Способ азимутального сканирования атмосферы с использованием потока мюонов космических лучей Российский патент 2024 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области исследования атмосферы при помощи потока мюонов космических лучей и может быть использовано для дистанционного обнаружения опасных атмосферных явлений и определения направления их движения. Атмосферные процессы являются одним из главных факторов, влияющих на все области жизнедеятельности человека. Особенно сильно это влияние проявляется в отраслях сельского хозяйства, транспорта, добычи полезных ископаемых и защиты здоровья человека.

Несмотря на широкий спектр устройств и способов выявления и исследования различных атмосферных явлений, быстрое изменение климата планеты является большим вызовом, вследствие чего возникает необходимость разработки новых способов обнаружения опасных атмосферных явлений, таких как области турбулентности, атмосферные фронты, бураны, грозовые ячейки, смерчи и др.

Из патентов RU128349 U1 (09.08.2012), RU2666971 С1 (05.10.2017) известны метеостанции различных классов, способные проводить измерения параметров атмосферы в точках их размещения. Недостатком использования метеостанций для обнаружения опасных атмосферных явлений является невозможность определения направления движения с помощью одной метеостанции и необходимость объединения их в обширную сеть, обладающую малой скоростью реакции на быстроразвивающиеся атмосферные явления.

Также известны устройства и способы измерения параметров атмосферы и обнаружения опасных атмосферных явлений с помощью аэрологических зондов и метеоракет (патенты RU59845 U1 (02.10.2006), RU2403533 C1 (17.08.2009)). Измерения проводятся с помощью одного и того же устройства на различных высотах атмосферы. В результате становятся известны высотные профили температуры, давления, влажности, скорости ветра и др., которые используются для дальнейшего анализа и составления прогноза. К недостаткам таких способов относятся нерегулярность проводимых измерений, зависимость дальности полета от метеоусловий и слабая управляемость или неуправляемость данных устройств.

Из патента RU 2583877 С2 (19.05.2014) и докладов XVIII Международной научной Школы-конференции молодых ученых по фундаментальным проблемам дистанционного зондирования Земли из космоса известны устройства и способы проведения метеоизмерений с помощью аэросъемки и съемки из космоса. Недостатком таких способов является невозможность проведения непрерывных наблюдений в одном конкретном районе.

К отдельному классу методов обнаружения атмосферных явлений можно отнести способы, основанные на азимутальном сканировании атмосферы с помощью различных видов волн и излучений, реагирующих на неоднородности или динамические процессы.

Из патентов RU116245 U1 (15.12.2011), RU2365523 С2 (07.03.2006) известны устройства и способы для обнаружения различных атмосферных явлений с помощью лидаров (от англ. LIDAR - Light Detection And Ranging). Способ обнаружения состоит в испускании и регистрации отраженного лазерного излучения. Недостатком такого способа является небольшой радиус действия, в случае использования лазера малой мощности, или в опасности воздействия лазерного излучения на объекты живой природы и человека, в случае большой мощности.

Наиболее близким к заявленному решению является способ радиолокационной метеорологии, реализуемый на радиолокаторах и доплеровских метеорадарах (от англ. RADAR - RAdio Detection And Ranging) (RU121942 U1 (23.03.2012), RU2293353 C2 (14.04.2005)). Способ заключается в регистрации в узком телесном угле электромагнитных волн, отраженных от метеобъекта, и последующем анализе полученных сигналов. При этом регистрируемые волны имеют искусственное происхождение и испускаются устройством, находящимся рядом с приемной антенной. Недостаток такого способа заключается в негативном воздействии, которое оказывают мощные высокочастотные радиоволны на окружающую природу и здоровье человека.

