РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ В МОДИФИЦИРОВАННОЙ ВЕРСИИ КОДА CORSIKA
|
Введение 4
Глава 1. Обзор программного кода CORSIKA 8
1.1. Описание взаимодействий частиц 8
1.1.1. Электромагнитные взаимодействия 9
1.1.2. Адронные взаимодействия при низких энергиях . . 10
1.1.3. Адронные взаимодействия при сверхвысоких энергиях 10
1.2. Управление и запуск 11
1.3. Частицы 12
1.4. Система координат 12
1.5. Модели атмосферы 13
1.6. Генератор случайных чисел 14
1.7. Пространственное распределение частиц ШАЛ 14
1.7.1. ФПР электронов ШАЛ 15
1.7.2. Модули NKG кода CORSIKA 17
1.7.3. Код модуля NKG 21
1.8. Результаты главы 26
Глава 2. Модификация и расчет температурных коэффициентов 27
2.1. Опция НКГ кода CORSIKA 27
2.2. Вариации температурного профиля атмосферы 28
2.3. Модификация модуля НКГ 30
2.4. Анализ результатов 37
2.5. Результаты главы 41
Заключение 43
Литература 45
Глава 1. Обзор программного кода CORSIKA 8
1.1. Описание взаимодействий частиц 8
1.1.1. Электромагнитные взаимодействия 9
1.1.2. Адронные взаимодействия при низких энергиях . . 10
1.1.3. Адронные взаимодействия при сверхвысоких энергиях 10
1.2. Управление и запуск 11
1.3. Частицы 12
1.4. Система координат 12
1.5. Модели атмосферы 13
1.6. Генератор случайных чисел 14
1.7. Пространственное распределение частиц ШАЛ 14
1.7.1. ФПР электронов ШАЛ 15
1.7.2. Модули NKG кода CORSIKA 17
1.7.3. Код модуля NKG 21
1.8. Результаты главы 26
Глава 2. Модификация и расчет температурных коэффициентов 27
2.1. Опция НКГ кода CORSIKA 27
2.2. Вариации температурного профиля атмосферы 28
2.3. Модификация модуля НКГ 30
2.4. Анализ результатов 37
2.5. Результаты главы 41
Заключение 43
Литература 45
Актуальность проблемы. Анализ экспериментальных данных по широким атмосферным ливням (ШАЛ) или планирование наземных экспериментов по регистрации ШАЛ требуют детального моделирования каскадных процессов, развивающихся в атмосфере Земли, в результате прохождения в пей первичных высокоэнергетических частиц. Моделирование может быть проведено с использованием численных методов Монте-Карло с учетом современных знаний о характере сильных и электромагнитных взаимодействий при высоких энергиях. Для решения этой задачи был разработай комплекс компьютерных программ CORSIKA.
CORSIKA (COsmic Ray Simulation for KAscade) — это численная Монте- Карловская программа для изучения эволюции ШАЛ в атмосфере Земли, инициируемых первичными фотонами, протонами, ядрами или другими частицами [1]. Первоначально код был разработай для интерпретации данных эксперимента KASCADE, спланированного в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Германия) [2].
На сегодняшний день область применения кода CORSIKA распространяется от экспериментов на черенковских телескопах (Eo~ 1012 эВ) до самых высоких наблюдаемых энергий (Eo> 1020 эВ). Разработчики кода CORSIKA руководствовались идеей восстанавливать в результате моделирования не только достоверные средине значения наблюдаемых величии, по и воспроизводить их флуктуации. Поэтому программные модули кода включают все известные процессы, которые могут оказать заметное влияние па количественные характеристики ШАЛ. Это касается прохождения частиц через атмосферу, а также их взаимодействия с компонентами воздуха. Траектории всех вторичных частиц точно отслеживаются, характеристики частиц сохраняются при достижении уровня наблюдения. Такой подход позволяет детально проанализировать все особенности смоделированных Ливией.
Одной из самых серьезных проблем при моделировании ШАЛ является корректное описание адронных взаимодействий при высоких энергиях, которые не охватываются экспериментальными данными. Дело в том, что современные ускорители ограничены в своей максимально достижимой энергии до значений, намного меньших, чем те, которые обнаруживаются в космических лучах. Единственным выходом является экстраполяция результатов с использованием теоретических моделей. По мере развития модели CORSIKA в код были добавлены программные модули различных моделей адронных взаимодействий при высоких энергиях: VENUS, QGSJET [3], DPM JET и SIBYLL [4], которые описывают неупругие адронные взаимодействия. Для обработки низкоэпергетичных адронных взаимодействий была добавлена процедура GHEISHA.
