Kalibrering af kalibratoren - National Standard Neutron Source

Neutrondetektorer og kilder spiller kritiske roller i det nationale forsvar, hjemlands sikkerhed, atomkraftværksstyring, strålingsmedicin, efterforskning af olie, materialevidenskab, industriel billeddannelse, og en lang række andre applikationer. Det er vigtigt, at disse typer enheder periodisk testes for nøjagtighed mod en strålingsstandard, der udsender neutroner med en præcist kendt og konstant hastighed.

I USA, alle kalibreringer af kilder og detektorer er i sidste ende bundet til NIST's nationale standard neutronkilde kaldet NBS-1, en kugle på størrelse med en golfbold, der indeholder et gram radium omgivet af beryllium. Fordi radium-226 har en halveringstid på 1600 år, Antallet af neutroner, som NBS-1 udsender-først taget i brug i 1950'erne-formodes at være ekstremt stabilt.

Men kilden er ikke blevet kalibreret i mere end 40 år på grund af de iboende vanskeligheder ved de mange involverede målinger. Nu har forskere ved NIST's Physical Measurement Laboratory Radiation Physics Division lanceret et nyt eksperiment designet til at kalibrere NBS-1 ved en helt ny metode og, derved, reducere usikkerheder i dens kendte emissionsrate med en faktor tre.

NBS-1's neutronudgang observeres ved at placere den i midten af ​​en glasfiberkugle, 1,3 meter i diameter. Den er fyldt med over 1400 kg (3200 pund) af en lyserød opløsning af vand og mangansulfat (MnSO4), en slags "manganbad, "som absorberer neutroner. Neutronemissionshastigheden kan måles ganske præcist ved hjælp af en velforstået proces, der ikke tæller neutroner direkte, men snarere detekterer gammastrålefotoner udsendt af den komplekse henfaldssekvens, der resulterer, over mange timer, når neutroner fra den målte kilde interagerer med kernerne af manganatomer i MnSO4.

Under målingen, MnSO4-opløsningen pumpes kontinuerligt gennem et rør, der fører fra badet til en afskærmet gammastråldetektor, hvor fotoner tælles. "Det fungerer smukt, "siger projektforsker Scott Dewey." Gammastrålesignalet er virkelig proportional med neutronstrømmen. "

Men denne måling i sig selv giver ikke en kalibrering af emissionshastigheden, fordi antallet af gammastrålefotoner pr. tidsenhed afhænger kritisk af både styrken af ​​neutronkilden og tilbøjeligheden af ​​hydrogen til at absorbere en neutron i forhold til mangan i opløsningen. Omkring halvdelen af ​​de neutroner, der udsendes af den radioaktive kilde, absorberes af hydrogenatomer i badet, og bidrager ikke til det endelige gammastrålingstal; den nøjagtige procentdel afhænger af forholdet mellem vand og MnSO4 i badet, og på forholdet mellem mangan og hydrogenneutronabsorptionstværsnit.

Så, ved konventionelle kalibreringer, kilden placeres i et manganbad, og forskere varierer koncentrationen af ​​MnSO4 med specifikke trin og måler ændringerne i gammastråleemissioner. "Når du ændrer andelen af ​​mangan til vand [H2O] i opløsningen, du måler output på forskellige niveauer, "Dewey siger." Så kan du plotte resultaterne og ekstrapolere til nul brint, og det giver dig det forhold, du har brug for at vide. "Ved hjælp af denne metode, emissionshastigheden for NBS-1 er bestemt til en usikkerhed på ca. 0,85 %.

Det nye kalibreringsskema er helt anderledes. Dens mål er at tilvejebringe en reference neutron kilde, adskilt fra NBS-1, hvis emissionsrate vil blive bestemt til meget høj nøjagtighed ved at sammenligne den med en kold neutronstråle fra reaktoren ved NIST Center for Neutron Research (NCNR).

Den store kugle, der omgiver NBS-1, er ikke bærbar, og kan ikke flyttes til NCNR -hallen. Så, kalibreringen finder sted i NIST's anden, mindre, kugle, som er cirka halvdelen af ​​størrelsen på det større bad, men, Ellers, fungerer ens. NIST byggede den mindre sfære efter 9/11 angrebene i 2001, da Department of Homeland Security havde brug for kalibrering af en neutronkilde, der tilnærmede det lavere niveau af emissioner fra materialer, der kan blive brugt af terrorister.

Kalibreringen finder sted i to faser. Først, en neutronemitter identisk med NBS-1, men med halvdelen af ​​dens aktivitet vil blive placeret i midten af ​​den lille kugle, og dens emissionshastighed vil blive målt ved gammastråleudgang fra opløsningen. Kilden vil derefter blive fjernet, og en stråle af neutroner, der indeholder et kendt antal neutroner pr. Sekund (eller neutronstrøm), ledes til midten af ​​kuglen, og gammastrålesignalet vil igen blive målt.

"I den lille sfære, "Dewey siger, "Vi vil skiftevis aflæse neutronstrålen, sluk den derefter, og indsæt den radioaktive kilde, og gå frem og tilbage i detektoraflæsninger. Det vil kalibrere den radioaktive referencekilde. Denne kilde vil derefter blive placeret i den store sfære og blive brugt som en standard, som NBS-1 kan kalibreres imod. "Den lavere usikkerhed i hvert trin i processen forventes at reducere den samlede måleusikkerhed tredobbelt.

Antallet af neutroner pr. Sekund i strålen er kendt med meget høj nøjagtighed, takket være en lang række teknologiske fremskridt foretaget af PML's Neutron Physics Group på NCNR. "Det, du får ud af reaktoren, er neutroner med masser af forskellige energier, "Dewey siger." Til præcise målinger af neutronstrømning, det vil vi ikke. Det, vi ønsker, er kun en energi, så vi lagde et lille stykke grafit i fjernlyset. Strålen passerer igennem den og reflekterer kun en bestemt bølgelængde. Denne strøm går derefter ind i en speciel detektor, vi lavede til vores neutron -levetid eksperiment.

"Detektoren indeholder et lille stykke neutronfølsom folie lavet af beriget lithium-6. Nittenoghalvfems procent af strålen passerer igennem den. De andre 1 procent udgør vores signal. Vi har brugt år, men nu er vi sikre på, at det kan fortælle os, hvor mange neutroner pr. sekund, der passerer igennem det. "med en relativ usikkerhed på omkring 0,06 %.

"Det er virkelig en ny tilgang. Ingen andre i verden har en reaktor og en stråle, de kan gøre dette på. Ingen andre har en kugle af mindre størrelse. Den 0,85 % usikkerhed, vi har nu, er stort set en standard blandt de måske 10 laboratorier i verden, der gør dette. Hvis vi kunne forbedre det med en faktor tre, det ville gøre os til den mest præcise i verden. "