تشكل سلسلة الطاقة لجسيمات الأشعة الكونية الابتدائية طيفا طاقيا عريضا جدا. إذ تمتد الطاقات المقاسة لهذه الجسيمات من 10⁸ eV ولغاية 10²¹ eV. نعبر عن طيف الطاقة للأشعة الكونية بواسطة الفيض التفاضلي (هو عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة بين E وE+dF) أو بواسطة الفيض التكاملي وهو عدد الجسيمات التي تمتلك طاقة مقدارها E. توجد عدة طرق لقياس الفيض التكاملي وأهمها ما يأتي:

* عدد النوى بدلالة الطاقة الكلية E₀ يناسب هذا التعريف التجارب التي لا تميز ولا تكشف طبيعة الجسيمات الابتدائية.

* عدد الجسيمات (النوى) بدلالة الطاقة لكل نوكليون (E₀/A)، حيث أن A العدد الكتلي، تحفظ التفاعلات النووية تقريبا النسبة E₀/A لذلك يناسب هذا التعريف دراسة التفاعلات مع الوسط البين - نجمي (inter-stellar).

* عدد النيوكليونات بدلالة الطاقة لكل نيوكليون E₀/A، تتفاعل النوى ذات العدد الكتلي A والطاقة E₀. كأنها حزمة من A نيوكليون مستقل بطاقة E₀/A، وعليه فان هذه الطريقة مناسبة لتتبع إنتاج الجسيمات الثانوية كالميونات في الغلاف الجوي الأرضي أو النيوترينات في الغلاف ألنجمي.

* عدد الجسيمات بدلالة الصلادة المغناطيسية (rigidity)، يناسب دراسة انحباس وتسريع الأشعة الكونية عندما تتفاعل مع المجالات المغناطيسية (مستقرة أو متغيرة).

يتميز مخطط الطيف التفاضلي للطاقة بالانتظام الشبه تام لاحظ الشكل (1-5) وخصوصا في المجال (eV 10¹⁹ – eV10¹⁰).

الشكل (1-5)

الطيف الطاقي التفاضلي للأشعة الكونية الابتدائية.

ويقسم هذا المجال الى قسمين:

* القسم الأول ويشمل هذا القسم المجال الطاقي (10¹⁰– 4 x 10¹⁵ eV)، في هذا المجال يتغير الفيض التفاضلي مع الطاقة وفق الصيغة الآتية:

جسيمات هذا المجال هي ذات أصل سماوي (عمليات السوبرنوفا supernova والنجوم النيوترونية (neutron stars، لان التفاعل بين الجسيمات منخفضة الطاقة وتلك المتبقية من الانفجار الأعظم يفسر تماما المعادلة السابقة، نظرا لكون التدفق ذو قيمة معتبرة فان رصد جسيمات هذا النطاق ممكن بواسطة الأقمار الصناعية والبالونات

* القسم الثاني ويشمل المجال الطاقي من (10¹⁶–10^18A eV)، في هذا المجال يتغير التدفق التفاضلي مع الطاقة وفق المعادلة الآتية:

 من ناحية الطاقة لا يوجد أي جرم سماوي (مجرات) له القدرة على إصدار هكذا جسيمات ولذلك فان مصدر جسيمات هذه المنطقة يقع خارج مجرتنا (التصادمات بين المجرات وكذلك المجرات ذات النوى النشطة).

تسمى المنطقة التي تربط بين هذين القسمين والتي تشغل المجال(10¹⁶–4 x 10¹⁵ eV)  الركبة (knee) ، في هذا المجال يتناقص الفيض التفاضلي بشكل أسرع حيث يتناسب مع الطاقة تقريبا وفق العلاقة:

 يقدر الفيض في هذا المجال بحوالي جسيم واحد لكل متر مربع في السنة ويمكن إرجاع ذلك إلى احتجاز جسيمات هذا المجال من قبل المجرة (قطع مغناطيسي) كما يمكن إرجاعه إلى التفاعل مع المادة المظلمة (dark matter).

بينت بعض التجارب أن الطاقة في هذا المجال تتناسب مع الشحنة، وأن البنية المادية له تتشكل من النوى الخفيفة (البروتونات وجسيمات ألفا كما في الشكل (2–5). بالنسبة للجزء المتبقي من مجمل مخطط الطيف الطاقي التفاضلي نجد المجال الأول الذي يشمل الطاقات 10 GeV. بالنسبة للجزء المتبقي من مجمل مخطط الطيف الطاقي التفاضلي نجد المجال الأول الذي يشمل الطاقات الناتجة عن الاندماج النووي الحراري.

المجال الأخير ويشمل الطاقات الأعلى من 5x10¹⁸ إلكترون فولت، في هذا المجال يتغير الفيض التفاضلي حيث تقل سرعة التناقص على عكس ما يحدث عند الركبة. عدد الجسيمات الواردة بالنسبة لهذا المجال قليل جدا إذ يقدر بجسيم واحد لكل كيلو متر مربع خلال سنة كاملة إن هذه الندرة لا تمكن حتى من رسم مخطط.

 الشكل (2–5)

البنية المادية للطيف الطاقي التفاضلي للأشعة الكونية الابتدائية.