Электромагнитные взаимодействия рассчитываются двумя способами: с использованием Монте-Карловского пакета EGS4 (Electron Gamma Shower system version 4) [5] или с использованием аналитического приближения Нишимуры-Каматы-Грейзепа [6].
Код CORSIKA, изначально разработанный для решения задач эксперимента KASCADE, па сегодняшний день является стандартным инструментом в области физики космических лучей сверхвысоких энергий и широко применяется различными исследовательскими группами для теоретических предсказаний и интерпретации экспериментальных данных.
В силу того, что свойства атмосферы, в которой происходит развитие ШАЛ и ЭФК изменяются, для корректного описания характеристик ливня требуется, вообще говоря, учет изменений свойств атмосферы. В работе это сделано с использованием функциональной теории чувствительности, созданной в Алтайском государственном университете.
Целью работы является модификация модуля НКГ расчета радиального распределения электронов ШАЛ вычислительного комплекса СОН81КА, позволяющая описать не только пространственное распределение электронной компоненты в парциальных электрофотонных каскадах от гамма-квантов, по и их вариационные производные, т.е. дифференциальные температурные коэффициенты.
Решаемые задачи:
1. Изучение структуры программного комплекса СОН81КА. Конфигурация кода для проведения расчетов функции пространственного распределения (ФПР) электронов в двух режимах: с использованием приближенного аналитического решения НКГ и прямым моделированием с использованием модуля ЕС84.
2. Модификация блока НКГ кода СОН81КА для расчета температурных коэффициентов электронной компоненты ШАЛ. Отладка и па- стройка модифицированного кода.
3. Расчет нормированных температурных коэффициентов для изотермической модели атмосферы и модели П876.
4. Анализ полученных результатов, формулировка выводов.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав и заключения. Объем работы 47 страниц.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена изучению структуры и принципов работы программного комплекса СОН81КА. Рассматриваются модули электро-магнитных и сильных адронных взаимодействий. Проводится подготовка рабочей среды для модификации и дальнейших расчетов.
Во второй главе предлагается альтернативный подход к описанию ФПР электронов, основанный па использовании скейлипгового формализма, предложенного в АлтГУ. Для описания температурного эффекта используются результаты функциональной теории чувствительности, также созданной в АлтГУ. Проводится модификации модуля НКГ кода СОН81КА. Выполнены расчеты температурных коэффициентов.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
CORSIKA (COsmic Ray Simulation for KAscade) — это численная Монте- Карловская программа для изучения эволюции ШАЛ в атмосфере Земли, инициируемых первичными фотонами, протонами, ядрами или другими частицами [1]. Первоначально код был разработай для интерпретации данных эксперимента KASCADE, спланированного в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Германия) [2].
На сегодняшний день область применения кода CORSIKA распространяется от экспериментов на черенковских телескопах (Eo~ 1012 эВ) до самых высоких наблюдаемых энергий (Eo> 1020 эВ). Разработчики кода CORSIKA руководствовались идеей восстанавливать в результате моделирования не только достоверные средине значения наблюдаемых величии, по и воспроизводить их флуктуации. Поэтому программные модули кода включают все известные процессы, которые могут оказать заметное влияние па количественные характеристики ШАЛ. Это касается прохождения частиц через атмосферу, а также их взаимодействия с компонентами воздуха. Траектории всех вторичных частиц точно отслеживаются, характеристики частиц сохраняются при достижении уровня наблюдения. Такой подход позволяет детально проанализировать все особенности смоделированных Ливией.
Одной из самых серьезных проблем при моделировании ШАЛ является корректное описание адронных взаимодействий при высоких энергиях, которые не охватываются экспериментальными данными. Дело в том, что современные ускорители ограничены в своей максимально достижимой энергии до значений, намного меньших, чем те, которые обнаруживаются в космических лучах. Единственным выходом является экстраполяция результатов с использованием теоретических моделей. По мере развития модели CORSIKA в код были добавлены программные модули различных моделей адронных взаимодействий при высоких энергиях: VENUS, QGSJET [3], DPM JET и SIBYLL [4], которые описывают неупругие адронные взаимодействия. Для обработки низкоэпергетичных адронных взаимодействий была добавлена процедура GHEISHA.
Электромагнитные взаимодействия рассчитываются двумя способами: с использованием Монте-Карловского пакета EGS4 (Electron Gamma Shower system version 4) [5] или с использованием аналитического приближения Нишимуры-Каматы-Грейзепа [6].
