Нейтронды монитор

Нейтронды монитор- қазіргі заманға сай, ғарыштық сәулелерді өлшейтін, ғарыш физикасын, күн-жер байланысын, ғарыш райын болжауда негізі аспап болып табылады. НМ Жер атмосферасына 05-20ГэВ ауқымындағы энергиямен енетін ғарыштық сәулелерге сезімтал. Оларды ғарыштық детекторлармен өлшеу мүмкін емес. Нейтронды монитордың негізгі екі түрлі (МГГ мен НM64), стандартталған дүниежүзі бойынша 50 астам станцияларда қолданыста.

НМ64- нейтронды мониторы, үш санаушы түтікшелерден (оң жақта ағаш қабықша мен счетчикті түтікше көрніп тұр) және тік орналасқан (сол жақта) жоғары вольты электронды санаушыдан тұрады.

Нейтронды монитордың компоненталары

Нейтронды монитор көрінісі

НМ стандартталған екі түрі бар. МГГ нейтронды мониторын Симсон (1958) жасап шығарған. Бұл бірінші ретті ғарыштық сәулелердің қарқындылығының уақытша вариациясын, энергиясы шамамен ГэВ, жер маңындағы кеңістіктегі, Халықаралық геофизика жылы аясында, 1957-1958 жылдарда зерттеді. Он жылдан соң Кармайкл (1964) НМ көлемі үлкен НМ64, санау жылдамдығы жоғарысын жасады. НМ64 стандарты, жерде жұмыс істейтін, ғарыштық сәулелердің детекторы, Халықаралық Бәсен Күн Жылына 1964 арналды.

НМ әдейлеп газбен толтырылған пропорционал санаушылардан тұрады. Айналасы қорғасын көзі мен шашыратқышынан тұратын баяулатқыш. Түсетін нуклон компонентасы (протон мен нейтрон), екінші ретті ғарыштық сәулелер ағымы, қорғасында реакция тудырып, ұшып шығады, сондай-ақ энергиясы төмен нейтрондарды тудырады. Бұл нейтрондар энергиясы шамамен МэВ, баяулатқышта - жылы энергияға дейін баяулайды, және НМ64 шамамен 6% нейтрон энергиясы МэВ, соңында, пропорционал түтікше-санаушылармен детектірленеді. Нейтронды детекторлардың ғарыштық сәулелерді ұстап алуы, осы аспапқа: нейтронды монитор (НМ) деген атты тағайындады.

IGY schematic view Нейтронды МГГ сұлбалы түрі. Түсетін нуклон, мұнда протон қорғасынмен әсерлеседі. Айтылған жағдайда, ядролық реакциядан үш нейтрон туады. Кездейсоқтықпен нейтрондар НМ әртүрлі материалдарына өтіп кетеді. Екі нейтрон шашыратқышта тоқтап қалды, (нейтрон жұтылды) және бір нейтрон баяулатқыш арқылы өтіп, баяулады да, соңында түтікше санаушыда табылды.

Газбен толтылылған санаушы түтікше (счетчик)

Санаушы НМ түтікшесі негізінен жылулық нейтрондарды анықтайды, кенетикалық энергиясы шамамен 0,025 эВ. Санаушы газ әдетте бордың үш фториді(BF3), ол 96% дейін 10 В изотоппен тотықтырылған, қысымы 0,27 бара болатын НМ64.

Жылулық нейтрондарды анықтау, санақшы түтікшеде, 10В ядромен экзотермиялық реакция кезінде болады: $$ ^{10}\mathrm{B}_5 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{7}\mathrm{Li}_3 \quad + \quad ^4\mathrm{He}_2 $$

Реакция нәтижелерін анықтау,санаушыдағы газ ионизациясы кезінде болады. Санақшы түтікше жұмыс кернеуі шамамен 2800 В (НМ64) болғанда, санаушыға пропорционал жұмыс істейді.

1990 жылдан бастап санаушы түтікше гелийдің үш атомымен 3He, BF3 орнына, толтырылады. НМ осылай ауыстырылды. Гелийдің үш атомды санаушысының конструкциясы өте қарапайым. Нейтрондардың гелийдің үш атомымен экзотермиялық реакциясы. $$ ^{3}\mathrm{He}_2 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{3}\mathrm{H}_1 \quad + \quad \mathrm{proton} $$

Гелийдің үш атомының тағы бір артықшылығы, санаушы газ ретінде, санаушы түтікше әлде қайда жоғары қысымдада жұмыс істей алатындығы, кернеулігі 1500 В. Жоғары қысымда санаушы газда да, бірлік көлемдегі анықтаулардың үлкен эффективтілігіне жетуге болады.

