Neutrondetektorer och källor spelar kritiska roller i det nationella försvaret, hembygdsskydd, kontroll av kärnkraftverk, strålmedicin, petroleumprospektering, materialvetenskap, industriell avbildning, och en mängd andra applikationer. Det är viktigt att dessa typer av enheter testas regelbundet för noggrannhet mot en strålningsstandard som avger neutroner med en exakt känd och konstant hastighet.

I USA, alla kalibreringar av källor och detektorer är slutligen knutna till NISTs nationella standard neutronkälla som kallas NBS-1, en sfär ungefär lika stor som en golfboll som innehåller ett gram radium omgiven av beryllium. Eftersom radium-226 har en halveringstid på 1600 år, antalet neutroner som emitteras per sekund av NBS-1 – som först togs i bruk på 1950-talet – antas vara extremt stabilt.

Men källan har inte kalibrerats på mer än 40 år på grund av de inneboende svårigheterna med de många inblandade mätningarna. Nu har forskare vid NIST:s Physical Measurement Laboratory Radiation Physics Division lanserat ett nytt experiment utformat för att kalibrera NBS-1 med en helt ny metod och, genom att göra så, minska osäkerheten i dess kända utsläppshastighet med en faktor tre.

NBS-1:s neutronutgång observeras genom att placera den i mitten av en glasfiber sfär, 1,3 meter i diameter. Den är fylld med över 1400 kg (3200 pund) av en rosa lösning av vatten och mangansulfat (MnSO4), ett slags "manganbad, " som absorberar neutroner. Neutronemissionshastigheten kan mätas ganska exakt med en välförstådd process som inte räknar neutroner direkt, utan snarare detekterar gammastrålfotonerna som avges av den komplexa sönderfallssekvensen som resulterar, över många timmar, när neutroner från källan som mäts interagerar med kärnorna i manganatomer i MnSO4.

Under mätningen, MnSO4-lösningen pumpas kontinuerligt genom ett rör som leder från badet till en skärmad gammastråldetektor, där fotoner räknas. "Det fungerar vackert, "säger projektforskaren Scott Dewey." Gammastrålningssignalen är verkligen proportionell mot neutronflödet. "

Men den mätningen i sig ger ingen kalibrering av utsläppshastigheten, eftersom antalet gammastrålningsfotoner per tidsenhet beror kritiskt på både styrkan hos neutronkällan och benägenheten hos väte att absorbera en neutron i förhållande till mangans i lösningen. Ungefär hälften av de neutroner som avges av den radioaktiva källan absorberas av väteatomer i badet, och bidrar inte till det slutliga antalet gammastrålar; den exakta procentsatsen beror på förhållandet mellan vatten och MnSO4 i badet, och på förhållandet mellan mangan och väte -neutronabsorptionstvärsnitt.

Så, vid konventionella kalibreringar, källan placeras i ett manganbad, och forskare varierar koncentrationen av MnSO4 med specifika steg och mäter förändringarna i gammastrålningsutsläpp. "När du ändrar andelen mangan till vatten [H2O] i lösningen, du mäter uteffekten på olika nivåer, " säger Dewey. "Då kan du plotta resultaten och extrapolera till noll väte, och det ger dig det förhållande som du behöver veta. "Med denna metod, utsläppshastigheten för NBS-1 har fastställts till en osäkerhet på cirka 0,85 %.

Det nya kalibreringsschemat är helt annorlunda. Dess mål är att tillhandahålla en referensneutronkälla, separat från NBS-1, vars utsläppshastighet kommer att bestämmas till mycket hög noggrannhet genom att jämföra den med en kall neutronstråle från reaktorn vid NIST Center for Neutron Research (NCNR).

Den stora sfären som omger NBS-1 är inte bärbar, och kan inte flyttas till NCNR-hallen. Så, kalibreringen kommer att ske i NIST:s andra, mindre, sfär, som är ungefär hälften av storleken på det större badet, men annat, fungerar identiskt. NIST byggde den mindre sfären efter attackerna 9/11 2001, när Department of Homeland Security behövde kalibrera en neutronkälla som närmade sig den lägre nivån av utsläpp från material som kan användas av terrorister.

Kalibreringen kommer att ske i två steg. Först, en neutronsändare som är identisk med NBS-1 men med hälften av dess aktivitet kommer att placeras i mitten av den lilla sfären och dess emissionshastighet kommer att mätas med gammastrålning från lösningen. Källan kommer sedan att tas bort och en stråle av neutroner som innehåller ett känt antal neutroner per sekund (eller neutronflöde) kommer att riktas till sfärens mitt och gammastrålningssignalen kommer återigen att mätas.

"I den lilla sfären, "Dewey säger, "Vi kommer att alternera avläsningar av neutronstrålen, stäng sedan av den och sätt i den radioaktiva källan, och gå fram och tillbaka i detektoravläsningarna. Det kommer att kalibrera den radioaktiva referenskällan. Den källan kommer sedan att placeras i den stora sfären och användas som en standard mot vilken NBS-1 kan kalibreras. "Den lägre osäkerheten för varje steg i processen förväntas minska den totala mätosäkerheten trefaldigt.

Antalet neutroner per sekund i strålen är känt med mycket hög noggrannhet, tack vare en lång rad tekniska framsteg som gjorts av PML:s Neutron Physics Group vid NCNR. "Det du får ut ur reaktorn är neutroner med många olika energier, " säger Dewey. "För exakta mätningar av neutronflödet, det vill vi inte. Vad vi vill ha är bara en energi, så vi lägger en liten bit grafit i helljuset. Strålen passerar genom den och reflekterar endast en viss våglängd. Den strömmen går sedan in i en speciell detektor som vi tillverkade för vårt experiment med neutronlivstid.

"Detektorn innehåller en liten bit neutronkänslig folie gjord av berikat litium-6. Nittionio procent av strålen passerar genom den. De andra 1 procenten utgör vår signal. Vi har tillbringat år, men nu är vi säkra på att den kan berätta hur många neutroner per sekund som passerar genom den." med en relativ osäkerhet på cirka 0,06 %.

"Det är verkligen ett nytt tillvägagångssätt. Ingen annan i världen har en reaktor och en stråle som de kan göra detta på. Ingen annan har en mindre sfär. Den osäkerhet på 0,85 % som vi har nu är i stort sett en standard bland de kanske 10 laboratorier i världen som gör detta. Om vi ​​kunde förbättra det med en faktor tre, det skulle göra oss till världens mest exakta."