Նեյտրոնային մոնիտորներ


Հակառակ տասնամյակների ավանդույթին, Երկրի վրա տեղակայված նեյտրոնային մոնիտորները (ՆՄ) հանդիսանում են տիեզերական մասնիկների չափման արդիական միջոց, և կարևոր դեր են կատարում տիեզերական ֆիզիկայի հետազոտությունների ասպարեզում, արև-երկիր կապերում, ինչպես նաև տիեզերական եղանակի պրոցեսներում: Դրանք զգայուն են Երկրի մթնոլորտ ներխուժող 0.5-20 ԳէՎ էներգիաների տիեզերական ճառագայթների նկատմամբ. այսինքն էներգետիկ տիրույթ, որը հնարավոր չէ չափել տիեզերական դետեկտորների միջոցով միևնույն պարզ, էժան և վիճակագրորեն ճշգրիտ եղանակով: Դետեկտորների 2 ստանդարտացված տեսակներ (IGY and NM64) կիրառվում են համաշխարհային ցանցում, որն այժմ բաղկացած է 50 կայաններից:


NM64 neutron monitor

NM64 նեյտրոնային մոնիտորը՝ 3 հաշվիչ խողովակներով (աջ, փայտյա կաղապարը կամ անդրադարձիչը և հաշվիչ խողովակները տեսանելի են) և հենարանը (ձախ) հաշվիչի էլեկտրոնիկայով, բարձրավոլտ էլեկտրամատակարարում, և բարոմետր



Նեյտրոնային մոնիտորի բաղադրիչները


Նեյտրոնային մոնիտորի Կառուցվածքը

Գոյություն ունեն նոյտրոնային մոնիտորների 2 ստանդարտացված տեսակներ. Միջազգային Գեոֆիզիկակական Տարի (ՄԳՏ) նեյտրոնային մոնիտորրը նախագծվել է Սիմպսոնի կողմից (1958) անցյալ դարի 50-ական թթ. վերջին: Դա ստանդարտ դետեկտոր էր չափելու համար սկզբնական տիեզերական ճառագայթների ԳէՎ էներգիաների ուժգնության ժամանակային տատանումները Երկրի մոտ, Միջազգային Գեոֆիզիկական տարվա ընթացքում 1957/1958թթ: Մոտ տաս տարի հետո Կարմայքլը (1964թ) նախագծեց ավելի մեծ ՆՄ64 նեյտրոնային մոնիտորը՝ հաշվարկի արագության աճով: ՆՄ64-ը ստանդարտ վերգետնյա դետեկտորն էր, 1964թ-ի Հանդարտ Արևի Միջազգային Տարվա համար:

Նեյտրոնային Մոնիտորները կազմված են հատուկ գազալցված համեմատական հաշվիչներից, որի շուրջը գտնվում են դանդաղացուցիչը, կապարե արտադրիչը և անդրադարձիչը: Երկրորդային տիեզերական ճառագայթների հոսքի նուկլոնային բաղադրիչը (պրոտոններ և նեյտրոններ) կապարի մեջ առաջացնում է միջուկային ռեակցիաներ, որի հետևանքով կատարվում է գոլորշիացում և արտադրվում են ցածր էներգետիկ նեյտրոններ: Այս ՄէՎ-անոց նեյտրոններին դանդաղացուցիչը դանդաղեցնում է մինչև ջերմային էներգիաները և, օրինակ, ՆՄ64- ի մեջ ՄէՎ-անոց նեյտրոնների մոտ 6 %-ը վերջնականապես գրանցվում են համեմատական հաշվիչի խողովակների կողմից: Այն փաստը, որ վերջապես գրանցվել են նեյտրոնները, տիեզերական ճառագայթների դետեկտորին տալիս է նեյտրոնային մոնիտոր անվանումը:


IGY shematic view

ՄԳՏ նեյտրոնային մոնիտորի սխեմատիկ տեսքը: Ընկնող նուկլոնն, այստեղ պրոտոն, փոխազդում է կապարի հետ: Պատկերված դեպքում միջուկային ռեակցիայի արդյունքում գոլորշիացվում են 3 նեյտրոններ: Պատահական թափառումերի ժամանակ նեյտրոնները շարժվում են Նեյտրոնային Մոնիտորի տարբեր նյութերի մեջ: Երկու նեյտրոնները կասեցվում են անդրադարձիչի մեջ (կլանված նեյտրոն) և մեկ գոլորշիացած նեյտրոն մտնում է դանդաղացուցիչ, որտեղ այն դանդաղում է, և վերջապես գրանցվում հաշվիչ խողովակի մեջ:



