поперечного сечения. Такой поперечный ток в ливне можно рассматривать как причину поляризации нейтрального в целом диска. При движении в магнитном поле диск позитронов и диск электронов раздвигаются во взаимно противоположных направлениях, образуя электрический диполь, направление которого совпадает с направлением поперечного тока. На том участке движения ливня, где число частиц близко к максимальному,

можно считать, что в поперечном направлении имеет место динамическое равновесие, при котором число рождающихся в стволе частиц равно числу частиц, выбывающих из ливня. Поэтому ШАЛ можно уподобить движущемуся квазистатическому диполю, в котором поперечный ток поддерживает дипольный момент. Таким образом, в модели геомагнитного механизма радиоэмиссии распространение ШАЛ сопровождается следующими процессами, приводящими к излучению:

1) появлением избыточного заряда;

2) продольным движением квазистатического диполя со скоростью, превышающей скорость электромагнитных волн в атмосфере Земли;

3) таким же движением продольного тока, поддерживающего поляризацию диска.

Причиной радиоэмиссии может быть также ускоренное движение в электростатическом поле Земли (геоэлектрический механизм), напряженность которого вблизи поверхности при ясной погоде составляет около 100 В*м-1, постепенно понижаясь до 1 В*м-1 на высоте 20 км. Существуют три случая, которые приводят к радиоэмиссии от широкого атмосферного ливня в статическом поле:

1) поперечное разделение быстрых частиц ливня (с энергией до 108 эВ) под воздействием компонента поля, перпендикулярного направлению движения (то есть только для наклонных и горизонтальных ливней) [6, 7, 8];

2) продольное разделение быстрых частиц под действием компонента поля Ер, параллельного направлению распространения ливня;

3) движение медленных (ионизационных) электронов, то есть тех, которые из-за недостатка энергии не способны ионизировать атомы воздуха.

На сегодняшний день экспериментально точно не доказано преимущество одного из механизмов радиоэмиссии над другими [9]. Первые измерения радиоизлучения от ШАЛ показали, что выявленная поляризация излучения более соответствует действию геомагнитного механизма образования радиоизлучения от ШАЛ, так как сигнал зависит от направления прихода ШАЛ (преимущественно от азимутального угла). Тем не менее, имеется указание на участие в генерации радиоизлучения ШАЛ и черенковского механизма. Либо в формировании радиосигнала принимают участие одновременно несколько механизмов. Основанием для такого предположения может служить то, что флуктуации радиосигнала имеют большой разброс на малых расстояниях от оси ливня и незначительный - на больших.

Описание регистратора и выбор частоты

В работе [10] показано, что электронно-фотонный каскад ШАЛ в атмосфере Земли излучает радиоволны с частотой 1-200 МГц.

Первые работы по регистрации радиоимпульсов от ШАЛ на Якутской установке были произведены в 1986

- 1989 гг. Были зарегистрированы сигналы в 6250 ливнях с энергией выше 1017 эВ, в том числе несколько событий с Е0 > 1019 эВ [11]. В 2009 г. на Якутской установке ШАЛ были установлены шесть антенн (полуволновые диполи) для возобновления регистрации радиоизлучения ШАЛ и в дальнейшем планируется установить еще столько же. В 2009 - 2011 гг. регистрация радиоизлучения на Якутской установке ШАЛ велась шестью приемными антеннами, установленными на расстояния 300, 350 и 500 м от центра ШАЛ. Для выбора оптимальной частоты регистрации импульсов ШАЛ был проанализирован фоновый спектр частот от 1 до 200 МГц. На частотах до 20 МГц из-за наличия больших естественных радиошумов преимущественно грозового происхождения не представляется возможным выделить радиоимпульсы ШАЛ с достаточной эффективностью. Поэтому целесообразно выбрать частоту выше 20 МГ ц. Амплитуда галактических шумов гораздо меньше падает с увеличением частоты, чем грозовые шумы в этой части диапазона частот, и составляет 1.0 - 2.0 мкВ*м-1*МГц-1 на частотах около 32 МГц. Тепловые шумы антенны на частотах до 100 МГц на порядок меньше галактических шумов и практически не влияют на измерения. Поэтому наиболее благоприятным для измерения радиосигнала от ШАЛ на Якутской установке следует считать довольно узкое окно частот 30 - 40 МГц, где ожидается наилучшее соотношение сигнал / шум, поскольку на более высоких частотах работают телевизионные передатчики. Для регистрации радиоизлучения от ШАЛ на частоте около 32 МГц в полосе 8 МГц была создана установка, состоящая из приемных антенн, усилителей и регистрирующего устройства с накопителем данных [11]. Антенны для приема радиосигналов располагались вблизи центра основной установки ШАЛ. Для регистрации радиоизлучения от ШАЛ были применены полуволновые диполи (рис. 1), поднятые на высоту Х/4.

