Neutron Monitors


Nonostante siano utilizzati da decenni, i neutron monitors (NMs) per misure a Terra sono tuttora gli apparati più validi per la registrazione dei raggi cosmici e giocano un ruolo chiave come strumento di ricerca nel campo della fisica spaziale, delle relazioni Sole-Terra e nelle applicazioni della meteorologia spaziale. Questi rivelatori sono adatti alla registrazione dei raggi cosmici che penetrano nell’atmosfera terrestre con energie comprese tra i 0,5 e i 20 GeV, cioè in un intervallo di energia tale da non poter essere misurati in modo così semplice da rivelatori a bordo di satelliti per problemi di accuratezza statistica delle misure e di costi. Due tipi di rivelatori standard (IGY e NM64) operano nella rete mondiale che attualmente è costituita da circa 50 stazioni (siti di misura).


NM64 neutron monitor

Neutron monitor tipo NM64 equipaggiato con 3 contatori (a destra è visibile la struttura schermante rivestita in legno ed i contatori) e la strumentazione elettronica (a sinistra) comprensiva di alimentatori alta tensione e barometro.



I componenti del neutron monitor


Geometria di un neutron monitor

Esistono due tipi di neutron monitors standard. L’ IGY neutron monitor progettato da Simpson (1958) all’inizio degli anni cinquanta come rivelatore standard per lo studio delle variazioni temporali dell’intensità dei raggi cosmici primari in prossimità della Terra, con l’energie dei GeV, durante l’Anno Geofisico Internazionale (International Geophysical Year - IGY) 1957/1958. Circa 10 anni più tardi Carmichael (1964) sviluppò il neutron monitor NM64, più grande e capace di conteggi più elevati. Il NM64 era lo strumento standard per le misure di raggi cosmici a Terra per l’Anno Internazionale del Sole Quieto (International Quiet Sun Year - IQSY) 1964.

I neutron monitors sono composti da speciali contatori proporzionali a gas inseriti in un moderatore (termalizzatore) a sua volta avvolto da un produttore in piombo. Il tutto è contenuto in una struttura che agisce da riflettore (schermo). La componente nucleonica (protoni e neutroni) del flusso dei raggi cosmici secondari produce delle reazioni nucleari nel piombo, conseguentemente dei neutroni di bassa energia sono prodotti per evaporazione. Questi neutroni, con energie dell’ordine dei MeV, sono rallentati ad energie termiche dal moderatore ed il 6% di loro è catturato dai contatori proporzionali. Il fatto che alla fine siano i neutroni ad essere rivelati spiega il nome neutron monitor di questo tipo di strumento.


IGY shematic view

Visione schematica di un neutron monitor tipo IGY. Il nucleone incidente, in questo caso un protone, interagisce con il piombo. Questa reazione nucleare produce per evaporazione tre neutroni. Nel cammino casuale attraverso i diversi componenti del NM due neutroni sono bloccati dal riflettore (neutroni assorbiti) e un neutrone di evaporazione, attraversando il moderatore, subisce un rallentamento e finalmente è rivelato dal tubo contatore.



Inizio pagina

Tubi contatori a gas

I tubi contatori di un neutron monitor rivelano essenzialmente neutroni termici, cioè con energie cinetiche di circa 0,025 eV. Il gas di riempimento dei contatori è costituito normalmente da trifloruro di boro (BF3), arricchito al 96% con l’isotopo 10B, con una pressione di 0,27 bar nei contatori del NM64.


La rilevazione dei neutroni termici all’interno del contatore avviene a causa della loro interazione con un nucleo di 10B nella reazione esotermica:

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

I prodotti della reazione sono rivelati dalla ionizzazione del gas del contatore. Il tubo contatore opera come contatore proporzionale con una tensione di lavoro di circa -2800 V (NM64).

Dal 1990, nei neutron monitors, sono usati anche tubi contatori riempiti con gas 3He, di più semplice costruzione rispetto a quelli al BF3. La reazione esotermica dei neutroni con 3He:

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

Un ulteriore vantaggio nell’impiego dei contatori a gas 3He è rappresentato dal fatto che possono operare ad una pressione molto più elevata con una tensione di lavoro inferiore ai 1500 V. Una pressione più alta del gas di riempimento del contatore consente di ottenere una migliore efficienza di rivelazione per unità di volume.