Էջի սկիզբ

Գազալցված հաշվիչ խողովակ

Նեյտրոնային մոնիտորի հաշվիչ խողովակները գրանցում են հիմնականում ջերմային նեյտրոններ, այսինքն, մոտ 0.025 էՎ կինետիկ էներգիա: Հաշվիչ գազը սովորաբար բորի եռակի ֆտորիդ է (BF3), 96%-ով հարստացված 10B իզոտոպով՝ ՆՄ64-ում 0.27 աստիճան ճնշմամբ:


Հաշվիչի խողովակում ջերմային նեյտրոնների գրանցումը տեղի է ունենում դրանց` 10B միջուկի հետ փոխազդեցության արդյունքում էկզոթերմիկ ռեակցիայի միջոցով:

$\displaystyle ^{10}\mathrm{B}_{5} \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{7}\mathrm{Li}_3 \quad + \quad ^4\mathrm{He}_2$

Ռեակցիայի արգասիքները գրանցվում են հաշվիչի գազի իոնացման միջոցով: Հաշվիչի խողովակը աշխատում է որպես համեմատական հաշվիչ՝ մոտ 2800 Վ (Նմ64) աշխատանքային լարմամբ:

1990 թ-ից սկսած BF3 գազի փոխարեն 3He գազով լցված հաշվիչ խողովակները ևս կիրառվել են նեյտրոնային մոնիտորների մեջ: 3He հաշվիչները ավելի պարզ կառուցվածք ունեն: 3He - նեյտրոնների էկզոթերմիկ ռեակցիան հետևյալն է.

$\displaystyle ^{3}\mathrm{He}_2 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{3}\mathrm{H}_1 \quad + \quad \mathrm{proton}$

3He -ի՝ որպես հաշվիչի գազ, մեկ այլ առավելությունն այն է, որ հաշվիչի խողովակը կարող է աշխատել շատ ավելի բարձր գազի ճնշման և 1500 Վ-ից ցածր լարման պայմաններում: Ավելի բարձր լարման պայմաններում հաշվիչի գազում կարելի է միավոր ծավալում ստանալ գրանցման առավել էֆեկտիվություն:

Չնայած հաշվիչները վերոնշյալ (1) և (2) ռեակցիաների հիման վրա շատ արդյունավետ են ջերմային նեյտրոնների գրանցման համար՝ պայմանավորված լայնակի կտրվածքի 1/v կախվածությամբ (v: արագություն), ավելի արագ նեյտրոնները կարող են գրանցվել` հաշվիչի խողովակները շրջապատելով դանդաղացուցիչ նյութերով, որոնք պարունակում են ջրածին, ինչպես օրինակ պինդ պարաֆին կամ պոլիեթիլեն:

Էջի սկիզբ

Դանդաղացուցիչ

Եթե ներթափանցող նեյտրոնները չափազանց արագ են, դրանք փոքր հավանականություն կունենան փոխազդելու հաշվիչի գազի հետ` (1) և (2) –ի, համաձայն և գրանցվել: Մեծացնելու համար գրանցման հավանականությունը՝ նեյտրոնները պետք է դանդաղեցվեն: Դանդաղացուցչի ֆունկցիան է իջեցնել նեյտրոնների էներգիաները և դրանք հնարավորինս մոտեցնել ջերմային էներգիաներին ( 1/40 էՎ):

Սա կատարվում է նեյտրոնների` այլ միջուկների հետ բախման արդյունքում: Որքան միջուկի զանգվածը մոտ է նեյտրոնին, այնքան կինետիկ էներգիայի փոխանակումը լավ է գործում. սա մեխանիկայի պարզագույն օրենք է: ցածր ատոմային A զանգվածով նյութերը, որոնք սովորաբար ջրածին պարունակող նյութեր են, ինչպես, օրինակ, պինդ պարաֆինը ՄԳ նեյտրոնային մոնիտորի մեջ, ջուրը և պոլիեթիլենը ՆՄ64-ում կիրառվում են որպես դանդաղացուցչի նյութ:

