Neutronenmonitor

Neutronenmonitor (NM)

Funktionsweise eines Neutronen-Monitors

Der Meßprozeß umfaßt die folgenden Stufen:

  1. Die zu messenden hochenergetischen Protonen werden innerhalb der Magnetosphäre in ihrer Richtung abgelenkt. Unterhalb einer gewissen magnetischen Steifigkeit (Impuls pro Ladung und Magnetfeldstärke) ist die Umlenkung so stark, daß die Teilchen die Atmosphäre nicht erreichen, sondern wieder in den Weltraum entweichen. Die Grenzsteifigkeit hängt von der geomagnetischen Breite ab und beträgt beim Kieler Monitor etwa 2.3 GV/c. Sie ist am höchsten am geomagnetischen Äquator.
    Der wesentliche Teil der Protonen, die den Kieler Monitor erreichen, weicht wegen der magnetischen Ablenkung im Mittel um etwa 80 Grad in östlicher Richtung in der Länge von der ursprünglichen Einfallsrichtung ab. Die asymptotische Einfallslänge beträgt wegen der geografischen Länge Kiels von 10 Grad Ost deshalb etwa 90 Grad Ost, während die asymptotische Einfallsbreite etwa 0 Grad ist. Diese Richtungsabhängigkeit von Neutronen-Monitoren kann allgemein genutzt werden, eine eventuell vorhandene Anisotropie der kosmischen Strahlung aufzudecken.
    Hochenergetische Neutronen, wie sie bei gewissen solaren Ereignissen von der Sonne ausgestoßen werden könnten, unterliegen dieser Ablenkung natürlich nicht.
  2. In der Atmosphäre erzeugen die hochenergetischen Nukleonen drei Sekundärkomponenten:
    • die weiche Komponente, bestehend aus elektromagnetischen Kaskaden von Elektronen und Gammaquanten,
    • die harte Myonen-Komponente,
    • die Nukleonen-Komponente, in der im Mittel gleichviele Protonen und Neutronen durch Kernstöße ausgelöst werden.
  3. Zur Bestimmung der Intensität im Weltraum aus Messungen am Erdboden muß der Einfluß der Atmosphäre rechnerisch berücksichtigt werden. Dies ist am einfachsten, wenn der Neutronen-Monitor möglichst nur auf die Nukleonen-Komponente anspricht, weil sie diejenige ist, die nur von der durchdrungenen Luftmasse, nicht aber von der temperaturbedingten variablen Ausdehnung der Atmosphäre abhängt. Die beiden anderen Komponenten werden deshalb durch einen Bleimantel weitgehend abgeschirmt, der die Zählrohre des Monitors 5 cm dick umgibt. Einfallende Nukleonen hingegen, die am Erdboden typisch mit 200 bis 300 MeV auftreffen, erzeugen in diesem Blei durch Kernstöße im Mittel u. a. je acht Neutronen von etwa 2 MeV, die als Maß für die primäre Intensität registriert werden sollen und die dem System den Namen „Neutronen-Monitor“ gegeben haben. Die dabei ebenfalls entstehenden sekundären Protonen haben wegen ihrer geringen Energie (im MeV-Bereich) eine so kurze Reichweite, daß sie das Blei so gut wie nie verlassen.
  4. Die Neutronen werden in einem zweiten, inneren Zählrohrmantel aus Polyäthylen auf thermische Energien heruntermoderiert. Sie werden schließlich im BF3-Zählgas in Inneren der Proportionalzählrohre über die Reaktion B(n,alpha)Li als Alpha-Teilchen registriert.

Literatur

C. J. Hatton, H. Carmichael
Experimental Investigation of the NM-64 Neutron Monitor.
Canadian Journal of Physics, Volume 42, 1964.

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

Technische Daten und internationale Zusammenarbeit

IQSY-Typ mit insgesamt 18 Zählrohren in 3 Sektionen, Länge der Zählrohre 2.20 m, gesamte Zählfläche ca. 21 m2, mittlere Zählrate ca. 10 000 Impulse pro Minute Dauerregistrierung seit Januar 1958 (bis August 1964 IGY-, danach IQSY-Typ).

Rund um die Erde existiert ein Netz von Neutronen-Monitoren, die aufgrund ihrer geografischen Lagen verschiedene asymptotische Blickrichtungen, ausgedrückt durch Länge und Breite, besitzen.
Allerdings ragen nur die polnahen Stationen mit ihrer asymptotischen Breite wesentlich aus der Äquatorebene heraus. Zur Zeit wird - insbesondere von der Izmiran-Arbeitsgruppe in Troitsk bei Moskau - versucht, die Messungen verschiedener Monitore so aneinander anzupassen, daß damit die Intensität der hochenergetischen kosmischen Strahlung als Funktion von Zeit und Einfallsrichtung angegeben werden kann.

Zur Zeit besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem World Data Center in Nagoya/Japan und in Boulder/USA. Dort können auch die Kieler Neutronen-Monitor-Daten abgerufen werden.

Ergebnisse der Kieler Neutronen-Monitor-Messungen

Die Meßergebnisse des Kieler Neutronen-Monitors sind ab 1958 als Tagesmittelwerte im World Data Center A in den USA erhältlich. Man findet die Daten in numerischer Form als Monats- und Tagesmittelwerte außerdem hier.
Die grafische Darstellung der Monatsmittelwerte zeigt, daß die Neutronen-Monitor-Zählraten über mehrere Sonnenzyklen hinweg relativ konstant sind. Die Werte schwanken selten um mehr als zehn Prozent.
In einer gespreizten Darstellung bemerkt man allerdings eine systematische Variation, die gegensinnig, aber bemerkenswert proportional zur Sonnenfleckenzahl verläuft. Sie ist im Sonnenfleckenzyklus 21 (maximale Fleckenzahl um das Jahr 1980 herum) um etwa ein Jahr gegen die der Sonnenfleckenzahl verzögert, während in den beiden benachbarten Zyklen kaum eine Verzögerung zu sehen ist.
Dies deutet darauf hin, daß die mit der Sonnenfleckenzahl zunehmenden magnetischen Störungen des interplanetaren Mediums, die mit etwa 0.01 AU/h radial mit dem Sonnenwind fortgetragen werden, bis zu einem Abstand von etwa 100 AU das Einströmen der galaktischen kosmischen Strahlung behindern. Die von Zyklus zu Zyklus unterschiedliche Verzögerung der Absenkung der Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung kann mit der wechselnden Polarität des solaren Magnetfeldes zusammenhängen.
Die statistische Qualität der Neutronen-Monitor-Daten erlaubt eine zeitliche Auflösung herunter bis zu Mittelwerten über fünf Minuten, bei denen die zufallsbedingten Schwankungen noch unter einem Prozent bleiben. Diese Daten zeigen als kurzzeitige Ereignisse insbesondere Forbush-Abfälle der Zählraten.

Weiterführende Links