Sebbene i contatori che basano il loro funzionamento sulle reazioni sopra descritte (1) e (2) siano maggiormente efficienti per rilevare i neutroni termici per la dipendenza dal rapporto 1/v della sezione d’urto (v: velocità), i neutroni più veloci possono essere rivelati avvolgendo i tubi contatori con materiali moderanti (che contengono idrogeno) come la cera di paraffina o il polietilene.

Inizio pagina

Moderatore

Se i neutroni incidenti sono troppo veloci, ci sono scarse probabilità che si verifichino le reazioni (1) e (2) e che gli stessi possano essere catturati dai contatori. Un miglioramento dell’efficienza di rivelazione si può ottenere rallentandoli per mezzo di un moderatore che riduca il più possibile l’energia dei neutroni al livello termico ($\sim$1/40 eV).

Questo è possibile facendo collidere i neutroni con altri nuclei. Lo scambio di energia cinetica funziona meglio quanto più la massa di questi nuclei è simile a quella del neutrone stesso, in forza di una legge elementare della Meccanica . Per questo il moderatore è realizzato con materiali con ridotta massa atomica A, usualmente materiali idrogenati come la paraffina in cera utilizzata nell’IGY o il polietilene in lastre nel NM64.

Inizio pagina

Produttore in piombo


Tutto intorno al moderatore è collocato il produttore realizzato in piombo la cui funzione è duplice:
  1. I neutroni di evaporazione e i neutroni di bassa energia sono prodotti, attraverso la reazione nucleare con il piombo, dai nucleoni incidenti dotati di elevata energia. I neutroni di evaporazione prodotti presentano una distribuzione di energia che mostra un massimo intorno ai 2 MeV e che raggiunge 15 MeV circa .
  2. Il numero di neutroni di evaporazione prodotti da un nucleone incidente, che provoca una reazione nucleare, è mediamente $\sim$15, perciò il piombo aumenta la probabilità globale di rivelazione.

Il piombo è scelto come produttore, perché essendo un elemento dotato di grande massa atomica A, fornisce un grande nucleo come bersaglio per la produzione di neutroni di evaporazione. In aggiunta il piombo presenta una sezione di assorbimento relativamente bassa per i neutroni termici.


NM64 lead producer

n neutron monitor NM64 aperto e senza i tubi contatori. Sono visibili gli anelli di piombo e il riflettore di polietilene.


Di seguito si riportano le caratteristiche di un neutron monitor tipo NM64. La probabilità che un neutrone o protone, della componente secondaria dei raggi cosmici, colpendo un neutron monitor interagisca con un nucleo di piombo è circa pari al $\sim$50%. La media dei neutroni di evaporazione prodotti per ciascuna reazione nucleare nel piombo è circa $\sim$15 e la probabilità di rivelazione di questi neutroni da parte dei contatori è circa il $\sim$6 %. Date queste caratteristiche, il conteggio medio, al livello del mare, di un neutron monitor tipo NM64, equipaggiato con 6 contatori al 6 BF3, è di circa 70 conteggi al secondo in un sito di misura di alta latitudine e di 50 conteggi al secondo in un sito equatoriale.

Inizio pagina

Riflettore

L’assemblaggio dei tubi contatori, del moderatore e del piombo è chiuso da lastre di polietilene nel NM64 (da contenitori riempiti di paraffina nell’IGY) che riflettono, verso i contatori, i neutroni di evaporazione prodotti nel piombo. Questi riflettori agiscono anche da schermo nei confronti dei neutroni di bassa energia prodotti localmente da materiali che si trovano nelle vicinanze dei rivelatori. Il conteggio dei rivelatori potrebbe infatti essere inficiato dal diverso assorbimento o produzione di neutroni di bassa energia da parte di materiali presenti temporaneamente nelle adiacenze del rivelatore stesso (ad esempio accumulo di neve sul tetto).

Inizio pagina


Caratteristiche dei neutron monitors

IGYNM64
Contatori
Lunghezza attiva (cm)86.4191
Diametro (cm)3.814.8
Pressione (bar)0.600.27
Moderatore
Materialeparaffinapollietilene
Spessore medio (cm)3.22.0
Produttore
Materialepiombopiombo
Profondità media (g cm-2)153156
Riflettore
Materialeparaffinapolietilene
Spessore medio (cm)287.5

Inizio pagina

Ulteriori letture


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

Inizio pagina