ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΡΥΩΝΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ Α.Ε.Μ:12781 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Κ. ΣΑΒΒΙΔΗΣ ΗΛΙΑΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2011

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΡΥΩΝΗΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥΣ Α.Ε.Μ:12781 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Κ.ΣΑΒΒΙΔΗΣ ΗΛΙΑΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2011

3 Vryonis Charalambous University no Graduate paper June 2011 STUDY OF ATMOSPHERIC NEUTRONS AND THEIR DETECTION IN THE SURFACE OF GROUND Supervisor teacher: Elias Savvidis ABSTRACT In present work we focused on the study of atmospheric neutrons from cosmic radiation and the detection of those with spherical proportional counter. The spherical proportional counter has been developed in CEA/Saclay, for measurement of low neutron flux. The counter that belongs to the detector gas filling consists of a large spherical gas volume with a central electrode forming a radial electric field by applying this high voltage. At the beginning of this paper we study the operation of the detector gas filling and, in particular the proportional counter, in order to become acquainted first with their way of operation and their various characteristics. Then described the spherical proportional counter and identifying of the electric field generated in the volume of the gas. The electrostatic of the counter has some features errors in the geometry of the electric field of the counter so they do not follow the expected gain. Therefore, we study ways of the correcting the initial operation in order to have as little as possible the distortion of the spherical electric field. The next part of work focuses on the study of atmospheric neutrons resulting by galactic cosmic rays and the solar activity. Study that the production of atmospheric neutron, the spectrum and flux at different heights and widths, and the factors which affect them. Then we study the detection of neutrons in general in various areas effects (thermal, fast and extremely fast neutrons) with different methods and in particular with the spherical proportional counter. At the last part presents the experimental results have been obtained from neutron measurements with the spherical proportional counter using a 252 Cf neutron source in order to determine the sensitivity of the detector in the area of thermal neutrons. The following are results of measurement of atmospheric thermal neutrons and neutron measurement results from the fast neutron source ( 241 Am-Be). Finally, from these results and various observations we extract some important conclusions emerge.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΩΝ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ ΚΑΙ ΟΙ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Περιοχή Ι: Περιοχή επανασύνδεσης Περιοχή ΙΙ: Περιοχή Ιονισμού ή κόρου Περιοχή ΙΙΙ: Αναλογική περιοχή Περιοχή ΙΙΙΙ: Περιοχή Geiger- Müller ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Περιγραφή Γενικά χαρακτηριστικά των αναλογικών απαριθμητών...9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕ ΑΠΛΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΜΕΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ: (Ατμοσφαιρικά Νετρόνια) Η ΡΟΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΡΟΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ.31

5 3.6 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ Η ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΥΓΕΙΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΩΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΣΤΟΥΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΑΧΕΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Ανιχνευτές ταχέων νετρονίων βασισμένοι στη χρησιμοποίηση επιβραδυντή Ανιχνευτές ταχέων νετρονίων βασισμένοι στην παρατήρηση των ανακρουόμενων πυρήνων ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΣΦΑΙΡΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ...55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΤΑΧΕΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΣΜΟΥΘΙΟΥ ΓΕΝΙΚΑ...59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ...66 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...71 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ...73

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία μας απασχόλησε η μελέτη των ατμοσφαιρικών νετρονίων που προέρχονται από την κοσμική ακτινοβολία και την ανίχνευση αυτών με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή. Ο σφαιρικός αναλογικός απαριθμητής έχει αναπτυχθεί στο CEA/ Saclay, για μετρήσεις χαμηλής ροής νετρονίων. Ο απαριθμητής αυτός ανήκει στην κατηγορία των ανιχνευτών αέριου γεμίσματος και αποτελείται από ένα μεγάλο σφαιρικό όγκο αερίων με ένα κεντρικό ηλεκτρόδιο που σχηματίζει ένα ακτινωτό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζοντας σε αυτό υψηλή τάση. Στην αρχή της εργασίας αυτής μελετάμε τον τρόπο λειτουργίας των ανιχνευτών αέριου γεμίσματος και ειδικότερα του αναλογικού απαριθμητή, έτσι ώστε να εξοικειωθούμε πρώτα με τον τρόπο λειτουργίας τους και τα διάφορα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια περιγράφεται ο σφαιρικός αναλογικός απαριθμητής και το χαρακτηριστικό του ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται στον όγκο αερίου του. Η ηλεκτροστατική του απαριθμητή παρουσιάζει κάποια χαρακτηριστικά σφάλματα όσον αφορά τη γεωμετρία του ηλεκτρικού πεδίου του απαριθμητή με αποτέλεσμα να μην προκύπτει η αναμενόμενη ενίσχυση. Γι αυτό μελετάμε τρόπους διόρθωσης της αρχικής του λειτουργίας έτσι ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν την ελάχιστη στρέβλωση του σφαιρικού πεδίου. Το επόμενο κομμάτι της εργασίας εστιάζεται στη μελέτη των ατμοσφαιρικών νετρονίων που προέρχονται από τη γαλαξιακή κοσμική ακτινοβολία αλλά και από την ηλιακή δραστηριότητα. Μελετάμε δηλαδή τον τρόπο παραγωγής των ατμοσφαιρικών νετρονίων, το φάσμα και τη ροή τους σε διάφορα ύψη και πλάτη καθώς και τους παράγοντες που τα επηρεάζουν. Στη συνέχεια μελετάμε την ανίχνευση των νετρονίων γενικότερα στις διάφορες περιοχές ενεργειών (θερμικών, ταχέων και υπερταχέων νετρονίων) με διάφορες μεθόδους και ειδικότερα με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή. Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία έχουν προκύψει από μετρήσεις νετρονίων με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή χρησιμοποιώντας πηγή νετρονίων 252 Cf ούτως ώστε να εξακριβωθεί η ευαισθησία του ανιχνευτή στην περιοχή των θερμικών νετρονίων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αποτελέσματα από μέτρηση των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων και αποτελέσματα μετρήσεων νετρονίων από την πηγή ταχέων νετρονίων ( 241 Am Be). Τέλος από τα αποτελέσματα αυτά και τις διάφορες παρατηρήσεις που κάνουμε εξάγουμε κάποια σημαντικά συμπεράσματα τα οποία προκύπτουν. ~ 1 ~

7 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι απαριθμητές με αέριο γέμισμα είναι όργανα τα οποία χρησιμοποιούνται στην πυρηνική φυσική για τη μέτρηση της ενέργειας, της θέσης, για μετρήσεις χρονισμού, για όλους τους τύπους φορτισμένων σωματιδίων και ακτινοβολιών όπως οι ακτίνες x και γ. Στην πιο απλή μορφή τους αποτελούνται κυρίως από ένα δοχείο με δύο ηλεκτρόδια, ανάμεσα στα οποία υπάρχει αέρας ή ένα ευγενές αέριο. Τα ηλεκτρόδια συνδέονται με ηλεκτρική πηγή συνεχούς ρεύματος και με μια ευαίσθητη συσκευή μέτρησης. Στην κατηγορία των ανιχνευτών αερίου υπάγονται οι τρεις παλαιότεροι τύποι ανιχνευτών: ο θάλαμος ιονισμού, ο αναλογικός απαριθμητής και ο απαριθμητής Geiger-Müller. Στους ανιχνευτές αυτούς ένα ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στον όγκο ενός αερίου που περιέχεται μέσα σε ένα θάλαμο Περισσότερα για τον τρόπο λειτουργίας των απαριθμητών με αέριο γέμισμα, τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα καθώς και τις διάφορες περιοχές λειτουργίας των ανιχνευτών θα δούμε στη συνέχεια. ~ 3 ~

8 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ 1.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΩΝ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ ΚΑΙ ΟΙ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Το δοχείο αερίου είναι συνδεδεμένο με μια εξωτερική τάση V, η οποία εφαρμόζεται μεταξύ του τοιχώματος του θαλάμου (κάθοδος) και του κεντρικού καλωδίου (άνοδος), μέσω μιας εξωτερικής αντίστασης R (σχήμα 1-1). Η ολική χωρητικότητα της ανόδου και του μετρητικού συστήματος είναι C 1. Στον όγκο του αερίου που περιέχεται στο θάλαμο δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, λόγω της υψηλής τάσης V. Σχήμα 1-1: Σχηματικό διάγραμμα με το κύκλωμα εξόδου ενός απαριθμητή αερίου γεμίσματος. Ας υποθέσουμε πως ένα σωμάτιο περνά από το θάλαμο όπου υπάρχει το αέριο. Τότε δημιουργεί Ν 1 ζεύγη ιόντων σε μη ελαστικές συγκρούσεις με τα άτομα ή μόρια του αερίου. Αν το πεδίο στον όγκο του αερίου είναι μηδέν, τα ιόντα επανασυνδέονται. Αντίθετα, αν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο λόγω εφαρμογής της τάσης V, τα ιόντα οδεύουν προς τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου (τα θετικά προς την κάθοδο και τα αρνητικά προς την άνοδο). Μετά τη συλλογή όλων των φορτίων και με την προϋπόθεση ότι η σταθερά του χρόνου RC 2 είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από το χρόνο συλλογής του φορτίου, θα εμφανιστεί ένα φορτίο ΔQ στα άκρα του πυκνωτή C 2. Τo ανά σωμάτιο φορτίο ΔQ που δημιουργείται σαν συνάρτηση της τάσης V, δίνεται από την καμπύλη (1) στο σχήμα (1-2). Για σωμάτιο που δημιουργεί μεγαλύτερο αριθμό ιόντων Ν 2, παίρνουμε την καμπύλη (2). ~ 4 ~

9 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ Σχήμα 1-2: Περιοχές λειτουργίας των ανιχνευτών με βάση τον αριθμό ιόντων που συλλέγονται συναρτήσει της υψηλής τάσης ανόδου-καθόδου. Οι καμπύλες αυτές μπορούν να διαιρεθούν σε 4 περιοχές ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται. Οι περιοχές αυτές ονομάζονται περιοχές λειτουργίας του απαριθμητή και θα τις περιγράψουμε πιο κάτω Περιοχή Ι: Περιοχή επανασύνδεσης Στην περιοχή αυτή η τάση V είναι μικρή, με αποτέλεσμα το ηλεκτρικό πεδίο να είναι πολύ ασθενές για να μετακινήσει τα ιόντα μέχρι τα ηλεκτρόδια. Έτσι δημιουργείται ένας συναγωνισμός μεταξύ δύο φαινομένων: της εξαφάνισης των ζευγών ιόντων λόγω επανασύνδεσης και της μετακίνησης των ιόντων μέχρι τα ηλεκτρόδια κάτω από την επίδραση του πεδίου. Η πιθανότητα του φαινομένου της επανασύνδεσης εξαρτάται από την πυκνότητα των φορτισμένων φορέων και την πίεση του αέριου γεμίσματος του απαριθμητή. Όσο αυξάνει το πεδίο, η ταχύτητα ολίσθησης των ιόντων αυξάνεται, οπότε ο διαθέσιμος χρόνος για επανασύνδεση ~ 5 ~

10 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ ελαττώνεται, με αποτέλεσμα όσο αυξάνει η τάση να αυξάνει το ποσοστό των αρχικά δημιουργούμενων φορτίων που συλλέγονται Περιοχή II: Περιοχή ιονισμού ή κόρου Η πιθανότητα επανασύνδεσης μειώνεται καθώς αυξάνεται το δυναμικό, ενώ μετά από μια τιμή τάσης όλο το παραγόμενο φορτίο συλλέγεται. Για μια ορισμένη περιοχή δυναμικού η ένταση του πεδίου είναι τόση που επιτρέπει μεν τη συλλογή όλου του παραγόμενου φορτίου αλλά δεν επιτρέπει τον πολλαπλασιασμό των φορτίων. Σε αυτή την περιοχή δυναμικού το φορτίο που συλλέγεται είναι σταθερό και ανεξάρτητο από τη διαφορά δυναμικού. Και έτσι λέμε ότι ο απαριθμητής μας λειτουργεί σαν θάλαμος ιονισμού. Το φορτίο στον πυκνωτή θα είναι: Q1 N1 e ή Q2 N2 e (1-1) Η μεταβολή της τάσης στον πυκνωτή C 2 θα είναι N e C 1 V1 ή N e C 1 V1 (1-2) όπου C είναι το άθροισμα της χωρητικότητας των ηλεκτροδίων του θαλάμου C 1 και του πυκνωτή C Περιοχή III: Αναλογική περιοχή. Όταν η τάση που εφαρμόζεται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων είναι μεγάλη και δημιουργείται ένα υψηλό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται από τον αρχικό ιονισμό αποκτούν αρκετή κινητική ενέργεια, μεγαλύτερη από το δυναμικό ιονισμού των ατόμων του αερίου. Έτσι τα ηλεκτρόνια αυτά μπορούν να προκαλέσουν δευτερογενείς ιονισμούς αυξάνοντας τα αρχικά φορτία. Τα νέα ελεύθερα ηλεκτρόνια, που θα παραχθούν, θα επιταχυνθούν και θα προκαλέσουν περαιτέρω ιονισμούς, δημιουργώντας τελικά μια χιονοστιβάδα ηλεκτρικών φορτίων. Η χιονοστιβάδα αυτή είναι ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και τη φύση του αερίου που έχει ο απαριθμητής. Λόγω της μικρής διαμέτρου της ανόδου, η χιονοστιβάδα περιβάλλει την άνοδο. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο του πολλαπλασιασμού. Ο πολλαπλασιαστικός παράγοντας Α εξαρτάται από την ενέργεια του αρχικού σωματίου, για δεδομένη τάση V. Δηλαδή, ο ανιχνευτής δίνει παλμούς διαφορετικού ύψους για σωμάτια διαφορετικής ενέργειας. Αυτή η αναλογία μεταξύ ύψους παλμών ~ 6 ~

11 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ και ενέργειας σωματίων μάς επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε τον ανιχνευτή για το διαχωρισμό των σωματίων διαφορετικών ενεργειών. Η περιοχή αυτή που περιλαμβάνει το φαινόμενο του πολλαπλασιασμού, ενώ ταυτόχρονα ο δημιουργούμενος παλμός (αριθμός συλλεγόμενων ιόντων) εξαρτάται από την ενέργεια του σωματίου, ονομάζεται αναλογική περιοχή Περιοχή ΙV: Περιοχή Geiger- Müller Μετά την αναλογική περιοχή, για ακόμη μεγαλύτερο δυναμικό, η αναλογικότητα του συλλεγόμενου φορτίου χάνεται σταδιακά και τελειώνει εκεί όπου τα φορτία χώρου είναι τόσα πολλά ώστε το συλλεγόμενο φορτίο να είναι ανεξάρτητο από το αρχικό φορτίο που δημιουργήθηκε από το σωματίδιο. Η λειτουργία του απαριθμητή στην περίπτωση αυτή είναι στην περιοχή περιορισμένης αναλογικότητας. Στη συνέχεια, για ακόμη μεγαλύτερο δυναμικό, η λειτουργία του απαριθμητή εισέρχεται στην περιοχή Geiger Muller. Στην περιοχή αυτή ο αριθμός των συλλεγόμενων φορτίων είναι ανεξάρτητος από τον ιονισμό. Όλα τα σωμάτια, ανεξάρτητα από την ενέργειά τους, δίνουν το ίδιο ύψος παλμού. Τα φωτόνια διαδίδονται προς όλες τις κατευθύνσεις με αποτέλεσμα να παράγουν φωτοηλεκτρόνια σε όλο τον όγκο του αερίου, καλύπτοντας όλο το μήκος της ανόδου από πληθώρα ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων οδηγώντας σε πλήρη εκφόρτιση. Το φορτίο που απελευθερώνεται στην περίπτωση αυτή εξαρτάται από τη χωρητικότητα του απαριθμητή και την τάση V που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια του απαριθμητή. Αν η τάση αυξηθεί πάνω από αυτή την περιοχή, θα δημιουργηθεί συνεχής ηλεκτρική εκκένωση λόγω του υψηλού πεδίου. ~ 7 ~

12 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ 1.3 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Περιγραφή Πρόκειται για ανιχνευτή αερίου, του οποίου η λειτουργία περιορίζεται στην αναλογική περιοχή του σχήματος (2), όπου εμφανίζεται το φαινόμενο του πολλαπλασιασμού και στον οποίο υπάρχει ισχυρή εξάρτηση αυτού από την ενέργεια του σωματίου που τον προκάλεσε. Ο αναλογικός απαριθμητής μπορεί να χρησιμοποιηθεί κυρίως στη φασματοσκοπία ακτινών Χ και μαλακών ακτινών γ καθώς επίσης και στην ανίχνευση σωματιδίων-α και νετρονίων. Η περιοχή στην οποία παρουσιάζει υψηλές επιδόσεις (σε διακριτική ικανότητα και σε απόδοση) στη φασματοσκοπία είναι από 250 ev μέχρι 100 kev. Οι αναλογικοί απαριθμητές παρουσιάζονται σε δύο τύπους: τους κλειστούς και τους συνεχούς ροής. Οι κλειστού τύπου κλείνονται αεροστεγώς μετά την κατασκευή τους και δεν υπάρχει δυνατότητα ανανέωσης του γεμίσματός τους, το οποίο καταστρέφεται με τη χρήση. Οι απαριθμητές κλειστού τύπου έχουν περιορισμένη ζωή. Ο όρος «περιορισμένη» δεν αναφέρεται στο χρόνο αλλά στον ολικό αριθμό σωματιδίων που μπορούν να ανιχνευθούν. Αντίθετα, στους απαριθμητές συνεχούς ροής το γέμισμα ανανεώνεται συνεχώς. Το γέμισμα, με πίεση λίγο μεγαλύτερη από την ατμοσφαιρική, μπαίνει στον απαριθμητή και εκτοπίζει το παλιό γέμισμα που βγαίνει στην ατμόσφαιρα. Το γέμισμα του αναλογικού απαριθμητή είναι συνήθως μείγμα αερίων του οποίου το ένα συστατικό είναι ευγενές αέριο. Η επιλογή του ευγενούς αερίου οφείλεται στο γεγονός ότι τα ευγενή αέρια δε συλλαμβάνουν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (δεν είναι ηλεκτραρνητικά). Τα αέρια Ar, Kr και Xe έχουν μικρό δυναμικό ιοντισμού και γι αυτό προτιμώνται. Επειδή το Ar είναι φθηνότερο, χρησιμοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις, εκτός και αν απαιτούνται και άλλα χαρακτηριστικά, όπως π.χ. μεγάλος ατομικός αριθμός, οπότε επιλέγεται το Xe. Το μεγάλο πλεονέκτημα των αναλογικών απαριθμητών είναι το γεγονός ότι το σήμα εξόδου τους είναι ανάλογο της ενέργειας, που απόθεσε μέσα σ αυτό το αρχικό ιονιστικό σωμάτιο, όπως αναφέραμε και πιο πάνω. Συνήθως, επειδή όμως το σήμα αυτό είναι μικρό για να αναλυθεί, απαιτείται προενισχυτής και ενισχυτής. Επίσης για να διατηρηθεί η αναλογικότητα, θα πρέπει το τροφοδοτικό της υψηλής τάσης να έχει υψηλή σταθεροποίηση. ~ 8 ~

