Funktionsweise eines Neutronen-Monitors

1. Die zu messenden hochenergetischen Protonen werden innerhalb der Magnetosphäre in ihrer Richtung abgelenkt. Unterhalb einer gewissen magnetischen Steifigkeit (Impuls pro Ladung und Magnetfeldstärke) ist die Umlenkung so stark, daß die Teilchen die Atmosphäre nicht erreichen, sondern wieder in den Weltraum entweichen. Die Grenzsteifigkeit hängt von der geomagnetischen Breite ab und beträgt beim Kieler Monitor etwa 2.3 GV/c. Sie ist am höchsten am geomagnetischen Äquator.

   Der wesentliche Teil der Protonen, die den Kieler Monitor erreichen, weicht wegen der magnetischen Ablenkung im Mittel um etwa 80 Grad in östlicher Richtung in der Länge von der ursprünglichen Einfallsrichtung ab. Die asymptotische Einfallslänge beträgt wegen der geografischen Länge Kiels von 10 Grad Ost deshalb etwa 90 Grad Ost, während die asymptotische Einfallsbreite etwa 0 Grad ist. Diese Richtungsabhängigkeit von Neutronen-Monitoren kann allgemein genutzt werden, eine eventuell vorhandene Anisotropie der kosmischen Strahlung aufzudecken.

   Hochenergetische Neutronen, wie sie bei gewissen solaren Ereignissen von der Sonne ausgestoßen werden könnten, unterliegen dieser Ablenkung natürlich nicht.

2. In der Atmosphäre erzeugen die hochenergetischen Nukleonen drei Sekundärkomponenten:
   • die weiche Komponente, bestehend aus elektromagnetischen Kaskaden von Elektronen und Gammaquanten,
   • die harte Myonen-Komponente,
   • die Nukleonen-Komponente, in der im Mittel gleichviele Protonen und Neutronen durch Kernstöße ausgelöst werden.
3. Zur Bestimmung der Intensität im Weltraum aus Messungen am Erdboden muß der Einfluß der Atmosphäre rechnerisch berücksichtigt werden. Dies ist am einfachsten, wenn der Neutronen-Monitor möglichst nur auf die Nukleonen-Komponente anspricht, weil sie diejenige ist, die nur von der durchdrungenen Luftmasse, nicht aber von der temperaturbedingten variablen Ausdehnung der Atmosphäre abhängt. Die beiden anderen Komponenten werden deshalb durch einen Bleimantel weitgehend abgeschirmt, der die Zählrohre des Monitors 5 cm dick umgibt. Einfallende Nukleonen hingegen, die am Erdboden typisch mit 200 bis 300 MeV auftreffen, erzeugen in diesem Blei durch Kernstöße im Mittel u. a. je acht Neutronen von etwa 2 MeV, die als Maß für die primäre Intensität registriert werden sollen und die dem System den Namen `Neutronen'-Monitor gegeben haben. Die dabei ebenfalls entstehenden sekundären Protonen haben wegen ihrer geringen Energie (im MeV-Bereich) eine so kurze Reichweite, daß sie das Blei so gut wie nie verlassen.
4. Die Neutronen werden in einem zweiten, inneren Zählrohrmantel aus Polyäthylen auf thermische Energien heruntermoderiert. Sie werden schließlich im BF3-Zählgas in Inneren der Proportionalzählrohre über die Reaktion B(n,alpha)Li als Alpha-Teilchen registriert.

Literatur

C. J. Hatton, H. Carmichael

Experimental Investigation of the NM-64 Neutron Monitor.
Canadian Journal of Physics, Volume 42, 1964.

L. I. Dorman

Cosmic Rays - Variations and Space Explorations.
North Holland Publishing Company, 1974.

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