Скрещенные диполи ориентированы в направлении восток - запад (по магнитной параллели) и север

- юг (по магнитному меридиану). Полоса пропускания радиотракта - ±4 МГц, чувствительность ~10 мкВ (2 мкВ*м-1 *МГц-1), динамический диапазон 50 дБ.

Приемные каналы построены по принципу прямого усиления сигнала с последующим детектированием. Блок-схема одного канала регистратора представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема одного канала регистратора

Осциллограмма сигнала от ШАЛ на выходе аналогового тракта до и после детектирования показана на рис. 3.

2 В

О

100 ллВ

0

\ і і : : :

.и..і : и I

. . . II.. .

’ ! П 1 г.]

1 Г I І 1 1 1 I

О

8

10 ллкс

Рис. 1. Фотография приемной антенны

Рис. 3. Осциллограмма сигнала от ШАЛ на выходе аналогового тракта до

Спектр радиошумов на выходе аналогового приемного тракта представлен на рис. 4.

Алгоритм регистрации и анализ данных

События ШАЛ на Якутской установке выделяются при срабатывании одного из двух триггеров (сигнал «мастера»). Первый триггер - это условие совпадения откликов в сцинтилляционных детекторах, расположенных на удалении друг от друга на 500 м за время 40 мкс. Выполняется первое условие для основной установки, регистрирующей ливни на площади 12 км2

Рис. 4. Спектр радиошумов, измеренный на выходе аналогового приемного тракта перед устройством детектирования

с энергией выше 1017 эВ. Второй триггер - это условие совпадения откликов в черенковских детекторах, расположенных на удалении 50, 100, 250 м за время 2,5 мкс. Выполняется это условие для малой черенковской установки, регистрирующей ливни на площади 1 км2 с энергией 1015 - 5*1017 эВ. Регистрация радиосигнала от ШАЛ производится в случае появления сигнала с одного из двух триггеров. Этот сигнал является управляющим сигналом для регистрации импульсов, поступающих по радио кабелю от антенны к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Радиоизлучение от ШАЛ регистрируется при помощи шести антенн.

Система сбора данных построена на базе промышленного компьютера и имеет возможность синхронной записи сигналов с нескольких антенн одновременно. Использовались быстрые 8-разрядные АЦП, у которых разбивка временной шкалы предусматривала запись предыстории (до прихода триггера отбора события ШАЛ) в течение 25 мкс и истории (после прихода триггера) в течение 15 мкс.

Аналого-цифровое преобразование реализовано на основе модуля типа ЛА-н10М8РС1 производства ЗАО «Руднев-Шиляев». Число разрядов 8, частота дискретизации 100 МГц, емкость буферного запоминающего устройства 2 мегабайта. АЦП предназначен для работы в составе персонального компьютера типа IBM PC/AT.

На промышленном компьютере была установлена программа для одновременной регистрации событий с 4 антенн. Сигналы с еще двух антенн, расположенных в другой части установки ШАЛ, регистрируются на отдельном регистраторе. Буфер «предыстории» на АЦП размером 25 мкс перезаписывается постоянно, а по приходу сигнала «мастера» на плате выставляется бит готовности и аналого-цифровой преобразователь записывает данные, так называемую «историю» длительностью 15 мкс, по истечении которых весь массив из буферной памяти АЦП сохраняется на жесткий

диск компьютера в виде кадра события. Для увеличения быстродействия и уменьшения нагрузки на процессор компьютера платы АЦП работали в режиме прямого доступа в память. При записи файла сохраняются также дата и время события, число зарегистрированных событий с начала наблюдения.

Уровень ноля на рис. 5 выставлен на уровне 100 квантов АЦП. Смещенный ноль позволяет увеличить максимальную наблюдаемую амплитуду, поскольку за счет применяемого детектирования высокочастотного сигнала на выходе аналоговой части получаем однополярный сигнал.

