29th International Cosmic Ray Conference Pune (2005) 00, 101-104

Оценка долговременной стабильности детекторов мировой сети нейтронных мониторов

Belov A., Gushchina R., Eroshenko E., Ivanus D., Yanke V.

Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS (IZMIRAN), Moscow, Russia

Результаты непрерывного мониторинга являются экспериментальным материалом для большого числа работ, посвященных исследованиям вариаций космических лучей (КЛ). Вопрос о долговременной стабильности детекторов является чрезвычайно важным. В работе используются два независимых метода оценки долговременной стабильности работы нейтронных мониторов. Количественные оценки получены для 90 детекторов, работающих более одного цикла СА.

1. Introduction.

Около полувека в распоряжении исследователей КЛ имеется такой мощный инструмент как Мировая сеть нейтронных мониторов. Определить качество данных каждой станции сети – задача настоящей работы. Такая задача ставилась и раньше [1]. Чтобы количественно оценить качество данных прибора, необходимо иметь эталон. Часто применяется ничем не обоснованный подход, когда в качестве такого эталона принята какая-нибудь “надежно” работающая станция. Целый ряд станций действительно имеют авторитет “надежно” работающих, но их трудно использовать в качестве эталона, поскольку каждая станция регистрирует КЛ в своем диапазоне спектра КЛ. В работе в качестве эталона используется модель вариаций КЛ. Расхождение с моделью для каждой станции мы относим за счет качества данных этой станции. Конечно, такой подход имеет свои недостатки, ибо построение адекватной модели само по себе задача сложная. Но методом последовательных приближений такая задача решается, если при соответствующих модификациях модели удается достаточно хорошо описать вариации КЛ в гелиосфере за пятидесятилетний период наблюдений. Нами разработан второй, независимый, метод оценки стабильности работы станций, который можно назвать методом отношений. В этом методе с помощью разработанного математического алгоритма заданный набор станций (примерно с одинаковыми эффективными жесткостями регистрируемых частиц ) разделяется на “надежно” и “ненадежно” работающие станции. В этом случае, в качестве эталона служит группа станций, имеющая одинаковые вариации и определяемые как “надежно” работающие, причем они должны быть в большинстве. Этот метод для каждой станции позволяет определить эффективность и точность ее оценки. Каждый метод имеет свои достоинства и ограничения, однако на их совместной основе можно получить надежные количественные оценки долговременной стабильности детекторов мировой сети нейтронных мониторов. Анализ проводился на базе среднемесячных данных, полученных соответствующим усреднением часовых данных, публикуемых в [2].

3) Модельный метод. В работе [3] был разработан вариант метода глобальной съемки, специально приспособленный для изучениядолговременных вариаций. Анализ проводился на среднемесячной базе данных нейтронных мониторов (45 станций), стратосферных наблюдений (3 станции) и ионизационных камер (2 станции). Наблюдаемая вариация может быть представлена как + где спектр изотропной вариаций, а невязка отражает неадекватность используемой модели вариаций и возможные аппаратурные вариации. Функции связи взяты из [4]. В модели было принято, что спектр вариаций, задается в трехпараметрическом виде и определяется как и область изменения параметров и , если R измеряется в GV. В работе [3] показано, что трехпараметрическая аппроксимация спектра вариаций галактических КЛ пригодна для описания спектра долговременных вариаций в области 5-50 GV. Только единичное число станций непрерывно работало 5 циклов СА; станции закрывались и создавались новые. Для того, чтобы учесть переменное число станций и уменьшить влияние возможного дрейфа детекторов за столь большое время, расчет спектров был проведен для нескольких базовых периодов. В конечном итоге все вариации определены относительно базового периода 1976 года. На рис.1 показаны найденные параметры спектра вариаций галактических КЛ , и . На нижней панели приведены среднеквадратичные отклонения экспериментальных данных и модели, которые дают возможность оценить адекватность применяемой модели вариаций.

4) Метод отношений. Этот метод разработан для внутреннего контроля качества данных наземных детекторов КЛ. Уже на раннем этапе создания сети станций был сделан переход от 2-х секционного IGY монитора (где можно было только констатировать приборные вариации), к 3-х секционному NM64 нейтронному монитору, когда сопоставление вариаций на различных однотипных секциях даёт возможность выделить неисправную секцию. В основе современных методов внутреннего контроля лежит деление детектора на максимально возможное число идентичных и независимых элементарных детекторов (в случае нейтронного монитора это число нейтронных счетчиков). Такой подход позволяет определить относительную эффективность каждого элементарного детектора, т.е. такой метод дает возможность постоянного контроля качества данных [5]. Эффективность детектора можно определить как число, на которое нужно разделить наблюдаемую скорость счета, чтобы избавиться от вариаций, связанных с изменениями самого детектора. Метод отношений был адаптирован для анализа долговременной стабильности детекторов сети станций. Условием применимости метода отношений для задачи анализа долговременной стабильности детекторов является объединение станций в группу станций с очень близкими характеристиками, например, с близкими эффективными жесткостями регистрируемых частиц. Мы рассматривали 4 группы станций с эффективными жесткостями регистрируемых частиц (рис. 2) <13, 13-18, 18-25, >25 GV. Тот факт, что данный подход не опирается ни на какую модель является его достоинством. Недостатком же рассматриваемого метода является необходимость рассматривать группы станций с близкими эффективными жесткостями регистрируемых частиц.

4) Обсуждение результатов и выводы.

На рис.3 приведены изменения эффективностей и ошибки их оценки для некоторых станций (для всех на сайте [6]), полученных с помощью двух методов: модельного и метода отношений. Для метода отношений приведена также ошибки определяемых эффективностей (правая шкала).

