人工引雷高能輻射觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析研究

李小強(qiáng)，蔣如斌，李 鵬,*，張 雄，鄭 毅，李英男，劉 偉

(1.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205；2.中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所 中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

在閃電觀測(cè)研究中發(fā)現(xiàn)：伴隨閃電放電能產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線發(fā)射現(xiàn)象，這些射線被稱為閃電高能輻射。1994年，F(xiàn)ishman等[1]最早報(bào)道了康普頓γ射線天文臺(tái)(CGRO)的BATSE實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的源自地球大氣層的強(qiáng)烈而短暫的γ射線爆發(fā)(TGFs)。大多數(shù)TGFs的觀測(cè)均是基于低軌道衛(wèi)星平臺(tái)完成的[2-5]，直至2001年，Moore等[6]在美國(guó)新墨西哥州中部山區(qū)的雷暴過(guò)程中首次在地面觀測(cè)到自然閃電產(chǎn)生的高能輻射現(xiàn)象。人工引發(fā)的雷電作為自然閃電的模擬源，可使雷電在預(yù)知的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生，為閃電高能輻射觀測(cè)研究、產(chǎn)生機(jī)制研究提供了便利。2003年，Dwyer等[7-13]觀測(cè)到人工引雷產(chǎn)生的X射線，再次掀起關(guān)于閃電高能輻射的研究熱潮。他們基于NaI(Tl)閃爍探測(cè)器搭建了人工引雷高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)，利用人工閃電的回?fù)綦娏餍盘?hào)觸發(fā)示波器采集高能輻射信號(hào)，成功觀測(cè)到人工引雷先導(dǎo)階段產(chǎn)生的X射線爆發(fā)現(xiàn)象。

本文針對(duì)閃電高能輻射目標(biāo)信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)并搭建閃電高能輻射自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，并用于人工引雷試驗(yàn)[14-15]。

1 人工引雷高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)組成

人工引雷X射線觀測(cè)系統(tǒng)硬件由電磁屏蔽箱、NaI(Tl)探頭、前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集板、單模光纖收發(fā)器、蓄電池、數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)組成(圖1)，各部分功能如下。

1) 電磁屏蔽箱，能屏蔽閃電放電產(chǎn)生的電磁干擾，在觀測(cè)過(guò)程中防潮防雨，保護(hù)內(nèi)部的探測(cè)設(shè)備。

2) CH158-03型NaI(Tl)探頭，包含NaI(Tl)閃爍體探測(cè)器、光電倍增管、分壓器等器件，用于將閃電產(chǎn)生的X射線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)記錄測(cè)量。

3) 前置放大器，主要用于將探頭輸出信號(hào)進(jìn)一步放大、成形以供后續(xù)電子學(xué)電路采樣處理。

4) 高速數(shù)據(jù)采集板，是為開(kāi)展人工引雷X射線觀測(cè)研究而研發(fā)的核心實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采樣速率為10 MHz，采樣精度為8位，主要功能：為探頭提供正常工作所需要的高壓電源、對(duì)前置放大器輸出信號(hào)進(jìn)行快速連續(xù)采樣，對(duì)引雷X射線發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)甄別，并將有效數(shù)據(jù)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)。

5) 單模光纖收發(fā)器，主要用于人工引雷X射線探測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

6) 蓄電池，主要用于給高速數(shù)據(jù)采集板和單模光纖收發(fā)器供電。

7) 數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)，布設(shè)在人工引雷物理數(shù)據(jù)采集室內(nèi)，用于接收和存儲(chǔ)采集卡上傳的測(cè)量數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析、觀測(cè)系統(tǒng)能量刻度等功能。

Dwyer等[7]在人工引雷X射線觀測(cè)裝置的能量刻度中使用1枚137Cs放射源刻度NaI(Tl)探頭，該方法只能粗略估計(jì)系統(tǒng)的能量刻度系數(shù)，精度較差。

