Neutroner ved tallene – Ny tælleteknik giver en hidtil uset nøjagtighed

Efter flere års forskning, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet og demonstreret en måde at tælle det absolutte antal neutroner i en stråle, der er fire gange mere nøjagtig end deres bedste tidligere resultater, og 50 gange mere nøjagtige end lignende målinger andre steder i verden.

"Vores teknik er helt unik, " sagde NIST-fysiker Jeffrey Nico, der med kolleger rapporterer resultaterne i en accepteret artikel for Metrologia . "Ingen andre har denne evne." Den nye metode bruger en roman, NIST-bygget "alfa-gamma" apparat og et krævende, flertrinsproces, der resulterer i endelige måleusikkerheder på 0,058 % - omkring seks dele på ti tusind.

Bestemmelse af antallet af neutroner, der bevæger sig i en stråle pr. tidsenhed, er påkrævet for applikationer fra atomkraftstyring til neutronterapi i medicin. I særdeleshed, det er afgørende vigtigt for kalibrering af NBS-1, den amerikanske nationale standard neutronkilde og til måling af levetiden for frie neutroner. Det giver også en ny, uafhængige metoder til at verificere en nøgleegenskab ved elementer.

Generelt, måling af hastigheden, hvormed neutroner bevæger sig i en stråle (kaldet neutronflux) involverer at rette strålen mod et mål og tælle antallet og typer af produkter, der udsendes, når neutroner interagerer med atomer i målet. Typiske produkter er alfapartikler og gammastråler, to af de tre hovedprodukter af radioaktivt henfald. Alfa-partikler indeholder to protoner og to neutroner - dybest set et heliumatom strippet for elektroner (en heliumkerne). Gammastråler er højfrekvente fotoner med mere energi end røntgenstråler. Begge er relativt ligetil at opdage.

Men at tælle emissioner er ikke nok. Det er også nødvendigt at kende sandsynligheden for, at en neutron slår ind i kernen af ​​et atom i et bestemt mål; den sandsynlighed, kaldet "tværsnittet, "er forskellig for hvert element og for forskellige neutronenergier, blandt andre faktorer. Konventionelt, tværsnittet er hentet fra databasetabeller med verdensgennemsnitsværdier opnået fra eksperimenter.

Den nye NIST-metode undgår den afhængighed og bruger kun "ting, der er direkte målbare af os, " sagde projektforsker M. Scott Dewey. "Før, vi var nødt til at hente værdier andre steder fra. Og hvis de tager fejl, vi får de forkerte svar. For eksempel, i tilfælde af neutronens levetid, hver gang databasen reviderer sine tal, vores livstidsmåling ændres, fordi den sporer disse tal. Nu behøver vi ikke stole på databaser, eller tværsnit, eller forgreningsforhold, osv. Den nye tilgang bruger konstanten af ​​disse fundamentale interaktioner til at gøre det til et tælleeksperiment."

Den fire-trins proces begynder i en NIST-designet "alfa-gamma" enhed, der har detektorer for både alfapartikler og gammastråler. En radioaktiv alfapartikelkilde, hvis emissionshastighed er kendt inden for et par hundrededele af en procent, er placeret i enheden, og en aflæsning tages fra alfa-detektorerne. Den aflæsning fastslår præcis, hvilken brøkdel af alfaregisteret i detektorerne sammenlignet med kildens velkendte output; det er, den kalibrerer alfa-detektorerne.

I anden fase, alfakilden fjernes, og et tyndt mål lavet af bor-10 placeres i kammeret, som tillader en omhyggeligt styret stråle af neutroner fra reaktoren på NIST Center for Neutron Research at komme ind fra den ene side. Strålen rammer målet, som udsender både alfapartikler og gammastrålefotoner. Sammenligning af tællingerne fra de kalibrerede alfa-detektorer og de meget følsomme gamma-detektorer resulterer i et forhold. (For eksempel, det kan være, at for hver 1, 000 alfaer fundet, Der detekteres 50 gamma.) Dette forhold kalibrerer gammadetektorerne.

I næste fase, det tynde bor-10-mål fjernes og erstattes af et stykke borcarbid, der er tykt nok til at absorbere hver neutron, der rammer det. Ikke alle alfapartikler kan komme ud af det tykke mål, men det gør de meget energiske gammastråler. På grund af kæden af ​​kalibreringer beskrevet ovenfor, gammatallet kan bruges som et nøjagtigt mål for neutronfluxen.

I den sidste fase af processen, hastigheden målt af alfa-gamma-enheden bruges samtidigt til at kalibrere en neutronfluxmonitor, et separat instrument, der sidder i neutronstrålelinjen lige opstrøms for alfa-gamma-enheden. Det absorberer 1 procent af de indkommende neutroner; alfa-gamma-enheden absorberer de øvrige 99 pct. Så, at relatere fluxmonitordetektorens output til den kendte neutronflux fra alfa-gamma-enheden er et spørgsmål om simpel matematik.

Den kalibrerede bærbare fluxmonitor, indeholdende fire detektorer, der tæller emissioner af alfaer og andre tunge partikler, vil blive brugt som en central del af en ny måde at måle neutronoutputtet fra NBS-1, forbedre dens nøjagtighed med en faktor tre eller fire. Det vil også spille en nøglerolle i NISTs igangværende program for at fastgøre levetiden for en fri neutron. Selvom det kan vare i evigheder, når det er inde i en atomkerne, en neutron i sig selv nedbrydes inden for cirka 15 minutter til en proton og andre partikler. Den nøjagtige levetid er af stor interesse for videnskabsmænd, fordi blandt andet, det bestemmer typerne af lysatomer i det tidlige univers.

Forskerhold, der bruger forskellige måleteknikker, har fundet frem til levetider, der varierer med omkring otte sekunder, omkring 1 procent. Ved at bruge den nye alfa-gamma-enhed, "Vi håber at få usikkerheden i vores målinger ned til et sekund, " sagde Nico.

I mellemtiden alfa-gamma-enheden vil også bevise sig selv ved at spille en nøglerolle i nuklear metrologi. "Denne måde at måle ting på eksisterede bare ikke før, " sagde Dewey. "Og fordi ingen i verden har evnen til at gøre det, vi har kun vores eget ord for, at tingen virkelig virker. Det er lidt skræmmende. Vi vil gerne have samfundet til at tjekke os på dette."

En måde at validere metoden på er at bruge alfa-gamma-enheden "til at måle et tværsnit, der allerede er velkendt, og se om vi får de samme værdier, " sagde projektforsker Hans Pieter Mumm. "Vores plan er at lave en foreløbig måling af uranium-235 som en krydstjek af alfa-gamma-enheden. U-235 tværsnittet er kendt med stor præcision. Det vil ikke kun demonstrere vores tekniks evner, men det kunne åbne op for en helt ny måde at verificere værdierne i standard-tværsnitsdatabaser."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.