Apatity, Russian Federation
Apatity, Russian Federation
At present, cosmic ray (CR) physics uses a considerable variety of methods for studying CR characteristics, and both primary and secondary fluxes, respectively. Experimental methods make the main contribution, using various types of detectors, but numerical methods increasingly complement it due to the active development in computer technology. This approach provides researchers with the most extensive information about details of the process or phenomenon and allows us to make the most competent conclusions. This paper presents a concept of the RUSCOSMIC software package based on the GEANT4 toolkit and representing a range of different numerical models for studying the CR passage through a matter of different systems. The obtained results represent response functions of the main radiation detectors as well as some typical characteristics of secondary CR fluxes. Comparative results also show the operation of the module verifica-tion of calculations with experimental data.
cosmic rays, experimental techniques, numerical methods, Monte Carlo method, the radiation detectors, particle interaction with matter
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследования космических лучей (КЛ) проводятся разными способами. Первоначально это были в основном экспериментальные методы, широко использующиеся до сих пор. Традиционно запускаются шары-зонды с установленными на них детекторами [Bazilevskaya et al., 2008], а международная сеть нейтронных мониторов является одной из самых современных и надежных наземных систем регистрации космических лучей. 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 [Vashenyuk et al., 2009; Shea, Smart, 1982]).
С начала 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 разных типов, а также модель прохождения первичных КЛ через атмосферу Земли для получения информации о каскадах вторичных КЛ. Основой является пакет GEANT4 [Agostinelli et al., 2003], из которого наследуются классы, отвечающие за отображение процесса взаимодействия частиц с веществом, построение геометрии, задание начальных параметров, сбор информации о ходе моделирования, состоянии частиц и др.
Первым этапом данной работы являлось детальное изучение свойств детектирующего оборудования на станции космических лучей в г. Апатиты. С этой целью были созданы программные модули, представляющие собой модели нейтронного монитора (НМ), счетчиков Гейгера, сцинтилляционных детекторов с геометрией и свойствами материалов, максимально приближенным к реальным.
При моделировании прохождения потока нейтронов через нейтронный монитор была получена функция отклика, а также детально изучены свойства замедлителя и свинцового генератора. Сравнение наших результатов с результатами работ, проводившихся ранее и ведущихся в настоящее время, показало хорошее согласие. Современные сечения взаимодействий, используемые при моделировании, позволили более детально изучить функцию отклика нейтронного монитора в диапазоне энергий от 10 МэВ до эпитермальных. Проведенное параллельно моделирование множественности в нейтронном мониторе подтвердило предположение, что феномен вызывается не единственной частицей, попадающей в свинцовый генератор НМ, а целым облаком частиц.
Моделирование сцинтилляционных детекторов гамма-квантов стало необходимым, поскольку на станции КЛ уже в течение нескольких лет функционирует система мониторинга рентгеновского излучения, благодаря которой были выявлены его возрастания во время осадков. С помощью GEANT4 вычислены функции отклика NaI-детекторов различной геометрии. Подобные работы, разумеется, проводились и ранее, однако наше исследование отличают современный подход и совершенно новая концепция, позволяющая учесть больше факторов при расчете прохождения частиц через вещество.
Вторым этапом было создание собственного программного модуля для расчета прохождения частиц различных энергий через атмосферу Земли. Это позволило не только использовать для моделирования постоянно обновляющиеся данные, но и расширить границы применения, поскольку без труда можно менять состояние самой модели (изменять физические свойства вещества, добавлять различные поля и т. д.). Далее проводились расчеты прохождения галактических космических лучей (ГКЛ) через атмосферу Земли и развития каскадов частиц во время некоторых событий GLE. В результате создана база данных энергетических спектров вторичного космического излучения для различных высот. Данные расчеты могут применяться как для оценки скорости ионизации при вычислении эквивалентной дозы, так и для детального исследования развития каскадов во время GLE и поиска их новых особенностей. Результаты моделирования сверялись с результатами подобных исследований, проводившихся с использованием пакета PLANETOCOSMICS [Maurchev et al., 2011], а также с полученными с помощью шаров-зондов экспериментальными данными, с которыми наблюдается хорошее согласие.
1. Agostinelli S., Allison J., Amako K., et al. Geant4 — a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003, vol. 506, no. 3, p. 250. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8.
2. Bazilevskaya G.A. Usoskin I.G., Flückiger E.O., et al. Cosmic ray induced ion production in the atmosphere. Space Sci. Rev. 2008, vol. 137, pp. 149–173.
3. Bertini H.W. Intranuclear-cascade calculations of the secondary nucleon spectra from nucleon-nucleus interactions in the energy range 340 to 2900 MeV and comparison with experiment. Phys. Rev. 1969, vol. 188, pp. 1711–1730.
4. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., et al. ENDF/B-VII.1 Nuclear Data for science and technology: Cross sections, covariances, fission product yields and decay data. Nuclear Data Sheets. 2011, vol. 112, iss. 12, pp. 2887–2996.
5. Clem J.M., Dorman L.I. Neutron monitor response function. Space Sci. Rev. 2000, vol. 93, pp. 335–359.
6. Heikkinen A., Stepanov N., Wellisch J.P. Bertini intra-nuclear cascade implementation in Geant4. Computing in High Energy and Nuclear Physics. 24–28 March 2003, La Jolla, California. MOMT008.PDF.
7. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., Makhmutov V.S. Simulation of the transport of solar protons through the atmosphere in the 13 December 2006 GLE. Physics of Auroral Phenomena: Proc. XXXIV Annual Seminar. Apatity, 2011. pp. 110–113.
8. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, p. 1468. DOI: 10.1029/2002JA009430.
9. Shea M.A., Smart D.F. Possible evidence for a rigidity dependent release of relativistic protons from the solar corona. Space Sci. Rev. 1982, vol. 32, pp. 251–271.
10. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Relativistic solar cosmic ray dynamics in large ground level events. Proc. 21st ECRS. Kosice, Slovakia, 9–12 September 2008. Inst. of Exp. Phys Slovak Academy of Sci Publ., 2009, pp. 264–268.
11. Vashenyuk E.V. Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling. Astrophys. Space Sci. Trans. 2011, vol. 7, pp. 459–463.