Для анализа ранее сохраненных данных использовалась эта же программа. Блок-схема алгоритма отбора радиоимпульсов ШАЛ для регистрации представлена на рис. 6.

Программа анализирует файлы данных наблюдений, созданные за сутки или за несколько суток. Каждый файл состоит из сотен кадров. Кадр записывается при приходе управляющего сигнала «мастера» с центрального регистратора. На некоторых кадрах сигнал не выделяется на уровне шумов.

После записи во время анализа для отсеивания из файлов этих «пустых» кадров использовался следующий алгоритм (рис. 6): выбирался файл, из которого нужно было выделить кадры с радиоимпульсами, затем программа начинала просмотр с 1-го кадра, сравнивая каждый отсчет со среднеквадратичным отклонением.

Рис. 5. Импульсы радиоизлучения с 4-х антенн. По оси ОХ отложена временная шкала 40 мкс, по оси OY амплитуда сигнала в квантах АЦП. Вертикальная линия - момент прихода запускающего сигнала «мастера»

Рис. 6. Алгоритм нахождения радиоимпульсов. Х1і заданный отсчет 1-го канала,Х2і — заданный отсчет 2-го

При нахождении кадра, на котором наблюдалось превышение уровня сигнала над уровнем шумов на 3 с, запоминался номер кадра. После окончания процедуры поиска импульсов можно было просмотреть кадры с импульсами. Также была реализована возможность сохранения отобранных импульсов в отдельный файл.

С целью изучения природы шумов были проанализированы амплитудные спектры полученных данных. Данные записывались по приходу сигнала «мастера», то есть в каждом кадре присутствовали как шумовые импульсы, так и импульсы от радио эмиссии ШАЛ. На рис. 7 показан интегральный спектр данных, записанных за период регистрации с 14 по 26 октября.

Форма спектра указывает на сложный характер шумов, начиная с амплитуды в ~4 мкВ/м*МГц, наблюдается изменение показателя наклона спектра (излом в спектре). Показатели наклона спектра в степенном приближении до и после излома равны у ~ 5 и у ~ 2,9±0,22 соответственно. Как видно, наклон спектра с у = 2,9 близок по величине к показателю

Интегральный спектр

10000

н а.

О н 1000

о о

ф ш І І

100

10

1

Восток-Запад. День Восток-Запад. Ночь

\

0,1

1 10 мкВ/

100

Рис. 7. Интегральный спектр с антенны с диаграммой направленности Восток-Запад

Рис. 8. Темп счета шумовых импульсов на частоте 32 МГц за трое суток наблюдений с 15 по 17 октября 2010 г

интегрального спектра ШАЛ [11]. Вероятно, эта часть спектра формируется радиоизлучением, образованным заряженными частицами ШАЛ. Левая часть спектра с у = 5 соответствует естественному шумовому спектру.

Для выяснения природы шумового спектра мы проанализировали характер темпа счета импульсов в течение суток. Результат показан на рис. 8. Из рисунка видно, что темп счета зависит от времени суток, то есть имеет суточный ход с максимумом в 2 - 4 часа ночи и минимумом в 17 - 19 часов. На это указывает и различие спектров по интенсивности, полученное за дневной и ночной периоды наблюдений (рис. 7). Наблюдаемая картина хорошо согласуется с результатом, полученным в работе [12], где объясняется наличие суточного хода амплитуды радиошумов неравномерной светимостью в радиодиапазоне разных областей нашей Галактики. Большой темп счета импульсов в ночные часы обусловлен прохождением над установкой плоскости Галактики, где имеется максимальное количество излучающих источников. Малый темп счета характерен для дневного времени суток, когда установка наблюдает излучение, приходящее из района полюса нашей Галактики, “светимость” которого ниже, чем плоскости Галактики.

Наши наблюдения подтверждают выводы других исследователей [12] о том, что в формировании спектра шумов на частотах 28 - 45 МГц большая роль отводится радиоисточникам, расположенным в нашей Галактике.

