Определение вариаций высотного распределения мюонной компоненты вторичных космических лучей сцинтилляционным методом с использованием стратосферного спутника CubeSat 3U

Введение

Изучение высотного распределения мюонной компоненты вторичных космических лучей (ВКЛ) в контексте вариаций солнечной активности представляет значительный фундаментальный и прикладной интерес [1–5]. Актуальность данных исследований обусловлена необходимостью решения ряда задач, среди которых:

1. Проведение оценки радиационной безопасности авиации. Пространственное распределение ВКЛ является критическим параметром для оценки радиационной нагрузки на высотах магистральных авиалиний (8–12 км), где наблюдается максимум интенсивности мюонной компоненты [3, 6].
2. Осуществление мониторинга солнечной активности. Регистрация вариаций мюонного потока позволяет отслеживать 11-летние циклы активности Солнца и прогнозировать магнитные бури, оказывающие дестабилизирующее воздействие на навигационное оборудование и системы связи [6, 7].
3. Исследование гелиосферных возмущений. В периоды минимума солнечной активности высокоскоростной солнечный ветер выступает основным фактором возмущения межпланетного магнитного поля, модулирующего галактический поток космических лучей [5, 7].

Первичные космические лучи (протоны и ядра тяжелых элементов), взаимодействуя с атмосферой Земли на высотах 80–90 км, инициируют каскад вторичных частиц [2, 4]. Жесткая мюонная компонента ВКЛ, обладающая высокой проникающей способностью, достигает поверхности Земли, формируя существенную долю естественного радиационного фона [3]. Максимумы интенсивности мюонной компоненты традиционно приходятся на высоты 12–17 км (давление ~ 80 тор), в непосредственной близости от которых (8–12 км) располагаются эшелоны полетов гражданской авиации [8]. В периоды по-вышенной солнечной активности на данных высотах наблюдается генерация широких атмосферных ливней (ШАЛ) с интенсивностью до 10¹⁰ частиц [2, 5].

Цель работы: разработка и экспериментальная реализация метода определения вариаций высотного распределения мюонной компоненты ВКЛ с использованием стратосферного спутника формата CubeSat 3U, оснащенного сцинтилляционным детектором, с обеспечением регистрации данных в режи-ме реального времени.

Методика и оборудование эксперимента

В ходе эксперимента в качестве основного был использован телеметрической метод передачи данных в режиме реального времени с интервалом дискретизации 5 с. В качестве регистрирующего элемента применялся пластиковый органический сцинтиллятор на основе полистирола, легированного первичным активатором PPO и вторичным сместителем спектра POPOP, габаритами 12×12×3 см³ (площадь регистрирующей поверхности 144 см²).

Основные характеристики детектора: время высвечивания: ≤ 5 нс; световыход: 50–60 %; удельное энерговыделение мюонов: 2 МэВ·см²/г; полное энерговыделение при толщине 3 см: 6 МэВ; эффектив-ность регистрации заряженных частиц: ~100 %. Сбор полезного сигнала от сцинтиллятора осуществлялся через оптоволокно с помощью кремниевого фотоэлектронного умножителя (SiPM) модели PM3325-WB-D0.

Оценочный расчет показал, что при средней интенсивности мюонов на уровне моря 1 мюон/(см²·мин) = 0,0167 Бк/см² [2, 3], для площади детектора 144 см² ожидаемый начальный темп счета составляет:

N = 144 см² × 1 мюон/(см²·мин) = 144 соб/мин = 2,4 Бк.

С учетом высоты старта над уровнем моря (169 м) ожидаемое начальное увеличение темпа счета не превышает ~3–5 %.

Высота полета определялась барометрическим методом с использованием гипсометрической формулы:

,

где h – искомая высота (м), h₀- опорная высота (м) = 169 м (высота над уровнем моря в точке старта), R – универсальная газовая постоянная (8,314462618 Дж/моль К),  – средняя абсолютная температура (в Кельвинах) слоя воздуха между высотами h и h₀, т. е. среднее арифметическое температур на двух уровнях:  =  где T₀ – температура на уровне h₀ = 24 С° (температура в точке старта), T – температура на уровне h,  – ускорение свободного падения (~9,80665 м/с²),  – молярная масса

сухого воздуха (~0,0289644 кг/моль),  – давление на опорной высоте h₀ (например, на уровне моря) = 98611 Па (давление в точке старта=739,58 тор),  – давление на высоте h (1 тор = 0,75 мбар).