在高速數(shù)據(jù)采集卡中嵌入設(shè)計(jì)1個(gè)脈沖幅度分析模塊，用于系統(tǒng)能量刻度。在能量刻度模式下，可采集γ射線能譜，并將能譜數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)。本文建立的人工引雷高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)采用137Cs和40K放射源進(jìn)行能量刻度，得到高速數(shù)據(jù)采集板輸出的采樣值與射線沉積能量之間的線性關(guān)系。圖2a為能量刻度時(shí)采集的能譜，圖2b為全能峰能量與對(duì)應(yīng)采樣值的擬合曲線。采用2階多項(xiàng)式擬合得到的采樣值與射線在探測(cè)器內(nèi)沉積能量的關(guān)系為：

y=11.764x+0.000 915x2

(1)

圖1 人工引雷X射線觀測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Schematic of triggered lightning X-ray observation system

圖2 系統(tǒng)能量刻度Fig.2 System energy calibration

其中：y為射線在探測(cè)器內(nèi)沉積的能量；x為脈沖幅度采樣值。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

火箭-導(dǎo)線人工引發(fā)雷電是在一定的雷暴電場(chǎng)條件下，利用一定的裝置和設(shè)施，向雷暴云發(fā)射一尾部拖帶金屬導(dǎo)線的小型火箭，進(jìn)行人工引雷的專門技術(shù)。一般當(dāng)火箭上升到200～300 m的高度時(shí)，即可引雷成功[16]。成功的人工引雷一般包含從導(dǎo)線頂端向上發(fā)展的上行先導(dǎo)過(guò)程(建立云地之間閃電放電通道)，當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展入云并經(jīng)歷一段時(shí)間的通道截止后，將從云內(nèi)始發(fā)直竄先導(dǎo)沿原通道發(fā)展至地并引發(fā)大電流回?fù)暨^(guò)程，直竄先導(dǎo)一般連續(xù)發(fā)展，而當(dāng)通道條件較差，也可能發(fā)生類似于負(fù)先導(dǎo)擊穿空氣時(shí)的間歇性梯級(jí)先導(dǎo)過(guò)程。

在山東濱州沾化地區(qū)組織的人工引雷實(shí)驗(yàn)中，對(duì)兩種方式人工引雷(第1種是地面觸發(fā)人工引雷，第2種是空中引雷)產(chǎn)生的高能輻射信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)?？罩幸资窃诘?種引雷方式的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)線末端連接幾十m(略高于塔)尼龍線，使得人工雷電擊中高塔。本工作主要探測(cè)這兩種方式人工引雷產(chǎn)生的高能輻射信號(hào)和電場(chǎng)信號(hào)，高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)距地面觸發(fā)人工引雷火箭發(fā)射架約50 m，距高塔引雷火箭發(fā)射架約100 m。圖3為某次成功的人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)情況。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2017年7月，在4次人工引雷實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到3次X射線爆發(fā)信號(hào)。其中1次人工引雷實(shí)驗(yàn)未明顯觀測(cè)到X射線爆發(fā)的原因可能是發(fā)射引雷火箭的時(shí)刻雷暴云電場(chǎng)存在明顯的自然放電，電場(chǎng)強(qiáng)度的降低可能導(dǎo)致人工閃電未產(chǎn)生高能輻射，或電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)低產(chǎn)生的高能輻射量相對(duì)較弱，無(wú)法傳輸至探測(cè)點(diǎn)被觀測(cè)系統(tǒng)記錄到。3次成功實(shí)驗(yàn)中均能觀測(cè)到不少于1次的X射線爆發(fā)信號(hào)，X射線爆發(fā)信號(hào)與回?fù)魯?shù)量及回?fù)綦娏鲝?qiáng)度有關(guān)。X射線信號(hào)的波形大致可分為兩類：一類是探測(cè)器輸出分立的脈沖信號(hào)，另一類是探測(cè)器輸出連續(xù)的飽和電流信號(hào)。采用式(1)可將閃電高能輻射信號(hào)的采樣值轉(zhuǎn)換為探測(cè)器內(nèi)的沉積能量值。

