Los detectores y fuentes de neutrones desempeñan un papel fundamental en la defensa nacional, seguridad nacional, control de centrales nucleares, medicina de radiación, exploración de petróleo, ciencia de los Materiales, imagen industrial, y muchas otras aplicaciones. Es esencial que estos tipos de dispositivos se prueben periódicamente para verificar su precisión frente a un estándar de radiación que emite neutrones a una velocidad constante y conocida con precisión.

En los Estados Unidos, todas las calibraciones de fuentes y detectores están vinculadas en última instancia a la fuente de neutrones estándar nacional del NIST llamada NBS-1, una esfera del tamaño de una pelota de golf que contiene un gramo de radio rodeado de berilio. Debido a que el radio-226 tiene una vida media de 1600 años, Se presume que el número de neutrones emitidos por segundo por NBS-1, puesto en servicio por primera vez en la década de 1950, es extremadamente estable.

Pero la fuente no ha sido calibrada en más de 40 años debido a la dificultad inherente de las muchas mediciones involucradas. Ahora, los científicos de la División de Física de Radiación del Laboratorio de Medición Física del NIST han lanzado un nuevo experimento diseñado para calibrar NBS-1 mediante un método completamente nuevo y, al hacerlo, reducir las incertidumbres en su tasa de emisión conocida en un factor de tres.

La salida de neutrones de NBS-1 se observa colocándola en el centro de una esfera de fibra de vidrio, 1,3 metros de diámetro. Está lleno con más de 1400 kg (3200 libras) de una solución rosada de agua y sulfato de manganeso (MnSO4), una especie de "baño de manganeso, "que absorbe neutrones. La tasa de emisión de neutrones se puede medir con bastante precisión utilizando un proceso bien entendido que no cuenta los neutrones directamente, sino que detecta los fotones de rayos gamma emitidos por la compleja secuencia de desintegración que resulta, durante muchas horas, cuando los neutrones de la fuente que se mide interactúan con los núcleos de los átomos de manganeso de MnSO4.

Durante la medición, la solución de MnSO4 se bombea continuamente a través de un tubo que va desde el baño hasta un detector de rayos gamma blindado, donde se cuentan los fotones. "Funciona de maravilla, ", dice el científico del proyecto Scott Dewey." La señal de rayos gamma es verdaderamente proporcional al flujo de neutrones ".

Pero esa medición en sí misma no proporciona una calibración de la tasa de emisión, porque el número de fotones de rayos gamma por unidad de tiempo depende críticamente tanto de la fuerza de la fuente de neutrones como de la propensión del hidrógeno a absorber un neutrón en relación con el del manganeso en la solución. Aproximadamente la mitad de los neutrones emitidos por la fuente radiactiva son absorbidos por átomos de hidrógeno en el baño, y no contribuyen al recuento final de rayos gamma; el porcentaje exacto depende de la proporción de agua a MnSO4 en el baño, y en la relación de las secciones transversales de absorción de neutrones de manganeso a hidrógeno.

Entonces, en calibraciones convencionales, la fuente se coloca en un baño de manganeso, y los investigadores varían la concentración de MnSO4 en incrementos específicos y miden los cambios en las emisiones de rayos gamma. "A medida que cambia la proporción de manganeso en agua [H2O] en la solución, mides la salida en diferentes niveles, "Dice Dewey." Entonces puede trazar los resultados y extrapolar a cero hidrógeno, y eso le da la proporción que necesita saber ". Con este método, la tasa de emisión de NBS-1 se ha determinado con una incertidumbre de aproximadamente 0,85%.

El nuevo esquema de calibración es completamente diferente. Su objetivo es proporcionar una fuente de neutrones de referencia, separado de NBS-1, cuya tasa de emisión se determinará con una precisión muy alta comparándola con un haz de neutrones frío del reactor en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR).

La gran esfera que rodea a NBS-1 no es portátil, y no se puede mover a la sala NCNR. Entonces, la calibración se llevará a cabo en el segundo de NIST, menor, esfera, que es aproximadamente la mitad del tamaño del baño más grande pero, de lo contrario, opera de manera idéntica. NIST construyó la esfera más pequeña después de los ataques del 11 de septiembre en 2001, cuando el Departamento de Seguridad Nacional necesitaba calibrar una fuente de neutrones que se aproximara al nivel más bajo de emisiones de materiales que podrían ser utilizados por terroristas.

La calibración se llevará a cabo en dos etapas. Primero, un emisor de neutrones idéntico al NBS-1 pero con la mitad de su actividad se colocará en el centro de la pequeña esfera y su tasa de emisión se medirá por la salida de rayos gamma de la solución. Luego, se eliminará la fuente y se dirigirá un haz de neutrones que contiene un número conocido de neutrones por segundo (o flujo de neutrones) al centro de la esfera y se volverá a medir la señal de rayos gamma.

"En la pequeña esfera, "Dewey dice, "alternaremos lecturas del haz de neutrones, luego apáguelo e inserte la fuente radiactiva, y avanzar y retroceder en las lecturas del detector. Eso calibrará la fuente de referencia radiactiva. Luego, esa fuente se colocará en la esfera grande y se utilizará como un estándar contra el cual se puede calibrar NBS-1. "Se espera que la menor incertidumbre de cada etapa del proceso reduzca tres veces la incertidumbre general de la medición.

El número de neutrones por segundo en el haz se conoce con una precisión muy alta, gracias a una larga serie de avances tecnológicos realizados por el Grupo de Física de Neutrones de PML en el NCNR. "Lo que se obtiene del reactor son neutrones con muchas energías diferentes, "Dice Dewey." Para mediciones precisas del flujo de neutrones, no queremos eso. Lo que queremos es solo una energía, así que ponemos un pedacito de grafito en la viga principal. El rayo lo atraviesa y se refleja solo en una longitud de onda en particular. Luego, esa corriente pasa a un detector especial que hicimos para nuestro experimento de vida útil de neutrones.

"El detector contiene una pequeña pieza de lámina sensible a los neutrones hecha de litio 6 enriquecido. El noventa y nueve por ciento del haz lo atraviesa. El otro 1 por ciento constituye nuestra señal. Hemos pasado años, pero ahora estamos seguros de que puede decirnos cuántos neutrones por segundo pasan a través de él ", con una incertidumbre relativa de aproximadamente 0,06%.

"Es realmente un enfoque novedoso. Nadie más en el mundo tiene un reactor y un rayo en el que puedan hacer esto. Nadie más tiene una esfera de menor tamaño. El 0,85% de incertidumbre que tenemos ahora es prácticamente un estándar entre los Diez laboratorios en el mundo que hacen esto. Si pudiéramos mejorarlo en un factor de tres, eso nos convertiría en los más precisos del mundo ".