В атмосфере Земли имеется корпускулярный поток мюонов космических лучей, возникающий в верхних слоях в результате взаимодействия протонов и ядер космических лучей с ядрами атомов воздуха. Способ и устройство для визуализации потока мюонов (мюонография) известны из патента RU 2406919 С2 (15.10.2008). Формируясь и проходя через атмосферу, поток мюонов меняется в зависимости от встречаемых неоднородностей, что дает принципиальную возможность использовать его наряду с лазерным излучением и радиоволнами для дистанционного обнаружения опасных атмосферных явлений. Технический результат изобретения заключается в создании способа исследования атмосферы при помощи потока мюонов космических лучей и исключении негативного воздействия на окружающую природу и здоровье человека.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ азимутального сканирования атмосферы с использованием потока мюонов космических лучей, включающий измерение излучения в узких азимутальных секторах с последующим частотно-временным анализом измеренного сигнала и выявлением возмущенных областей отличается тем, что измерения проводят одновременно со всех азимутальных направлений, в качестве излучения используют естественный корпускулярный поток мюонов космических лучей, для каждого мюона измеряют азимутальный угол прихода, измеренным сигналом является временной ряд азимутального сектора, состоящий из количества мюонов, зарегистрированных в данном азимутальном секторе в последовательные интервалы времени.

В частном случае частотно-временной анализ временного ряда азимутального сектора проводят путем вычисления коэффициентов вейвлет-преобразования с различными значениями периодов, причем значение каждого коэффициента вейвлет-преобразования соответствует величине возмущения в азимутальном направлении, соответствующем направлению азимутального сектора, для которого был вычислен данный коэффициент вейвлет-преобразования, а значение периода, при котором был рассчитан коэффициент вейвлет-преобразования, соответствует периоду волнового процесса, вызванного упомянутым возмущением.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана общая схема обнаружения опасных атмосферных явлений с использованием потока мюонов космических лучей.

На Фиг. 2 показан рисунок, поясняющий выделение азимутального сектора из полусферы направлений прилета мюонов.

На Фиг. 3 показана круговая диаграмма мощностей коэффициентов вейвлет-преобразования.

На Фиг. 4 показан чертеж детектора на дрейфовых трубках. Цифрами обозначены:

1 - дрейфовая трубка;

2 - анод дрейфовой трубки;

3 - блок электроники детектора.

На Фиг. 5 показан чертеж шестиплоскостного трекового сцинтилляционного детектора. Цифрами обозначены:

4 - детектирующий элемент;

5 - базовый модуль;

6 - блок регистрирующей электроники;

7 - координатная плоскость;

8 - пенопластовый поглотитель.

Из Космоса на Землю поступает поток космических лучей, при их взаимодействии с ядрами атомов азота и кислорода в верхних слоях атмосферы образуются заряженные пи- и К-мезоны, в результате распада которых формируется поток мюонов космических лучей, составляющий на уровне моря ~ 120 частиц на квадратный метр поверхности в секунду.

Как показано на Фиг. 1, атмосферные явления в воздушном пространстве вызывают динамические процессы, которые приводят к возмущениям, проявляющимся в изменении плотности слоев атмосферы, что, в свою очередь, влияет на изменение средней высоты слоя генерации мюонов и на общее изменение потока мюонов. Поскольку высота слоя генерации мюонов в атмосфере средней полосы России составляет около 16 км над уровнем моря, то такие возмущения, сопровождающие атмосферные явления, могут быть зарегистрированы детектором в радиусе до 50 км.

Для поиска таких возмущений из полусферы направлений прилета мюонов, в центре которой расположен детектор, выделяется азимутальный сектор (Фиг. 2). Для каждого положения азимутального сектора с 5-минутным шагом формируется временной ряд потока мюонов, зарегистрированного с данного азимутального направления.