Код CORSIKA, изначально разработанный для решения задач эксперимента KASCADE, па сегодняшний день является стандартным инструментом в области физики космических лучей сверхвысоких энергий и широко применяется различными исследовательскими группами для теоретических предсказаний и интерпретации экспериментальных данных.
В силу того, что свойства атмосферы, в которой происходит развитие ШАЛ и ЭФК изменяются, для корректного описания характеристик ливня требуется, вообще говоря, учет изменений свойств атмосферы. В работе это сделано с использованием функциональной теории чувствительности, созданной в Алтайском государственном университете.
Целью работы является модификация модуля НКГ расчета радиального распределения электронов ШАЛ вычислительного комплекса СОН81КА, позволяющая описать не только пространственное распределение электронной компоненты в парциальных электрофотонных каскадах от гамма-квантов, по и их вариационные производные, т.е. дифференциальные температурные коэффициенты.
Решаемые задачи:
1. Изучение структуры программного комплекса СОН81КА. Конфигурация кода для проведения расчетов функции пространственного распределения (ФПР) электронов в двух режимах: с использованием приближенного аналитического решения НКГ и прямым моделированием с использованием модуля ЕС84.
2. Модификация блока НКГ кода СОН81КА для расчета температурных коэффициентов электронной компоненты ШАЛ. Отладка и па- стройка модифицированного кода.
3. Расчет нормированных температурных коэффициентов для изотермической модели атмосферы и модели П876.
4. Анализ полученных результатов, формулировка выводов.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав и заключения. Объем работы 47 страниц.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена изучению структуры и принципов работы программного комплекса СОН81КА. Рассматриваются модули электро-магнитных и сильных адронных взаимодействий. Проводится подготовка рабочей среды для модификации и дальнейших расчетов.
Во второй главе предлагается альтернативный подход к описанию ФПР электронов, основанный па использовании скейлипгового формализма, предложенного в АлтГУ. Для описания температурного эффекта используются результаты функциональной теории чувствительности, также созданной в АлтГУ. Проводится модификации модуля НКГ кода СОН81КА. Выполнены расчеты температурных коэффициентов.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Основные результаты выпускной квалификационной работы заключаются в следующем:
1. Изучена структуры программного комплекса СОН81КА. Выполнена конфигурация кода для проведения расчетов функции пространственного распределения (ФПР) электронов в двух режимах: с использованием приближенного аналитического решения НКГ и прямым моделированием с использованием модуля ЕС84.
2. Проведена модификация блока НКГ кода СОН81КА для расчета температурных коэффициентов электронной компоненты ШАЛ. Выполнена отладка и настройка модифицированного кода.
3. Проведены расчеты нормированных температурных коэффициентов для изотермической модели атмосферы и модели П876. Анализ полученных результатов приводит к следующим выводам.
• Изменение температуры на один градус в слое в одну радиационную единицу приводит к изменению ФПР на (0.2-0.6)% при возмущениях атмосферы в приземном слое ¿1 « (0Щ0.03) рад. ед. и 0.06% — для ¿1 « 4 рад. ед.
• Увеличение температуры атмосферы приводит к уменьшению плотности частиц в области г < (10 — 20) ми ее росту — при г > 40 м. В области г ~ (20 — 40) м температурный эффект ФПР электронов минимален.
Результаты слабо зависят от модели атмосферы.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радиофизики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.
1. Изучена структуры программного комплекса СОН81КА. Выполнена конфигурация кода для проведения расчетов функции пространственного распределения (ФПР) электронов в двух режимах: с использованием приближенного аналитического решения НКГ и прямым моделированием с использованием модуля ЕС84.
2. Проведена модификация блока НКГ кода СОН81КА для расчета температурных коэффициентов электронной компоненты ШАЛ. Выполнена отладка и настройка модифицированного кода.
3. Проведены расчеты нормированных температурных коэффициентов для изотермической модели атмосферы и модели П876. Анализ полученных результатов приводит к следующим выводам.
• Изменение температуры на один градус в слое в одну радиационную единицу приводит к изменению ФПР на (0.2-0.6)% при возмущениях атмосферы в приземном слое ¿1 « (0Щ0.03) рад. ед. и 0.06% — для ¿1 « 4 рад. ед.
• Увеличение температуры атмосферы приводит к уменьшению плотности частиц в области г < (10 — 20) ми ее росту — при г > 40 м. В области г ~ (20 — 40) м температурный эффект ФПР электронов минимален.
Результаты слабо зависят от модели атмосферы.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радиофизики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.