В исследовании использовалась платформа стандарта CubeSat формата 3U (модуль 1U имеет га-бариты 10×10×10 см и массу до 1,33 кг). Рабочий объем спутника, включая конструктивы и полезную нагрузку (детектор), был термостатирован с использованием нагревательной ленты с термодатчиком и теплоизолирующего материала.

Результаты эксперимента

Экспериментальные измерения были проведены в сентябре 2025 года (период с 17 по 23 сентября) в рамках Всероссийского чемпионата по программе «Стратосферный спутник-2025» в наукограде Черноголовка (Московская область) при поддержке Госкорпорации «Роскосмос» и организатора ООО

«Стратонавтика». Максимальная достигнутая высота подъема составила 23 408 м. Общее количество измерений на этапе подъема: 470 (с шагом ~50 м по высоте).

Основные результаты измерений высотного распределения интенсивности мюонов систематизированы в таблице 1 и визуализированы на рисунке 1.

а)

б)

Рисунок 1 – Исходный (а) и итоговый (б) графики зависимости темпа счета мюонной компоненты от величины атмосферного давления после обработки

Из данных таблицы 1 следует, что максимум интенсивности с темпом счета 1270 имп/мин зафиксирован на высоте 17 км при давлении 74,37 тор. На высоте 13,7 км обнаружен вторичный пик интенсивности, с темпом 820 имп/мин при давлении 96,23 тор. Эти значения вариаций темпа счета существенно превышают классические данные кривой Регенера--Пфотцера (максимум ~270 имп/мин на высоте 16 км) [8]. По результатам измерений установлено, что зависимость температуры окружающей среды от высоты показывает характерное снижение до –57 °C на отметке 17 км, что полностью согласуется с мо-делью стандартной атмосферы.

Таблица 1 – Результаты измерений высотного распределения мюонной компоненты

Обсуждение результатов

Наблюдаемое превышение интенсивности мюонной компоненты над эталонными значениями (в 4,7 раза в точке максимума) интерпретируется как следствие эффекта солнечной модуляции – возрастания потока ВКЛ в периоды солнечных вспышек [6–9]. В период проведения эксперимента (17–23 сентября 2025 г.), согласно данным Московского нейтронного монитора (ИЗМИРАН, г. Троицк), фиксировалась высокая вариативность солнечной активности в рамках 25-го 11-летнего цикла (начало: декабрь 2019 г., прогнозируемое завершение: ~ 2030 г.) [6]. Выявление двух областей повышенной интенсивности свидетельствует о локальной генерации широких атмосферных ливней субатомных частиц (ШАЛ):

1. Первая область (17 км, 1270 имп/мин) коррелирует с классическим положением максимума Пфотцера [8].
2. Вторая область (13,7 км, 820 имп/мин) указывает на дополнительную каскадную генерацию ливня.

Полученные данные согласуются с гипотезой о том, что в высотном диапазоне 13-17 км вероятность зарождения и развития ШАЛ является максимальной [2, 5].

Заключение

1. Разработана и конструктивно реализована измерительная установка на базе сцинтилляционного детектора в стандарте стратосферного спутника CubeSat 3U. Выполнен успешный экспериментальный запуск, с регистрацией высотного распределения ВКЛ до высоты 23,4 км.
2. Зарегистрирован максимум интенсивности 1270 имп/мин на высоте 17 км, что в 4,7 раза превышает эталонные данные кривой Регенера – Пфотцера. Обнаружена значительная локальная вариация интенсивности (820 имп/мин) на высоте 13,7 км, свидетельствующая о генерации широких атмосферных ливней.
3. Экспериментально подтверждено наличие эффекта солнечной модуляции интенсивности ВКЛ в период максимума 25-го цикла солнечной активности. Разработанный методический подход перспективен для мониторинга космической погоды, регистрации вариаций солнечной активности и оценки радиационной обстановки при авиационных перелетах.