13 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ Οι παλμοί από τον ανιχνευτή διέρχονται από έναν προενισχυτή και έναν ενισχυτή όπου μορφοποιούνται και ενισχύονται. Μετά την έξοδο από τον ενισχυτή οι παλμοί οδηγούνται στο διευκρινιστή (discriminator). Ο διευκρινιστής έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε να μη διεγείρεται από παλμούς θορύβου, αλλά από παλμούς ακτινοβολίας οποιουδήποτε μεγαλυτέρου μεγέθους. Ο αριθμός των παλμών που δημιουργούνται από το διευκρινιστή καταγράφεται υπό κλίμακα. Πλήρης διάταξη για τη λειτουργία του αναλογικού απαριθμητή δίνεται στο σχήμα (1-3). Σχήμα 1-3: Διάταξη αναλογικού απαριθμητή για την ανάλυση ακτινοβολιών Γενικά χαρακτηριστικά των αναλογικών απαριθμητών Όπως έχουμε προαναφέρει, στην περιοχή λειτουργίας του αναλογικού απαριθμητή τα ηλεκτρόνια των πρωτογενών ιονισμών αποκτούν ικανή ενέργεια, για να δημιουργήσουν δευτερογενείς ιονισμούς με αποτέλεσμα μια αλυσίδα τέτοιων αντιδράσεων να οδηγεί σε χιονοστιβάδα ιόντων, η οποία ονομάζεται χιονοστιβάδα Townsend. Επειδή τα ηλεκτρόνια έχουν μεγαλύτερη κινητικότητα, η χιονοστιβάδα έχει σχήμα σταγόνας υγρού με τα ηλεκτρόνια να βρίσκονται γύρω από την άνοδο, αποτελώντας την «κεφαλή», ενώ τα πιο αργά ιόντα ακολουθούν, διαμορφώνοντας την «ουρά» της σταγόνας (σχήμα 1-4). ~ 9 ~

14 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ Σχήμα 1-3: α) χρονική εξέλιξη της χιονοστιβάδας πλησίον της ανόδου αναλογικού απαριθμητή. β) Κατανομή ηλεκτρονίων (-) και ιόντων (+) κατά το σχηματισμό χιονοστιβάδας Αν λ είναι η μέση ελεύθερη διαδρομή του ηλεκτρονίου μεταξύ συγκρούσεων που οδηγούν σε ιονισμό, τότε το a 1 δίνει την πιθανότητα ιονισμού ανά μονάδα μήκους. Δηλαδή τον αριθμό των ζευγών ηλεκτρονίων ιόντων που παράγονται από ένα ηλεκτρόνιο σε διαδρομή 1cm. Αυτός ο συντελεστής, ονομάζεται συντελεστής Townsend, και μπορεί να υπολογιστεί γνωρίζοντας τη σχέση a in (1-3) Όπου i είναι η ενεργός διατομή ιονισμού και N η ατομική πυκνότητα του ευγενούς αερίου. Τώρα, αν υποθέσουμε ότι υπάρχουν n ηλεκτρόνια, τότε σε διαδρομή dx θα έχουμε δημιουργία επιπλέον dn και επομένως θα ισχύει dn n a dx (1-4) Από αυτή τη σχέση, ολοκληρώνοντας, βρίσκουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων n, που δημιουργούνται σε διαδρομή x n n exp( adx) 0 (1-5) ~ 10 ~

15 Κεφάλαιο 1 ο ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ όπου n 0 ο αριθμός των αρχικών ηλεκτρονίων τα οποία προέκυψαν από τον ιονισμό που προκάλεσε το σωματίδιο. Ο λόγος του φορτίου που συλλέγεται προς το αρχικό φορτίο λέγεται παράγοντας πολλαπλασιασμού. Επομένως ο παράγοντας πολλαπλασιασμού (ή ενίσχυση αερίου) είναι, A exp( a( x) dx) (1-6) Ο παράγοντας πολλαπλασιασμού Α είναι δυνατόν να λάβει μεγάλο εύρος τιμών. Εξαρτάται από το αέριο και τις συνθήκες λειτουργίας και είναι της τάξης του Επειδή η μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων στο αέριο είναι 1 1 (1-7) a N i Τότε το Α θα είναι: 1 A exp( dx) ( x) (1-8) Στους αναλογικούς απαριθμητές το φορτίο που συλλέγεται στον πυκνωτή είναι ενισχυμένο με έναν παράγοντα Α (τον παράγοντα πολλαπλασιασμού) σε σχέση με τα φορτία που παράγονται κατά τον πρωτογενή ιονισμό. Q AN1 e (1-9) Οπότε ανάλογα και ο παλμός που λαμβάνεται μεταξύ ανόδου και καθόδου, είναι επίσης ενισχυμένος με τον παράγοντα Α N 1 e V A (1-10) C ~ 11 ~

16 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ 2,1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο σφαιρικός αναλογικός απαριθμητής που αναπτύχθηκε πρόσφατα αποτελεί μια πρωτοποριακή τεχνική με εξαιρετικά ελπιδοφόρα χαρακτηριστικά μεταξύ των οποίων είναι η δυνατότητα εύκολης λειτουργίας σε μεγάλες μάζες με καλή ανάλυση της ενέργειας και χαμηλό υπόβαθρο. Η σφαιρική γεωμετρία του απαριθμητή επιτρέπει τη συλλογή και την ενίσχυση των αποτιθέμενων ενεργειών, χρησιμοποιώντας ένα ενιαίο ηλεκτρονικό κανάλι για ανάγνωση ενός μεγάλου όγκου αερίων. Ο απαριθμητής αυτός έχει αποδειχθεί ότι λειτουργεί με απλό και σταθερό τρόπο. Μεγάλο ενδιαφέρον για τους ανιχνευτές χαμηλού υποβάθρου, καθώς και χαμηλού ενεργειακού κατώτατου ορίου έχει παρουσιαστεί στην αστροσωματιδιακή φυσική για την αναζήτηση της προέλευση της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, καθώς και για τη μελέτη των νετρίνων χαμηλής ενέργειας. Επιπλέον, για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης στον υπόγειο χώρο, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε με μεγάλη ακρίβεια τη συνεισφορά του υποβάθρου των νετρονίων. Τέτοιου είδους μεγάλοι ανιχνευτές αερίων, που είναι τοποθετημένοι υπόγεια, έχουν προταθεί για να επιδιώξουν σημαντικές δυνατότητες στη φυσική. ~ 12 ~

17 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ 2.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ Ο απαριθμητής αποτελείται από δύο ομόκεντρες σφαίρες. Η εξωτερική έχει διάμετρο 1,3m και πάχος 6mm. Αυτή περικλείει μια μικρότερη σφαίρα διαμέτρου 1,4cm, η οποία είναι φτιαγμένη από ανοξείδωτο ατσάλι. Η εξωτερική σφαίρα είναι μονωμένη και γεμίζεται με κατάλληλο αέριο στο εσωτερικό της με πίεση από χαμηλή μέχρι περίπου 5 bar. Η μικρή σφαίρα διατηρείται στο κέντρο της εξωτερικής, στηριζόμενη σε μια ανοξείδωτη ατσάλινη ράβδο(αγωγός). Στην απλούστερη σχεδίαση, το μικρό σφαιρικό ηλεκτρόδιο ενεργεί ως αναλογικός μετρητής, ο οποίος διαβάζεται από ένα μόνο κανάλι. Η εικόνα του απαριθμητή και του γύρω εξοπλισμού φαίνεται στο σχήμα (2-1). Σχήμα 2-1: Φωτογραφία του σφαιρικού απαριθμητή με τα ηλεκτρονικά στοιχειά που βρίσκονται γύρω του Ο ανιχνευτής λειτουργεί εφαρμόζοντας θετικό δυναμικό στην άνοδο (εσωτερική σφαίρα), ενώ η κάθοδος (εξωτερική σφαίρα), παραμένει στο δυναμικό γης. Ένας πυκνωτής υψηλής τάσης απομονώνει το καλώδιο υψηλής τάσης, έτσι ώστε να προστατευτεί ο ευαίσθητος προενισχυτής. Στο σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή, το ηλεκτρικό πεδίο εξαρτάται από την ακτίνα της ανόδου r 2, την ακτίνα της καθόδου r 1, την τάση της ανόδου V 0 και την ακτινική απόσταση r και δίνεται από τη σχέση: ~ 13 ~

18 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ V E( r) r Χρησιμοποιώντας τη σχέση r r 2 1 (2,1) E V (2,2) μπορούμε να υπολογίσουμε το δυναμικό V ως συνάρτηση της ακτίνας r το οποίο είναι: V V r r1 1 1 r r 2 1 (2,3) Σχήμα 2-2: Υψηλή Τάση (HV), εφαρμόζεται στο κέντρο, παράγοντας ένα ακτινικό ηλεκτρικό πεδίο στον όγκο της εξωτερικής σφαίρας. Ενεργητικά φορτισμένα σωματίδια, ακτίνες X, ακτίνες γάμμα ή ακόμη και νετρόνια, όταν εισέλθουν στον ανιχνευτή, ιονίζουν τα άτομα του αερίου, αφήνοντας ενέργεια σ αυτό, δημιουργώντας θετικά φορτισμένα ιόντα και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Το ~ 14 ~

19 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ ηλεκτρικό πεδίο, που δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων, παρασύρει τα ηλεκτρόνια προς την άνοδο και τα θετικά ιόντα προς την κάθοδο. Κοντά στην εσωτερική σφαίρα το ηλεκτρικό πεδίο είναι αρκετά υψηλό, τα ηλεκτρόνια κερδίζουν αρκετή ενέργεια και είναι ικανά για να ιονίσουν περισσότερα άτομα του αερίου, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων. Τα τυπικά αέρια στην ατμοσφαιρική πίεση, απαιτούν πεδίο της τάξης των 10KV/cm για να δημιουργηθεί η χιονοστιβάδα δευτερογενών ηλεκτρονίων κοντά στην άνοδο. Η χιονοστιβάδα παράγεται σε απόσταση λίγων mm από την άνοδο και τα θετικά ιόντα οδηγούνται από το ηλεκτρικό πεδίο προς την κάθοδο, δίνοντας έτσι το σήμα στον προενισχυτή. Δεδομένου ότι η χιονοστιβάδα λαμβάνει χώρα κοντά στη μικρή σφαίρα και τα ηλεκτρόνια έλκονται από αυτήν, τα θετικά ιόντα ταξιδεύουν σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση. Συνεπώς, ο παλμός που δημιουργείται στον προενισχυτή είναι κυρίως λόγω της μετακίνησης των θετικών ιόντων, ενώ τα ηλεκτρόνια που παράγονται κατά τη διάρκεια της χιονοστιβάδας έχουν αμελητέα συνεισφορά στο σήμα. Εξ ορισμού, η ευκινησία μ, ενός ιόντος σε ένα αέριο είναι ο λόγος της ταχύτητας μετατόπισης του προς το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται στο αέριο και είναι περίπου σταθερή: v dr 1 (2,4) E( r) rt E( r) Αντικαθιστώντας το Ε (r) από την εξίσωση (2,1) βρίσκουμε: 2 V0 r dr dt 1 1 r r 2 1 Έτσι, τα ιόντα που φτάνουν σε απόσταση r σε χρόνο t είναι: r2 2 1 (2,5) r t 2 V0 u du du (2,6) r r Επίσης εάν αντικαταστήσουμε το r(t) στη σχέση (2,3), παίρνουμε το σήμα που δίνει ο ανιχνευτής για μία χιονοστιβάδα που δημιουργείται σε χρόνο t=0 V ( t) V V t r r1 r2 r 1 r2 r 1 (2, 7) 2.3 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΣΦΑΙΡΙΚΟΥ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ~ 15 ~

20 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Σε μια πραγματική εφαρμογή του σφαιρικού αναλογικού απαριθμητή, η ιδανική σφαιρική συμμετρία διακόπτεται από τη ράβδο που στηρίζει το κεντρικό ηλεκτρόδιο και το συνδέει αναγκαστικά από το μπροστινό του μέρος με τα ηλεκτρονικά συστήματα, που είναι τοποθετημένα εξωτερικά, με σκοπό να ενισχύσουν και να διαβάσουν τα σήματα τα οποία θα πάρουμε. Στο σχήμα (2-3) οι ισοδυναμικές γραμμές είναι σχεδιασμένες για την απλούστερη αυτή γεωμετρία, δείχνοντας πως η παρουσία αυτής της ράβδου κάνει το ηλεκτρικό πεδίο να απέχει από τη σφαιρική συμμετρία. Σχήμα 2-3: Ηλεκτρικό πεδίο (ισοδυναμικές γραμμές) γύρω από την πιο απλή γεωμετρία ηλεκτροδίων Ειδικότερα, κάνοντας μερικούς απλούς ηλεκτροστατικούς υπολογισμούς, παίρνουμε τις ισοδυναμικές γραμμές του πεδίου όπως φαίνονται στο σχήμα(2-4). Στο σχήμα αυτό βλέπουμε ότι μόνο το 20% περίπου του όγκου των δυναμικών γραμμών καταλήγουν στο σφαιρικό ηλεκτρόδιο (κόκκινες γραμμές), ενώ οι υπόλοιπες καταλήγουν στη ράβδο, με αποτέλεσμα να μην προκύπτει η αναμενόμενη ενίσχυση. ~ 16 ~

21 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Σχήμα 2-4: Οι δυναμικές γραμμές του πεδίου για την απλούστερη γεωμετρία ηλεκτροδίου. Με κόκκινο χρώμα είναι οι γραμμές που καταλήγουν στη σφαίρα και με πράσινο αυτές που καταλήγουν στη ράβδο. Στα αριστερά φαίνεται η συνολική εικόνα στο εσωτερικό της σφαίρας και στα δεξιά φαίνεται μια εικόνα 10cm γύρω από το κέντρο. Επιπλέον, μια αναλυτική εξέταση της διαβάθμισης της ηλεκτρικής τάσης στην περιοχή πολύ κοντά στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου (λιγότερο από μερικά mm), όπου η ενίσχυση του σήματος αναμένεται ότι θα συμβεί, παρουσιάζει διακυμάνσεις κατά μήκος της επιφάνειας, η οποία οδηγεί σε παράγοντες ενίσχυσης που θα εξαρτώνται από το ακριβές σημείο στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, όπου η γραμμή του πεδίου τελειώνει. Αυτή η ανομοιογένεια στην ενίσχυση μεγεθύνεται από τη συνηθισμένη εκθετική εξάρτηση της αύξησης της χιονοστιβάδας με το ηλεκτρικό πεδίο. Ως εκ τούτου, αυτή η απλή γεωμετρία, αν και είναι αναγκαίο να προβλεφθεί μια απόδειξη της αρχής της ανίχνευσης με ένα σημείο που μοιάζει με πηγή, είναι ακατάλληλη για μια σοβαρή εφαρμογή όπου απαιτείται ομοιογενής απόκριση του πεδίου στον όλο όγκο του ανιχνευτή. Οι σημερινές προσπάθειες εστιάζονται στο σχεδιασμό μιας ηλεκτροστατικής δομής που θα επιτρέπει την εφαρμογή της υψηλής τάσης στην εσωτερική σφαίρα με ελάχιστη στρέβλωση του σφαιρικού πεδίου, για σκοπούς κίνησης και ομοιογενούς ενίσχυσης γύρω από τη μικρή σφαίρα. Διάφορες ιδέες για διόρθωση του πεδίου έχουν δοκιμαστεί, αλλά αυτό θα το αναπτύξουμε περισσότερο στο επόμενο κεφάλαιο. ~ 17 ~

