Dopo anni di ricerche, scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato e dimostrato un modo per contare il numero assoluto di neutroni in un raggio che è quattro volte più accurato dei loro migliori risultati precedenti, e 50 volte più accurate di misurazioni simili in qualsiasi altra parte del mondo.

"La nostra tecnica è del tutto unica, " ha detto il fisico del NIST Jeffrey Nico, che con i colleghi riportano i risultati in un articolo accettato per metrologia . "Nessun altro ha questa capacità." Il nuovo metodo utilizza un romanzo, Apparato "alfa-gamma" costruito dal NIST e un esigente, processo a più stadi che si traduce in incertezze di misurazione finale dello 0,058 %, circa sei parti su diecimila.

La determinazione del numero di neutroni che si muovono in un raggio per unità di tempo è necessaria per applicazioni dalla gestione dell'energia nucleare alla terapia con neutroni in medicina. In particolare, è di fondamentale importanza per calibrare NBS-1, la sorgente di neutroni standard nazionale degli Stati Uniti e per misurare la durata dei neutroni liberi. Fornisce inoltre un nuovo, mezzi indipendenti per verificare una proprietà chiave degli elementi.

Generalmente, misurare la velocità con cui i neutroni si muovono in un raggio (chiamato flusso di neutroni) implica puntare il raggio su un bersaglio e contare il numero e i tipi di prodotti emessi quando i neutroni interagiscono con gli atomi nel bersaglio. I prodotti tipici sono particelle alfa e raggi gamma, due dei tre principali prodotti del decadimento radioattivo. Le particelle alfa contengono due protoni e due neutroni fondamentalmente un atomo di elio privato degli elettroni (un nucleo di elio). I raggi gamma sono fotoni ad alta frequenza con più energia dei raggi X. Entrambi sono relativamente semplici da rilevare.

Ma contare le emissioni non basta. È anche necessario conoscere la probabilità che un neutrone colpisca il nucleo di un atomo in un particolare bersaglio; quella probabilità, chiamato la "sezione trasversale, " è diverso per ogni elemento e per diverse energie di neutroni, tra gli altri fattori. Convenzionalmente, la sezione d'urto è ottenuta dalle tabelle del database dei valori medi mondiali ottenuti da esperimenti.

Il nuovo metodo NIST evita tale dipendenza e utilizza solo "cose ​​che sono direttamente misurabili da noi, " ha detto lo scienziato del progetto M. Scott Dewey. "Prima, dovevamo ottenere valori da altrove. E se si sbagliano, otteniamo le risposte sbagliate. Per esempio, nel caso della vita dei neutroni, ogni volta che il database rivede i suoi numeri, la nostra misurazione della vita cambia perché tiene traccia di quei numeri. Ora non dobbiamo fare affidamento sui database, o sezioni trasversali, o rapporti di ramificazione, ecc. Il nuovo approccio utilizza la costanza di queste interazioni fondamentali per trasformarlo in un esperimento di conteggio".

Il processo in quattro fasi inizia in un dispositivo "alfa-gamma" progettato dal NIST che dispone di rilevatori sia per le particelle alfa che per i raggi gamma. Una sorgente di particelle alfa radioattive il cui tasso di emissione è noto entro pochi centesimi di percento viene collocata nel dispositivo, e una lettura viene presa dai rivelatori alfa. Tale lettura stabilisce esattamente quale frazione di alfa si registra nei rivelatori rispetto all'uscita ben nota della sorgente; questo è, calibra i rilevatori alfa.

Nella seconda fase, la sorgente alfa viene rimossa, e nella camera viene posto un bersaglio sottile di boro-10, che consente a un fascio di neutroni accuratamente controllato proveniente dal reattore del Centro NIST per la ricerca sui neutroni di entrare da un lato. Il raggio colpisce il bersaglio, che emette sia particelle alfa che fotoni di raggi gamma. Confrontando i conteggi dei rivelatori alfa calibrati e dei rivelatori gamma altamente sensibili si ottiene un rapporto. (Per esempio, potrebbe essere che per ogni 1, 000 alfa rilevati, Vengono rilevati 50 gamma.) Quel rapporto calibra i rilevatori di gamma.

Nella fase successiva, il bersaglio sottile di boro-10 viene rimosso e sostituito da un pezzo di carburo di boro abbastanza spesso da assorbire ogni neutrone che lo colpisce. Non tutte le particelle alfa possono uscire dal bersaglio spesso, ma i raggi gamma altamente energetici sì. A causa della catena di calibrazioni sopra descritta, il conteggio gamma può essere utilizzato come misura accurata del flusso di neutroni.

Nella fase finale del processo, la velocità misurata dal dispositivo alfa-gamma viene utilizzata contemporaneamente per calibrare un monitor di flusso di neutroni, uno strumento separato che si trova nella linea del fascio di neutroni appena a monte del dispositivo alfa-gamma. Assorbe l'1% dei neutroni in arrivo; il dispositivo alfa-gamma assorbe il restante 99 percento. Così, mettere in relazione l'uscita del rivelatore di monitoraggio del flusso con il flusso di neutroni noto dal dispositivo alfa-gamma è una questione di semplice matematica.

Il monitor di flusso portatile calibrato, contenente quattro rilevatori che contano le emissioni di alfa e altre particelle pesanti, sarà utilizzato come parte centrale di un nuovo modo per misurare l'uscita di neutroni da NBS-1, migliorandone la precisione di un fattore tre o quattro. Svolgerà anche un ruolo chiave nel programma in corso del NIST per definire la durata di un neutrone libero. Sebbene possa durare per eoni quando si trova all'interno di un nucleo atomico, un neutrone da solo si scompone in circa 15 minuti in un protone e altre particelle. La durata esatta è di grande interesse per gli scienziati perché, tra l'altro, determina i tipi di atomi di luce nell'universo primordiale.

I team di ricerca che utilizzano diverse tecniche di misurazione hanno escogitato tempi di vita che differiscono di circa otto secondi, circa l'1 per cento. Utilizzando il nuovo dispositivo alfa-gamma, "speriamo di ridurre l'incertezza nelle nostre misurazioni a un secondo, " disse Nico.

Nel frattempo, il dispositivo alfa-gamma si dimostrerà anche giocando un ruolo chiave nella metrologia nucleare. "Questo modo di misurare le cose semplicemente non esisteva prima, " Ha detto Dewey. "E poiché nessuno al mondo ha la capacità di farlo, abbiamo solo la nostra parola che la cosa funziona davvero. È un po' spaventoso. Vorremmo che la comunità ci controllasse su questo".

Un modo per convalidare il metodo è utilizzare il dispositivo alfa-gamma "per misurare una sezione trasversale già ben nota, e vediamo se otteniamo gli stessi valori, " ha detto lo scienziato del progetto Hans Pieter Mumm. "Il nostro piano è di eseguire una misurazione preliminare dell'uranio-235 come controllo incrociato del dispositivo alfa-gamma. La sezione trasversale dell'U-235 è nota per la grande precisione. Non solo questo dimostrerà le capacità della nostra tecnica, ma potrebbe aprire un modo completamente nuovo di verificare i valori nei database delle sezioni trasversali standard".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.