Efter år av forskning, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat och demonstrerat ett sätt att räkna det absoluta antalet neutroner i en stråle som är fyra gånger mer exakt än deras bästa tidigare resultat, och 50 gånger mer exakt än liknande mätningar någon annanstans i världen.

"Vår teknik är helt unik, " sa NIST-fysikern Jeffrey Nico, som med kollegor redovisar fynden i en accepterad artikel för Metrologia . "Ingen annan har den här förmågan." Den nya metoden använder en roman, NIST-byggd "alfa-gamma"-apparat och en krävande, flerstegsprocess som resulterar i slutliga mätosäkerheter på 0,058 % – ungefär sex delar på tiotusen.

Att bestämma antalet neutroner som rör sig i en stråle per tidsenhet krävs för tillämpningar från kärnkraftshantering till neutronterapi inom medicin. Särskilt, det är ytterst viktigt för att kalibrera NBS-1, den amerikanska nationella standarden för neutronkälla och för att mäta livslängden för fria neutroner. Det ger också en ny, oberoende sätt att verifiera en nyckelegenskap hos element.

I allmänhet, att mäta hastigheten med vilken neutroner rör sig i en stråle (kallat neutronflöde) involverar att rikta strålen mot ett mål och räkna antalet och typer av produkter som emitteras när neutroner interagerar med atomer i målet. Typiska produkter är alfapartiklar och gammastrålar, två av de tre huvudprodukterna av radioaktivt sönderfall. Alfa-partiklar innehåller två protoner och två neutroner - i princip en heliumatom avskalad från elektroner (en heliumkärna). Gammastrålar är högfrekventa fotoner med mer energi än röntgenstrålar. Båda är relativt enkla att upptäcka.

Men att räkna utsläppen räcker inte. Det är också nödvändigt att känna till sannolikheten för att en neutron kommer att slå in i kärnan av en atom i ett visst mål; den sannolikheten, kallas "tvärsnittet, "är olika för varje element och för olika neutronenergier, bland andra faktorer. Konventionellt, tvärsnittet erhålls från databastabeller med världsmedelvärden erhållna från experiment.

Den nya NIST-metoden undviker det beroendet och använder bara "saker som är direkt mätbara av oss, " sa projektforskaren M. Scott Dewey. "Innan, vi var tvungna att hämta värden från annat håll. Och om de har fel, vi får fel svar. Till exempel, när det gäller neutronlivslängden, varje gång databasen reviderar sina siffror, vår livstidsmätning förändras eftersom den spårar dessa siffror. Nu behöver vi inte förlita oss på databaser, eller tvärsnitt, eller förgreningsförhållanden, etc. Det nya tillvägagångssättet använder beständigheten i dessa grundläggande interaktioner för att förvandla det till ett räkneexperiment."

Processen i fyra steg börjar i en NIST-designad "alfa-gamma"-enhet som har detektorer för både alfapartiklar och gammastrålar. En radioaktiv alfapartikelkälla vars emissionshastighet är känd inom några hundradelar av en procent placeras i enheten, och en avläsning tas från alfadetektorerna. Den avläsningen fastställer exakt vilken bråkdel av alfaregistret i detektorerna jämfört med den välkända utsignalen från källan; det är, den kalibrerar alfadetektorerna.

I det andra steget, alfakällan tas bort, och ett tunt mål gjord av bor-10 placeras i kammaren, som gör att en noggrant kontrollerad stråle av neutroner från reaktorn vid NIST Center for Neutron Research kan komma in från ena sidan. Strålen träffar målet, som avger både alfapartiklar och gammastrålefotoner. Att jämföra räkningarna från de kalibrerade alfadetektorerna och de mycket känsliga gammadetektorerna resulterar i ett förhållande. (Till exempel, det kan vara så att för varje 1, 000 alfas detekterade, 50 gamma detekteras.) Det förhållandet kalibrerar gammadetektorerna.

I nästa steg, det tunna bor-10-målet tas bort och ersätts av en bit borkarbid som är tillräckligt tjock för att absorbera varje neutron som träffar den. Inte alla alfapartiklar kan ta sig ur det tjocka målet, men det gör de mycket energiska gammastrålarna. På grund av kalibreringskedjan som beskrivs ovan, gammaräkningen kan användas som ett exakt mått på neutronflödet.

I slutskedet av processen, hastigheten som mäts av alfa-gamma-enheten används samtidigt för att kalibrera en neutronflödesmonitor, ett separat instrument som sitter i neutronstrålen strax uppströms om alfa-gamma-enheten. Den absorberar 1 procent av de inkommande neutronerna; alfa-gamma-enheten absorberar de övriga 99 procenten. Så, Att relatera flödesövervakningsdetektorns utsignal till det kända neutronflödet från alfa-gamma-anordningen är en fråga om enkel matematik.

Den kalibrerade bärbara flödesmonitorn, som innehåller fyra detektorer som räknar utsläpp av alfas och andra tunga partiklar, kommer att användas som en central del av ett nytt sätt att mäta neutronutgången från NBS-1, förbättra dess noggrannhet med en faktor tre eller fyra. Den kommer också att spela en nyckelroll i NIST:s pågående program för att spika ner livslängden för en fri neutron. Även om det kan pågå i eoner när det är inne i en atomkärna, en neutron på egen hand bryts ner inom cirka 15 minuter till en proton och andra partiklar. Den exakta livslängden är av intensivt intresse för forskare eftersom, bland annat, den bestämmer vilka typer av lätta atomer i det tidiga universum.

Forskarlag som använder olika mättekniker har kommit fram till livstider som skiljer sig med cirka åtta sekunder, runt 1 procent. Med den nya alfa-gamma-enheten, "vi hoppas kunna få ner osäkerheten i våra mätningar till en sekund, sa Nico.

Under tiden, alfa-gamma-enheten kommer också att visa sig genom att spela en nyckelroll inom kärnmätningen. "Det här sättet att mäta saker fanns bara inte förut, " sa Dewey. "Och eftersom ingen i världen har förmågan att göra det, vi har bara vårt eget ord att grejen verkligen fungerar. Det är lite läskigt. Vi skulle vilja att samhället kontrollerar oss om detta."

Ett sätt att validera metoden är att använda alfa-gamma-enheten "för att mäta ett tvärsnitt som redan är välkänt, och se om vi får samma värden, " sa projektforskaren Hans Pieter Mumm. "Vår plan är att göra en preliminär mätning av uran-235 som en korskontroll av alfa-gamma-enheten. U-235-tvärsnittet är känt med stor precision. Det kommer inte bara att visa vår tekniks förmåga, men det kan öppna upp ett helt nytt sätt att verifiera värdena i standardtvärsnittsdatabaser."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.