22 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ 2.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕ ΑΠΛΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΜΕΝΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Σε αυτή την ενότητα θα παρουσιάσουμε αποτελέσματα τα όποια έχουν προκύψει από πειράματα χρησιμοποιώντας την απλή λειτουργία χωρίς τη χρήση οποιουδήποτε συστήματος διόρθωσης του πεδίου, αλλά απλά ελέγχοντας μόνο την «καλό» ημισφαίριο. Στην περίπτωση αύτη μία πηγή 55 Fe είχε εισαχθεί στο εσωτερικό της σφαίρας με τη βοήθεια μιας κινητής ράβδου, η οποία επέτρεπε την τοποθέτηση της πηγής σε οποιαδήποτε απόσταση από το εσωτερικό ηλεκτρόδιο. Οι πρώτες δοκιμές στόχευαν στην αξιολόγηση της στεγανότητας του δοχείου της σφαίρας, έτσι ώστε το αέριο να μπορεί να κρατήσει ένα ικανοποιητικό επίπεδο καθαρότητας για πιο σωστή λειτουργία. Ο όγκος γέμισε με τη χρήση μιας βασικής αντλίας, η οποία συνοδεύτηκε από μια γρήγορη μοριακή αντλία, φθάνοντας σε ένα επίπεδο κενού κάτω από 10-6 mbar. Η εξωτερική πίεση ήταν κάτω του 10-9 mbar/s, γεγονός που επέτρεπε να αποφευχθεί η μόνιμη κυκλοφορία του αερίου μέσω των ειδικών φίλτρων καθαρισμού και να λειτουργεί σε ασφαλή κατάσταση. Το αέριο εισάγεται μέσα στη σφαίρα μέσω ενός απλού φίλτρου oxisorb. Τα δεδομένα που λαμβάνονται σε διαφορετικές αποστάσεις από την πηγή δε δείχνουν απώλεια της έντασης του σήματος λόγω της επανασύνδεσης των ηλεκτρονίων. Στο σχήμα (2-5) φαίνεται η καταγραφή του φάσματος της ενέργειας που λαμβάνεται από την ακτινοβόληση του ανιχνευτή με μια πηγή 55 Fe. Η ανάλυση της ενέργειας που προκύπτει είναι 18% (FWHM) σε Ar και 10% CO 2 μείγμα αερίου. Μέχρι στιγμής, το πρωτότυπο έχει λειτουργήσει με δύο διαφορετικά μείγματα αερίων, δηλαδή Ar + 10% CO2, καθώς επίσης και Ar + 2% Ισοβουτάνιο, και σε διάφορες πιέσεις μέχρι και 1,5bar. Αυτές οι πρώτες δοκιμές έδειξαν ότι ακόμη και με ένα τόσο απλό στοιχείο ενίσχυσης, υψηλές απολαβές ενίσχυσης (πάνω από 10 4 ) επιτυγχάνονται εύκολα. Στα σχήματα (2-6) και (2-7) βλέπουμε την ενίσχυση σε σχέση με την τάση χρησιμοποιώντας Ar αναμεμειγμένο με 2% Ισοβουτάνιο και 10% CO 2, αντίστοιχα, για διάφορες πιέσεις αερίου. Πρέπει να σημειώσουμε ότι το πλεονέκτημα του μείγματος Ισοβουτανίου είναι το γεγονός ότι απαιτεί δύο φορές χαμηλότερη τάση στην ίδια πίεση. ~ 18 ~

23 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Σχήμα 2-5: Κατανομή παλμών που παράγονται από μια πηγή 55 Fe. Σχήμα 2-6: Ενεργή ενίσχυση έναντι υψηλής τάσης για τις διάφορες πιέσεις σε μείγμα Ar + 2% Ισοβουτάνιο. ~ 19 ~

24 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ CO 2. Σχήμα 2-7: Ενεργή ενίσχυση έναντι υψηλής τάσης για τις διάφορες πιέσεις σε μείγμα Ar + 10% Η σταθερή λειτουργία δοκιμάστηκε μέχρι 40 ημέρες, χωρίς την κυκλοφορία αερίου. Λειτουργούσε με τη χρήση βαθμονομημένων πηγών 109 Cd και 55 Fe ή ακόμα και με κοσμικές ακτίνες. Μια τυπική απόκριση του ανιχνευτή στα 22 kev με χρήση Ar + 10% CO 2, χρησιμοποιώντας μια πηγή 109Cd, παρουσιάζεται στο Σχήμα (2-8). Σχήμα 2-8: Κατανομή ύψους παλμών του σήματος που παράγεται από μια πηγή 109 Cd ~ 20 ~

25 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ 2.5 ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΟΥ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ Για τη λύση στο πρόβλημα της στρέβλωσης του πεδίου λόγω της ηλεκτρικής τάσης στην άνοδο χρειάζεται να προσθέσουμε ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια στο σύστημα, έτσι ώστε οι δυναμικές γραμμές του πεδίου να διαμορφώνουν ένα πεδίο το οποίο: 1) πλησιάζει περισσότερο την ιδανική σφαιρική συμμετρία, 2) κάνει όλες (ή τις περισσότερες) δυναμικές γραμμές να καταλήγουν στο σφαιρικό ηλεκτρόδιο, και όχι στη ράβδο, 3) η ενίσχυση που συνδέεται με καθεμία από τις δυναμικές γραμμές να είναι όμοια για όλες, έτσι ώστε η απόκριση του ανιχνευτή να είναι ομοιογενής σε ολόκληρο τον όγκο του θαλάμου. Όπως θα φάνει στη συνέχεια δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί η περίπτωση 1) και μαζί οι 2) και 3). Επίσης, η επίτευξη των περιπτώσεων 2) και 3) και με «χαλάρωση» της 1) είναι δυνατόν να γίνει εφικτή η διατήρηση της ευρωστίας και της απλότητας της αρχικής ιδέας, αποτελώντας μια ενδιαφέρουσα επιλογή για πολλές εφαρμογές. Αρκετές πρακτικές γεωμετρίες έχουν δοκιμαστεί για την εκπλήρωση αυτών των στόχων. Τα πρόσθετα στοιχεία περιέχουν ένα ή περισσότερα από τα ακόλουθα: δακτυλιοειδή ηλεκτρόδια που τοποθετούνται κατά μήκος της ράβδου σε διαφορετικές ηλεκτρικές τάσεις, ένα κωνικό κομμάτι από ανθεκτικό υλικό τοποθετείται σε πτώση τάσης στο άκρο της ράβδου, ή ένα ή και περισσότερα ομόκεντρα κυλινδρικά ηλεκτρόδια τοποθετούνται γύρω από τη ράβδο σε διάφορες τάσεις και σε διαφορετικές αποστάσεις από τη σφαίρα. Παρόλο που όλες οι λύσεις που δοκιμάζονται ισχύουν στη θεωρία, η επιλογή που προτιμάται γίνεται με βάση πρακτικά και τεχνικά ζητήματα, συγκεκριμένα την ευκολία της κατασκευής ή την απουσία των σπινθήρων, όταν πρόκειται να θέσουμε υψηλές τάσεις. Υπό αυτή την έννοια, μέχρι στιγμής η πιο επιτυχημένη διαμόρφωση, είναι αυτή με έναν κυλινδρικό ηλεκτρόδιο γύρω από τη ράβδο υψηλής τάσης, τοποθετημένο σε απόσταση 4mm από την κεντρική σφαίρα και να τροφοδοτείται με ανεξάρτητο δυναμικό V 2, το οποίο μπορεί να είναι και μηδέν, δηλαδή γειωμένο ή να έχει μια οποιαδήποτε τιμή. Οι ισοδυναμικές γραμμές με βάση την περιγραφόμενη διόρθωση παρουσιάζονται στο Σχήμα (2-9). ~ 21 ~

26 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Σχήμα 2-9: Ηλεκτροστατική διαμόρφωση με τη χρήση "διορθωτή" ο οποίος είναι ηλεκτρόδιο που αποτελείται από ένα γειωμένο κύλινδρο γύρω από τη ράβδο υψηλής τάσης τοποθετημένο στα 4 χιλιοστά μακριά από το σφαιρικό ηλεκτρόδιο. Όπως φαίνεται από το σχήμα (2-9), η παρουσία του κυλίνδρου στο δυναμικό της Γης στρίβει τις δυναμικές γραμμές του πεδίου γύρω από το σφαιρικό ηλεκτρόδιο με τρόπο που τις καθιστά περισσότερο συμμετρικές σφαιρικά από ό,τι ήταν πριν. Παρόλα αυτά, μια πιο προσεκτική εξέταση στην περιοχή κοντά στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου εξακολουθεί να εμφανίζει διαφορές, ιδιαίτερα κοντά στη σύνδεση με τη ράβδο. Ωστόσο, το κατάλληλο χαρακτηριστικό της προτεινόμενης γεωμετρίας, το οποίο είναι υπεύθυνο για την επιτυχία της λειτουργίας της, απεικονίζεται στο σχήμα (2-10), όπου φαίνονται οι αντίστοιχες γραμμές του πεδίου. Όπως φαίνεται, η παρουσία του κυλίνδρου στο δυναμικό της Γης ωθεί τις γραμμές του πεδίου μακριά, με τις περισσότερες από αυτές να επικεντρώνονται σε μια «περιορισμένη» περιοχή γύρω από το σφαιρικό ηλεκτρόδιο, που είναι απέναντι από τη ράβδο όπου εκεί η ενίσχυση τυχαίνει να είναι περισσότερο ομοιογενής. Ενώ κάνεις θα μπορούσε να θεωρήσει αρνητικό στοιχείο το γεγονός ότι είναι μακριά από τη σφαιρική συμμετρία, ωστόσο είναι θετικό το ότι η ενίσχυση που δέχονται τα ηλεκτρόνια κατά μήκος της πορείας τους είναι σχεδόν όμοια ώστε να καταστεί η απόκριση του ανιχνευτή εξαιρετικά ομοιογενής στο μεγαλύτερο μέρος του όγκου του ανιχνευτή. ~ 22 ~

27 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ Σχήμα 2-10: Δυναμικές γραμμές του πεδίου με τη χρήση γειωμένου κυλίνδρου γύρω από τη ράβδο. Σε αυτή την περίπτωση όλες οι δυναμικές γραμμές καταλήγουν στο σφαιρικό ηλεκτρόδιο. Αριστερά παρουσιάζεται η συνολική εικόνα και δεξιά μια περιοχή περίπου 10cm γύρω από το κέντρο Τα παραπάνω γεγονότα έχουν επαληθευτεί από πειραματικές μετρήσεις της ανάλυσης της ενέργειας για μια πηγή ραδονίου, η οποία δρα ομοιογενώς σε όλο τον όγκο του ανιχνευτή. Όπως φαίνεται στο σχήμα (2-11) έχει επιτευχθεί μια πολύ καλή ανάλυση ενέργειας 2% FWHM. Τα αξιοσημείωτα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν δείχνουν ότι αυτή η εξαιρετικά απλή διαμόρφωση είναι μια πολύ καλή επιλογή εργασίας για περιπτώσεις όπου δεν απαιτούνται τελείως ακτινωτές γραμμές. Σχήμα 2-11: Oι κορυφές που ανιχνευθήκαν από τη ραδιενεργό πηγή 222 Rn. ~ 23 ~

28 Κεφάλαιο 2 ο ΣΦΑΙΡΙΚΟΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ 2.6 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Πιο περίπλοκες γεωμετρίες έχουν μελετηθεί καθώς όμως και άλλες ιδέες, οι όποιες θα αναπτυχθούν. Μία προφανής επιλογή είναι η προσθήκη ενός ή περισσότερων ομοαξονικών κυλίνδρων όπως αυτόν που περιγράφεται πιο πάνω. Αυτό θα εισαγάγει ενδιάμεσα βήματα μεταξύ του δυναμικού της γης και της υψηλής τάσης του κεντρικού ηλεκτροδίου, βελτιώνοντας τη σφαιρικότητα του πεδίου και τη μείωσης της τάσης μεταξύ των ηλεκτροδίων, το οποίο θα επιτρέπει λειτουργία σε υψηλότερες τάσεις άρα και μεγαλύτερες απολαβές ενίσχυσης. Οι βελτιώσεις αυτές είναι με κόστος, φυσικά, τη μείωση της απλότητας του παρόντος σχεδιασμού, λόγω του ότι προσθέτονται επιπλέον ηλεκτρόδια. Μια άλλη πολύ ενδιαφέρουσα εναλλακτική επιλογή, παρόλο που είναι πιο σύνθετη, είναι εκείνη κατά την οποία το σφαιρικό ηλεκτρόδιο αντικαθίσταται από μια μικρή δομή Micromegas. Το κύριο πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι η ενίσχυση και η πορεία των γραμμών του πεδίου αποσυνδέονται, και οι γεωμετρικές απαιτήσεις είναι συνεπώς λιγότερο αυστηρές. Επιπλέον, η ενίσχυση με Micromegas είναι γνωστή και έχει δώσει πολύ ενδιαφέροντα αποτελέσματα όσον αφορά στην ανάλυση της ενέργειας και του χρόνου. Περαιτέρω εξελίξεις που απαιτούνται για τη βελτιστοποίηση του ανιχνευτή είναι η λειτουργία σε υψηλή πίεση και ιδιαίτερα με μείγμα αερίου Xe. Γέμισμα με αέριο Xe σε υψηλή πίεση, και ταυτόχρονα καλή ενεργειακή ανάλυση επεκτείνει τη δυνατότητα του ανιχνευτή για την ανίχνευση σκληρών ακτινών Χ και γενικά στη φασματοσκοπία γάμμα. Η καλή ενεργειακή ανάλυση είναι ζωτικής σημασίας για τις μελλοντικές μελέτες της διπλής διάσπασης που θα χρησιμοποιούν εμπλουτισμένο 136 Xe ως στόχο για να ξεχωρίζουν τη διπλή διάσπαση χωρίς νετρίνο (0νββ mode) από την επιτρεπτή διπλή διάσπαση που συνοδεύεται από δύο νετρίνα (2νββ mode). Η 0νββ διαδικασία αναμένεται να συμβεί μόνο αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana (το ίδιο σωματίδιο είναι και το αντί-σωματίδιο του) και μετατρέπεται σε πιο ευαίσθητη διαδικασία για τη μέτρηση μιας μικρής μάζας νετρίνο. Προσθέτοντας ένα μικρό ποσοστό 3 He ο ανιχνευτής αυτός γίνεται ιδανικός για την ανίχνευση των νετρονίων καθώς και για τη μέτρηση της ενέργειάς τους. Ο μετρητής μπορεί να εφαρμοστεί σε πειράματα που απαιτούν χαμηλό ενεργειακό υπόβαθρο και χαμηλό ενεργειακό όριο. Ένα παράδειγμα είναι η ανίχνευση της συνεκτικής σκέδασης των νετρινονουκλειδίων που παράγουν ιόντα ανάκρουσης. Ένας σφαιρικός ανιχνευτής ακτίνας 4m με γέμισμα Χe σε πίεση 10 Atm θα ανιχνεύσει περίπου γεγονότα για μια τυπική έκρηξη σουπερνόβα στα 10 kpc. Ένα παγκόσμιο δίκτυο πολλών τέτοιων απλών, σταθερών και χαμηλού κόστους ανιχνευτών σουπερνόβα προτείνονται για μελέτες. ~ 24 ~

29 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: (Ατμοσφαιρικά Νετρόνια) Τα ελεύθερα νετρόνια είναι ασταθή σωματίδια με μέσο χρόνο ζωής 15min και αν δε λάβουν μέρος σε πυρηνικές αντιδράσεις, διασπώνται με βήτα διάσπαση: n p e v e Για το λόγο αυτό, από την πρωτογενή κοσμική ακτινοβολία αναμένεται ένα πολύ μικρό ποσοστό νετρονίων στην ατμόσφαιρα. Τα νετρόνια της πρωτογενούς κοσμικής ακτινοβολίας πιστεύεται ότι είναι ηλιακής προέλευσης, λόγω του μικρού χρόνου ζωής τους. Παρόλα αυτά, νετρόνια διαφόρων ενεργειών παράγονται στην ατμόσφαιρα από τις αλληλεπιδράσεις της γαλαξιακής και ηλιακής κοσμικής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα. Τα νετρόνια αυτά ονομάζονται «Ατμοσφαιρικά νετρόνια» και παράγονται κατά τους αδρονικούς και ηλεκτρομαγνητικούς καταιγισμούς από τις διαδικασίες πρόσκρουσης πρωτονίων υψηλής ενέργειας και "εξάτμισης" πάνω σε πυρήνες αζώτου και οξυγόνου, οι οποίοι είναι τα κυρίαρχα στοιχεία στην ατμόσφαιρα της Γης. Για απλούς κινηματικούς λόγους τα ατμοσφαιρικά νετρόνια παράγονται κατά μήκος της κατεύθυνσης των πρωτογενών κοσμικών ακτινών, δηλαδή προς τα κάτω, αλλά υπάρχει και ένα ποσοστό νετρονίων που διακινούνται προς τα πάνω, τα οποία είναι αποτέλεσμα ανακλάσεων. Τα ατμοσφαιρικά νετρόνια, επειδή είναι αφόρτιστα, κινούνται στην ατμόσφαιρα χωρίς να χάνουν ενέργεια λόγω ιονισμών. Αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες του αέρα μόνο με ισχυρή αλληλεπίδραση, η οποία έχει πολύ μικρή εμβέλεια της τάξης του fm (1fm=10-15 m). Με την αλληλεπίδραση τους προκαλούν, είτε πυρηνικές αντιδράσεις όπως διέγερση, αρπαγή και σχάση, είτε ελαστικές σκεδάσεις που οδηγούν στη θερμοποίησή τους. ~ 25 ~

30 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η καταμέτρηση των ατμοσφαιρικών νετρονίων που γίνεται από πολλά πειράματα, μερικά από τα οποία βρίσκονται σε μεγάλο υψόμετρο αλλά και στην επιφάνεια της γης. Οι ανιχνευτές-καταμετρητές νετρονίων συχνά χρησιμοποιούνται σε συσχέτιση με διατάξεις ανίχνευσης ατμοσφαιρικών καταιγισμών ή ανιχνευτών μιονίων. Ένα άλλο φαινόμενο που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι τα νετρόνια είναι επικίνδυνα για τις ηλεκτρονικές συσκευές, αλλά και για την ανθρώπινη υγεία σε υψόμετρο αερομεταφορών, τα οποία συμβάλλουν στο ήμισυ περίπου της αντίστοιχης δόσης της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας, ενώ στο επίπεδο της θάλασσας είναι μια σημαντική πηγή υποβάθρου για διάφορους τύπους ανιχνευτών στην επιφάνεια. 3.2 Η ΡΟΗ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Η ροή των ατμοσφαιρικών νετρονίων αναπτύσσεται από την κορυφή της ατμόσφαιρας προς τα κάτω μέχρι μια μέγιστη τιμή η οποία βρίσκεται σε ατμοσφαιρικό βάθος ~100gcm -2, που αντιστοιχεί σε υψόμετρο 20 χιλιομέτρων και είναι της τάξης : neutrons cm sec Το σχήμα 3-1 δείχνει την εξάρτηση της ροής των ατμοσφαιρικών νετρονίων από το υψόμετρο (ατμοσφαιρικό βάθος) σε δύο διαστήματα ενέργειας 0,7 MeV <Ε <4,5 MeV και 1MeV<Ε <10 MeV. Η εξάρτηση της ροής από το υψόμετρο είναι διαφορετική για τα νετρόνια που κινούνται προς τα κάτω, από αυτά που κινούνται προς τα πάνω. Για αυτά που κινούνται προς τα κάτω, η ροή τους αυξάνεται γραμμικά ξεκινώντας από την κορυφή της ατμόσφαιρας μέχρι το μέγιστο και μετά από αυτό, ελαττώνεται εκθετικά μέχρι το επίπεδο της θάλασσας. Επίσης, για αυτά που κινούνται προς τα πάνω η ροή τους μειώνεται εκθετικά από το μέγιστο προς το επίπεδο της θάλασσας, αλλά, πάνω από το μέγιστο παραμένει σχετικά σταθερή και εκτείνεται προς τα έξω σε χαμηλή ύψους τροχιά της Γης. Κατά συνέπεια, στην περιοχή του μέγιστου, η συνολική ροή των νετρονίων είναι περίπου ισοτροπική. Στα 10 χιλιόμετρα η ροή των ατμοσφαιρικών νετρονίων είναι το 1 3 της μέγιστης τιμής και φτάνοντας στην επιφάνεια της θάλασσας η ροή μειώνεται περίπου δύο τάξεις μεγέθους από τη μέγιστη τιμή. ~ 26 ~

