Na jaren van onderzoek, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een manier ontwikkeld en gedemonstreerd om het absolute aantal neutronen in een straal te tellen die vier keer nauwkeuriger is dan hun beste eerdere resultaten, en 50 keer nauwkeuriger dan vergelijkbare metingen waar ook ter wereld.

"Onze techniek is geheel uniek, " zei NIST-natuurkundige Jeffrey Nico, die samen met collega's de bevindingen rapporteren in een geaccepteerd artikel voor Metrologie . "Niemand anders heeft deze mogelijkheid." De nieuwe methode maakt gebruik van een nieuwe, NIST-gebouwd "alfa-gamma" apparaat en een veeleisend, meerfasenproces dat resulteert in uiteindelijke meetonzekerheden van 0,058 %—ongeveer zes delen op tienduizend.

Het bepalen van het aantal neutronen dat per tijdseenheid in een bundel beweegt, is nodig voor toepassingen van kernenergiebeheer tot neutronentherapie in de geneeskunde. Vooral, het is van cruciaal belang voor het kalibreren van NBS-1, de Amerikaanse nationale standaard neutronenbron en voor het meten van de levensduur van vrije neutronen. Het biedt ook een nieuwe, onafhankelijke manier om een ​​sleuteleigenschap van elementen te verifiëren.

In het algemeen, het meten van de snelheid waarmee neutronen in een straal bewegen (neutronenflux genoemd) omvat het richten van de straal op een doel en het tellen van het aantal en de soorten producten die worden uitgezonden wanneer neutronen interageren met atomen in het doel. Typische producten zijn alfadeeltjes en gammastralen, twee van de drie belangrijkste producten van radioactief verval. Alfadeeltjes bevatten twee protonen en twee neutronen - in feite een heliumatoom ontdaan van elektronen (een heliumkern). Gammastralen zijn hoogfrequente fotonen met meer energie dan röntgenstralen. Beide zijn relatief eenvoudig te detecteren.

Maar emissies tellen is niet genoeg. Het is ook nodig om de waarschijnlijkheid te kennen dat een neutron in de kern van een atoom in een bepaald doelwit zal slaan; die kans, genaamd de "dwarsdoorsnede, " is verschillend voor elk element en voor verschillende neutronenenergieën, onder andere factoren. conventioneel, de dwarsdoorsnede wordt verkregen uit databasetabellen van wereldgemiddelde waarden verkregen uit experimenten.

De nieuwe NIST-methode vermijdt die afhankelijkheid en gebruikt alleen "dingen die direct voor ons meetbaar zijn, " zei projectwetenschapper M. Scott Dewey. "Vroeger, we moesten waarden van elders halen. En als ze het mis hebben, we krijgen de verkeerde antwoorden. Bijvoorbeeld, in het geval van de levensduur van de neutronen, elke keer dat de database zijn nummers herziet, onze levensduurmeting verandert omdat het die cijfers bijhoudt. Nu zijn we niet meer afhankelijk van databases, of dwarsdoorsneden, of vertakkingsverhoudingen, enz. De nieuwe benadering gebruikt de constantheid van deze fundamentele interacties om er een telexperiment van te maken."

Het proces in vier fasen begint in een door NIST ontworpen "alfa-gamma"-apparaat dat detectoren heeft voor zowel alfadeeltjes als gammastralen. Een radioactieve alfadeeltjesbron waarvan de emissiesnelheid binnen enkele honderdsten van één procent bekend is, wordt in het apparaat geplaatst, en een aflezing wordt genomen van de alfa-detectoren. Die lezing stelt precies vast welke fractie van alfa's in de detectoren wordt geregistreerd in vergelijking met de bekende output van de bron; dat is, het kalibreert de alfa-detectoren.

In de tweede fase, de alfabron wordt verwijderd, en een dun doelwit gemaakt van boor-10 wordt in de kamer geplaatst, waardoor een zorgvuldig gecontroleerde bundel neutronen uit de reactor van het NIST Center for Neutron Research van één kant kan binnendringen. De straal raakt het doel, die zowel alfadeeltjes als gammastraalfotonen uitzendt. Het vergelijken van de tellingen van de gekalibreerde alfa-detectoren en de zeer gevoelige gamma-detectoren resulteert in een verhouding. (Bijvoorbeeld, het kan zijn dat voor elke 1, 000 alfa's gedetecteerd, 50 gamma's worden gedetecteerd.) Die verhouding kalibreert de gammadetectoren.

In de volgende fase, het dunne boor-10-doelwit wordt verwijderd en vervangen door een stuk boorcarbide dat dik genoeg is om elk neutron dat het raakt te absorberen. Niet alle alfadeeltjes kunnen uit het dikke doelwit komen, maar de zeer energetische gammastralen wel. Vanwege de keten van kalibraties die hierboven is beschreven, de gammatelling kan worden gebruikt als een nauwkeurige maat voor de neutronenflux.

In de laatste fase van het proces, de snelheid gemeten door het alfa-gamma-apparaat wordt tegelijkertijd gebruikt om een ​​neutronenfluxmonitor te kalibreren, een apart instrument dat zich in de lijn van de neutronenbundel bevindt, net stroomopwaarts van het alfa-gamma-apparaat. Het absorbeert 1 procent van de binnenkomende neutronen; het alfa-gamma-apparaat absorbeert de overige 99 procent. Dus, het relateren van de output van de fluxmonitordetector aan de bekende neutronenflux van het alfa-gamma-apparaat is een kwestie van eenvoudige wiskunde.

De gekalibreerde draagbare fluxmonitor, met vier detectoren die de emissies van alfa's en andere zware deeltjes tellen, zal worden gebruikt als centraal onderdeel van een nieuwe manier om de neutronenoutput van NBS-1 te meten, de nauwkeurigheid met een factor drie of vier te verbeteren. Het zal ook een sleutelrol spelen in het doorlopende programma van NIST om de levensduur van een vrij neutron vast te stellen. Hoewel het eonen kan duren als het zich in een atoomkern bevindt, een neutron op zichzelf breekt binnen ongeveer 15 minuten af ​​in een proton en andere deeltjes. De exacte levensduur is van intens belang voor wetenschappers omdat, onder andere, het bepaalt de soorten lichtatomen in het vroege heelal.

Onderzoeksteams die verschillende meettechnieken gebruiken, hebben levensduren bedacht die ongeveer acht seconden verschillen, ongeveer 1 procent. Met behulp van het nieuwe alfa-gamma-apparaat, "We hopen de onzekerheid in onze metingen terug te brengen tot één seconde, ' zei Nico.

In de tussentijd, het alfa-gamma-apparaat zal zich ook bewijzen door een sleutelrol te spelen in de nucleaire metrologie. "Deze manier om dingen te meten bestond gewoon niet eerder, "Zei Dewey. "En omdat niemand ter wereld de mogelijkheid heeft om het te doen, we hebben alleen ons eigen woord dat het ding echt werkt. Dat is best eng. We willen dat de gemeenschap ons hierop controleert."

Een manier om de methode te valideren is om het alfa-gamma-apparaat te gebruiken "om een ​​dwarsdoorsnede te meten die al goed bekend is, en kijk of we dezelfde waarden krijgen, ", zegt projectwetenschapper Hans Pieter Mumm. "Ons plan is om een ​​voorlopige meting van uranium-235 te doen als een kruiscontrole van het alfa-gamma-apparaat. De doorsnede van de U-235 is met grote precisie bekend. Dat demonstreert niet alleen de mogelijkheden van onze techniek, maar het zou een geheel nieuwe manier kunnen openen om de waarden in standaard doorsnededatabases te verifiëren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.