Después de años de investigación, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado y demostrado una forma de contar el número absoluto de neutrones en un haz que es cuatro veces más preciso que sus mejores resultados anteriores. y 50 veces más precisa que mediciones similares en cualquier otro lugar del mundo.

"Nuestra técnica es completamente única, "dijo el físico del NIST Jeffrey Nico, que con sus colegas informan los hallazgos en un artículo aceptado para Metrologia . "Nadie más tiene esta capacidad". El nuevo método utiliza una novedad, Aparato "alfa-gamma" construido por NIST y un proceso de múltiples etapas que resulta en incertidumbres de medición final de 0.058%, aproximadamente seis partes en diez mil.

Es necesario determinar el número de neutrones que se mueven en un haz por unidad de tiempo para aplicaciones que van desde la gestión de la energía nuclear hasta la terapia de neutrones en medicina. En particular, es de vital importancia para calibrar NBS-1, fuente de neutrones estándar nacional de EE. UU. y para medir la vida útil de los neutrones libres. También proporciona un nuevo medios independientes de verificar una propiedad clave de los elementos.

En general, medir la velocidad a la que los neutrones se mueven en un haz (llamado flujo de neutrones) implica apuntar el haz a un objetivo y contar el número y los tipos de productos emitidos cuando los neutrones interactúan con los átomos en el objetivo. Los productos típicos son partículas alfa y rayos gamma, dos de los tres principales productos de la desintegración radiactiva. Las partículas alfa contienen dos protones y dos neutrones, básicamente un átomo de helio despojado de electrones (un núcleo de helio). Los rayos gamma son fotones de alta frecuencia con más energía que los rayos X. Ambos son relativamente sencillos de detectar.

Pero contar las emisiones no es suficiente. También es necesario conocer la probabilidad de que un neutrón se estrelle contra el núcleo de un átomo en un objetivo en particular; esa probabilidad, llamada "sección transversal, "es diferente para cada elemento y para diferentes energías de neutrones, entre otros factores. Convencionalmente la sección transversal se obtiene de tablas de bases de datos de valores medios mundiales obtenidos de experimentos.

El nuevo método NIST evita esa dependencia y utiliza solo "cosas que podemos medir directamente, ", dijo el científico del proyecto M. Scott Dewey." Antes, teníamos que obtener valores de otros lugares. Y si se equivocan obtenemos las respuestas incorrectas. Por ejemplo, en el caso de la vida útil de los neutrones, cada vez que la base de datos revisa sus números, nuestra medición de por vida cambia porque rastrea esos números. Ahora no tenemos que depender de bases de datos, o secciones transversales, o proporciones de ramificación, etc. El nuevo enfoque utiliza la constancia de estas interacciones fundamentales para convertirlo en un experimento de conteo ".

El proceso de cuatro etapas comienza en un dispositivo "alfa-gamma" diseñado por NIST que tiene detectores para partículas alfa y rayos gamma. Se coloca en el dispositivo una fuente de partículas alfa radiactivas cuya tasa de emisión se conoce dentro de unas pocas centésimas del uno por ciento, y se toma una lectura de los detectores alfa. Esa lectura establece exactamente qué fracción de alfa se registra en los detectores en comparación con la salida conocida de la fuente; es decir, calibra los detectores alfa.

En la segunda etapa, se elimina la fuente alfa, y se coloca un blanco delgado hecho de boro-10 en la cámara, lo que permite que un haz de neutrones cuidadosamente controlado desde el reactor del Centro de Investigación de Neutrones del NIST entre por un lado. El rayo golpea el objetivo, que emite tanto partículas alfa como fotones de rayos gamma. La comparación de los recuentos de los detectores alfa calibrados y los detectores gamma de alta sensibilidad da como resultado una relación. (Por ejemplo, podría ser que por cada 1, 000 alfas detectadas, Se detectan 50 gamma.) Esa relación calibra los detectores de gamma.

En la siguiente etapa, el objetivo delgado de boro-10 se elimina y se reemplaza por un trozo de carburo de boro lo suficientemente grueso como para absorber cada neutrón que lo golpee. No todas las partículas alfa pueden salir del objetivo grueso, pero los rayos gamma de alta energía sí lo hacen. Debido a la cadena de calibraciones descrita anteriormente, el recuento gamma se puede utilizar como una medida precisa del flujo de neutrones.

En la etapa final del proceso, la velocidad medida por el dispositivo alfa-gamma se utiliza simultáneamente para calibrar un monitor de flujo de neutrones, un instrumento separado que se encuentra en la línea del haz de neutrones, aguas arriba del dispositivo alfa-gamma. Absorbe el 1 por ciento de los neutrones entrantes; el dispositivo alfa-gamma absorbe el otro 99 por ciento. Entonces, relacionar la salida del detector del monitor de flujo con el flujo de neutrones conocido del dispositivo alfa-gamma es una cuestión de matemática simple.

El monitor de flujo portátil calibrado, que contiene cuatro detectores que cuentan las emisiones de alfa y otras partículas pesadas, se utilizará como parte central de una nueva forma de medir la salida de neutrones de NBS-1, mejorando su precisión en un factor de tres o cuatro. También jugará un papel clave en el programa en curso del NIST para concretar la vida útil de un neutrón libre. Aunque puede durar eones dentro de un núcleo atómico, un neutrón por sí solo se descompone en unos 15 minutos en un protón y otras partículas. La vida exacta es de gran interés para los científicos porque, entre otras cosas, determina los tipos de átomos de luz en el universo temprano.

Los equipos de investigación que utilizan diferentes técnicas de medición han llegado a vidas que difieren en unos ocho segundos, alrededor del 1 por ciento. Usando el nuevo dispositivo alfa-gamma, "esperamos reducir la incertidumbre en nuestras mediciones a un segundo, "Dijo Nico.

Mientras tanto, el dispositivo alfa-gamma también demostrará su valía al desempeñar un papel clave en la metrología nuclear. "Esta forma de medir las cosas simplemente no existía antes, ", Dijo Dewey." Y como nadie en el mundo tiene la capacidad para hacerlo, solo tenemos nuestra propia palabra de que la cosa realmente funciona. Eso es un poco aterrador. Nos gustaría que la comunidad nos revisara esto ".

Una forma de validar el método es utilizar el dispositivo alfa-gamma "para medir una sección transversal que ya es bien conocida, y ver si obtenemos los mismos valores, ", dijo el científico del proyecto Hans Pieter Mumm." Nuestro plan es hacer una medición preliminar de uranio-235 como una verificación cruzada del dispositivo alfa-gamma. La sección transversal del U-235 se conoce con gran precisión. Eso no solo demostrará las capacidades de nuestra técnica, pero podría abrir una forma completamente nueva de verificar los valores en bases de datos estándar de sección transversal ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.