Жоғарыда айтылған реакциялар негізіндегі санаушылар, жылу нейтрондарын тіркеуде ең тиімдісі. Жылу нейтрондарын тіркеуде санаушы түтікшенің баяулатқышының материалы сутегі болатын. Оның орнына парафин мен полиэтилендіде қолдануға болады.

Баяулатқыш

Кіретін нейтрондар аса жылдам қозғалса, онда жоғарыда айтылған реакцияларға сәйкес, санау газына байланысты олардың сезу мүмкіндігі аса үлкен емес, және табылуыда қиындау. Табылу ықтималдылығын арттыру мақсатында, нейтрондар баяулатылуы керек. Нейтрондар энергиясын шамамен жылулық нейтрондарына (1/40эВ) дейін азайтуіа болады.

Бұл нейтрондардың басқа ядролармен соқтығысу арқылы іске асады. Кинетикалық энергиямен алмасу, ядро массасының нейтрон массасына алмасуынан, жақсы болады. Бұл механиканың элементар заңы. Атомдық массасы төмен материалдар, сутегі, парафин МГГ нейтронды мониторындағы, су мен полиэтилен НМ64, баяулатқыш ретінде қолданылады.

Қорғасынды көз

Баяулатқыш қорғасынды көзбен қоршалған. Қорғасын НМ екі функцияны атқарады:

  1. Нейтрондарды жұлып алу мен энергиясы төмен нейтрондар нәтижесінде түсетін нукланның қорғасынмен ядролық реакциясын түзейді. Пайда болып, ұшып шыққан нейтрондарда энергия бойынша таралу пайда болады. Максималды мәні 2 МэВ және энергиясы 15 МэВ-қа дейін жетеді.
  2. Ұшып шыққан нейтрондардың орташа саны әрбір түсетін нуклонға қатысты, қорғасында ядролық әсерді жүзеге ~15% асырады. Осылайша қорғасын детектірлеудің жалпы ықтималдылығын өсіреді.

Қорғасынның атомдық массасы жоғары болғандықтан, ол баяулатқыш ретінде тандалды. Нейтрондар баяулату процесіне үлкен ядро-нысанды құрайды. Сондай-ақ қорғасынның жұту көлдеңен қимасы, жылу нейтрондары үшін шамалы.

NM64 lead producer Санаушы-түтікшесі жоқ, ашық НМ64 нейтронды мониторы. Қорғасын сақиналар мен полиэтилен шашыратқышы көрініп тұр.

Келесі спецификациялар НМ64 байланысты. Ғарыштық сәулелердің нейтрон мен протондардың НМ ядроларымен әсерлесу үшін, баяулатқыш қорғасын ~50% құрайды. Қорғасындағы ядролық реакциядағы баяулатылған нейтрондар ~15% және санаушы-түтікшесінде баяулатылған нейтрондардың табылу ықтималдылығы ~6%. Осы параметрлердің, теңіз деңгейінен жоғарғы ендіктегі құрамында 6BF3 бар НМ64 санаушы-түтікшесінде орташа көрсеткіші 70 бөлшек/секунд, ал экваторда 50 бөлшек/секунд.

Шашыратқыш

Санаушы-түтікшелер блогы – баяулатқыш, НМ64 қорғасын полиэтиленмен және МГГ парафинмен қапталған. Бұл блоктар қорғасындағы пайда болатын нейтрондарды санаушы-түтікшеде баяулатып және баяу нейтрондарды шашыратады. Шашыратқыш энергиясы төмен нейтрондарды, қоршаған материалдардан өндірілетің, НМ-дан тыс, экрандайды және жұтады. Бұл детекторлы ортадағы материалдың өзгеруін тоқтатады ( мысалы: детектор(счетчик) орналасқан бөлме, төбесінде жиналатын қар), НМ-дың санау жылдамдығына айтарлықтай өзгеріс әкеледі.

Characteristics of neutron monitors

МГГ НМ64
Санаушылар
Белсенді ұзындық (cм) 86.4 191
Диаметр (cм) 3.8 14.8
Қысым (bar) 0.60 0.27
Баяулатқыш
Материал парафин полиэтилен
Орташа қалыңдық (cм) 3.2 2.0
Қорғасынды көзr
Материал lead lead
Орташа тығыздық (г cм-2) 153 156
Шашыратқыш
Материал парафин полиэтилен
Орташа қалыңдық (cм) 28 7.5

Қосымша оқуға

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