I rivelatori e le sorgenti di neutroni svolgono ruoli critici nella difesa nazionale, sicurezza nazionale, controllo delle centrali nucleari, medicina delle radiazioni, esplorazione petrolifera, scienza dei materiali, immagini industriali, e una miriade di altre applicazioni. È essenziale che questi tipi di dispositivi siano testati periodicamente per verificarne l'accuratezza rispetto a uno standard di radiazione che emette neutroni a una velocità nota e costante con precisione.

Negli Stati Uniti, tutte le calibrazioni di sorgenti e rivelatori sono infine legate alla sorgente di neutroni standard nazionale del NIST chiamata NBS-1, una sfera delle dimensioni di una pallina da golf che contiene un grammo di radio circondata da berillio. Poiché il radio-226 ha un'emivita di 1600 anni, si presume che il numero di neutroni emessi al secondo da NBS-1, messo in servizio per la prima volta negli anni '50, sia estremamente stabile.

Ma la sorgente non è stata calibrata da più di 40 anni a causa della difficoltà intrinseca delle numerose misurazioni coinvolte. Ora gli scienziati della divisione di fisica delle radiazioni del laboratorio di misurazione fisica del NIST hanno lanciato un nuovo esperimento progettato per calibrare l'NBS-1 con un metodo completamente nuovo e, così facendo, ridurre le incertezze nel suo tasso di emissione noto di un fattore tre.

L'emissione di neutroni di NBS-1 viene osservata posizionandola al centro di una sfera in fibra di vetro, 1,3 metri di diametro. È riempito con oltre 1400 kg (3200 libbre) di una soluzione rosata di acqua e solfato di manganese (MnSO4), una sorta di "bagno al manganese, " che assorbe i neutroni. Il tasso di emissione dei neutroni può essere misurato in modo abbastanza accurato utilizzando un processo ben compreso che non conta direttamente i neutroni, ma piuttosto rileva i fotoni di raggi gamma emessi dalla complessa sequenza di decadimento che ne risulta, per molte ore, quando i neutroni della sorgente da misurare interagiscono con i nuclei degli atomi di manganese di MnSO4.

Durante la misurazione, la soluzione di MnSO4 viene continuamente pompata attraverso un tubo che porta dal bagno a un rivelatore di raggi gamma schermato, dove si contano i fotoni. "Funziona magnificamente, " dice lo scienziato del progetto Scott Dewey. "Il segnale dei raggi gamma è veramente proporzionale al flusso di neutroni".

Ma quella misurazione di per sé non fornisce una calibrazione del tasso di emissione, perché il numero di fotoni di raggi gamma per unità di tempo dipende in modo critico sia dalla forza della sorgente di neutroni che dalla propensione dell'idrogeno ad assorbire un neutrone rispetto a quella del manganese nella soluzione. Circa la metà dei neutroni emessi dalla sorgente radioattiva vengono assorbiti dagli atomi di idrogeno nel bagno, e non contribuiscono al conteggio finale dei raggi gamma; la percentuale esatta dipende dal rapporto tra acqua e MnSO4 nel bagno, e sul rapporto tra il manganese e le sezioni d'urto di assorbimento dei neutroni di idrogeno.

Così, nelle calibrazioni convenzionali, la sorgente è posta in un bagno di manganese, e i ricercatori variano la concentrazione di MnSO4 con incrementi specifici e misurano i cambiamenti nelle emissioni di raggi gamma. "Mentre cambi la proporzione di manganese in acqua [H2O] nella soluzione, si misura l'uscita a diversi livelli, " Dice Dewey. "Poi puoi tracciare i risultati ed estrapolare a zero idrogeno, e questo ti dà il rapporto che devi conoscere." Usando questo metodo, il tasso di emissione di NBS-1 è stato determinato con un'incertezza di circa lo 0,85%.

Il nuovo schema di calibrazione è completamente diverso. Il suo obiettivo è fornire una sorgente di neutroni di riferimento, separato da NBS-1, il cui tasso di emissione sarà determinato con una precisione molto elevata confrontandolo con un fascio di neutroni freddo proveniente dal reattore del NIST Center for Neutron Research (NCNR).

La grande sfera che circonda NBS-1 non è portatile, e non può essere spostato nella sala NCNR. Così, la calibrazione avverrà nel secondo del NIST, più piccoli, sfera, che è circa la metà delle dimensioni del bagno più grande ma, altrimenti, funziona in modo identico. Il NIST ha costruito la sfera più piccola dopo gli attacchi dell'11 settembre 2001, quando il Department of Homeland Security aveva bisogno di calibrare una sorgente di neutroni che si avvicinasse al livello più basso di emissioni da materiali che potrebbero essere usati dai terroristi.

La calibrazione avverrà in due fasi. Primo, un emettitore di neutroni identico a NBS-1 ma con metà della sua attività sarà posto al centro della piccola sfera e la sua velocità di emissione sarà misurata dall'emissione di raggi gamma dalla soluzione. La sorgente verrà quindi rimossa e un fascio di neutroni contenente un numero noto di neutroni al secondo (o flusso di neutroni) verrà diretto al centro della sfera e verrà nuovamente misurato il segnale dei raggi gamma.

"Nella piccola sfera, "Dewey dice, "alterneremo le letture del fascio di neutroni, quindi spegnerlo e inserire la sorgente radioattiva, e andare avanti e indietro nelle letture del rilevatore. Ciò calibrerà la sorgente di riferimento radioattivo. Quella sorgente verrà quindi collocata nella sfera grande e utilizzata come standard rispetto al quale è possibile calibrare NBS-1." Si prevede che l'incertezza più bassa di ogni fase del processo riduca di tre volte l'incertezza di misurazione complessiva.

Il numero di neutroni al secondo nel raggio è noto con una precisione molto elevata, grazie a una lunga serie di progressi tecnologici realizzati dal Neutron Physics Group di PML presso l'NCNR. "Quello che ottieni dal reattore sono neutroni con molte energie diverse, " Dice Dewey. "Per misurazioni precise del flusso di neutroni, non lo vogliamo. Quello che vogliamo è solo un'energia, quindi mettiamo un pezzetto di grafite nella trave principale. Il raggio lo attraversa e si riflette solo su una particolare lunghezza d'onda. Quel flusso va poi in uno speciale rivelatore che abbiamo realizzato per il nostro esperimento sulla vita dei neutroni.

"Il rivelatore contiene un piccolo pezzo di pellicola sensibile ai neutroni fatta di litio-6 arricchito. Il novantanove percento del raggio lo attraversa. L'altro 1% costituisce il nostro segnale. Abbiamo passato anni, ma ora siamo sicuri che può dirci quanti neutroni al secondo lo attraversano." con un'incertezza relativa di circa lo 0,06%.

"È davvero un approccio nuovo. Nessun altro al mondo ha un reattore e un raggio su cui può farlo. Nessun altro ha una sfera di dimensioni più piccole. L'incertezza dello 0,85% che abbiamo ora è praticamente uno standard tra i forse 10 laboratori nel mondo che lo fanno. Se potessimo migliorarlo di un fattore tre, questo ci renderebbe i più precisi al mondo."