Neutronendetectoren en bronnen spelen een cruciale rol in de nationale defensie, binnenlandse veiligheid, controle van de kerncentrale, straling geneeskunde, aardolie-exploratie, materiaal kunde, industriële beeldvorming, en tal van andere toepassingen. Het is essentieel dat dit soort apparaten periodiek worden getest op nauwkeurigheid tegen een stralingsnorm die neutronen uitzendt met een precies bekende en constante snelheid.

In de Verenigde Staten, alle kalibraties van bronnen en detectoren zijn uiteindelijk gekoppeld aan NIST's nationale standaard neutronenbron genaamd NBS-1, een bol ter grootte van een golfbal die één gram radium bevat, omgeven door beryllium. Omdat radium-226 een halfwaardetijd heeft van 1600 jaar, het aantal neutronen dat per seconde wordt uitgestoten door NBS-1 - voor het eerst in gebruik genomen in de jaren 1950 - wordt verondersteld extreem stabiel te zijn.

Maar de bron is al meer dan 40 jaar niet gekalibreerd vanwege de inherente moeilijkheid van de vele metingen die ermee gemoeid zijn. Nu hebben wetenschappers van NIST's Physical Measurement Laboratory Radiation Physics Division een nieuw experiment gelanceerd dat is ontworpen om NBS-1 te kalibreren met een geheel nieuwe methode en, daarbij, de onzekerheden in de bekende emissiesnelheid met een factor drie verminderen.

De neutronenoutput van NBS-1 wordt waargenomen door deze in het midden van een glasvezelbol te plaatsen, 1,3 meter doorsnee. Het is gevuld met meer dan 1400 kg (3200 pound) van een roze oplossing van water en mangaansulfaat (MnSO4), een soort "mangaanbad, " die neutronen absorbeert. De neutronenemissiesnelheid kan vrij nauwkeurig worden gemeten met behulp van een goed begrepen proces dat neutronen niet rechtstreeks telt, maar detecteert eerder de gammastraalfotonen die worden uitgezonden door de complexe vervalreeks die resulteert, gedurende vele uren, wanneer neutronen van de te meten bron een interactie aangaan met de kernen van mangaanatomen van MnSO4.

Tijdens het meten, de MnSO4-oplossing wordt continu door een buis gepompt die van het bad naar een afgeschermde gammastralingsdetector leidt, waar fotonen worden geteld. "Het werkt prachtig, ", zegt projectwetenschapper Scott Dewey. "Het gammastralingssignaal is echt evenredig met de neutronenflux."

Maar die meting op zich geeft geen ijking van de emissiesnelheid, omdat het aantal gammastraalfotonen per tijdseenheid kritisch afhangt van zowel de sterkte van de neutronenbron als de neiging van waterstof om een ​​neutron te absorberen ten opzichte van die van mangaan in de oplossing. Ongeveer de helft van de neutronen die door de radioactieve bron worden uitgestoten, wordt geabsorbeerd door waterstofatomen in het bad, en dragen niet bij aan het uiteindelijke aantal gammastraling; het exacte percentage hangt af van de verhouding water tot MnSO4 in het bad, en op de verhouding van de mangaan tot waterstofneutronenabsorptiedwarsdoorsneden.

Dus, bij conventionele kalibraties, de bron wordt in een mangaanbad geplaatst, en onderzoekers variëren de concentratie van MnSO4 met specifieke stappen en meten de veranderingen in gammastraling. "Als je de verhouding mangaan tot water [H2O] in de oplossing verandert, je meet de output op verschillende niveaus, "zegt Dewey. "Dan kun je de resultaten plotten en extrapoleren naar nul waterstof, en dat geeft je de verhouding die je moet weten." Met behulp van deze methode, het emissiepercentage van NBS-1 is bepaald met een onzekerheid van ongeveer 0,85 %.

Het nieuwe kalibratieschema is compleet anders. Het doel is om een ​​referentie-neutronenbron te bieden, gescheiden van NBS-1, waarvan de emissiesnelheid met zeer hoge nauwkeurigheid zal worden bepaald door deze te vergelijken met een koude neutronenbundel van de reactor van het NIST Center for Neutron Research (NCNR).

De grote bol rond NBS-1 is niet draagbaar, en kan niet worden verplaatst naar de NCNR-hal. Dus, de kalibratie vindt plaats in de seconde van NIST, kleiner, gebied, dat is ongeveer de helft van de grootte van het grotere bad, maar, anders, werkt identiek. NIST bouwde de kleinere bol na de aanslagen van 9/11 in 2001, toen het Department of Homeland Security een neutronenbron moest kalibreren die het lagere emissieniveau van materialen die door terroristen zouden kunnen worden gebruikt, benadert.

De kalibratie vindt plaats in twee fasen. Eerst, een neutronenzender identiek aan NBS-1 maar met de helft van zijn activiteit zal in het midden van de kleine bol worden geplaatst en de emissiesnelheid zal worden gemeten door gammastraling van de oplossing. De bron wordt dan verwijderd en een bundel neutronen met een bekend aantal neutronen per seconde (of neutronenflux) wordt naar het midden van de bol geleid en het gammastralingssignaal wordt opnieuw gemeten.

"In de kleine sfeer, "Dewey zegt, "we zullen de aflezingen van de neutronenbundel afwisselen, schakel het dan uit en plaats de radioactieve bron, en ga heen en weer in de detectoruitlezingen. Dat zal de radioactieve referentiebron kalibreren. Die bron wordt dan in de grote bol geplaatst en gebruikt als een standaard waartegen NBS-1 kan worden gekalibreerd." De lagere onzekerheid van elke fase van het proces zal naar verwachting de algehele meetonzekerheid verdrievoudigen.

Het aantal neutronen per seconde in de bundel is met zeer hoge nauwkeurigheid bekend, dankzij een lange reeks technologische vooruitgang die is geboekt door PML's Neutron Physics Group bij de NCNR. "Wat je uit de reactor haalt, zijn neutronen met veel verschillende energieën, " zegt Dewey. "Voor nauwkeurige metingen van neutronenflux, dat willen we niet. Wat we willen is slechts één energie, dus hebben we een klein stukje grafiet in het grootlicht gedaan. De straal gaat er doorheen en reflecteert slechts op één bepaalde golflengte. Die stroom gaat dan naar een speciale detector die we hebben gemaakt voor ons experiment met de levensduur van neutronen.

"De detector bevat een klein stukje neutronengevoelige folie gemaakt van verrijkt lithium-6. Negenennegentig procent van de bundel gaat er doorheen. De andere 1 procent vormt ons signaal. We hebben jaren doorgebracht, maar nu weten we zeker dat het ons kan vertellen hoeveel neutronen er per seconde doorheen gaan." met een relatieve onzekerheid van ongeveer 0,06%.

"Het is echt een nieuwe benadering. Niemand anders ter wereld heeft een reactor en een straal waarop ze dit kunnen doen. Niemand anders heeft een kleinere bol. De 0,85% onzekerheid die we nu hebben, is zo'n beetje een standaard onder de misschien 10 laboratoria in de wereld die dit doen. Als we het met een factor drie zouden kunnen verbeteren, dat zou ons de meest accurate ter wereld maken."