Анализ экспериментальных данных показал:

а) основной вклад в интенсивность флуктуационных радио шумов на частотах около 32 МГц вносят антропогенные шумы и галактические радиоисточники;

б) на частотах около 32 МГц импульсные сигналы радиоизлучения от ШАЛ превосходят уровень флуктуационных радиошумов. Форма амплитудного спектра радиошумов имеет излом при величине сигнала 4 мкВ/(МГц*м). До излома наклон спектра составляет у ~5, после излома у ~ 2,9. Спектр малых амплитуд меньше 4 мкВ/(МГц*м) формируется радиошумами, а спектр больших амплитуд больше 4 мкВ/(МГц*м), формируется в ходе субкаскадных процессов продоль-

канала

ного развития ШАЛ сверхвысоких энергий. Суточный ход сигналов, полученных с антенн с разными диаграммами направленности, коррелирует друг с другом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки контракт № 16.518.11.7075 и РФФИ грант № 11-02-12193 офи-м-2011

Л и т е р а т у р а

1. Филоненко А. Д. Детектирование космических лучей по электромагнитной радиоэмиссии ливня и возможности этого метода в диапазоне сверхвысоких энергий // Успехи физических наук.- 2002. - Т. 172, № 4. - С. 439-471.

2. Царев В. А. Регистрация космических лучей ультравысоких энергий радиометодом // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2004. Т. 35, № 1. - С. 1-49.

3. Linsley J. // Phys. Rev. Lett. - 1963. - V. 10. - P. 146-148.

4. Jelley J.V., Fruin J.H., Porter N.A. et al. //Nature. 1965. V. 205. - P. 327.

5. Аскарьян Г. А. Избыточный отрицательный заряд электрон-фотонного ливня и когерентное излучение от него //

Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1961.

- 41. № 2(8) .- С. 616-618.

6. Chairman W. N. Atmospheric Electric Field as a Possible Cause of Radio Pulse from EAS // Nature vol. 215 - p. 497-498 (1967).

7. Chairman W. N. and Jelley J. V. The atmospheric electric field as a source of RF emission from EAS, and some notes on breamsstrahlung // Phys. 46 216 (1968).

8. Sivaprasad K., in 15th Cosmic Ray Conf., Plovdiv, Bulgaria, 1977: Conf. Papers (Eds C Ya Christov et al.) Vol. 8 (Sofia: Institute for Nucl. Res. And Nucl. Energy, Bulgarian Acad. Of Sci., 1978).

- P. 484.

9. Каримов Р. Р., Кнуренко С. П., Козлов В. И. и др. // Материалы XVI международного симпозиума (12-15 октября 2009 г.). Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН,

2009. - С. 602-604.

10. Jasik H. // Antenna Engineering Handlebook. Mcgraw-Hill. 1961.

11. Knurenko S.P. et al. // Proc. 22nd ECRS. Turku. Finland.

2010. - P. 262.

12. Ellingson S. W. et al. Design and Evaluation of an Active Antenna for a 29-47 MHz Radio Telescope Array // IEEE Transaction on antenna and propagation vol. 55, No.3, 2007 -p. 826-831.

УДК 517.95

Д. К. Потапов

ОБ УРАВНЕНИЯХ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ТИПА ВЫСОКОГО ПОРЯДКА СО СПЕКТРАЛЬНЫМ ПАРАМЕТРОМ И РАЗРЫВНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ

Рассмотрена задача Дирихле для уравнения эллиптического типа высокого порядка со спектральным параметром и разрывной по фазовой переменной нелинейностью. Вариационным методом получены теоремы о существовании правильных решений для исследуемой задачи. Приведено необходимое и достаточное условие существования нетривиального решения рассматриваемой спектральной задачи.

Ключевые слова: эллиптические краевые задачи, уравнения высокого порядка, спектральный параметр, разрывная нелинейность, вариационный метод, правильные решения.

D. K. Potapov

Elliptical equation of high order with a spectral parameter and discontinuous nonlinearity

It is considered the Dirichlet problem for elliptical equation with a spectral parameter and discontinuous nonlinearity to the phase variable. Theorems of proper solution existence for the given problem are received by the variational method. There is brought necessary and sufficient condition for existence of a nontrivial solution of this spectral problem.

Key words: elliptic boundary condition, higher-order equations, spectral parameter, discontinuous nonlinearity, variational method, proper solutions.

ПОТАПОВ Дмитрий Константинович - к. ф.-м. н., доцент кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет».

E-mail: potapov@apmath.spbu.ru