Μετρητές Νετρονίων

Πάρα τις δεκαετίες της παράδοσης, οι επίγειοι μετρητές νετρονίων παραμένουν ένα σύγχρονο εργαλείο για την καταμέτρηση των κοσμικών ακτίνων, και παίζουν σημαντικό ρόλο στην έρευνα στα πεδία της διαστημικής φυσικής, των αλληλεπιδράσεων Γης – Ήλιου και των εφαρμογών του διαστημικού καιρού. Είναι ευαίσθητοι στις κοσμικές ακτίνες που διεισδύουν στην ατμόσφαιρα της Γης με ενέργειες 0.5-20 GeV, δηλαδή για ένα εύρος ενέργειας που δεν μπορεί να μετρηθεί με ανιχνευτές στο διάστημα με τον ίδιο απλό, οικονομικό και στατιστικά ακριβή τρόπο. Δυο τύποι ανιχνευτών (IGY and NM64) είναι σε λειτουργία σε ένα παγκόσμιο δίκτυο, το οποίο σήμερα αριθμεί 50 σταθμούς.

Μετρητής Νετρονίων τύπου NM64 με 3 μετρητές (δεξιά φαίνονται η ξύλινη θήκη του ανακλαστήρα και οι μετρητές και αριστερά τα ηλεκτρονικά, ηλεκτρική παροχή υψηλής τάσης και το βαρόμετρο)

Τα μέρη ενός μετρητή νετρονίων

Σχεδιασμός ενός μετρητή νετρονίων

Υπάρχουν δύο τύποι μετρητών νετρονίων. Ο IGY μετρητής νετρονίων σχεδιάστηκε από τον Simpson (1958) στις αρχές της δεκαετίας του 1950. Με αυτόν τον ανιχνευτή γινόταν η μελέτη των χρονικών μεταβολών της έντασης της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας για ενέργειες της τάξης των GeV κοντά στην Γη κατά την διάρκεια του International Geophysical Year (IGY) 1957/1958. Δέκα χρόνια περίπου μετά ο Carmichael (1964) σχεδίασε τον μεγαλύτερο NM64 μετρητή νετρονίων με αυξημένο ρυθμό καταμέτρησης. Ο NM64 ήταν ο επίσημος επίγειος ανιχνευτής κοσμικών ακτίνων για το International Quiet Sun Year (IQSY) το 1964.

Οι μετρητές νετρονίων αποτελούνται από ειδικούς αναλογικούς μετρητές αερίου που περιβάλλονται από έναν επιβραδυντή, έναν παραγωγό (μόλυβδος) και τον ανακλαστήρα. Η προσπίπτουσα νουκλεονική συνιστώσα (πρωτόνια και νετρόνια) της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας προκαλεί πυρηνικές αντιδράσεις στον μόλυβδο όπου παρατηρείται «εξάτμιση» και παράγονται νετρόνια χαμηλής ενέργειας. Αυτά τα νετρόνια με ενέργειες της τάξης των MeV επιβραδύνονται σε θερμικές ενέργειες από τον επιβραδυντή και στους μετρητές τύπου ΝΜ64 περίπου το 6% αυτών των νετρονίων τελικά καταγράφεται από τον αναλογικό μετρητή. Στο γεγονός ότι τελικά αυτά που καταγράφονται είναι τα νετρόνια οφείλεται και το όνομα αυτού του ανιχνευτή κοσμικών ακτίνων: μετρητής νετρονίων.

Σχηματική αναπαράσταση ενός IGY μετρητή νετρονίων. Το προσπίπτον νουκλεόνιο, στην συγκεκριμένη περίπτωση ένα πρωτόνιο, αλληλεπιδρά με το μόλυβδο. Τρία νετρόνια «εξάτμισης» παράγονται μ’ αυτή την πυρηνική αντίδραση.
Καθώς κινούνται τα νετρόνια συναντούν τα διαφορετικά υλικά του μετρητή νετρονίων. Δύο νετρόνια σταματούν στον ανακλαστήρα (απορροφούμενα νετρόνια) και ένα νετρόνιο «εξάτμισης» εισέρχεται στον επιβραδυντή όπου και επιβραδύνεται και τελικά ανιχνεύεται από τον μετρητή.