Совпадение в деталях найденных двумя методами эффективностей свидетельствует в пользу обоих методов. Анализ эффективностей показывает, что постоянный дрейф примерно 0.1 %/year наблюдается на многих станциях за весь или за достаточно длительный период наблюдений (рис.3a). Наибольший дрейф, около -0.4 %/year, для данных станции Goose Bay (рис 3b). Для высокоширотных станций четко наблюдается годовая волна с амплитудой около 1 %, противоположная по фазе в северном и южном полушариях (рис 3c, 3d; Ottawa и McMurdo). Она обусловлена температурным эффектом нейтронной компоненты и пренебрежимо мала для экваториальных станций [7]. Для некоторых станций (рис.3e; Beijing, Tibet, в меньшей степени Fort Smith) наблюдается аномально большой годовой температурный эффект (2-4%). Часть этого эффекта, около 1 %, также обусловлена температурным эффектом нейтронной компоненты, остальная часть за счет локального изменения температуры, влияющий на элементы электронного тракта, хотя станция Beijing имеет вполне хорошую долговременную стабильность. Характерное изменение эффективности приведено на рис.3f, где хорошо виден момент смены детектора IGY на NM64. В основном изменения эффективностей имеют спорадический характер, обусловленные, по-видимому, человеческим фактором. Аппаратурные вариации (или дрейфы) можно классифицировать на 1) суточные и сезонные, связанные с температурными изменениями; 2) долговременные, связанные с изменением свойств датчиков; 3) и спорадические аппаратурные вариации.

Если периодические вариации достаточно легко выделить и скорректировать, то для долговременного аппаратурного дрейфа это сделать чрезвычайно трудно. Наибольшая ошибка в данных возникает из-за дрейфа в давлении (до 0.1 %/year). Использование постоянного значения барометрического коэффициента, приводит к ложной 11-летней волне с амплитудой до 0.1 %.

Большие спорадические изменения эффективности могут быть вызваны, по крайней мере, двумя причинами. Это утечка заряда (микро пробои) по цепи высокого напряжения. Другая причина это недостаточная стабильность высоковольтных источников питания (или неисправность схем стабилизации). Кроме того, для некоторых горных станций очень важен эффект снега. Этот эффект может привести к полному искажению вариаций.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Модельный подход, когда рассогласование с моделью вариаций КЛ для каждой станции относится за счет качества данных станций, дает возможность качественно и количественно оценить долговременную стабильность работы каждой станции сети станций КЛ. Точность определяется адекватностью используемой модели вариации КЛ, а также качеством сшивания данных за различные эпохи.

2. Метод сравнений модельно независим. В этом случае для группы энергетически близких станций определяется долговременный дрейф каждой станции. Однако, не для всех станций можно сформировать группу станций с достаточным числом (> 6) одновременно работающих идентичных станций и это является недостатком такого подхода.

3. Совпадение в деталях найденных двумя методами эффективностей свидетельствует о применимости обоих методов. Кроме того, наша модель вариаций хорошо описывает модуляцию КЛ за весь пятидесятилетний период наблюдений, за исключением, может быть, области малых жесткостей. В качестве примера может служить станция South Pole.

4. Для лучших станций (около 10) дрейф может достигать 0.04 %/year. Сравним с амплитудой вариаций, полученной с привлечением всех данных и приведенных на рис. 1 - это значение сравнимо с ошибкой и равно ~ -0.01 %/year для периода 1976 - 1997 г.

5. Число станций, работающих несколько десятков лет и имеющих стабильность для всего периода наблюдений лучше, чем 2 %, насчитывается около 30. Однако для многих из них характерны спорадические изменения эффективности. Характерный дрейф примерно 0.1 %/year.

6. Для многих станций (около 40) дрейф данных стоит вообще на втором плане, качество данных определяется многочисленными спорадическими изменения.

7. Полный анализ работы сети станций космических лучей представлен в публикации [6].

Acknowledgment

This work is partly supported by Russion FBR grants 03-07-90389, 04-02-16763, 05-02-17251 and Program BR of the Presidium RAS “Neutrino Physics” and http://cr0.izmiran.rssi.ru/ThankYou/main.htm.

References.

[1] Белов А.В., Гущина Р.Т., Дорман Л.И., Сиротина И.В. Геомагнетизм и аэрономия, v.28, №4, p.550, 1988; “Данные многолетней регистрации космических лучей и анализ эффективностей нейтронных мониторов в 1953-1991 гг ”, Препринт ИЗМИРАН, Москва, №88(1035), 1993.

[2] База данных Мировой сети нейтронных мониторов ftp://cr0.izmiran.rssi.ru/COSRAY!/FTP_NM/C/.

[3] Белов А.В., Гущина Р.Т., Янке В.Г., Геомагнетизм и аэрономия, Т.38, №4, C.131, 1998.

[4] Алексаньян Т.М.,…, Белов А.В.,…, Янке В.Г. , Изв. РАН. Сер. физ., v. 46, №9, p.1689, 1982.

[5] Белов А.В., Блох Я.Л., Клепач Е.Г., Янке В.Г. сб. Космические лучи, Москва, №25. С.113, 1988; See also http://cr0.izmiran.rssi.ru/STATION/editor.htm.

[6] http://cr0.izmiran.rssi.ru/LongTimeVarCR/LongTimeStab/main.htm

[7] Belov A., Dorman L., Gushchina R., Yanke V., Proc. 24^th ICRC, Roma, v.4, p. 1141, 1995.