闪电高能辐射探测及其对核爆监测的影响研究

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自然界的闪电能够同时产生瞬态电磁和光辐射信号,雷声还能产生声波信号,可导致核爆炸探测装备产生误报警。闪电是核爆探测的重要干扰源。在闪电观测研究中发现:伴随闪电放电,能够产生强烈的X射线发射现象,这些射线被称为闪电高能辐射。闪电高能辐射的产生机制,与其它物理信号之间的内在联系,也成为闪电物理学的研究热点。围绕闪电高能辐射的产生、探测以及对核爆探测的影响等相关问题,本文主要开展的研究工作及结论为:(1)基于GEANT4软件建立了闪电高能辐射RREA机制仿真计算模型,得到闪电高能辐射雪崩效应模型的参数,并给出闪电高能辐射轫致辐射光子数量的估算方法;其次,得到的雪崩距离常数、雪崩时间常数、光子数与逃逸电子数比值的计算公式,均为只有电场强度一个变量的函数,便于各个参数的理论计算和对比分析;采用相同的输入条件,使用不同的物理模型对RREA机制进行计算,评估了GEANT4中不同物理模型对仿真计算结果的影响。计算结果表明:构造函数EM Opt4采用的物理模型精度最高,输运相等的雪崩距,产生的轫致辐射光子最多,但计算过程耗费的时间也最长。(2)针对闪电高能辐射目标信号的特征,研制出三种类型闪电高能辐射探测系统。其中,采用FPGA控制高速ADC设计实现的闪电高能辐射自动探测系统,无需闪电回击电流作为外部触发信号,筛选算法能够实时有效甄别出闪电高能辐射信号,避免耗费大量的存储空间用于存储本底数据。该系统设计有脉冲幅度分析模块,可实现能谱数据采集,能够用不同放射源γ射线的特征能量对系统进行能量刻度。(3)在国内首次成功探测到一次强自然云地闪电产生的高能辐射爆发事件,最高能量超过30MeV,持续时间为几百μs,与卫星平台观测到的TGFs较为相似,是目前已报道的地面闪电γ射线爆发事件的第一例双峰事件。分析表明:负先导梯级过程的脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征,从而证明了先导的梯级过程是闪电高能辐射产生的根源,并且在整个先导过程中γ射线的能量随着梯级信号幅度的增大而增大。(4)在国内首次成功观测到3次人工引雷高能辐射信号。人工引雷高能辐射信号大致可分为两种形式:X射线爆发信号由堆积的脉冲信号逐渐变为连续的饱和电流信号;X射线脉冲相互独立,没有产生堆积的现象,最高能量可达16MeV。并且负先导梯级过程的脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征,进一步明确了先导的梯级过程是闪电高能辐射的产生根源。人工引雷X射线爆发的持续时间不同,具有连续电流输出的X射线爆发的持续时间明显短于具有分立脉冲的情况,相差约6倍。(5)建立了闪电高能辐射大气输运蒙卡仿真计算模型,分析了闪电高能辐射能否对核爆探测车早期核辐射符合探测产生干扰。计算结果表明,以2016年8月13日观测到的自然闪电高能辐射为例,能够对距离闪电通道3km以内的核爆炸早期核辐射探测系统产生误报警信号。估算得到闪电高能辐射传输至地面产生的空气吸收剂量约为10-4μGy量级,如此低的辐射水平无法对地面人员产生较为严重的生物学效应;探测器沉积能量计算结果表明:布置闪电高能辐射探测系统时,距离人工引雷装置不应超过5km,否则难以探测到有效信号,为实验场布设多套闪电高能辐射探测系统给出依据;2017年观测到的人工引雷高能辐射在距离引雷通道2km以内,能够对核爆炸早期核辐射符合探测装置产生干扰。人工引雷实验可用于测试核爆早期核辐射符合探测装置的符合探测功能,并且可以作为模拟源进行干扰识别研究。
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