圖3 某次成功的人工引雷實(shí)驗(yàn)Fig.3 One successful triggered lightning test

3.1 第1次人工引雷X射線爆發(fā)觀測(cè)

第1次成功的人工引雷共產(chǎn)生2次X射線爆發(fā)信號(hào)，如圖4所示。圖4a為第1次回?fù)羟叭斯らW電產(chǎn)生的X射線，可知，X射線脈沖相互獨(dú)立，未產(chǎn)生堆積，整個(gè)爆發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為110 μs。因觀測(cè)系統(tǒng)的量程不足，導(dǎo)致入射X射線沉積能量較高時(shí)，探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)產(chǎn)生飽和。圖4b為第2次回?fù)羟叭斯らW電產(chǎn)生的X射線，可知，X射線爆發(fā)信號(hào)由堆積的脈沖信號(hào)逐漸變?yōu)檫B續(xù)的飽和電流信號(hào)，整個(gè)爆發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為35 μs。X射線爆發(fā)的初期，探測(cè)器輸出的脈沖幅度較小，后期則脈沖信號(hào)幅度較高，這與自然閃電高能輻射爆發(fā)過(guò)程較為相似，但持續(xù)時(shí)間明顯縮短。

圖4 第1次人工引雷X射線爆發(fā)Fig.4 The first triggered lightning X-ray burst

圖4b中的連續(xù)飽和電流信號(hào)較難反演出X射線在探測(cè)器中的實(shí)際沉積能量；對(duì)于圖4a中的飽和脈沖信號(hào)，本文采取文獻(xiàn)[13]的方法，利用探測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的響應(yīng)函數(shù)來(lái)擬合脈沖采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，以粗略估計(jì)單個(gè)飽和脈沖的沉積能量，擬合結(jié)果如圖5所示。由數(shù)據(jù)分析可知，通過(guò)擬合法獲得的X射線脈沖信號(hào)的最高能量約為16 MeV。

圖5 飽和脈沖信號(hào)的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of saturation pulse signal

在閃電高能輻射的觀測(cè)過(guò)程中，利用快慢電場(chǎng)天線同步得到了人工雷電的電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)。將圖4a中的X射線信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 人工引雷電場(chǎng)信號(hào)和高能輻射信號(hào)對(duì)比Fig.6 Comparison of triggered lightning electric field signal and energetic radiation signal

由電場(chǎng)信號(hào)可知，先導(dǎo)(閃電回?fù)羟暗碾婋x過(guò)程)的梯級(jí)過(guò)程較為明顯，且先導(dǎo)梯級(jí)過(guò)程的脈沖信號(hào)與高能輻射的脈沖信號(hào)具有一一對(duì)應(yīng)的特征，這表明先導(dǎo)的梯級(jí)過(guò)程可能是閃電高能輻射的產(chǎn)生根源。

3.2 第2次人工引雷X射線爆發(fā)觀測(cè)

第2次成功的人工引雷共產(chǎn)生4次X射線爆發(fā)信號(hào)，如圖7所示。圖7a、c中X射線爆發(fā)信號(hào)由堆積的脈沖信號(hào)逐漸變?yōu)檫B續(xù)的飽和電流信號(hào)，整個(gè)爆發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為20 μs；圖7b中X射線脈沖相互獨(dú)立，未產(chǎn)生堆積，整個(gè)爆發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為110 μs；圖7d中觀測(cè)到持續(xù)時(shí)間約為25 μs的5個(gè)單獨(dú)脈沖，這是本次引雷實(shí)驗(yàn)第4次回?fù)羟坝^測(cè)到的高能輻射信號(hào)。