Էջի սկիզբ

Պողպատե արտադրիչ


Դանդաղացուցիչը շրջապատված է պողպոտե արտադրիչով: Պողպատի դերը նեյտրոնային մոնիտորի մեջ երկակի է.
  1. Գոլորշիացող նեյտրոնները և ցածր էներգիայի նեյտրոններն առաջանում են ընկնող էներգետիկ նուկլոնների` կապարի հետ փոխազդեցությունների արդյունքում: Արտադրված գոլորշիացող նեյտրոնները ունեն էներգետիկ բաշխում, որի մաքսիմումը մոտ 2 ՄէՎ-է և որը հասնում է մինչև 15 մէՎ էներգիաների:
  2. Գոլորշիացող նեյտրոնների միջին քանակը մեկ ընկնող նուկլոնի համար, որը միջուկային փոխազդեցություն է կատարում կապարի մեջ 15 է, հետևաբար կապարը ընդհանուր գրանցման հավանականությունը մեծացնում է:

Կապարն ընտրվել է որպես արտադրիչ, քանի որ բարձր ատոմային A զանգվածով տարրը մեծ միջուկային թիրախ է ապահովում գոլորշիացման նեյտրոնների արտադրման համար: Բացի դա, կապարն ունի համեմատաբար ցածր կլանման լայնակի կտրվածք ջերմային նեյտրոնների համար:


NM64 lead producer

Բաց ՆՄ64 նեյտրոնային մոնիտորը առանց հաշվիչի խողովակների: Տեսանելի են կապարե օղակները և պոլիեթիլենային անդրադարձիչը


Հետևյալ պահանջները կիրառվում են ՆՄ64 նեյտրոնային մոնիտորի տիպի համար: Հավանականությունը, որ տիեզերական նեյտրոնը կամ պրոտոնը կփոխազդի կապարե թիրախի միջուկի հետ 50% է: Գոլորշիացող նեյտրոնների միջին քանակը, արտադրված յուրաքանչյուր միջուկային փոխազդեցության ընթացքում, կապարի մեջ 15 է և հաշվիչի խողովակի միջոցով գոլորշիացող նեյտրոնների գրանցման հավանականությունը 6 % է: Այս ցուցանիշներով բարձր լայնության ծովի մակարդակի ՆՄ 64 նեյտրոնային մոնիտորի հաշվարկի միջին արագությունը 6 BF3 հաշվիչի խողովակներով 70 cts/վ է և 50 cts/վ՝ հասարակածային ծովի մակարդակի նեյտրոնային մոնիտորների համար:

Էջի սկիզբ

Անդրադարձիչ

Հաշվիչի խողովակների բլոկը, դանդաղացուցիչը և կապարը ՆՄ 64-ում շրջապատված են պոլիեթիլենով, իսկ ՄԳՏ-ի մեջ՝ պարաֆինով: Այս կառուցվածքը դանդաղեցնում և անդրադարձնում է կապարի մեջ գոլորշիացման առաջացած նեյտրոնները՝ հաշվիչի խողովակի մեջ: Անդրադարձիչը նաև պաշտպանում և կլանում է ցածր էներգիայի նեյտրոնները, որոնք առաջանում են շրջապատող նյութերի մեջ՝ նեյտրոնային մոնիտորից դուրս: Սա կանխում է որպեսզի դետեկտորի շրջակայքի նյութերի փոփոխությունները (օր. ձյան կուտակումը դետեկտորի կաղապարի վրա) մեծ փոփոխություններ կատարեն նեյտրոնային մոնիտորի հաշվի արագության մեջ:

Էջի սկիզբ


Նեյտրոնային Մոնիտորների Բնութագրերըs

ՄԳՏՆՄ64
Հաշվիչներ
Ակտիվ երկարություն (սմ)86.4191
Տրամագիծ (սմ)3.814.8
Ճնշում (սանդղակ)0.600.27
Դանդաղացուցիչ
Նյութպարաֆինպոլիէթիլեն
Միջին հաստություն (սմ)3.22.0
Արտադրիչ
Նյութleadlead
Միջին խորություն (գ սմ-2)153156
Անդրադարձիչ
Նյութպարաֆինպոլիէթիլեն
Միջին հաստություն (սմ)287.5

Էջի սկիզբ

Այլ նյութեր


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
Էջի սկիզբ