Neutronen-Monitor

Ende der 40er Jahre wurde der Neutronen-Monitor von John A. Simpson (University of Chicago) entwickelt, um die Abhängigkeit des hadronischen Anteils der kosmischen Strahlung vom Magnetfeld der Erde zu messen. Schon zehn Jahre später existierte ein internationales Netzwerk von etwa 50 Neutronen-Monitoren, die über den Erdball verteilt waren.

Ein wesentlicher Beitrag der Neutronen-Monitore war die Entdeckung, dass die Intensität kosmischer Teilchen, die von außerhalb unseres Sonnensystems stammen, mit wachsender Sonnenaktivität (11-Jahreszyklus) abnimmt. Die Zunahme des Sonnenwindes (von der Sonne emittierte Teilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen) führt zur Abschirmung jener kosmischen Teilchen mit galaktischem Ursprung. Neutronen-Monitore eignen sich auch für die Registrierung von Sonneneruptionen. Bei diesen werden explosionsartig große Mengen von Teilchen ausgestoßen, welche elektronische Systeme in Satelliten und auf der Erde beeinflussen und sogar zerstören können.

Der Neutronen-Monitor ist spezialisiert auf die Messung der Nukleonen-Komponente (Protonen und Neutronen) der kosmischen Strahlung auf der Erdoberfläche. Primäre kosmische Teilchen bestehen im Wesentlichen aus Protonen und leichten Kernen. Wenn sie auf die Erdatmosphäre treffen, werden bei der Wechselwirkung mit den Luftmolekülen drei verschiedene Komponenten sekundärer Teilchen erzeugt:

• Die Myonen- und Neutrinokomponente,
• die Elektronen- und Gammakomponente,
• die Nukleonenkomponente.

Die North-West University of Potchefstroom in Südafrika hat Mini-Neutronenmonitore gebaut, die im Vergleich zu den Standard-Neutronenmonitoren leicht und transportabel sind. Einer von ihnen wurde auf dem Forschungsschiff "Polarstern" installiert, ein zweiter auf der Station Neumayer III in der Antarktis.

Wie die nukleonische Komponente mit einer mittleren Energie von wenigen 100 MeV auf Meeresniveau gemessen wird, ist im Folgenden beschrieben. In der schematischen Abbildung ist die Schalenstruktur des zylindrischen Neutronen-Monitors dargestellt. Das Foto zeigt die Bestandteile des von der Universität Potchefstroom gebauten Mini-Neutronen-Monitors. Die äußere Schicht ist ein Moderator aus Polyethylen zur Reduzierung der Energie hochenergetischer Neutronen und zur Absorption niederenergetischer Neutronen aus der radioaktiven Umgebungsstrahlung. Die nächste Schicht besteht aus 5 cm Blei. Hier wird beim Zusammerstoß der Nukleonen mit den Bleiatomen die Zahl der Neutronen wesentlich vergrößert. Ein Nukleon erzeugt in der Bleischicht im Mittel acht Neutronen, die mit einer Energie von wenigen MeV auf die Moderatorschicht treffen. Die Energie der meisten erzeugten Protonen ist zu gering, um die Bleischicht zu verlassen. Die Neutronen werden im Moderator weiter abgebremst und treffen schließlich auf das Proportional-Zählrohr im Inneren des Zylinders. Je nach Gasfüllung des Zählrohrs (¹⁰BF₃ beim Neutronen-Monitor auf der Neumayer Station oder ³He auf der Polarstern) können die thermischen Neutronen über die folgenden Reaktionen nachgewiesen werden:

n + ¹⁰BF₃ → α + ⁷Li         oder         n + ³He → ³H + p

Die erzeugten Alpha-Teilchen oder Protonen produzieren im Zählrohr ein elektrisches Signal, das in der Elektronik-Box registriert und zusammen mit der Zeitinformation, dem Luftdruck und der Umgebungstemperatur gespeichert wird. Da die beiden anderen Komponenten keine Reaktionen liefern, lassen sich mit dem Neutronen-Monitor ausschließlich Nukleonen nachweisen.