31 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Σχήμα 3-1: Παρατηρούμενη εξάρτηση της ροής νετρονίων από το υψόμετρο για cutoff= 13.9 GV για το ενεργειακό διάστημα 0,7 MeV <Ε <4,5 MeV (μαύρα τρίγωνα) και 1 MeV <Ε <10 MeV (κενοί κύκλοι) μαζί με την τοποθέτηση καμπύλων. 3.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Το φάσμα των ατμοσφαιρικών νετρονίων ξεκινά από τα θερμικά νετρόνια στην περιοχή των 10-2 ev και καταλήγει στην ενέργεια των μερικών GeV. Το ενεργειακό φάσμα των ατμοσφαιρικών νετρονίων είναι συνέπεια των δύο διαφορετικών διαδικασιών παραγωγής τους. Αυτό είναι σαφώς ορατό στο φάσμα της πυκνότητας ροής ανά μονάδα ληθαργίας το οποίο φαίνεται στο σχήμα 3-2. (Ληθαργία είναι ο φυσικός λογάριθμος του λόγου της ενέργειας αναφοράς στην ενέργεια του νετρονίου). Η d πυκνότητα ροής ανά ληθαργία είναι ισοδύναμη με E, όπου E είναι η ενέργεια των de σωματιδίων και Φ είναι το ποσοστό πυκνότητας ροής. Στο φάσμα αυτό υπάρχουν δύο κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν σε αυτά που παράγονται από «εξάτμιση» στην ενέργεια ~ 27 ~

32 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ 1 MeV και αυτά που εξάγονται από τους πυρήνες ως προϊόν ανάκρουσης κατά την πρόσπτωση πρωτονίων υψηλής ενέργειας στην ενέργεια 100 MeV. Σχήμα 3-2: Φάσμα ατμοσφαιρικών νετρονίων Το σχήμα 3-2 παρουσιάζει το φάσμα νετρονίων της κοσμικής ακτινοβολίας όπως υπολογίστηκε από τους Roesler et al, Kurochkin et al, και Armstrong et al. Αυτά τα φάσματα έχουν ξαναφτιαχτεί σε μικρότερη κλίμακα επειδή υπολογίστηκε για διαφορετικές τιμές του ατμοσφαιρικού βάθους και γεωμαγνητικού κατώτατου ορίου ενεργειών (cut-off). Το φάσμα από το Roesler et al. υπολογίστηκε σε ατμοσφαιρικό βάθος στα 200 g cm -2 και σε 4,3 GV cut-off, από το Kurochkin και et al. σε ατμοσφαιρικό βάθος 200 g cm -2 και σε 2,9 GV cut-off και του Armstrong et al. για 50 g. cm -2 ατμοσφαιρικό βάθος και σε 4,6 GV cut-off. Το σχήμα 3-2 δείχνει επίσης ότι, ακόμη και αν το συνολικό ποσοστό πυκνότητας ροής των ατμοσφαιρικών νετρονίων αλλάζει ως συνάρτηση του γεωμαγνητικού cut-off και του ατμοσφαιρικού βάθους, το σχήμα του φάσματος παραμένει σχεδόν το ίδιο. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και από το σχήμα 3-3 που δείχνει το παρατηρούμενο φάσμα πυκνότητας ροής (μετά την εκ νέου κανονικοποίηση) σε διαφορετικά ύψη. Στο σχήμα 3-3 τα φάσματα (τα οποία έχουν ξαναφτιαχτεί σε μικρότερη κλίμακα για την ευκολότερη σύγκριση) δείχνουν ότι, με τη διαφοροποίηση μόνο του ατμοσφαιρικού βάθους, το σχήμα του φάσματος της ενέργειας που παρατηρήθηκε δε μεταβάλλεται. ~ 28 ~

33 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Σχήμα 3-3: Κανονικοποιημένο παρατηρούμενο φάσμα νετρονίων σε διάφορα υψόμετρα επί του αεροπλάνου Αυτό ισχύει έως ότου οι μετρήσεις αυτές διεξάγονται στην ατμόσφαιρα και όχι στο επίπεδο του εδάφους. Το φάσμα που φαίνεται στο σχήμα 3-3 το οποίο παρατηρήθηκε στο επίπεδο του εδάφους (1030 g cm -2 0Km on ground) σε σχέση με τα υπόλοιπα παρουσιάζει δύο σημαντικές διαφορές: 1) Υπάρχει μια τρίτη κορυφή για τη θερμική ενέργεια λόγω των νετρονίων που παράγονται από το έδαφος 2) Η κορυφή, η οποία αντιστοιχεί στα νετρόνια που εξάγονται από τους πυρήνες ως προϊόν ανάκρουσης κατά την πρόσπτωση πρωτονίων υψηλής ενέργειας, είναι υψηλότερη επειδή, το έδαφος και ο αέρας αντανακλούν τα νετρόνια με διαφορετικό τρόπο. Έτσι για μετρήσεις που έγιναν στο επίπεδο του εδάφους, είναι αναγκαίο να ληφθεί υπόψη η "επίδραση του εδάφους" και η παραμόρφωση του αναμενόμενου φάσματος ενέργειας των νετρονίων. ~ 29 ~

34 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ 3.4 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗ ΡΟΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Η ροή και η ενέργεια των ατμοσφαιρικών νετρονίων που καταμετρώνται από τους επίγειους σταθμούς, επηρεάζεται από μια σειρά παραμέτρους. 1. Γεωγραφικό-Μαγνητικό πλάτος του τόπου μέτρησης Το μαγνητικό πεδίο της γης καμπυλώνει τις τροχιές των φορτισμένων σωματιδίων που προέρχονται από την κοσμική ακτινοβολία. Κατά συνέπεια το μαγνητικό πεδίο καθορίζει τη μαγνητική ακαμψία των σωματιδίων αυτών που μπορούν να φτάσουν στο κάθε σημείο και επομένως καθορίζει και τα ατμοσφαιρικά νετρόνια που παράγονται από τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων αυτών με τα στοιχεία της ατμόσφαιρας. 2. Το υψόμετρο στο οποίο γίνεται η μέτρηση Το υψόμετρο καθορίζει το πάχος της υπερκείμενης ατμόσφαιρας και επομένως το κατά πόσο και πώς αλληλεπιδρούν τα δευτερογενή παραγόμενα σωματίδια και τα ατμοσφαιρικά νετρόνια. 3. Η ενδεκαετής διακύμανση της ηλιακής δραστηριότητας. Έχει διαπιστωθεί ότι υπάρχει μια ενδεκαετής διακύμανση της μετρούμενης ροής των ατμοσφαιρικών νετρονίων η οποία βρίσκεται σε αντισυσχετισμό με την ηλιακή δραστηριότητα. Ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων αυξάνεται γρήγορα και στη συνέχεια μειώνεται με βραδύτερο ρυθμό κάθε περίπου 11 χρόνια. Η ροή των ατμοσφαιρικών νετρονίων εμφανίζει μέγιστο, όταν ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων είναι στο ελάχιστο. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο ότι το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου κατά το μέγιστο των ηλιακών κηλίδων είναι πολύ ισχυρό με αποτέλεσμα να προασπίζει πιο αποτελεσματικά τη Γη από τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες χαμηλής ενέργειας. 4. Οι ηλιακές εκλάμψεις Κατά τη διάρκεια ισχυρών ηλιακών εκλάμψεων παρατηρείται μια περίσσεια ροή νετρονίων στην ατμόσφαιρα της γης. Τα επιπλέον αυτά νετρόνια προέρχονται από την επιφάνεια του Ήλιου και ονομάζονται «ηλιακά νετρόνια». Τα νετρόνια αυτά παράγονται ~ 30 ~

35 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ από τις πυρηνικές αντιδράσεις φορτισμένων σωματιδίων τα οποία επιταχύνονται από τις εκλάμψεις και αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες της ηλιακής ατμόσφαιρας. Μετά την παραγωγή τους τα νετρόνια αυτά κινούνται ευθύγραμμα αφού δεν επηρεάζονται από τα μαγνητικά πεδία και φτάνουν στη γη μετά από περίπου 10min. Για τα ηλιακά νετρόνια θα αναφερθούμε περισσότερο στην επομένη παράγραφο. 3.5 ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Τα Ηλιακά νετρόνια είναι μια ιδιαίτερη κατηγορία των ατμοσφαιρικών νετρονίων. Τα νετρόνια αυτά εκπέμπονται σχεδόν συνεχώς από τον ήλιο στο διαπλανητικό χώρο, κατά τη διάρκεια μεγάλων ηλιακών εκλάμψεων. Η κινητική τους ενέργεια είναι αρκετά μεγάλη που τους επιτρέπει να ταξιδεύουν μέχρι τη Γη πριν την εξασθένισή τους. Τα ηλιακά νετρόνια, που καταφθάνουν στη γη μετά από μια έκλαμψη έχουν κινητική ενέργεια από μερικές δεκάδες MeV μέχρι λίγα GeV. Οι Ηλιακές εκλάμψεις είναι βίαιες εκρήξεις που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα του Ήλιου συνήθως κοντά σε ηλιακές κηλίδες. Κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλαμψης εκπέμπονται φορτισμένα σωματίδια, κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια καθώς και ένα μικρό κλάσμα βαρέων ιόντων, τα οποία επιταχύνονται και, εφόσον η ενέργειά τους αρκεί, μπορούν να παραγάγουν στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας (Coronal Mass Ejections CME), οι οποίες είναι υπεύθυνες για το Βόρειο και Νότιο σέλας και μερικές φορές για τα προβλήματα της ραδιομετάδοσης για τους δορυφόρους, και τις ηλεκτρικές γραμμές μετάδοσης. Κατά τη διάρκεια της εκπομπής τους, ιόντα μπορούν να αλληλεπιδράσουν με την ηλιακή ατμόσφαιρα παράγοντας υψηλής ενέργειας νετρόνια. Αυτά τα νετρόνια που φθάνουν στη Γη είναι πολύ σημαντικά, διότι μεταφέρουν πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά των εκλάμψεων και των πυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια των εκλάμψεων, επειδή δεν επηρεάζονται από τα μαγνητικά πεδία που βρίσκονται στο δρόμο τους. Επίσης, με την παρατήρηση ηλιακών νετρονίων είναι δυνατό να προσδιοριστεί το πρωτογενές ενεργειακό φάσμα των ιόντων και ο χρόνος της επιτάχυνσής τους. Η συχνότητα της ηλιακής έκλαμψης, η οποία είναι μεγαλύτερη κατά τη διάρκεια του μέγιστου της ηλιακής δραστηριότητας, είναι κατά προσέγγιση ανάλογη προς το ~ 31 ~

36 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ αντίστροφο της συνολικής ενέργειας που εκπέμπεται. Οι εκλάμψεις παράγουν νετρόνια, τα οποία, πολύ σπάνια, είναι σε θέση να φθάσουν στη Γη. Έχουμε περίπου ένα γεγονός ανά έτος (βλέπε εικόνα 3-8.). Η ανίχνευση των ηλιακών νετρονίων είναι δύσκολη, διότι σχεδόν τα μισά από αυτά διασπόνται κατά τη διάρκεια της διέλευσης τους μεταξύ του Ήλιου και της Γης (η πιθανότητα επιβίωσης είναι συναρτήσει της κινητικής ενέργειας των νετρονίων) και επιπλέον, τα νετρόνια που επιβιώνουν και φτάνουν στην ατμόσφαιρα της γης είναι έντονα εξασθενημένα. Ως εκ τούτου, προκειμένου να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο το πάχος που διασχίζουν στην ατμόσφαιρα, τα νετρόνια από τις ηλιακές εκλάμψεις πρέπει να ανιχνεύονται από ανιχνευτές εγκατεστημένους σε μεγάλο υψόμετρο ή καλύτερα σε διαστημόπλοια. Σχήμα 3-4: Πρότυπο μοντέλου επιτάχυνσης σωματιδίων, κοντά στην ηλιακή επιφάνεια. Αλληλεπίδραση και διαδικασίες επανασύνδεσης των μαγνητικών βρόχων, θερμαίνουν το πλάσμα στο βρόχο. Το θερμό πλάσμα αποτελεί στη συνέχεια, με μεγάλη ταχύτητα προς τα κάτω, ρεύμα που χτυπά την κορυφή του κάτω μαγνητικού βρόχου. Τα σωματίδια αντικατοπτρίζονται στο χαμηλότερο μαγνητικό βρόχο. Ως συνέπεια αυτού, οι μπρος και πίσω διεργασίες των σωματιδίων αυξάνουν τις ενέργειές τους με κάθε πέρασμα. Για την παρατήρηση και μελέτη των ηλιακών νετρονίων υπάρχουν δύο κατηγορίες ανιχνευτών: Neutron Monitors (NMs): οι ανιχνευτές αυτοί αποτελούνται από ένα στόχο μολύβδου για τον πολλαπλασιασμό του αριθμού των νετρονίων, φύλλα παραφίνη ή πολυαιθυλένιο, για τη θερμοποίηση των νετρονίων, και αναλογικούς απαριθμητές με αέριο γέμισμα 10 Β ή 3 He αερίων για την ανίχνευση των θερμικών νετρονίων. Ο κύριος ~ 32 ~

37 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ στόχος τους είναι η μελέτη των μεταβολών της ροής των κοσμικών ακτινών, η οποία μπορεί να οφείλεται στην περιοδική ηλιακή διαμόρφωση ή στην Forbush Decrease (FD). Η μείωση κατά Forbush είναι μια βραχύχρονη μεταβολή της ΚΑ που ανακαλύφθηκε από τον Forbush και είναι φαινόμενο παγκόσμιου χρόνου (U.T.). Παρουσιάζεται με απότομη ελάττωση της έντασης της ΚΑ κατά τουλάχιστον 5% σε διάστημα λίγων ωρών μέχρι 2 μέρες και επάνοδο σε μερικές μέρες ή βδομάδες. Έχουν παρατηρηθεί μειώσεις και %. Η επαλληλία μερικών μειώσεων Forbush ονομάζεται καταιγίδα. Είναι συνυφασμένες συχνά με μαγνητικές καταιγίδες αλλά η αντιστοιχία δεν είναι αμφιμονοσήμαντη. Και τα δύο φαινόμενα εμφανίζονται 1-2 μέρες μετά από μια ηλιακή έκλαμψη. Στο σχήμα 3-5 εμφανίζονται τα ωριαία δεδομένα από τους ανιχνευτές νετρονίων στη Θούλη (Γροιλανδία, TH) και McMurdo (Ανταρκτική, MM) για την περίοδο Μαρτίου, 1991, κατά την οποία έλαβε χώρα ένα μεγάλο FD. Σχήμα 3-5: NM δεδομένα για την Thule (TH) και McMurdo (ΜΜ) για την περίοδο από Μαρτίου, 1991 Για το σκοπό αυτό, δεν έχουν ζητηθεί καλές αναλύσεις της ενέργειας και έτσι δεν είναι σε θέση να δοθούν οποιεσδήποτε πληροφορίες σχετικά με την κατεύθυνση των νετρονίων και την ενέργειά τους. Κατά τη διάρκεια μιας ηλιακής έκλαμψης η ενέργεια των νετρονίων μπορεί μόνο να εξαχθεί συμπερασματικά από την κατανομή του χρόνου άφιξής τους. ~ 33 ~

38 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Τηλεσκόπια Ηλιακών νετρονίων (SNTs): έχουν γίνει από ένα ή περισσότερα του ενός ανιχνευτή σπινθηρισμών που περιβάλλονται από μια ασπίδα μόλυβδου και το βέτο που αποτελείται από αναλογικούς απαριθμητές. Στον ανιχνευτή σπινθηρισμών τα νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνια: η ενέργεια των νετρονίων μετριέται από την ενέργεια των αντικρουόμενων πρωτονίων, ενώ η κατεύθυνσή τους από τον αναλογικό μετρητή (βλ. σχήμα 3-6 ως παράδειγμα.). Δεδομένου ότι τα τηλεσκόπια ηλιακών νετρονίων (SNTs) είναι σε θέση να δώσουν πληροφορίες σχετικά με το χρόνο άφιξης των νετρονίων, την ενέργεια και την κατεύθυνσή τους, είναι οι καλύτεροι ανιχνευτές για την παρατήρηση ηλιακών νετρονίων. Κατά τη διάρκεια των ηλιακών εκλάμψεων, τα νετρόνια υποτίθεται ότι πρέπει να εκπέμπονται αυθόρμητα (~1 min) με βάση το νόμο ( E) Όπου 3 4 (σχήμα 3-8), αλλά ο χρόνος άφιξής τους στη Γη εκτείνεται σε ένα χρονικό διάστημα 20 λεπτών, λόγω των διαφορετικών χρόνων της πτήσης. Άλλα μοντέλα εκπομπής νετρονίων δεν μπορεί να αποκλεισθούν εντελώς, επειδή τα περισσότερα από τα γεγονότα που καταγράφονται έχουν παρατηρηθεί μόνο με NM και, σε μερικές περιπτώσεις δεδομένα από SNTs που είναι παρόντα, δεν είναι πλήρη. Μοντέλα πρόβλεψης υψηλής ενέργειας ( E 1GeV ) σταθερής εκπομπής εξακολουθούν να ισχύουν, ενώ για τις πολύ μεγάλες ηλιακές εκλάμψεις ένας μακροχρόνιος νόμος εκπομπής είναι ακόμη πιθανός. Στο σχήμα 3-7 φαίνεται η κατανομή της ενέργειας των νετρονίων που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της ηλιακής έκλαμψης που συνέβη στις 2 Νοεμβρίου του E Σχήμα 3-6: Το τηλεσκόπιο των ηλιακών νετρονίων στη σύνοδο κορυφής του ηφαιστείου Sierra Negra, στο Μεξικό, στις 97.3W, 19.0N; 4580 m υψόμετρο. ~ 34 ~