Частотно-временной анализ временного ряда для каждого азимутального сектора в данном случае проводится с помощью комплексного вейвлета Морле (Daubechies, I. Ten lectures on wavelets / I. Daubechies. - New York: Society for industrial and applied mathematics, 1992. - 357 p. - ISBN 978-0-89871-274-2). Коэффициенты вейвлет-преобразования определяются для всех точек временного ряда каждого положения азимутального сектора путем изменения значения параметра смещения вейвлета вдоль временного ряда для диапазона периодов от 20 до 180 минут. В результате получается массив комплексных коэффициентов, на основе модулей которых оценивается значение мощности вейвлет-преобразования, соответствующее конкретной точке временного ряда и конкретному значению периода возможного возмущения.

После того, как значения мощностей рассчитаны для всего временного ряда и всех значений периодов во всех азимутальных секторах, проводится поиск максимальных значений мощностей. Значению периода, при котором получена максимальная мощность, соответствует период волнового процесса возмущения, а азимутальный сектор, в котором найдено максимальное значение мощности вейвлет-преобразования, позволяет определить направление на источник возмущения в атмосфере.

На Фиг. 3 показан пример результата анализа по вышеописанному методу для конкретного момента времени в виде круговой диаграммы. Каждый отрезок рисуется от окружности к ее центру, длина отрезка пропорциональна значению мощности коэффициента вейвлет-преобразования ряда скорости счета потока мюонов, отобранных в азимутальном секторе шириной 30°, который смещается по азимутальному углу с шагом 4°, сканируя атмосферу в различных направлениях. Каждое направление отрезка соответствует определенному положению азимутального сектора. Длинные отрезки в юго-западном направлении указывают на то, что над детектором находится возмущение, а азимутальный угол атмосферного явления, которое является источником возмущения, лежит в направлении юго-запада от детектора.

Для реализации предложенного способа необходим детектор, способный измерять азимутальные углы прилета мюонов. Эффективная площадь детектора должна быть такой, чтобы статистическая точность по числу зарегистрированных мюонов в азимутальном секторе в 5-минутном интервале времени была не хуже 1%.

Первым примером такого детектора является детектор на основе дрейфовых трубок, представленный на Фиг. 4. Дрейфовые трубки (1) диаметром 50 мм имеют длину 5000 мм и заполнены смесью аргона и углекислого газа в пропорции 97:3. Такие дрейфовые трубки производятся Федеральным государственным бюджетным учреждением «Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». При прохождении мюона в результате ионизации в газовой смеси дрейфовых трубок образуются электроны, которые достигают анода дрейфовой трубки (2) и формируют короткий электрический сигнал, регистрируемый блоком электроники детектора (3).

Дрейфовые трубки в детекторе на основе дрейфовых трубок расположены вертикально и упакованы в структуру, имеющую в сечении форму правильного шестиугольника. Диаметр описанной вокруг детектора на основе дрейфовых трубок окружности составляет 1000 мм.

Проходящие через детектор на основе дрейфовых трубок мюоны регистрируются блоком электроники детектора в том случае, если в пределах временного окна 300 не имеются сигналы не менее, чем от 10 дрейфовых трубок. Каждой дрейфовой трубке сопоставлены свои координаты, в зависимости от взаимного расположения всех сработавших дрейфовых трубок вычисляется азимутальный угол прилета мюона.

При расположении в помещении, над которым имеется не более одного бетонного перекрытия толщиной 15-20 см, скорость счета мюонов детектором на основе дрейфовых трубок составляет около 300 событий в секунду, геометрия детектора на основе дрейфовых трубок позволяет выбрать ширину азимутального сектора равной 30°. За 5-минутный интервал в каждом азимутальном секторе регистрируется около 7500 мюонов, что позволяет достичь статистической точности временных рядов порядка 1%.

Вторым примером детектора для реализации предложенного способа является шестиплоскостной трековый сцинтилляционный детектор, схема которого представлена на Фиг. 5. Детектирующим элементом является узкая длинная полоска сцинтиллятора (4) производства ООО «Унипласт» г. Владимир размерами 26 x 10 x 3460 мм³ с вклеенным в нее оптическим волокном. Такие полоски в количестве 128 штук объединены в один слой в корпусе базового модуля (5), оптические волокна детектирующих элементов подключены к блоку регистрирующей электроники (6). Два базовых модуля со взаимно ортогональным расположением детектирующих элементов формируют координатную плоскость (7). Соседние координатные плоскости расположены на расстоянии 20 см друг от друга, пространство между ними заполнено пенопластовым поглотителем (8). Крайние координатные плоскости шестиплоскостного трекового сцинтилляционного детектора разнесены на расстояние ~ 1 м.