圖7 第2次人工引雷X射線爆發(fā)Fig.7 The second triggered lightning X-ray burst

對(duì)圖7d采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法可計(jì)算這些弱信號(hào)被判定為1次閃電高能輻射事件的概率。根據(jù)本底情況下核輻射計(jì)數(shù)率服從泊松分布的規(guī)律可知，平均計(jì)數(shù)率為m的系統(tǒng)，在t時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)脈沖數(shù)為n的概率P(n)為：

(2)

觀測(cè)系統(tǒng)的本底輻射平均計(jì)數(shù)率約為313 s-1，采用式(2)可計(jì)算出本底輻射在25 μs內(nèi)產(chǎn)生5個(gè)脈沖計(jì)數(shù)的概率為2.43×10-13，因此判定為閃電高能輻射信號(hào)的概率約為100%，表明該信號(hào)幾乎不可能由本底輻射產(chǎn)生。

3.3 第3次人工引雷X射線爆發(fā)觀測(cè)

第3次成功的人工引雷共產(chǎn)生1次X射線爆發(fā)信號(hào)，如圖8所示。圖8中X射線爆發(fā)信號(hào)由堆積的脈沖信號(hào)逐漸變?yōu)檫B續(xù)的飽和電流信號(hào)，整個(gè)爆發(fā)過(guò)程持續(xù)時(shí)間約為20 μs。

可看出，人工引雷X射線爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間不同，具有連續(xù)電流輸出的X射線爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間明顯短于具有分立脈沖的情況，相差約6倍。分析認(rèn)為，兩種X射線爆發(fā)是由不同類型的雷電先導(dǎo)產(chǎn)生的，分立脈沖X射線爆發(fā)源自于梯級(jí)先導(dǎo)(間歇性跳躍發(fā)展的先導(dǎo)過(guò)程)，連續(xù)電流X射線爆發(fā)源自直竄先導(dǎo)(沿已有通道連續(xù)傳輸?shù)南葘?dǎo)過(guò)程)。連續(xù)傳輸?shù)闹备Z先導(dǎo)速度比梯級(jí)先導(dǎo)速度更快，產(chǎn)生的X射線在探測(cè)上也表現(xiàn)出連續(xù)信號(hào)，且由于直竄先導(dǎo)發(fā)展快、時(shí)間短，對(duì)應(yīng)的X射線爆發(fā)信號(hào)時(shí)間也短。在文獻(xiàn)[16]中給出了梯級(jí)先導(dǎo)的傳播速度約為105m/s，而直竄先導(dǎo)的傳播速度要快1個(gè)量級(jí)左右，約為106～107m/s，先導(dǎo)的傳播速度也驗(yàn)證了X射線爆發(fā)持續(xù)時(shí)間的差異。

圖8 第3次人工引雷X射線爆發(fā)Fig.8 The third triggered lightning X-ray burst

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的閃電高能輻射自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，無(wú)需閃電回?fù)綦娏餍盘?hào)作為觸發(fā)，篩選算法能實(shí)時(shí)有效甄別出閃電高能輻射信號(hào)，避免耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間用于存儲(chǔ)本底信號(hào)。

4 結(jié)論

本文基于NaI(Tl)探測(cè)器自主研發(fā)出一套閃電高能輻射自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)到了人工引雷產(chǎn)生的X射線爆發(fā)現(xiàn)象，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。人工引雷高能輻射信號(hào)大致可分為兩種形式：X射線爆發(fā)信號(hào)由堆積的脈沖信號(hào)逐漸變?yōu)檫B續(xù)的飽和電流信號(hào)；X射線脈沖相互獨(dú)立，未產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。先導(dǎo)梯級(jí)過(guò)程的脈沖信號(hào)與高能輻射的脈沖信號(hào)具有一一對(duì)應(yīng)的特征，表明先導(dǎo)的梯級(jí)過(guò)程可能是閃電高能輻射的產(chǎn)生根源。