Αναλογικός μετρητής αερίου

Οι μετρητές σε ένα μετρητή νετρονίων ανιχνεύουν κυρίως θερμικά νετρόνια, με κινητική ενέργεια 0.025 eV περίπου. Το αέριο που χρησιμοποιείται στους μετρητές είναι συνήθως τριφθοριούχο βόριο (BF3), εμπλουτισμένο κατά 96% με το ισότοπο 10B και με πίεση 0.27 bar στον NM64.

Η ανίχνευση των θερμικών νετρονίων στον μετρητή γίνεται μέσω της αλληλεπίδρασης τους με τον πυρήνα 10B σύμφωνα με την εξώθερμη αντίδραση: $$ ^{10}\mathrm{B}_5 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{7}\mathrm{Li}_3 \quad + \quad ^4\mathrm{He}_2 $$

Τα προϊόντα της αντίδρασης ανιχνεύονται από τον ιονισμό τους από το αέριο των μετρητών. Ο μετρητής είναι αναλογικός και η τάση λειτουργίας του είναι περίπου 2800V (NM64).

Από το 1990 στους μετρητές αντί για BF3 χρησιμοποιείται επίσης και αέριο 3He. Οι μετρητές με 3He έχουν πιο απλό σχεδιασμό. Η εξώθερμη αντίδραση των νετρονίων με το 3He είναι η παρακάτω: $$ ^{3}\mathrm{He}_2 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{3}\mathrm{H}_1 \quad + \quad \mathrm{proton} $$

Ένα πλεονέκτημα του να χρησιμοποιείται το 3He ως το αέριο στους μετρητές είναι ότι ο μετρητής μπορεί να λειτουργήσει για υψηλότερες τιμές πίεσης αερίου και τάση μικρότερη από 1500V. Με υψηλότερες τιμές πίεσης στο αέριο του μετρητή μπορεί να επιτευχθεί μεγαλύτερη απόδοση ανά μονάδα όγκου.

Αν και οι μετρητές, που η λειτουργία τους βασίζεται στις αντιδράσεις (1) και (2) που αναφέραμε παραπάνω, είναι πιο αποτελεσματικοί στην ανίχνευση θερμικών νετρονίων λόγω της 1/v εξάρτησης από την ενεργό διατομή (v: ταχύτητα), τα ταχύτερα νετρόνια μπορούν να ανιχνευτούν αν πλαισιώσουμε τους μετρητές με υλικά επιβράδυνσης που περιέχουν υδρογόνο, όπως παραφίνη ή πολυαιθυλένιο.

Επιβραδυντής

Αν τα εισερχόμενα νετρόνια είναι πολύ γρήγορα θα έχουν πολύ μικρή πιθανότητα να αντιδράσουν, σύμφωνα με τις (1) και (2), με το αέριο του μετρητή και να ανιχνευθούν. Για να αυξηθεί η πιθανότητα ανίχνευσης τα νετρόνια πρέπει να επιβραδυνθούν. Η λειτουργία του επιβραδυντή είναι να μειώσει τις ενέργειες των νετρονίων σε τιμές όσο πιο κοντά γίνεται στις θερμικές ενέργειες ( 1/40 eV).

Αυτό επιτυγχάνεται με την σύγκρουση των νετρονίων με άλλους πυρήνες. Η ανταλλαγή κινητικής ενέργειας είναι πιο αποτελεσματική όσο πιο κοντά είναι η μάζα του πυρήνα με το νετρόνιο – θεμελιώδης νόμος της μηχανικής. Υλικά με μικρό ατομικό αριθμό Α, που είναι συνήθως υλικά που περιέχουν υδρογόνο, όπως η παραφίνη στον IGY μετρητή νετρονίων και το νερό και το πολυαιθυλένιο στον NM64, χρησιμοποιούνται σαν υλικό στον επιβραδυντή.

