ПРИЗМА — наземный барометр космической погоды

Основу установки составляют 36 детекторов. С виду эти детекторы похожи на пластиковые бочки – собственно, корпуса детекторов и являются просто пластиковыми бочками. Но на дне этих бочек размещен особый материал – сцинтиллятор, способный светиться при прохождении через него заряженных элементарных частиц. В верхней части корпусов крепятся фоточувствительные элементы для регистрации возникающих в сцинтилляторе вспышек света.

Как рассказа руководитель установки кандидат физико-математических наук Дмитрий Громушкин, проект PRISMA (PRImary Spectrum Measuring Array) изначально был предложен старшим научным сотрудником Института ядерных исследований, выпускником МИФИ Юрием Васильевичем Стенькиным. Идея состояла в том, чтобы в качестве основного чувствительного материала детекторов использовать гранулы сульфида цинка, активированного ионами серебра. Это вещество является сцинтиллятором, то есть способно светиться при прохождении заряженных частиц. Однако Юрий Васильевич предложил усилить свойства этого материала и добавить внутрь гранул изотоп лития-6, который охотно вступает в ядерные реакции с нейтронами. В результате таких реакций рождается ядро трития (тритон) и ядро гелия-4 (альфа-частица). Обе родившихся частицы имеют электрический заряд и генерируют вспышки света в гранулах сульфида цинка. По своим характеристикам эти вспышки отличаются от вспышек при регистрации других частиц, что позволяет регистрировать нейтроны одновременно с другими частицами.

В своем первоначальном варианте установка ПРИЗМА была предназначена для исследований так называемых широких атмосферных ливней, которые возникают в результате взаимодействий прилетевших из космоса протонов и атомных ядер с верхними слоями атмосферы нашей планеты. Если прилетевшая из далекого космоса частица обладает достаточно высокой энергией, то при ее ударе о ядро азота или кислорода рождаются новые ядерно-активные частицы, которые называются мезонами. Родившиеся мезоны также могут иметь энергию, достаточную для расщепления других ядер. Так возникают мезоны второго поколения, потом третьего и так далее. До уровня моря доходят частицы одиннадцатого или двенадцатого поколения, их уже очень много, поскольку некоторые мезоны распадаются и запускают цепочки различных реакций. Так всего лишь от одного прилетевшего из космоса протона могут родиться десятки миллионов вторичных частиц. Поперечный радиус этого каскада составляет порядка сотни метров, поэтому он называется широким атмосферным ливнем.

Сцинтилляторы детекторов установки ПРИЗМА чувствительны как к заряженным частицам, так и к тепловым нейтронам, возникающим при взаимодействии мезонов ливня с окружающим установку веществом. В свое время это позволило измерить пространственную и временную структуру нейтронов в широких атмосферных ливнях.

Измерение потока тепловых нейтронов представляет значительный интерес для очень большого класса научных исследований. Это и исследование гроз, сейсмической активности региона, влажности почвы и физики Солнечно-Земных связей. Однако для всех этих исследований необходимо проводить измерение фонового потока тепловых нейтронов, а существующая на тот момент установка ПРИЗМА могла измерять только нейтроны, связанные с широкими атмосферными ливнями. Вот и возникла идея проведения модернизации установки, - это удалось сделать сравнительно недавно благодаря гранту Российского научного фонда.

«Электроника установки ПРИЗМА должна была обеспечивать два режима. С одной стороны, установка должна регистрировать широкие атмосферные ливни – события, в которых одновременно сработало сразу несколько детекторов, причем после такого срабатывания необходимо разделить отклик на заряженные частицы от отклика на нейтронную компоненту ливня. С другой стороны, каждый из 36 детекторов должен в режиме реального времени регистрировать одиночные нейтронные события, а для этого необходимо проводить их фильтрацию от событий с заряженными частицами. Сочетание этих, казалось бы, несочетаемых режимов показалось мне особенно непростой, а потому интересной задачей, которая была успешно решена», - поясняет ученый, ответственный за электронику ПРИЗМЫ, доцент Иван Шульженко.

Обработка и анализ данных современного физического эксперимента невозможны без тщательного компьютерного моделирования. Такое моделирование для установки ПРИЗМА было проведено доцентом Анной Дмитриевой. «В реальных событиях в установку может попасть сразу несколько тысяч частиц различных типов и энергий, и для полного понимания процессов нам необходимо знать, как отдельный детектор откликается на каждую из таких частиц. Создана математическая модель, в которой учтены все химические и ядерно-физические свойства материалов, задано взаимодействие частиц с веществом, заложены оптические характеристики внутренних поверхностей детектора так, чтобы можно было отслеживать пути рождаемых в сцинтилляторе фотонов до их полного поглощения или взаимодействия с фотокатодом ФЭУ», - поясняет Анна Дмитриева.

Солнце постоянно подкидывает нам сюрпризы, и различные события детектируются чуть ли не каждый день. Кроме того, ПРИЗМА регистрирует адронную и электрон-фотонную компоненту широких атмосферных ливней, которые также таят в себе немало загадок. «Наша установка, - уверяет Дмитрий Громушкин, - дает огромный объем экспериментальных данных, и поэтому мы приглашаем к сотрудничеству всех, кому интересен современный физический эксперимент. В наших данных уже есть материал для ваших бакалаврских работ, магистерских и кандидатских диссертаций».

Статья о ПРИЗМе опубликована в высокорейтинговом научном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (Volume 1076, July 2025) в статье “The PRISMA-36 array for studying variations of the thermal neutron flux”.