39 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ Στο σχήμα 3-8 φαίνεται η κατανομή του δείκτη γ των εκπομπών των ηλιακών νετρονίων από τις ηλιακές εκλάμψεις (En = MeV) για συμβάντα που καταγράφηκαν μέχρι το Σεπτέμβριο του 2005 (ο φασματικός δείκτης έχει υπολογιστεί από την υπόθεση του παλμικού μοντέλου εκπομπών νετρονίων). Σχήμα 3-7: Ενεργειακό φάσμα των ηλιακών νετρονίων στην ηλιακή επιφάνεια για την έκλαμψη που σημειώθηκε στις 4 Νοεμβρίου 2003, συνοδευόμενη από κατάλληλο νόμο δύναμης (γ= 4,2). Σχήμα 3-7: Οι εκτιμώμενοι φασματικοί δείκτες των γεγονότων ηλιακών νετρονίων που διαπιστώθηκαν από τους μετρητές νετρονίων με εύρος της ενέργειας περίπου En = MeV. ~ 35 ~

40 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ 3.6 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Για τις ηλεκτρονικές συσκευές τα νετρόνια στο εύρος ενεργειών MeV είναι από τα πιο προβληματικά δευτερογενή σωματίδια των κοσμικών ακτινών. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι ευαίσθητα στην ακτινοβολία, καθώς τα ιονιστικά σωματίδια προκαλούν ατέλειες στο κρυσταλλικό πλέγμα των ημιαγωγών και των μετάλλων. Αλλά και τα νετρόνια, παρόλο που είναι αφόρτιστα, προκαλούν καταστροφή των υλικών, καθώς είναι δυνατόν να δώσουν ένα σημαντικό ποσό κινητικής ενέργειας σε πρωτόνια ή άλλους ελαφριούς πυρήνες με ελαστικές κρούσεις ή πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Το κάθε σωματίδιο ξεχωριστά μπορεί να μην αχρηστεύσει ένα στοιχείο του κυκλώματος, αν όμως η ροή των σωματιδίων είναι μεγάλη, μπορεί το αποτέλεσμα μερικών τέτοιων καταστροφών αθροιστικά να προκαλέσει την κακή λειτουργία του ή την καταστροφή του. Τελευταία, άρχισε να δίνεται ιδιαίτερη σημασία στις αναφερόμενες ως «επιπτώσεις απλού γεγονότος» (Single Event Upset SEU), δηλαδή στις βλάβες που μπορούν να προκληθούν από ένα μόνο σωματίδιο. Υπολογίζεται ότι ο τυπικός ρυθμός τέτοιων συμβάντων στο ύψος πτήσης των αεροσκαφών, είναι 1 Upset ανά Gbit ανά ώρα. 3.7 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΚΑΙ Η ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΥΓΕΙΑ Η κοσμική ακτινοβολία δεν είναι μόνο επικίνδυνη για τις ηλεκτρονικές συσκευές, αλλά και για την υγεία του ανθρώπου. Είναι γνωστό ότι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για απορρόφηση της ενεργείας των νετρονίων είναι η ελαστική σκέδαση με ένα ελεύθερο πρωτόνιο. Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κατά περισσότερο από 70% νερό καθώς και μια μικρότερη ποσότητα λιπών και υδατανθράκων. Αυτό κάνει το ανθρώπινο σώμα πολύ καλό απορροφητή νετρονίων. Κατά τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια έγιναν πολλές μελέτες που έχουν διεξαχθεί για την κατανόηση του θέματος αυτού. Έχει εκτιμηθεί ότι, σε ύψη των αερομεταφορών, η συνιστώσα νετρονίων της δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας συνεισφέρει το ήμισυ περίπου της ισοδύναμης απορροφούμενης δόσης, αλλά, δυστυχώς, δεν ήταν δυνατόν να υπολογιστεί ή να μετρηθεί με ακρίβεια το φάσμα νετρονίων της κοσμικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα και, κατά συνέπεια, δεν μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια η απορροφούμενη δόση. ~ 36 ~

41 Κεφάλαιο 3 ο ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΚΑΙ ΗΛΙΑΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ 3.8 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΩΣ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΣΤΟΥΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ Στο επίπεδο του εδάφους τα ατμοσφαιρικά νετρόνια ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία του υποβάθρου για τους επιφανειακούς ανιχνευτές, όπως ανιχνευτές αντινετρίνο για τον έλεγχο της ισχύος πυρηνικού σταθμού και SNM (Special Nuclear Material) ανιχνευτές για επιθεώρηση εμπορευματικού φορτίου. Η ανίχνευση αντινετρίνων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της δραστηριότητας των εγκαταστάσεων παραγωγής πυρηνικής ενέργειας και ειδικά για την ανίχνευση των παράνομων ή ύποπτων χρήσεων αυτών των εγκαταστάσεων. Η διεθνής αντιπροσωπεία ατομικής ενέργειας ξοδεύει αρκετές προσπάθειες για να αναπτύξει νέες τεχνολογίες για να ελέγξει την πυρηνική δραστηριότητα στις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, στοχεύοντας στην επαλήθευση των μέτρων προστασίας μη διάδοσης. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης του v e για τα μέτρα προστασίας αντιδραστήρων και την παρακολούθηση τους είναι η διαθεσιμότητα τους σε πραγματικό χρόνο πληροφοριών για την κατάσταση του πυρήνα και των απλουστευμένων διαδικασιών από την πλευρά και του χειριστή αντιδραστήρων και της αντιπροσωπείας μέτρων προστασίας. Τα ατμοσφαιρικά νετρόνια μπορούν να μιμηθούν εύκολα την αντίστροφη διάσπαση βήτα (IBD), η οποία είναι η κυριότερη για τους ανιχνευτές v e. Τα νετρόνια χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση SNM (Special Nuclear Material) επειδή, αντίθετα από άλλες μορφές ακτινοβολίας που παράγονται από SNM, τα νετρόνια παράγονται από μια άφθονη και διεισδυτική εκπομπή στην ενεργειακή περιοχή της τάξης των MeV. Μια τέτοια ακτινοβολία θα έχει μια ξεκάθαρη απόδειξη της παρουσίας παράνομου σχάσιμου υλικού. Συνεπώς, η ανάπτυξη των τεχνικών ανίχνευσης SNM βασισμένων στην απεικόνιση νετρονίων είναι σήμερα μια από τις υψηλότερα κατά προτεραιότητα εφαρμογές της πυρηνικής επιστήμης στην παγκόσμια ασφάλεια. Για να σχεδιαστούν αποτελεσματικά τα όργανα που ανιχνεύουν τα παράνομα ποσά του SNM, η ροή των νετρονίων υποβάθρου επί του τόπου αναζήτησης πρέπει να είναι γνωστή με ακρίβεια, συμπεριλαμβανομένων του σχήματος, καθώς και σημαντικών χαρακτηριστικών στο ενεργειακό φάσμα, καθώς επίσης και την εξάρτηση της ζενίθιας και της αζιμούθιας γωνίας. ~ 37 ~

42 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Το νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και ως εκ τούτου δεν αφήνει κανένα ίχνος στην ύλη, εκτός εάν υποβληθεί σε πυρηνική αλληλεπίδραση. Συνεπώς, όλες οι ανιχνεύσεις των νετρονίων βασίζονται στην παρατήρηση των φορτισμένων σωματιδίων που παράγονται από τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις στις οποίες υπόκεινται τα νετρόνια. Στο παρόν κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με την ανίχνευση των θερμικών νετρονίων, την ανίχνευση των ταχέων νετρονίων με ελαστική σκέδαση και ειδικότερα με την ανίχνευση των νετρονίων με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή. Επειδή οι ενεργές διατομές των αλληλεπιδράσεων των νετρονίων στα περισσότερα υλικά εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ενέργειά τους, χρησιμοποιούνται διαφορετικές μέθοδοι ανίχνευσης για νετρόνια διαφορετικών πηγών ενέργειας. Σε πολλές εφαρμογές, τα νετρόνια θα πρέπει να ανιχνεύονται με την παρουσία ενός μεγάλου υποβάθρου ακτίνων γάμμα. Το ζήτημα, συνεπώς, συχνά είναι να διακριθούν τα νετρόνια από τις ακτίνες γάμμα. 4.2 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Ο όρος «θερμικά νετρόνια» αναφέρεται σε νετρόνια τα οποία βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον και έχουν κινητική ενέργεια μικρότερη από 0,5 ev. Σε αυτό το φάσμα της ενέργειας, μια πολύ σημαντική αντίδραση είναι η αρπαγή νετρονίου. Στην αναζήτηση πυρηνικών αντιδράσεων, που μπορεί να φανούν χρήσιμες στην ανίχνευση νετρονίων, πρέπει να λάβουμε υπόψη κάποιους παράγοντες. Καταρχήν η ενεργός διατομή της αντίδρασης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη έτσι ώστε να μπορούν να κατασκευαστούν αποτελεσματικοί ανιχνευτές μικρών διαστάσεων. Αυτό είναι πολύ σημαντικό ιδιαίτερα για ανιχνευτές των οποίων ο στόχος είναι σε μορφή αερίου. Μερικά ισότοπα έχουν πολύ μεγάλη ενεργό διατομή για την αντίδραση απορρόφησης νετρονίων και όλες οι ανιχνεύσεις βραδέων νετρονίων βασίζονται στη ~ 38 ~

43 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ χρήση ενός από αυτά τα ισότοπα, τα οποία θα εξετάσουμε πιο κάτω. Επίσης, πρέπει το νουκλίδιο που χρησιμοποιείται ως στόχος να είναι σε υψηλή ισοτοπική αναλογία στο φυσικό στοιχείο ή διαφορετικά πρέπει να κατασκευαστεί μια οικονομική πηγή εμπλουτισμού του στοιχείου με το αντίστοιχο ισότοπο. Σε πολλές εφαρμογές έντονα πεδία ακτίνων γάμμα συνυπάρχουν με νετρόνια. Έτσι, η επιλογή της αντίδρασης θα πρέπει να δίνει την ικανότητα για διάκριση των ακτίνων γάμμα από τα νετρόνια. Σημαντικός παράγοντας εδώ είναι η τιμή του Q της αντίδρασης που πιστοποιεί την ενέργεια που απελευθερώνεται μετά τη σύλληψη του νετρονίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του Q τόσο μεγαλύτερη είναι και η ενέργεια που μοιράζεται στα προϊόντα της αντίδρασης και τόσο πιο εύκολος θα είναι ο διαχωρισμός των γάμμα από τα νετρόνια. Τα πιο σημαντικά ισότοπα για το σκοπό αυτό είναι: Βόριο-10. Η αντίδραση αρπαγής νετρονίων είναι: B n Li a Q = 2.792MeV B n Li a Q = 2.310MeV * Το σύμβολο Q αντιπροσωπεύει τη διαφορά σε μάζα των σωματιδίων στην αρχική και την τελική κατάσταση και, επομένως, και τη συνολική ενέργεια που ελευθερώνεται κατά την αντίδραση. Η τελική κατάσταση 7 * 3Li διασπάται με εκπομπή ακτινοβολίας γάμμα ενέργειας 0,48MeV με διάρκεια ζωής 10-3 sec. Συνήθως, αυτή η ακτινοβολία γάμμα ξεφεύγει από τον ανιχνευτή. Όταν η αντίδραση επάγεται από θερμικά νετρόνια περίπου το 94 % των αντιδράσεων, οδηγεί στη διεγερμένη κατάσταση και μόνο περίπου το 6 % στη βασική. Τόσο η διατήρηση της ενέργειας όσο και η διατήρηση της ορμής που εφαρμόζονται στις πιο πάνω αντιδράσεις απαιτούν: E + E = Q Li a m v = m v (4,1) Li Li a a Από αυτό μπορούμε εύκολα να πάρουμε E E Li a ma m m a a mli m m Li Li Q 0.84MeV Q 1.47MeV (4,2) ~ 39 ~

44 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Η ενεργός διατομή της αντίδρασης για θερμικά νετρόνια είναι 3840 barns και είναι αντιστρόφως ανάλογη της ενέργειας των νετρονίων σχήμα (4-1). Η αντίδραση 10Β(n,a) χρησιμοποιείται πάρα πολύ για την ανίχνευση των νετρονίων λόγω της μεγάλης ενεργού διατομής και της μεγάλης σχετικά συγκέντρωσης του 10 Β στο φυσικό Β (~19,9%). Λίθιο-6. Η αντίδραση αρπαγής νετρονίων είναι: Li + n H + a Q = 4.78MeV Η ενεργός διατομή για την αντίδραση αυτή δίνεται επίσης στο σχήμα (4-1). Η φυσική αφθονία του λίθιου-6 6 Li είναι 7,4% και το λίθιο είναι διαθέσιμο σε μια ισοτοπικά εμπλουτισμένη μορφή. Ήλιο-3. Η αντίδραση αρπαγής νετρονίων είναι: He + n H + p Q= 0.764MeV Η φυσική αφθονία του ηλίου-3 ( 3 He) είναι εξαιρετικά χαμηλή. Μόνο 0,000137% του συνόλου του φυσικού ηλίου είναι 3 He. Το ήλιο-3 στο εμπόριο παράγεται από πυρηνικές αντιδράσεις. Η ενεργός διατομή της αντίδρασης της απορρόφησης νετρονίων από το ήλιο-3 φαίνεται στο σχήμα (4-1). Σχήμα 4-1: Διάγραμμα της ενεργού διατομής της αντίδρασης αρπαγής νετρονίου από τα ισότοπα 10 B, 6 Li και 3 He σε συνάρτηση με την ενέργεια των νετρονίων. ~ 40 ~

45 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Γαδολίνιο Το ισότοπο γαδολίνιο 157 Gd έχει μεγάλη ενεργό διατομή σύλληψης για θερμικά νετρόνια: barns. Η φυσική αφθονία του 156 Gd είναι 15,7%. Υπάρχουν αρκετές τελικές καταστάσεις που περιέχουν ακτίνες γάμμα και ηλεκτρόνια μετατροπής. Ένα 72 kev ηλεκτρόνιο μετατροπής είναι παρών στο 39% των περιστατικών αρπαγής νετρονίων και η ανίχνευση των νετρονίων, συνήθως, βασίζεται στην παρατήρηση αυτής της τελικής κατάστασης. Η αντίδραση γαδολινίου δεν επιτρέπει την εύκολη διάκριση μεταξύ νετρονίων και ακτίνων γάμμα για το λόγο ότι μια αλληλεπίδραση από ένα ηλεκτρόνιο και από μια ακτίνα γάμμα δεν είναι εύκολο να διακριθεί από το ηλεκτρόνιο μετατροπής. Το γαδολίνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο όταν η απόρριψη της ακτινοβολίας γάμμα είναι λιγότερο σημαντική. Ουράνιο και πλουτώνιο. Οι ενεργές διατομές των σχάσεων 233 U, 235 U και 239 Pu είναι μεγάλες για βραδέα νετρόνια (βλ. σχήμα.4-2). Οι αντιδράσεις αυτές μπορούν συνεπώς να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των θερμικών νετρονίων. Η τιμή Q στις αντιδράσεις αυτές είναι πάντα πολύ μεγάλη, κατά κανόνα 200 MeV, επιτρέποντας την εύκολη διάκριση μεταξύ των ακτίνων γάμμα και των νετρονίων. Ωστόσο, οι πυρήνες που δημιουργούνται εκπέμπουν όλοι σωματίδια άλφα, και αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παλμούς που μπορεί να προκαλέσουν σύγχυση με τα γεγονότα αρπαγής νετρονίων. Για να διακρίνει κανείς τα γεγονότα νετρονίων από τις εκπομπές άλφα χρειάζεται να βασιστεί στη διάκριση ύψους παλμών. Οι Αναλογικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούν μια από τις παραπάνω αντιδράσεις αρπαγής νετρονίων που χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση των βραδέων νετρονίων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ένα αέριο που περιέχει 10 Β ή 3 He, είτε ένας σωλήνας με επένδυση από 10 Β ή με ένα από τα σχάσιμα ισότοπα 233 U, 235 U ή 239 Pu. Επίσης, οι μετρητές θα είναι ευαίσθητοι στις ακτίνες γάμμα, επειδή οι ακτίνες αυτές θα αλληλεπιδράσουν με τα τοιχώματα του σωλήνα και θα παραγάγουν ηλεκτρόνια στον ενεργό όγκο αερίου. Ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο θα καταθέσει περίπου 2keV/cm αερίου και ως εκ τούτου οι ακτίνες γάμμα σχεδόν δε θα καταθέσουν ποτέ περισσότερο από μερικά 10 kev στο μετρητή. Οι ενεργές διατομές των αρπαγών νετρονίων που εξετάζονται πιο πάνω, προκαλούν πολύ ιονιστικά σωματίδια άλφα ή πυρήνες και η απόσταση που διανύουν στο αέριο του ανιχνευτή είναι της τάξης των εκατοστών. Ένα ή και τα δύο από τα θραύσματα θα καταθέσουν συνήθως όλη την ενέργειά τους στο αέριο. Σε περίπτωση που καταγράφονται μεμονωμένα ύψη παλμών, τότε οι ανιχνευτές αυτοί είναι πολύ αποτελεσματικοί στις διακρίσεις μεταξύ νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Αυτό φαίνεται και στο σχήμα4-3. ~ 41 ~

