Նեյտրոնային մոնիտորներ - ՏՃԲ-ի Տիեզերական ֆիզիկայի ուսուցում

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 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

Գազալիցքավորված հաշվիչ
խողովակ Դանդաղացուցիչ
Պողպատե Արտադրիչ
Անդրադարձիչ
Նեյտրոնային Մոնիտորների հատկանիշները
Այլ նյութեր

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:

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:

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 ³Heգազով 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:

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:

Պողպատե արտադրիչ

Դանդաղացուցիչը շրջապատված է պողպոտե արտադրիչով: Պողպատի դերը նեյտրոնային մոնիտորի մեջ երկակի է.

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:
Գոլորշիացող նեյտրոնների միջին քանակը մեկ ընկնող նուկլոնի համար, որը միջուկային փոխազդեցություն է կատարում կապարի մեջ15 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:

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 հաշվիչիխողովակներով 70 cts/վ է և 50 cts/վ՝ հասարակածային ծովի մակարդակի նեյտրոնային մոնիտորների համար:

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:

Նեյտրոնային մոնիտորի հատկանիշները

	ՄԳՏ	ՆՄ64
Հաշվիչներ
Ակտիվ երկարություն (սմ)	86.4	191
Տրամագիծ (սմ)	3.8	14.8
Ճնշում (սանդղակ)	0.60	0.27
Դանդաղացուցիչ
Նյութ	paraffin	polyethylene
Միջին հաստություն (սմ)	3.2	2.0
Արտադրիչ
Նյութ	lead	lead
Միջին խորություն (գ սմ^-2)	153	156
Անդրադարձիչ
Նյութ	paraffin	polyethylene
Միջին հաստություն (սմ)	28	7.5

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

լոգին
գաղտնաբառ
Գրանցում