Попадая в шестиплоскостной трековый сцинтилляционный детектор, мюон проходит сквозь шесть координатных плоскостей, в результате чего блок регистрирующей электроники по сигналам с оптических волокон детектирующих элементов определяет координаты шести точек траектории мюона и рассчитывает углы прилета мюона. Суммарная толщина вещества шестиплоскостного трекового сцинтилляционного детектора с поглотителем составляет 28 г/см² и непреодолима для низкоэнергетичных электронов (с энергией до 50 МэВ), а наличие шести точек трека позволяет шестиплоскостному трековому сцинтилляционному детектору работать в специальном режиме отбора треков по их кривизне, благодаря чему электроны с энергиями в диапазоне 50-200 МэВ режектируются в блоке регистрирующей электроники, поскольку такие электроны активно теряют энергию за счет тормозных потерь и имеют изогнутую траекторию. Совокупность этих особенностей позволяет более эффективно регистрировать поток мюонов. Шестиплоскостной трековый сцинтилляционный детектор на Фиг. 5 имеет эффективную площадь 11.5 м². При расположении в помещении, над которым имеется не более одного бетонного перекрытия толщиной 15-20 см, за 5-минутный интервал в каждом азимутальном секторе шириной 30° регистрируется около 25000 мюонов из потока мюонов, что позволяет достичь статистической точности временных рядов порядка 0.7%.

Таким образом, предложенный способ азимутального сканирования атмосферы позволяет обнаруживать атмосферные явления на основе регистрации потока мюонов, не оказывая негативного воздействия на окружающую природу и здоровье человека, что позволяет применять его в густонаселенных мегаполисах и особо охраняемых природных зонах.

Изобретение относится к способам исследования атмосферы и может быть использовано для дистанционного обнаружения опасных атмосферных явлений и определения направления их движения. Сущность: измеряют излучение в узких азимутальных секторах одновременно со всех азимутальных направлений. Проводят частотно-временной анализ измеренного сигнала и выявляют возмущенные области. При этом в качестве излучения используют естественный корпускулярный поток мюонов космических лучей. Для каждого мюона измеряют азимутальный угол прихода. Измеренным сигналом является временной ряд азимутального сектора, состоящий из количества мюонов, зарегистрированных в данном азимутальном секторе в последовательные интервалы времени. Технический результат: исследование атмосферы при помощи потока мюонов космических лучей, исключение негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ азимутального сканирования атмосферы с использованием потока мюонов космических лучей, включающий измерение излучения в узких азимутальных секторах с последующим частотно-временным анализом измеренного сигнала и выявлением возмущенных областей, отличающийся тем, что измерения проводят одновременно со всех азимутальных направлений, в качестве излучения используют естественный корпускулярный поток мюонов космических лучей, для каждого мюона измеряют азимутальный угол прихода, измеренным сигналом является временной ряд азимутального сектора, состоящий из количества мюонов, зарегистрированных в данном азимутальном секторе в последовательные интервалы времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частотно-временной анализ временного ряда азимутального сектора проводят путем вычисления коэффициентов вейвлет-преобразования с различными значениями периодов, причем значение каждого коэффициента вейвлет-преобразования соответствует величине возмущения в азимутальном направлении, соответствующем направлению азимутального сектора, для которого был вычислен данный коэффициент вейвлет-преобразования, а значение периода, при котором был рассчитан коэффициент вейвлет-преобразования, соответствует периоду волнового процесса, вызванного упомянутым возмущением.