46 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Σχήμα 4-2: Ενεργές διατομές των σχάσεων 233 U, 235 U και 239 Pu σε συνάρτηση με την ενέργεια του νετρονίου. Στους αναλογικούς ανιχνευτές χρησιμοποιείται συνήθως BF 3 ή 3 He ως ενεργό αέριο. Το 3 He με 5% αέριο απόσβεσης είναι ένα καλό αέριο για λειτουργία σε έναν αναλογικό μετρητή. Ο ανιχνευτής θα λειτουργεί επίσης καλά και σε πίεση αρκετών bar. Η αύξηση της πίεσης χρησιμοποιείται συχνά για να αυξήσει την αποδοτικότητα ανίχνευσης των νετρονίων. Σχήμα 4-3 Αλληλεπιδράσεις γάμμα και αλληλεπιδράσεις νετρονίων σε ένα αναλογικό μετρητή γεμάτο με 3He ή BF3. Μια αλληλεπίδραση νετρονίων οδηγεί σε δύο πολύ ιοντιστικές τροχιές, ενώ μία ακτίνα γάμμα συνήθως θα αλληλεπιδράσει με τα τοιχώματα του ανιχνευτή και θα προκαλέσει ένα ελάχιστο κομμάτι ιονισμού. ~ 42 ~

47 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Η μέση ελεύθερη διαδρομή των θερμικών νετρονίων σε 3 He σε μια ατμόσφαιρα είναι 7.3cm. Ωστόσο, η χαμηλότερη τιμή Q σε σύγκριση με το βόριο κάνει τη διάκριση των αλληλεπιδράσεων των νετρονίων από τις αλληλεπιδράσεις γάμμα πιο δύσκολη με 3 He. Επιπλέον, το 3 He είναι ακριβό. Το εμπορικό 3 He γίνεται στις πυρηνικές αντιδράσεις και η τιμή του το 2008 ήταν περίπου 200 /litre του αερίου στην τυποποιημένη θερμοκρασία και πίεση. Το BF 3 δεν είναι πολύ καλό αέριο για τη λειτουργία ενός αναλογικού μετρητή, πιθανόν επειδή το BF 3 είναι ελαφρώς ηλεκτροαρνητικό. Συχνά οι σωλήνες που γεμίζουν με BF 3 χρησιμοποιούνται σε μειωμένη πίεση όπου οι λειτουργικές προϋποθέσεις είναι σταθερές. Επιπλέον, το αέριο αυτό είναι πολύ τοξικό και διαβρωτικό. Εντούτοις, η υψηλή τιμή του Q αυτής της αντίδρασης βοηθά στη διάκριση των αλληλεπιδράσεων των νετρονίων από τις αλληλεπιδράσεις γάμμα. Εάν η διάμετρος του σωλήνα είναι πολύ μεγάλη έναντι των χαρακτηριστικών αποστάσεων που διανύουν τα προϊόντα της αντίδρασης στο αέριο, σχεδόν όλες οι αλληλεπιδράσεις δίνουν το ίδιο ύψος παλμού. Σε αυτή την περίπτωση, το φάσμα ύψους παλμών του 3 He παρουσιάζει μια σαφή κορυφή και του BF 3 παρουσιάζει δύο κορυφές που αντιστοιχούν στα δύο κανάλια αντίδρασης. Η απόσταση που διανύουν τα προϊόντα της αντίδρασης στο αέριο είναι της τάξης των εκατοστόμετρων και οι αναλογικοί σωλήνες έχουν συνήθως διάμετρο μόνο μερικά εκατοστόμετρα. Κατά συνέπεια, συχνά ένα από τα προϊόντα αντίδρασης θα χτυπήσει τον τοίχο του σωλήνα προτού φθάσει στο τέλος της διαδρομής του. Το αποτέλεσμα είναι ένα φάσμα ύψους παλμών που παρουσιάζει ευρείες πλευρές κάτω από τη συνολική κορυφή απορρόφησης όπως φαίνετε στο σχήμα 4-4. Αυτό μειώνει τη δυνατότητα διάκρισης μεταξύ των ακτίνων γάμμα και των νετρονίων. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι να ευθυγραμμιστούν οι εσωτερικοί τοίχοι του ανάλογου σωλήνα με ένα κατάλληλο υλικό, ευαίσθητο στα νετρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε αέριο αναλογικού απαριθμητή, όπως το αργό-ισοβουτάνιο. Για την ευθυγράμμιση του εσωτερικού τοίχου του ανιχνευτή, χρησιμοποιείται συχνά 10 B. Προφανώς, το στρώμα 10 B πρέπει να είναι πολύ λεπτό (περίπου 1 mg/cm 2 ), διαφορετικά τα προϊόντα της αντίδρασης θα απορροφηθούν από το ίδιο το 10 B στρώμα και δε θα εισαχθούν στο ενεργό αέριο του μετρητή. Κατά συνέπεια, η αποδοτικότητα ανίχνευσης νετρονίων για αυτού του τύπου ανιχνευτή είναι μόνο της τάξης του 1%, πολύ χαμηλότερη από αυτή που μπορεί να επιτευχθεί με ένα αέριο ευαίσθητο στα νετρόνια. Το φάσμα ύψους παλμών που λαμβάνεται με ένα τέτοιο θάλαμο θα είναι περισσότερο ή λιγότερο επίπεδο από το μηδέν μέχρι μια ανώτατη τιμή που αντιστοιχεί σε 1,47 MeV. Αυτή είναι η μέγιστη ενέργεια που το άλφα σωματίδιο μπορεί να καταθέσει στο αέριο. Λόγω αυτού του επίπεδου φάσματος ύψους παλμών, αυτός ο τύπος ανιχνευτών είναι λιγότερο αποδοτικός στη διάκριση μεταξύ των νετρονίων και των ακτίνων γάμμα. ~ 43 ~

48 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Σχήμα 4-4 Φάσμα ύψους παλμών σε ένα αναλογικό απαριθμητή γεμάτο με BF 3 που εκτίθεται σε μια ροή νετρονίων. Το εύρος αυτό οφείλεται στο ότι ένα από τα προϊόντα της αντίδρασης χτυπά στο τοίχωμα του σωλήνα πριν από τη λήξη της διαδρομής του στο αέριο. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει μια αλληλεπίδραση νετρονίου σε ένα αναλογικό απαριθμητή όπου η αντίδραση περιέχεται απόλυτα στο ενεργές αέριο του θαλάμου. Ένα τέτοιο γεγονός θα ήταν προς το συνολικό μέγιστο απορρόφησης στα δεξιά του φάσματος ύψους παλμών. Ένα από τα μειονεκτήματα των αναλογικών μετρητών που χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές νετρονίων είναι η αργή rise-time (αύξηση-σε χρόνο) του παλμού και της συνακόλουθης φτωχής ανάλυσης του χρόνου. Αυτό το rise-time είναι συχνά αρκετά μικροδευτερόλεπτα. Η καλή ανάλυση του χρόνου είναι ουσιαστική σε μερικές εφαρμογές, παραδείγματος χάριν για «το χρόνο των μετρήσεων πτήσης». Όταν είναι αναγκαία η καλή ανάλυση χρόνου, προτιμώνται σπινθηριστές ευαίσθητοι στα νετρόνια. Ένας συνηθισμένος σπινθηριστής ευαίσθητος στα νετρόνια είναι ο LiI με 1% από ευρώπιο. Το λίθιο παρέχει την ευαισθησία νετρονίων. Αυτό το υλικό του σπινθηριστή είναι κάπως παρόμοιο με το NaI: Tl. Έχει μια ελαφριά παραγωγή περίπου φωτονίων/mev και χρόνο διάσπασης 300 ns. Ο LiI είναι επίσης πολύ υγροσκοπικός. Άλλα υλικά σπινθηριστών που χρησιμοποιούνται συχνά είναι ένα σπινθηριστής που γίνεται από τη σύντηξη B 2 O 3 και ZnS και ένα πλαστικό σπινθηριστή βασισμένο σε πλαστικό φορτωμένο με βόριο. Τέτοιοι σπινθηριστές με πλαστικά φορτωμένα με βόριο είναι διαθέσιμοι στο εμπόριο με 5% της περιεκτικότητας σε βόριο και με μια ελαφριά παραγωγή που είναι 75% ενός χαρακτηριστικού πλαστικού σπινθηριστή. ~ 44 ~

49 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ 4.3 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΑΧΕΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Η ανίχνευση των βραδέων νετρονίων που συζητήσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο στηρίζεται στην πολύ μεγάλη ενεργό διατομή της αρπαγής βραδέων νετρονίων από ορισμένα ισότοπα. Επομένως, με την προσθήκη ενός επιβραδυντή, οι ανιχνευτές αυτοί είναι κατάλληλοι και για την ανίχνευση των ταχέων νετρονίων. Επίσης, η ενεργός διατομή της ελαστικής σκέδασης για τα ταχέα νετρόνια είναι μεγάλη σε διάφορα υλικά. Επομένως, η ανίχνευση του αντικρουόμενου πυρήνα στην ελαστική σκέδαση είναι μια καλή μέθοδος για την ανίχνευση και μελέτη των ταχέων νετρονίων και αυτό αποτελεί τη βάση για μια ευρεία ποικιλία ανιχνευτών νετρονίων. Οι περισσότεροι ανιχνευτές για τα ταχέα νετρόνια είναι βασισμένοι είτε στη χρησιμοποίηση ενός επιβραδυντή νετρονίων είτε στη χρησιμοποίηση της ελαστικής σκέδασης. Αυτές οι δύο κατηγορίες ανιχνευτών νετρονίων θα συζητηθούν στις επόμενες παραγράφους Ανιχνευτές ταχέων νετρονίων βασισμένοι στη χρησιμοποίηση επιβραδυντή Για διάφορα ισότοπα, η ενεργός διατομή της αρπαγής νετρονίων για τα βραδέα νετρόνια είναι αρκετά μεγέθη μεγαλύτερη από τη χαρακτηριστική ενεργό διατομή για τα ταχέα νετρόνια. Είναι επομένως δυνατόν να αναπτυχθούν αποδοτικοί ανιχνευτές για τα ταχέα νετρόνια που είναι βασισμένοι πρώτα στο να επιβραδύνουν τα νετρόνια και έπειτα να τα ανιχνεύσουν. Αρκετοί χρήσιμοι ανιχνευτές είναι βασισμένοι σε αυτή την αρχή. Ένας από αυτούς είναι το σφαιρικό δοσίμετρο νετρονίων, αποκαλούμενο μερικές φορές και μετρητής Bonner. Το όργανο αυτό αποτελείται από ένα μικρό ανιχνευτή βραδέων νετρονίων, το οποίο περιβάλλεται από μια σφαίρα με υλικό που ενεργεί ως επιβραδυντής νετρονίων, συνήθως πολυαιθυλένιο ή παραφίνη. Ο ανιχνευτής βραδέων νετρονίων είναι είτε σπινθηριστής LiI είτε ένας μικρός 3 He αναλογικός απαριθμητής. Η σφαίρα έχει διάμετρο ίντσες ενώ το μέγεθος του σπινθηριστή LiI είναι μόνο μερικά χιλιοστόμετρα. Εάν ένα χαμηλής ενέργειας νετρόνιο εισαχθεί στον ανιχνευτή, θα επιβραδυνθεί γρήγορα και στη συνέχεια θα υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να απορροφηθεί από τον επιβραδυντή προτού καταφέρει να φθάσει στο σπινθηριστή LiI. Δεδομένου ότι η ενέργεια του νετρονίου αυξάνεται, η αποδοτικότητα της ανίχνευσης αυξάνεται, για το λόγο ότι το νετρόνιο έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να φθάσει στο σπινθηριστή LiI προτού απορροφηθεί από τον επιβραδυντή. Δεδομένου ότι η ενέργεια αυξάνεται περαιτέρω, η αποδοτικότητα της ανίχνευσης μειώνεται πάλι, δεδομένου ότι το νετρόνιο έχει μικρότερη πιθανότητα να είναι πλήρως θεσμοποιημένο. Το αποτέλεσμα είναι ότι η αποδοτικότητα ανίχνευσης νετρονίων πρώτα αυξάνεται με την ενέργεια, φθάνει σε ένα μέγιστο και έπειτα μειώνεται πάλι. Το ενδιαφέρον για αυτόν τον τύπο ανιχνευτή πηγάζει από το γεγονός ότι η ενεργειακή εξάρτηση της αποδοτικότητας ανίχνευσης μιμείται την ~ 45 ~

50 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ενεργειακή εξάρτηση της ισοδύναμης δόσης για τη βιολογική ζημιά που παραδίδεται ανά νετρόνιο μεταξύ 0 και 10 MeV. Η ομοιότητα των δύο ενεργειακών εξαρτήσεων είναι καθαρά τυχαία, αλλά επιτρέπει στο να γίνονται πολύ χρήσιμα δοσίμετρα νετρονίων. Για έναν ανιχνευτή που αποτελείται από μια σφαίρα 12 ιντσών από πολυαιθυλένιο και ένα σπινθηριστή LiI 4mm, η ευαισθησία είναι 3000 counts/mrem (το σύμβολο rem είναι μια μονάδα της ακτινοβολίας ισοδύναμης δόσης). Το πλεονέκτημα χρησιμοποίησης ενός 3 He μετρητή αντί ενός σπινθηριστή LiI είναι η μειωμένη ευαισθησία στις ακτίνες γάμμα. Με ένα πιο επιμελημένο σχέδιο της σφαίρας απορροφητών, είναι δυνατόν να επεκταθεί η ευαισθησία στα νετρόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από 10 MeV. Τα δοσίμετρα νετρονίων βασισμένα σε αυτή την αρχή είναι διαθέσιμα από διάφορες επιχειρήσεις. Το σχήμα 4-5 παρουσιάζει ένα παράδειγμα ενός τέτοιου εμπορικού δοσιμέτρου νετρονίων. Σχήμα 4-5: Fuji Electric δοσίμετρο νετρονίων NSN Ο ανιχνευτής αποτελείται από ένα αναλογικό μετρητή 3 He σε μια σφαίρα από πολυαιθυλένιο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νετρόνια με την ενέργεια μεταξύ 0,025 ev και 8 MeV. Συχνά απαιτείται ένας μετρητής με αποδοτικότητα ανίχνευσης ανεξάρτητη της ενέργειας νετρονίων. Αποδεικνύεται ότι αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη χρησιμοποίηση μιας κυλινδρικής γεωμετρίας με έναν ανιχνευτή βραδέων νετρονίων στον άξονα και έναν κύλινδρο από υλικό μεσολαβητών γύρω από τον άξονα. Αυτός ο τύπος μετρητή ονομάζεται συχνά «long counter» λόγω της μορφής του. Για την ανίχνευση θερμικών νετρονίων, συνήθως χρησιμοποιείται ένας 3 He αναλογικός απαριθμητής. Το σχήμα 4-6 παρουσιάζει ένα παράδειγμα ενός απλού long counter. Ο ανιχνευτής αυτός έχει την επιθυμητή απόκριση μόνο εάν τα νετρόνια προέρχονται από ένα σημείο που βρίσκεται επί του άξονα και στη δεξιά πλευρά του σχήματος. Η αποδοτικότητα ανίχνευσης του ανιχνευτή αυτού όπως φαίνεται στο σχήμα ~ 46 ~

51 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ 4-6 είναι μόνο 0.25%, αλλά ένα πιο επιμελημένο σχέδιο με διάφορους παράλληλους 3 He ανιχνευτές επιτρέπει να αυξηθεί αρκετά διατηρώντας την επίπεδη ενεργειακή απόκριση. Σχήμα 4-6: Τυπικός long counter. Εάν αυτός ο τύπος ανιχνευτών εκτίθεται σε μια ροή νετρονίων που προέρχονται από τη δεξιά πλευρά, η ευαισθησία του είναι ανεξάρτητη από την ενέργεια των νετρονίων για ενέργειες νετρονίων έως 10 MeV Ανιχνευτές ταχέων νετρονίων βασισμένοι στην παρατήρηση των ανακρουόμενων πυρήνων Κατά την ανίχνευση των ταχέων νετρονίων, συχνά θέλουμε να ανιχνεύσουμε την ενέργειά τους. Αυτό ονομάζεται «φασματοσκοπία νετρονίων». Γι αυτό το λόγο συνήθως χρησιμοποιούνται οι ανιχνευτές που βασίζονται στην παρατήρηση του ανακρουόμενου πυρήνα στην ελαστική σκέδαση. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ένα νετρόνιο δίνει μέρος της ενέργειάς του στο σκεδαζόμενο πυρήνα με αποτέλεσμα να κινηθεί ο ανακρουόμενος πυρήνας. Η ενέργεια που μεταφέρεται στους ανακρουόμενους πυρήνες από βραδέα νετρόνια είναι πολύ μικρή με αποτέλεσμα ο ανακρουόμενος πυρήνας να μην μπορεί να προκαλέσει κάποιο σήμα σε έναν απαριθμητή. Όταν όμως η ενέργεια των νετρονίων φτάσει στην περιοχή των kev, ο ανακρουόμενος πυρήνας μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα. Αυτό θεωρείται πολύ σημαντικό για την ανίχνευση των ταχέων νετρονίων. ~ 47 ~