Παραγωγός σωματίων (μόλυβδος)

Γύρω από τον επιβραδυντή βρίσκεται ο παραγωγός σωματίων (μόλυβδος). Οι λειτουργίες του μολύβδου σε ένα μετρητή νετρονίων είναι οι ακόλουθες:

1. Νετρόνια «εξάτμισης» και νετρόνια χαμηλής ενέργειας παράγονται μέσω πυρηνικών αντιδράσεων των προσπιπτόντων ενεργητικών νετρονίων με τον μόλυβδο. Τα νετρόνια «εξάτμισης» που παράγονται παρουσιάζουν μια κατανομή ενέργειας με μέγιστο περίπου στα 2 MeV και αυτό σημαίνει ότι οι ενέργειες φθάνουν μέχρι και 15 MeV.
2. Ο μέσος αριθμός των νετρονίων «εξάτμισης» ανά προσπίπτον νουκλεόνιο που προκαλεί μια πυρηνική αντίδραση στον μόλυβδο είναι περίπου 15 και έτσι ο μόλυβδος αυξάνει την πιθανότητα ανίχνευσης.

Επιλέγεται ο μόλυβδος για παραγωγός σωματίων γιατί ένα στοιχείο με μεγάλο μαζικό αριθμό Α, δίνει πολλούς πυρήνες στόχους για την παραγωγή νετρονίων «εξάτμισης». Επίσης η ενεργός διατομή απορρόφησης του μολύβδου για θερμικά νετρόνια είναι σχετικά μικρή.

Ανοιχτός NM64 μετρητής νετρονίων χωρίς μετρητές. Είναι ορατά οι δακτύλιοι μολύβδου και ο ανακλαστήρας πολυαιθυλενίου.

Τα παρακάτω χαρακτηριστικά αναφέρονται σε μετρητή νετρονίων τύπου NM64. Η πιθανότητα ένα νετρόνιο κοσμικών ακτίνων ή ένα πρωτόνιο που χτυπά τον μετρητή νετρονίων να αλληλεπιδράσει με ένα πυρήνα στόχο του μολύβδου είναι 50%. Ο μέσος αριθμός νετρονίων «εξάτμισης» που παράγονται ανά πυρηνική αντίδραση στον μόλυβδο είναι 15 και η πιθανότητα ανίχνευσης των νετρονίων «εξάτμισης» από τον μετρητή είναι 6 %. Με αυτές τις παραμέτρους ο μέσος ρυθμός καταμέτρησης ενός μετρητή νετρονίων τύπου NM64 με 6 μετρητές αερίου BF3 σε υψηλά πλάτη είναι περίπου 70 cts/second και στο επίπεδο του ισημερινού είναι 50 cts/second.

Ανακλαστήρας

Το σύνολο των μετρητών, του επιβραδυντή και του μολύβδου περιβάλλεται από πολυαιθυλένιο στον NM64 και παραφίνη στον IGY. Έτσι επιβραδύνονται και ανακλώνται τα νετρόνια «εξάτμισης» που παράγονται στον μόλυβδο μέσα στους μετρητές. Ο ανακλαστήρας επίσης προστατεύει και απορροφά νετρόνια χαμηλής ενέργειας που παράγονται στον περιβάλλοντα χώρο εκτός του μετρητή νετρονίων. Αυτό αποτρέπει οι αλλαγές στο υλικό στον περιβάλλοντα χώρο του μετρητή (όπως χιόνι) να επηρεάζουν σημαντικά τον ρυθμό καταμέτρησης του μετρητή.

Χαρακτηριστικά Μετρητών Νετρονίων

Περαιτέρω πληροφορίες

J.A. Simpson, Cosmic Radiation Neutron Intensity Monitor, Annals of the Int. Geophysical Year IV, Part VII, Pergamon Press, London, p. 351, 1958

H. Carmichael, IQSY Instruction Manual, vol. 7, Deep River, Canada, 1964

C.J. Hatton, The Neutron Monitor, in J., G. Wilson and S.A. Wouthuysen (eds.), Progress in Elementary Particle and Cosmic-ray Physics, vol. 10, chapter 1, North Holland Publishing Co., Amsterdam, 1971

P.H. Stoker, L.I. Dorman, and J.M. Clem, Neutron Monitor Design Improvements, Space Science Review, vol. 93, pp. 361-380, 2000

J.M. Clem and L.I. Dorman, Neutron Monitor Response Functions, Space Science Review, vol. 93, pp. 335-359, 2000