Monitores de neutrones

A pesar de tener décadas de tradición, los detectores de neutrones (NM) siguen siendo el estado del arte para la medida de los rayos cósmicos, y tienen un papel fundamental como instrumento de investigación en el campo de la astrofísica, de las relaciones entre el sol y la tierra y de las aplicaciones de la meteorología espacial. Estos instrumentos son capaces de detectar rayos cósmicos que penetran en la atmósfera de la tierra con energías comprendidas entre 0.5 y 20 GeV, esto es, en un rango de energías que no pueden ser medidas con detectores situados en el espacio con la misma facilidad, economía y precisión estadística. Existen dos tipos de detectores estandarizados, IGY y NM46, operando actualmente dentro de una red mundial compuesta actualmente de unas cincuenta estaciones.

Un monitor de neutrones del tipo NM64. A la derecha se puede observar la caja de madera que contiene el material reflector junto con tres tubos contadores. A la izquierda, sobre un rack, se encuentran las fuentes de alta tensión, la electrónica necesaria para el conteo y el barómetro.

Componentes de un monitor de neutrones

Diseño de un monitor de neutrones

Hay dos tipos de monitores de neutrones estandarizados. El tipo IGY, que fue diseñado por Simpson (1958) a principios de los años cincuenta del siglo pasado. Era el monitor estándar para estudiar la variación en el tiempo de la energía de los rayos cósmicos en el rango de los GeV cerca de la tierra, durante la celebración del Año Internacional de la la Geofísica (IGY viene de las siglas en ingles de International Geophysical Year) 1957/1958. Aproximadamente diez años más tarde Carmichael (1964) diseño el monitor de neutrones del tipo NM64. Este monitor era más grande y tenía un número de cuentas mayor. El NM64 fue el detector de rayos cósmicos estándar en el congreso International Quiet Sun Year (IQSY) de 1964.

Los monitores de neutrones están compuestos por unos tubos llenos de un gas especial, contadores proporcionales rodeados por un moderador, un material productor hecho de plomo y un reflector. Los nucleones que inciden en el monitor (protones y neutrones) procedentes de rayos cósmicos secundarios, provocan reacciones nucleares en el plomo. Estas reacciones generan neutrones de evaporación de baja energía. A su vez, el moderador reduce la velocidad de estos nuevos neutrones del rango de los MeV hasta el de energías térmicas. Finalmente, en el caso de los detectores NM64, cerca de un 6% de estos neutrones será detectado por los tubos contadores. El hecho de que finalmente sean neutrones lo que estos instrumentos registran es lo que les da el nombre de monitores de neutrones.

Vista esquemática de un monitor del tipo IGY. Esquema de un monitor de neutrones del tipo IGY. El nucleón incidente, en este caso un protón, interacciona con el plomo. En el caso de la ilustración, esta reacción nuclear provoca la aparición de tres neutrones de evaporación. Siguiendo caminos aleatorios, estos neutrones atraviesan los diferentes materiales del monitor de neutrones. Dos de ellos son detenidos en el reflector (son absorbidos), mientras que uno de ellos consigue atravesar el moderador, donde es decelerado, y finalmente detectado en el tubo contador.

Tubo a presión con gas

Los tubos de un monitor de neutrones detectan principalmente neutrones térmicos, es decir, aquellos que se mueven con una energía cinética de aproximadamente 0.025eV. En NM64, el gas que se encuentra en su interior es generalmente trifloruro de boro (BF3), enriquecido al 96% con el isótopo 10B, a una presión de 0.27 bar.

La detección de un neutrón térmico por parte del tubo contador se produce porque este interacciona con un núcleo de 10B, produciendo una reacción exotérmica:

$$ ^{10}\mathrm{B}_5 \quad + \quad \mathrm{n} \quad \rightarrow \quad ^{7}\mathrm{Li}_3 \quad + \quad ^4\mathrm{He}_2 $$

Los productos de esta reacción son detectados debido a la ionización del gas dentro del tubo. Este se comporta como un contador proporcional trabajando a una tensión de cerca de -2800 V (NM64).

A partir de 1990, los tubos contadores utilizan helio-3 3He en lugar de BF3 en los nuevos monitores de neutrones. Los contadores basados en 3He tienen un diseño más simple. La reacción exotérmica de los neutrones con el 3He es la siguiente:

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

Otra ventaja adicional de los tubos de 3He es que el tubo puede operar con una presión del gas más alta y con una tensión inferior a 1500 V. Cuanto mayor sea la presión del gas del tubo contador mayor es la eficiencia por unidad de volumen que se puede alcanzar.