52 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Ένα ενδιαφέρον σημείο για τις εφαρμογές των απαριθμητών ταχέων νετρονίων είναι η μέτρηση της ενέργειας των νετρονίων. Σε όλες τις μεθόδους ανίχνευσης των βραδέων νετρονίων, η πληροφορία της ενέργειας των νετρονίων χανόταν λόγω της μεγάλης ενέργειας που απελευθερώνονταν από τις αντιδράσεις. Στην περίπτωση που η ενέργεια των νετρονίων παύει να είναι μικρή σε σχέση με το Q της αντίδρασης, η ενέργεια των προϊόντων της αντίδρασης μεταβάλλεται και εξαρτάται από την ενέργεια των νετρονίων. Ο ακριβής προσδιορισμός της ενέργειας μιας αντίδρασης μπορεί να οδηγήσει στον υπολογισμό της ενέργειας των νετρονίων. Στην ελαστική σκέδαση το Q της αντίδρασης είναι μηδέν. Έτσι από την ενέργεια των ανακρουόμενων πυρήνων μπορεί εύκολα να προκύψει η ενέργεια των νετρονίων. Για την περίπτωση αυτή ο σημαντικότερος πυρήνας στόχου είναι το υδρογόνο, επειδή στην ελαστική σκέδαση νετρονίων στο υδρογόνο, ο πυρήνας οπισθοχώρησης μπορεί να λάβει μέχρι και τη συνολική ενέργεια του εισερχόμενου νετρονίου. Επιπλέον, η ενεργός διατομή της ελαστικής σκέδασης των ταχέων νετρονίων στο υδρογόνο είναι μεγάλη και γνωστή σε εμάς. Οι ενεργές διατομές για τις ελαστικές συγκρούσεις των νετρονίων σε μερικούς σχετικούς ελαφριούς πυρήνες δίνονται στο σχήμα 4-7. Σχήμα 4-7: Συνολική ελαστική ενεργός διατομή για ελαστική σκέδαση νετρονίων στο υδρογόνο, το δευτέριο και τον άνθρακα. Η ενεργειακή εξάρτηση της ενεργού διατομής στον άνθρακα, μεταξύ 2 και 10 MeV είναι εξαιρετικά σύνθετη και αντιπροσωπεύεται μόνο με έναν πολύ κατά προσέγγιση τρόπο στην εικόνα. Υποθέστε ότι έχουμε τα νετρόνια μιας δεδομένης ενέργειας που αλληλεπιδρούν σε ένα πλούσιο σε υδρογόνο υλικό σπινθηριστή. Το φάσμα ύψους παλμών του σπινθηριστή θα είναι ίσο με το ενεργειακό φάσμα των ανακρουόμενων πρωτονίων. Τα πρωτόνια ανάκρουσης έχουν ένα ενεργειακό φάσμα που εξαρτάται από την ενέργεια ~ 48 ~

53 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ των νετρονίων. Εάν έχουμε τα νετρόνια με ένα άγνωστο ενεργειακό φάσμα, είναι δυνατόν να παραγάγουμε το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων με την προσαρμογή της μορφής του φάσματος ύψους παλμών που παρατηρήθηκε από το σπινθηριστή σε μια υπέρθεση των καμπύλων απόκρισης του ανιχνευτή προς τα νετρόνια των διαφορετικών ενεργειών. Εάν ένα νετρόνιο σκεδαστεί σε έναν πυρήνα στόχο Α, η κατεύθυνση και η ενέργεια του σκεδασμένου πυρήνα στόχου σχετίζονται με τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Εξετάζουμε εδώ τα νετρόνια με την ενέργεια το πολύ-πολύ μέχρι 10 MeV. Δεδομένου ότι η μάζα ηρεμίας ενός νετρονίου είναι MeV, μια μη σχετικιστική προσέγγιση είναι ικανοποιητική. Επομένως, σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας και της ορμής έχουμε (σχήμα 4-8) E1 E2 EA (4,3) P P P 1 2 A Σχήμα 4-8: Ελαστική σκέδαση νετρονίου σε πυρήνα Από τη διανυσματική ανάλυση της ορμής βρίσκουμε P P P 2PP cos (4,3) A 1 1 A Επίσης από την κλασική μηχανική γνωρίζουμε ότι: P P P 2E m A A A 2E m 1 1 2E m 2 2 n n (4,4) ~ 49 ~

54 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Μετά από αρκετές πράξεις με βάση τις πιο πάνω σχέσεις καταλήγουμε στη σχέση που συνδέει την ενέργεια του ανακρουόμενου πυρήνα στόχου με την ενέργεια του προσπίπτοντος νετρονίου η οποία είναι: 4m Amn Erecoil = Eneutron (m + m ) A n 2 2 cos (4,5) Σε αυτή την εξίσωση οι συμβολισμοί είναι: Erecoil = ενέργεια του πυρήνα οπισθοχώρησης Eneutron = ενέργεια του νετρονίου m A = μάζα του πυρήνα Α m n = μάζα του νετρονίου θ = γωνία του πυρήνα οπισθοχώρησης σχετικά με την κατεύθυνση του εισερχόμενου νετρονίου στο εργαστηριακό πλαίσιο. Δείτε το σχήμα 4-9 για τον ορισμό των γωνιών. Σχήμα 4-9: Ορισμός της γωνίας σκέδασης στο σύστημα κέντρου μάζας και στο σύστημα του εργαστηρίου. Το σύμβολο φ δηλώνει την πολική γωνία του πυρήνα Α γύρω από την κατεύθυνση του εισερχόμενου νετρονίου. Επιπλέον, η γωνία σκέδασης στο κέντρο μάζας του συστήματος Θ και η γωνία σκέδασης στο εργαστήριο θ συσχετίζονται από τη σχέση ~ 50 ~

55 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ cos = 1-cos 2 (4,6) Επομένως, η σχέση μεταξύ της ενέργειας ανάκρουσης και της γωνίας σκέδασης Θ στο κέντρο μάζας είναι: 2m m A n Erecoil = Eneutron [1-cos ] 2 (m A + m n ) (4,7) Ας δούμε την περίπτωση μιας μετωπικής σύγκρουσης μεταξύ ενός νετρονίου και ενός πυρήνα στόχου Α. Στο κέντρο μάζας, οι αναπηδήσεις των πυρήνων Α με κατεύθυνση προς τα πίσω προήλθαν χωρίς αλλαγή της ενέργειας. Στο κέντρο μάζας η γωνία Θ είναι 180 ο. Στο εργαστήριο ο πυρήνας Α συνεχίζει στην κατεύθυνση του νετρονίου και η γωνία του σκεδασμένου πυρήνα Α είναι θ = 0 ο. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια του πυρήνα Α ανάκρουσης είναι μέγιστη και δίνεται από τη σχέση 4m m A n Erecoil-max = Eneutron 2 (4,8) (m A + m n ) Εάν η σύγκρουση στο κέντρο μάζας του συστήματος βρίσκεται σε μικρή γωνία Θ, η γωνία στο εργαστήριο είναι θ 90 ο. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια του πυρήνα ανάκρουσης είναι μικρή και στο όριο Θ 0, αυτή η ενέργεια τείνει στο μηδέν. Το ενεργειακό φάσμα των σκεδαζόμενων πυρήνων εξαρτάται από τη γωνιακή κατανομή της σκέδασης νετρονίων. Ορίζουμε σ (Ω) ως τη διαφορική ενεργό διατομή για την ελαστική σκέδαση του νετρονίου στη στερεά γωνία dω, με d = dcos d και P(cos ) ως την πυκνότητα πιθανότητας για την ελαστική σκέδαση υπό γωνία Θ. Και οι δύο ποσότητες καθορίζονται στο κέντρο μάζας. Επιπλέον, χρησιμοποιούμε το σύμβολο σ t για να δείξουμε τη συνολική ελαστική ενεργό διατομή. Λόγω της συμμετρίας του προβλήματος, η διατομή σ (Ω) δεν εξαρτάται από την αζιμουθιακή γωνία ϕ, αλλά μόνο από την πολική γωνία Θ. Επομένως μπορούμε να γράψουμε: ( ) ( ) P(cos )dcos d dcos 2 dcos (4,9) t t Εάν ορίσουμε το P(E ) r ως την κατανομή πιθανότητας της ενέργειας ανάκρουσης E r, έχουμε dcos P(Er) = P(cos ) (4,10) de και επομένως, χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4,7) έχουμε. r ~ 51 ~

56 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ P(E )de 2 ( ) 2m m de (4,11) A n r r 2 r Eneutron t (m A + m n ) Δεν υπάρχει κανένας απλός τρόπος για να βρεθεί η γωνιακή κατανομή για την ελαστική σκέδαση. Για πολλούς πυρήνες, αυτή η κατανομή είναι οξυμένη στην μπροστινή και προς την πίσω κατεύθυνση. Στην περίπτωση του υδρογόνου, και για τις ενέργειες που εξετάζουμε εδώ, η ελαστική ενεργός διατομή είναι σχεδόν ισοτροπική στο σύστημα κέντρου μάζας, δηλ. t ( ) 4 (4,12) Επομένως, το φάσμα της ενέργειας ανάκρουσης είναι απλά μια σταθερά μεταξύ 0 και της μέγιστης τιμής. Η μέγιστη τιμή είναι η ίδια η ενέργεια των νετρονίων. Δείτε το σχήμα 4-10 Σχήμα 4-10: Κατανομή ύψους παλμών ενός σπινθηριστή που εκτίθενται σε μια δέσμη νετρονίων με διάφορες ενέργειες νετρονίων. Η τιμή του F (E 0 ) είναι το άθροισμα όλων των κατανομών ανάκρουσης για νετρόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από E 0. Υποθέστε ότι έχουμε μια μονοενεργειακή δέσμη νετρονίων με ενέργεια En και με μια ροή Φ(En). Ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων στο φάσμα θα είναι ανάλογος προς το ( ) ( ). Ο αριθμός των μετρήσεων στο φάσμα ύψους παλμών F(E), στο n t n διάστημα (E,E+ΔE) δίνεται από την πιο κάτω σχέση: E F( E) E ( n) ( n ) n E E n F( E) E 0 n E (4,13) για μια δέσμη νετρονίων με φάσμα F(En), το ύψος παλμών θα είναι ανάλογο προς ~ 52 ~

57 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ( ) F( E) ( ) d (4,14) E είναι επομένως μια απλή σχέση μεταξύ της ροής νετρονίων και της παραγώγου του φάσματος ύψους παλμών df( E) ( ) ( E) d( E) (4,15) Για τη μέτρηση του φάσματος των ανακρουόμενων πυρήνων, χρησιμοποιούνται οι πλαστικοί σπινθηριστές. Αρκετοί πλαστικοί σπινθηριστές περιέχουν μόνο υδρογόνο και άνθρακα και είναι κατάλληλοι για το σκοπό αυτό. Το ενεργειακό φάσμα νετρονίων συσχετίζεται άμεσα με την παράγωγο του φάσματος ύψους παλμών. Εντούτοις, αυτή η απλή σχέση μπορεί να είναι μια καλή προσέγγιση για τους πιο κάτω λόγους: -Ο πλαστικός σπινθηριστής περιλαμβάνει και άλλα στοιχεία, όπως άνθρακα, και η ελαστική σκέδαση νετρονίων στον άνθρακα πρέπει να περιληφθεί στην ανάλυση, ενώ παράλληλα είναι δυνατές, πέρα από την ελαστική σκέδαση, και άλλες αντιδράσεις στον άνθρακα. Η διαδρομή του ανακρουόμενου πυρήνα δεν περιλαμβάνεται μερικές φορές πλήρως στο σπινθηριστή. Για να ελαχιστοποιήσει κανείς αυτή την επίδραση πρέπει να χρησιμοποιήσει ένα μεγάλο κομμάτι υλικού σπινθηριστή. Τα σκεδασμένα νετρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν και δεύτερη φορά στο σπινθηριστή για να ελαχιστοποιήσει αυτήν την επίδραση κάποιος πρέπει να χρησιμοποιήσει ένα πολύ μικρό κομμάτι υλικού σπινθηριστή. Η απόκριση του σπινθηριστή δεν είναι γραμμική για τα πολύ ιονίστηκα σωματίδια, όπως τα πρωτόνια ανάκρουσης. Ο σπινθηριστής έχει μια πεπερασμένη, δηλ. λιγότερο από τέλεια, ενεργειακή ανάλυση Συνήθως υπάρχει υπόβαθρο λόγω των ακτίνων γάμμα Όλοι αυτοί οι παράγοντες το καθιστούν μη τετριμμένο για να λάβει ένα αξιόπιστο ενεργειακό φάσμα νετρονίων από το φάσμα ύψους παλμών που παρατηρείται με ένα σπινθηριστή. Εκτός από τους πλαστικούς σπινθηριστές, αναλογικοί απαριθμητές που γεμίζουν με κάποιο αέριο με χαμηλό ατομικό αριθμό Ζ χρησιμοποιούνται επίσης με τον ίδιο τρόπο για τη φασματοσκοπία νετρονίων. Είναι επίσης δυνατόν να μετρηθεί το ενεργειακό φάσμα νετρονίων με την άμεση μέτρηση της γωνίας σκέδασης και της ενέργειας του σκεδαζόμενου πυρήνα και να αποκτηθεί η ενέργεια νετρονίων χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4,5) για κάθε γεγονός. Αυτό αποφεύγει πολλές από τις δυσκολίες που συζητούνται που συζητήθηκαν προηγουμένως αλλά μπορεί μόνο να χρησιμοποιηθεί εάν υπάρχει μια καλά παράλληλη ~ 53 ~

58 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ δέσμη νετρονίων. Ένα τέτοιο τηλεσκόπιο πρωτονίων ανάκρουσης φαίνεται στο σχήμα 4-11(α). Σχήμα 4-11: (α) Σχηματική παράσταση ενός τηλεσκόπιου ανάκρουσης πρωτονίων (β) Χαρακτηριστικοί παλμοί σε capture-gated φασματόμετρο (γ) Σχηματική παράσταση ενός capture-gated φασματόμετρο νετρονίων. Τα νετρόνια προσπίπτουν σε ένα λεπτό στόχο φύλλου αλουμινίου, συνήθως κάποιο οργανικό πολυμερές. Η ενέργεια ανάκρουσης των πρωτονίων μετριέται με δύο ανιχνευτές. Ένας λεπτός ανιχνευτής μετρά την απώλεια ενέργειας de/dx και ένας δεύτερος παχύς ανιχνευτής μετρά τη συνολική ενέργεια του πρωτονίου ανάκρουσης. Η επιλογή του λόγου του ύψους παλμών σε αυτούς τους δύο ανιχνευτές επιτρέπει την εξάλειψη των ανακρουόμενων σωματιδίων εκτός από τα πρωτόνια και έτσι αποβάλλει κάποιο άλλο υπόβαθρο. Συχνά αυτοί οι δύο ανιχνευτές βρίσκονται σε γωνία σε σχέση με τη δέσμη νετρονίων, προκειμένου να αποφευχθούν οι αλληλεπιδράσεις των νετρονίων άμεσα με τους ανιχνευτές. Επίσης για το σκοπό αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανιχνευτές αερίου, ανιχνευτές ημιαγωγών και σπινθηριστές. Ένα άλλο φασματόμετρο νετρονίων είναι το «capture-gated (σύλληψη σε περιορισμένο) φασματόμετρο νετρονίων». Η αρχή αυτού του τύπου ανιχνευτή παρουσιάζεται στο σχήμα 4-11(β). Ένας μεγάλος όγκος (>1 λίτρο) με πλαστικό φορτωμένο με βόριο σπινθηριστή ή ένα φορτωμένο με βόριο υγρό σπινθηριστή εκτίθεται στη δέσμη νετρονίων. Εάν ένα νετρόνιο εισέλθει στο σπινθηριστή, θα επιβραδυνθεί με ελαστικές συγκρούσεις με το υδρογόνο ή άλλα ελαφριά άτομα, που ~ 54 ~

59 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ υπάρχουν στο σπινθηριστή. Θα επιβραδύνει σε βήματα και σε κάθε βήμα θα χάνει ενέργεια. Όλες αυτές οι ελαστικές συγκρούσεις συμβαίνουν σε σύντομο χρονικό διάστημα, χαρακτηριστικά σε 50 ns. Οι φωτεινοί παλμοί που παράγονται σε καθεμιά από αυτές τις ελαστικές συγκρούσεις θα καταλήξουν όλοι σε έναν ενιαίο παλμό. Μετά, αφού χάσει όλη την ενέργειά του, το νετρόνιο θα είναι πολύ αργό και θα συνεχίσει να περιπλανιέται γύρω από το σπινθηριστή έως ότου το απορροφήσει ένα άτομο βορίου. Το διάστημα προτού να πραγματοποιηθεί μια τέτοια απορρόφηση μπορεί να είναι αρκετά μακροχρόνιο, περίπου 10 μs. Στην απορρόφηση από έναν 10 B πυρήνα, ο τελικός 7 Li πυρήνας και το σωματίδιο άλφα έχουν μαζί κινητική ενέργεια 2.31 MeV και η αντίστοιχη ενέργεια απορροφάται πάντα από το σπινθηριστή. Συνεπώς, ένα τέτοιο γεγονός αρπαγής νετρονίων, θα έχει ένα χαρακτηριστικό σήμα που θα αποτελείται από έναν πρώτο παλμό ενέργειας ανάλογα με την κινητική ενέργεια των νετρονίων ακολουθούμενος, εντός 20 μs από ένα δεύτερο παλμό με ένα χαρακτηριστικό πλάτος. Εάν το συνολικό ποσοστό γεγονότων στον ανιχνευτή είναι αρκετά χαμηλό, η πιθανότητα ένωσης δύο ανεξάρτητων παλμών που επινοεί ένα καλό γεγονός θα είναι χαμηλή. Το μεγάλο πλεονέκτημα του capture-gated φασματόμετρου νετρονίων σε σύγκριση με ένα φασματόμετρο ανάκρουσης πρωτονίων είναι ότι η ικανότητα ανίχνευσής του μπορεί να είναι της τάξης του 10% και ότι δεν απαιτείται το νετρόνιο να προέρχεται από μια καλά καθορισμένη κατεύθυνση. 4.4 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΟ ΣΦΑΙΡΙΚΟ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΚΑΙ Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ Όπως έχουμε παρατηρήσει από τα προηγούμενα κεφαλαία στα οποία έχουμε αναφερθεί στο σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή, ο ανιχνευτής αυτός έχει μια πολύ καλή ανάλυση της ενέργειας των σωματιδίων άλφα και συνεπώς, μας δίνει τη δυνατότητα για την εύκολη ανίχνευση των νετρονίων, χρησιμοποιώντας τις αντιδράσεις (n,p), (n,α), οι οποίες μετατρέπουν ένα νετρόνιο σε σωματίδιο άλφα ή πρωτόνιο. Για την ανίχνευση των θερμικών και ταχέων νετρονίων μέχρι και αρκετά MeV με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή, συνήθως χρησιμοποιείτε το 3 He ως αέριο για την αντίδραση της αρπαγής νετρονίου. Η αλληλεπίδραση των νετρονίων με το αέριο 3 He είναι η εξής: He n H p Kev ~ 55 ~