Aunque los contadores basados en las mencionadas reacciones (1) y (2) son muy eficientes para la detección de neutrones térmicos debido a la dependencia de 1/v, siendo v la velocidad, de la sección transversal, los neutrones más rápidos pueden detectarse rodeando el tubo contador con un material moderador que contenga hidrógeno, como la cera de parafina o el polietileno.

El moderador

Si los neutrones incidentes son demasiado rápidos, tendrán muy poca probabilidad de provocar las reacciones (1) y (2) con el gas del contador, y por lo tanto de ser detectados. Para aumentar la probabilidad de detección los neutrones tienen que ser decelerados. La función del moderador es reducir las energías de los neutrones y dejarlos tan cerca del rango de las energías térmicas (aprox. 1/40 eV) ($\sim$1/40 eV) como sea posible.

Esto se consigue haciendo que los neutrones colisionen con otros núcleos. El intercambio de energía cinética es mejor cuanto más se parezca la masa de los núcleos con la del propio neutrón (esta es una ley básica de mecánica). Los materiales utilizados como moderador tienen que tener una masa atómica A baja, y esto se consigue normalmente a través de compuestos que contienen hidrógeno, como la parafina en el caso de los monitores del tipo IGY, o agua y polietileno en los del tipo NM64.

Plomo productor

Alrededor del moderador se encuentra el plomo productor. La función de este elemento en un monitor de neutrones es doble:

• Generar neutrones de evaporación y neutrones de baja energía mediante reacciones nucleares entre las partículas energéticas incidentes y el plomo. Los neutrones de evaporación que se producen tienen una distribución de energía con un máximo cerca de los 2MeV, alcanzando máximos de aproximadamente 15MeV.

• Incrementar la probabilidad global de detección, ya que de media el número de neutrones de evaporación producidos por una partícula incidente que reacciona con el plomo es de $\sim$15. Se elige el plomo como material productor porque es un elemento con una masa atómica elevada y un núcleo grande, que favorece la producción de neutrones de evaporación. Además el plomo presenta una sección transversal de absorción relativamente baja para los neutrones térmicos.

Un monitor de neutrones NM64 abierto, sin los tubos contadores. Se pueden observar los anillos de plomo y el polietileno utilizado como reflector.

Las siguientes especificaciones se corresponden con un monitor de neutrones del tipo NM64. La probabilidad de que un rayo cósmico, neutrón o protón, interaccione con el plomo del productor es de un $\sim$50%. El número medio de neutrones de evaporación producidos por cada reacción nuclear es de $\sim$15 y la probabilidad de detección de estos neutrones de evaporación por parte del tubo contador es del$\sim$6 %. Con estos datos, el número medio de detecciones por segundo, para un monitor NM64 situado a nivel del mar en una latitud alta, con 6 tubos contadores de BF3 es $\sim$70 cuentas/segundo y $\sim$50 cuentas/segundo para el mismo monitor si estuviera situado en el ecuador.

Reflector

El conjunto formado por los tubos contadores, moderador y plomo se encierra en un armazón de polietileno, en el caso de NM64, y parafina en el caso de IGY. Este armazón modera y refleja los neutrones de evaporación producidos en el plomo hacia los tubos contadores. El reflector también aisla y absorbe neutrones de baja energía producidos en el entorno externo del monitor de neutrones. Esto evita que los cambios que se pudieran producir en las inmediaciones del detector, por ejemplo acumulación de nieve en los forjados de las instalaciones, produzcan cambios significativos en los resultados del monitor.

Characteristics of neutron monitors

Bibliografía adicional

J.A. Simpson,“Cosmic Radiation Neutron Intensity Monitor”, Annals of the Int. Geophysical Year IV, Part VII, Pergamon Press, London, p. 351, 1958

H. Carmichael, “IQSY Instruction Manual”, vol. 7, Deep River, Canada, 1964

C.J. Hatton, “The Neutron Monitor”, in J., G. Wilson and S.A. Wouthuysen (eds.), Progress in Elementary Particle and Cosmic-ray Physics, vol. 10, chapter 1, North Holland Publishing Co., Amsterdam, 1971

P.H. Stoker, L.I. Dorman, and J.M. Clem, “Neutron Monitor Design Improvements”, Space Science Review, vol. 93, pp. 361-380, 2000

J.M. Clem and L.I. Dorman, “Neutron Monitor Response Functions”, Space Science Review, vol. 93, pp. 335-359, 2000