60 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Το σήμα που παίρνουμε από το μετρητή είναι το άθροισμα της ενέργειας που αποθέτουν το p και 3 H στον όγκο του αερίου, το οποίο εξαρτάται από την ενέργεια του νετρονίου. Στην περίπτωση των θερμικών νετρονίων μετράμε μία κορυφή στα 765 kev και για τα ταχέα νετρόνια η ενέργεια της κορυφής είναι En kev, όπου En είναι η κινητική ενέργεια των ταχέων νετρονίων. Η απόκριση του ανιχνευτή ακολουθεί την καμπύλη της ενεργούς διατομής της αντίδρασης 3 He( n, p) 3 H η οποία φαίνεται στο σχήμα 4-12 και εξαρτάται από το ποσό 2 1 του αερίου 3 He που υπάρχει στον όγκο του ανιχνευτή. Για να μετρηθεί η ενέργεια των νετρονίων, τα φορτισμένα σωματίδια 3 H και p από την αντίδραση (n, p), πρέπει να δώσουν όλη την ενέργειά τους στον όγκο αερίου. Αν η (n, p) αντίδραση πραγματοποιηθεί κοντά στο τοίχωμα της εξωτερικής σφαίρας του απαριθμητή, υπάρχει η πιθανότητα ένα από τα φορτισμένα σωματίδια ή και τα δύο να χτυπήσουν στο τοίχωμα και να χάσουν λόγω αυτού ένα μέρος της ενέργειάς τους. Αυτό είναι γνωστό ως επίδραση των τοιχωμάτων και οδηγεί στη λανθασμένη εκτίμηση της ενέργειας των νετρονίων (σχήμα 4-13). Σχήμα 4-12: Η καμπύλη της ενεργούς διατομής της αντίδρασης 3 He( n, p) 3 H. 2 1 Η επίδραση των τοιχωμάτων εξαρτάται από την απόσταση που διανύουν τα φορτισμένα σωματίδια μέσα στο αέριο, η οποία εξαρτάται από το μείγμα αερίου και την πίεσή του, την ενέργεια του νετρονίου και από τις διαστάσεις του ανιχνευτή. Ο μεγάλος ~ 56 ~

61 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ όγκος του σφαιρικού αναλογικού απαριθμητή με τη δυνατότητα λειτουργίας στην υψηλή πίεση του αερίου, είναι το πλεονέκτημα του ανιχνευτή αυτού έναντι των κυλινδρικών αναλογικών μετρητών. Η επίδραση τοίχων του ανιχνευτή έχει υπολογιστεί ως συνάρτηση των αποστάσεων που διανύουν τα φορτισμένα σωματίδια στον ανιχνευτή (απόσταση-p + αποσταση- 3 H). Η ευαισθησία του ανιχνευτή όσο αυξάνεται η απόσταση που διανύουν τα φορτισμένα σωματίδια στον ανιχνευτή μειώνεται και το αντίστροφο. Επομένως, η επίδραση των τοιχωμάτων είναι (100 - ευαισθησία)%. Στο σχήμα 4-14 παρουσιάζεται η ευαισθησία (%) του ανιχνευτή. Στην περίπτωση των θερμικών νετρονίων η ενέργεια των πρωτονίων που δημιουργούνται είναι E p = kev και η ενέργεια των 3 H είναι E Η = kev. Οπότε είναι σαφές από την καμπύλη στο σχήμα 4-14 ότι η επίδραση τοιχωμάτων είναι μικρή για τα θερμικά νετρόνια αλλά είναι πολύ σημαντική για τα ταχέα νετρόνια. Προκειμένου να μειωθεί η επίδραση των τοιχωμάτων, πρέπει να μειώσουμε το εύρος της απόστασης των φορτισμένων σωματιδίων, πράγμα που σημαίνει ότι θα αυξηθεί η πίεση του αερίου στον όγκο. Σχήμα 4-13: Η επίδραση των τοιχωμάτων του ανιχνευτή. ~ 57 ~

62 Κεφάλαιο 4 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Σχήμα 4-14: Η ευαισθησία του ανιχνευτή σε συνάρτηση με τις αποστάσεις που διανύουν τα φορτισμένα σωματίδια στον ανιχνευτή (απόσταση-p + αποσταση- 3 H). ~ 58 ~

63 Κεφάλαιο 5 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΤΑΧΕΩΝΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΣΜΟΥΘΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΤΑΧΕΩΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΣΜΟΥΘΙΟΥ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μέτρηση της χαμηλής ροής των υπερταχέων νετρονίων με ενέργειες πέραν των 100MeV στο επίπεδο του εδάφους με το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή με τη χρήση βισμουθίου ( 209 Bi). Όπως έχουμε δει και στο προηγούμενο κεφάλαιο, για τα θερμικά νετρόνια χρησιμοποιούσαμε την αντίδραση 3 He(n,p)3-H για το λόγο ότι η αντίδραση αυτή έχει πολύ μεγάλη ενεργό διατομή στα θερμικά νετρόνια. Αντίστοιχα και στην περίπτωση των υπερταχέων νετρονίων, για την άμεση μέτρηση τους, χρησιμοποιούμε την αντίδραση σχάσης του βισμουθίου 209 Bi(n, f) για την οποία η ενεργός διατομή είναι πάρα πολύ μεγάλη για νετρόνια με ενέργειες άνω των 100MeV. Αυτό φαίνεται και στο σχήμα 5-1. Η αρχή της μεθόδου μέτρησης των υπερταχέων νετρονίων στο σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή με τη χρήση βισμουθίου, όπως φαίνεται και στο σχήμα 5-2, βασίζεται στην παρατήρηση των θραυσμάτων της σχάσης του βισμουθίου με τα υπερταχέα νετρόνια. Ένα στρώμα βισμουθίου τοποθετείται στην περιφέρεια του απαριθμητή έτσι ώστε όταν τα νετρόνια προσπέσουν στον απαριθμητή να δημιουργήσουν σχάσεις βισμουθίου και επομένως, τα θραύσματα των σχάσεων να εισέλθουν στον απαριθμητή και να καταμετρηθούν. Το βισμούθιο είναι ένα μαλακό, αργυροειδές μεταλλικό με μία φωτεινή, γυαλιστερή επιφάνεια και μια κιτρινωπή ή ρόδινη απόχρωση. Το σημείο τήξης του είναι 271 C (520 F) και το σημείο βρασμού του είναι C (2.480 F).Η πυκνότητα του είναι 9,78gr/cm 2. Ο χρόνος ημιζωής του βισμουθίου είναι T1 1.9x y (σχεδόν σταθερό). ~ 59 ~

64 Κεφάλαιο 5 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΤΑΧΕΩΝΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΣΜΟΥΘΙΟΥ Σχήμα 5-1: Η ενεργός διατομή της σχάσης του βισμουθίου σ (n, f) σε συνάρτηση με την ενέργεια των νετρονίων. Σχήμα 5-2: Αρχή της μεθόδου μέτρησης των υπερταχέων νετρονίων στο σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή Ας υποθέσουμε τώρα ότι έχουμε ένα στρώμα βισμουθίου πάχους Χ 0 στην περιφέρεια του απαριθμητή. Τότε ο αριθμός των θραυσμάτων, των οποίων η απόσταση που διανύουν είναι αρκετή ώστε να εισέρχονται στον όγκο του αερίου, δίνεται από τη σχέση N out 1 X N (5,1) 2 0 0(1 ) r0 ~ 60 ~

65 Κεφάλαιο 5 ο ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΤΑΧΕΩΝΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΣΜΟΥΘΙΟΥ Όπου Ν 0 είναι ο αριθμός των σχάσεων που γίνονται στο στρώμα βισμουθίου (επομένως τα θραύσματα θα είναι 2 Ν 0 ), Χ 0 το πάχος του στρώματος του βισμουθίου και r 0 είναι η μέση απόσταση που διανύουν τα θραύσματα της σχάσης μέσα στο στρώμα βισμουθίου, η οποία είναι περίπου ro = 10 m έχουμε X 0 r0 τότε Nout 1 N 2 0. Στην περίπτωση όπου (5,2) Η μέση απόσταση που διανύουν τα θραύσματα της σχάσης μέσα στο στρώμα βισμουθίου είναι: ro = 10 m Η επιφάνεια του σφαιρικού αναλογικού απαριθμητή που χρησιμοποιούμε είναι: S= 4.23 m = 4.23 x 10 cm Η συνολική μάζα του στρώματος του βισμουθίου που τοποθετούμε στον απαριθμητή είναι: m = 413 gr Επομένως ο συνολικός αριθμός των ατόμων βισμουθίου στο στρώμα είναι: N(Bi-209) = 1.2 x atoms Με αυτά τα χαρακτηριστικά αν υποθέσουμε ότι η ροή των υπερταχέων ατμοσφαιρικών νετρονίων είναι: -4 2 = 5 x 10 n/cm τότε θα έχουμε 4 αντιδράσεις σχάσης βισμουθίου ανά ημέρα και ο απαριθμητής θα μετρά 2 γεγονότα ανά ημέρα. ~ 61 ~

66 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Στην παρούσα ενότητα θα παρουσιάσουμε αποτελέσματα, τα όποια έχουν προκύψει από πειράματα μέτρησης των νετρονίων χρησιμοποιώντας γνωστές πηγές θερμικών και ταχέων νετρονίων καθώς και μετρήσεις των χαμηλής ενέργειας ατμοσφαιρικών νετρονίων. Πρώτα όμως ας δούμε την πειραματική διάταξη, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των μετρήσεων και περιλαμβάνει και το σφαιρικό αναλογικό απαριθμητή. 6.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΤΑ ΟΡΓΑΝΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ Τα αποτελέσματα που θα παρουσιάσουμε λήφθηκαν με τη διάταξη που φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα. Σχήμα 6-1: πειραματική διάταξη ~ 62 ~

67 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στην εικόνα 6-1 φαίνεται η φωτογραφία του σφαιρικού αναλογικού απαριθμητή που χρησιμοποιήθηκε με τα εξωτερικά ηλεκτρονικά στοιχεία της διάταξης. Εικόνα 6-1: Φωτογραφια του σφαιρικού αναλογικού απαριθμητή με τα εξωτερικά ηλεκτρονικά στοιχεία ΤΑ ΟΡΓΑΝΑ: ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ:Ο σφαιρικός αναλογικός απαριθμητής με εξωτερική σφαίρα διαμέτρου 1,3m και πάχος 6mm. Η μικρότερη σφαίρα έχει διάμετρο 1,4cm. Η υψηλή τάση που εφαρμόζαμε στον απαριθμητή ήταν 2880Volts. Σε κάθε μέτρηση χρησιμοποιούσαμε το ανάλογο μείγμα αερίου που χρειαζόμαστε στην ανάλογη πίεση. ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗΣ: Η αρχική ενίσχυση του σήματος εξόδου ενός ανιχνευτή γίνεται στον προενισχυτή. Η αποστολή της ηλεκτρονικής αυτής μονάδας είναι διπλή: Να απομονώσει το σήμα εξόδου του ανιχνευτή από την υψηλή τάση τροφοδοσίας του και να ενισχύσει το σήμα ώστε να μειωθεί η επίδραση του θορύβου κατά τη διάδοση. ~ 63 ~

68 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ : Μια από τις κύριες λειτουργίες ενός ενισχυτή είναι να αυξάνει την περιοχή της αναλογικής εξόδου του προενισχυτή σε μια περιοχή που μπορεί να μετρηθεί με μεγαλύτερη ευκολία και ακρίβεια. ADC (Analog to Digital Converter): Ο ρόλος του ADC είναι να ψηφιοποιεί αρνητικούς αναλογικούς παλμούς. Η/Υ : Από τον υπολογιστή παίρνουμε το τελικό φάσμα που προέρχεται από την έξοδο του ADC. ΠΗΓΕΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ: Οι πηγές νετρονίων οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των φασμάτων ήταν το Καλιφόρνιο ( 252 Cf) και η πηγή νετρονίων Αμερίκιο-Βηρύλλιο ( 241 Am Be). Το ραδιενεργό ισότοπο καλιφόρνιο-252 ( 252 Cf) είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη πηγή νετρονίων. Το 252 Cf είναι πηγή νετρονίων αυθόρμητης σχάσης 252 Cf(n,f) και παράγεται με την ακτινοβόληση ουράνιου ή άλλου υπερουράνιου στοιχείου σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Η πηγή νετρονίων 252 Cf εκπέμπει κυρίως θερμικά νετρόνια με ροή 10 7 με 10 9 νετρόνια ανά δευτερόλεπτο, και χρόνο ημιζωής 2,6 έτη. Η ροή των νετρονίων που εκπέμπονται μειώνεται κατά το ήμισυ αυτής της αρχικής τιμής σε 2,6 χρόνια. Η πηγή νετρονίων αμερικίου-βηρυλλίου 241 Am Be είναι ένα συμπιεσμένο μείγμα οξειδίου του αμερικίου και μετάλλου βηρυλλίου. Εκπέμπει ταχέα νετρόνια με ροή περίπου από 10 6 έως 10 8 νετρόνια ανά δευτερόλεπτο. Τα νετρόνια αυτά παράγονται σύμφωνα με την αντίδραση Be( a, n) Τα σωματίδια άλφα που περιλαμβάνονται στην πιο πάνω αντίδραση εκπέμπονται από το αμερίκιο ( 241 Am) και έχουν περίπου 5,5 kev μέγιστη ενέργεια. Ο χρόνος ημιζωής του αμερικίου είναι έτη. Η τοποθέτηση της πηγής έγινε δίπλα από τον ανιχνευτή όπως φαίνεται και στις εικόνες 6-2 και 6-3. Η θέση της πηγής ήταν θωρακισμένη από ένα παχύ στρώμα μολύβδου του οποίου σκοπός του ήταν να αποκόπτει τις ακτίνες γάμμα που εκπέμπουν οι πηγές νετρονίων. C ~ 64 ~

69 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εικόνα 6-2 Εικόνα 6-3: Θέση πηγής ~ 65 ~

70 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.3 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στην πρώτη μέτρηση χρησιμοποιήθηκε ένα μείγμα αερίου Ar + 1% CH mgr από 3 He. Η πίεση του αερίου ήταν 188 mbar και η υψηλή τάση 2880 V. Ο ανιχνευτής είχε ακτινοβοληθεί με μια εξωτερική πηγή νετρονίων 252 Cf, που καλύπτεται με το μεσολαβητή παραφίνης για να αυξήσει τη ροή των θερμικών νετρονίων. Το φάσμα το οποίο λήφθηκε από τη μέτρηση αυτή φαίνεται στο σχήμα (6-2). Σχήμα 6-2: Φάσμα νετρονίων από την πηγή 252 Cf. Από το φάσμα στο σχήμα 6-2 παρατηρούμε την κορυφή που σχηματίζεται λόγω των θερμικών νετρονίων της πηγής (στα 765 kev), η οποία ξεχωρίζει πολύ καλά από το υπόβαθρο των κοσμικών ακτίνων. Στη συνέχεια αφαιρέθηκε η πηγή νετρονίων 252 Cf για να προχωρήσουμε στη μέτρηση των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων χρησιμοποιώντας το ίδιο αέριο στην ίδια πίεση. Το φάσμα το οποίο πήραμε από τη μέτρηση των ατμοσφαιρικών νετρονίων φαίνεται στο σχήμα 6-3. ~ 66 ~

71 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σχήμα 6-3: Φάσμα των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων Από το φάσμα που πήραμε στο σχήμα 6-3 παρατηρούμε και πάλι την κορυφή των θερμικών νετρονίων, η οποία ξεχωρίζει από το υπόβαθρο. Στην περίπτωση αυτή η κορυφή είναι αρκετά πιο μικρή με αριθμό γεγονότων R=3.75x10-2 counts/s και ο λόγος είναι ότι χρησιμοποιήθηκε μικρή ποσότητα 3 He. Ένα καλύτερο διάγραμμα στο οποίο έχουμε απομονώσει την κορυφή των θερμικών νετρονίων φαίνεται στο σχήμα 6-4. Σχήμα 6-4: Κορυφή θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων ~ 67 ~

72 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Για τον υπολογισμό της ροής των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων χρησιμοποιήσαμε τη σχέση που δίνει τον αριθμό των πυρηνικών αντιδράσεων ανά μονάδα χρόνου, η οποία είναι: dn dt M (6,1) Όπου N είναι ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων που συνέβηκαν στον απαριθμητή, dn dt σ είναι η ενεργός διατομή της αντίδρασης, Μ είναι ο αριθμός των ατόμων του στόχου counts/s cm m = M N A άτομα A και Φ είναι η ροή των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων. r Σύμφωνα λοιπόν με όλα τα πιο πάνω, η ροή των θερμικών ατμοσφαιρικών νετρονίων είναι: n/cm /s Τέλος χρησιμοποιώντας την πηγή αμερικίου-βηρυλλίου 241 Am Be πραγματοποιήθηκε το πείραμα μέτρησης των ταχέων νετρονίων τα οποία εκπέμπονται. Το αέριο το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση αυτή ήταν 90%Ar + 4% CH4 +6%N. Η πίεση του αερίου ήταν 100 mbar και η υψηλή τάση 2880 V. Η ανίχνευση των ταχέων νετρονίων γίνεται με βάση την ελαστική σκέδαση των νετρονίων με τους πυρήνες αζώτου και ανιχνεύοντας τον αντικρουόμενο πυρήνα που δημιουργείται. Στην περίπτωση αυτή λήφθηκαν δύο διαγράμματα τα οποία φαίνονται στα σχήματα 6-5 και 6-6. Στο πρώτο διάγραμμα βλέπουμε το χρόνο ανόδου του σήματος σε συνάρτηση με το ύψος του παλμού και στο δεύτερο διάγραμμα βλέπουμε το FWHM του σήματος σε συνάρτηση με το ύψος του παλμού. ~ 68 ~

73 Κεφάλαιο 6 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Σχήμα 6-5: Χρόνος ανόδου του σήματος(montee) σε συνάρτηση με το ύψος του παλμού(amplsphere) Σχήμα 6-6: FWHM του σήματος (duree-sphere) σε συνάρτηση με το ύψος του παλμού (amplsphere) ~ 69 ~