Les détecteurs et sources de neutrons jouent un rôle essentiel dans la défense nationale, la sécurité intérieure, contrôle des centrales nucléaires, médecine radiologique, prospection pétrolière, la science des matériaux, imagerie industrielle, et une foule d'autres applications. Il est essentiel que ces types d'appareils soient testés périodiquement pour leur précision par rapport à une norme de rayonnement qui émet des neutrons à un taux connu et constant avec précision.

Aux Etats-Unis, tous les étalonnages des sources et des détecteurs sont finalement liés à la source de neutrons standard nationale du NIST appelée NBS-1, une sphère de la taille d'une balle de golf qui contient un gramme de radium entouré de béryllium. Parce que le radium-226 a une demi-vie de 1600 ans, le nombre de neutrons émis par seconde par NBS-1, mis en service pour la première fois dans les années 1950, est présumé extrêmement stable.

Mais la source n'a pas été calibrée depuis plus de 40 ans en raison de la difficulté inhérente aux nombreuses mesures impliquées. Aujourd'hui, les scientifiques de la division de physique des rayonnements du laboratoire de mesure physique du NIST ont lancé une nouvelle expérience conçue pour calibrer le NBS-1 par une méthode entièrement nouvelle et, ce faisant, réduire d'un facteur trois les incertitudes sur son taux d'émission connu.

La sortie de neutrons de NBS-1 est observée en le plaçant au centre d'une sphère en fibre de verre, 1,3 mètre de diamètre. Il est rempli de plus de 1400 kg (3200 livres) d'une solution rosâtre d'eau et de sulfate de manganèse (MnSO4), une sorte de "bain au manganèse, " qui absorbe les neutrons. Le taux d'émission de neutrons peut être mesuré assez précisément en utilisant un processus bien compris qui ne compte pas directement les neutrons, mais détecte plutôt les photons gamma émis par la séquence de désintégration complexe qui en résulte, pendant de nombreuses heures, lorsque les neutrons de la source mesurée interagissent avec les noyaux des atomes de manganèse de MnSO4.

Pendant la mesure, la solution de MnSO4 est pompée en continu à travers un tube menant du bain à un détecteur de rayons gamma blindé, où les photons sont comptés. "Ça marche à merveille, ", explique le scientifique du projet Scott Dewey. "Le signal de rayons gamma est vraiment proportionnel au flux de neutrons."

Mais cette mesure en elle-même ne fournit pas un étalonnage du taux d'émission, parce que le nombre de photons gamma par unité de temps dépend de manière critique à la fois de la force de la source de neutrons et de la propension de l'hydrogène à absorber un neutron par rapport à celle du manganèse dans la solution. Environ la moitié des neutrons émis par la source radioactive sont absorbés par les atomes d'hydrogène dans le bain, et ne contribuent pas au décompte final des rayons gamma ; le pourcentage exact dépend du rapport eau/MnSO4 dans le bain, et sur le rapport des sections efficaces d'absorption des neutrons du manganèse à l'hydrogène.

Donc, dans les étalonnages conventionnels, la source est placée dans un bain de manganèse, et les chercheurs font varier la concentration de MnSO4 par incréments spécifiques et mesurent les changements dans les émissions de rayons gamma. « Lorsque vous modifiez la proportion de manganèse par rapport à l'eau [H2O] dans la solution, vous mesurez la sortie à différents niveaux, " Dit Dewey. " Ensuite, vous pouvez tracer les résultats et extrapoler à zéro hydrogène, et cela vous donne le rapport que vous devez connaître. » En utilisant cette méthode, le taux d'émission de NBS-1 a été déterminé avec une incertitude d'environ 0,85 %.

Le nouveau schéma d'étalonnage est complètement différent. Son objectif est de fournir une source de neutrons de référence, séparé de NBS-1, dont le taux d'émission sera déterminé avec une très grande précision en le comparant à un faisceau de neutrons froids provenant du réacteur du NIST Center for Neutron Research (NCNR).

La grande sphère entourant NBS-1 n'est pas portable, et ne peut pas être déplacé dans le hall de la NCNR. Donc, l'étalonnage aura lieu dans la seconde du NIST, plus petite, sphère, qui est environ la moitié de la taille de la plus grande baignoire mais, autrement, fonctionne de manière identique. Le NIST a construit la plus petite sphère après les attentats du 11 septembre 2001, lorsque le Department of Homeland Security avait besoin d'un étalonnage d'une source de neutrons se rapprochant du niveau inférieur d'émissions de matériaux qui pourraient être utilisés par des terroristes.

L'étalonnage se déroulera en deux étapes. D'abord, un émetteur de neutrons identique à NBS-1 mais avec la moitié de son activité sera placé au centre de la petite sphère et son taux d'émission sera mesuré par la sortie de rayons gamma de la solution. La source sera alors retirée et un faisceau de neutrons contenant un nombre connu de neutrons par seconde (ou flux de neutrons) sera dirigé vers le centre de la sphère et le signal gamma sera à nouveau mesuré.

« Dans la petite sphère, " Dewey dit, "nous alternerons les lectures du faisceau de neutrons, puis éteignez-le et insérez la source radioactive, et aller et venir dans les lectures du détecteur. Cela calibrera la source radioactive de référence. Cette source sera ensuite placée dans la grande sphère et utilisée comme étalon par rapport auquel NBS-1 peut être calibré. » L'incertitude plus faible de chaque étape du processus devrait tripler l'incertitude de mesure globale.

Le nombre de neutrons par seconde dans le faisceau est connu avec une très grande précision, grâce à une longue série d'avancées technologiques réalisées par le groupe de physique des neutrons de PML au NCNR. "Ce que vous obtenez du réacteur, ce sont des neutrons avec beaucoup d'énergies différentes, " dit Dewey. " Pour des mesures précises du flux de neutrons, nous ne voulons pas de cela. Ce que nous voulons, c'est juste une énergie, donc nous avons mis un petit morceau de graphite dans la poutre principale. Le faisceau le traverse et se réfléchit sur une seule longueur d'onde particulière. Ce flux passe ensuite dans un détecteur spécial que nous avons fabriqué pour notre expérience sur la durée de vie des neutrons.

"Le détecteur contient un petit morceau de feuille sensible aux neutrons en lithium-6 enrichi. Quatre-vingt-dix-neuf pour cent du faisceau le traverse. L'autre pour cent constitue notre signal. Nous avons passé des années, mais maintenant nous sommes sûrs qu'il peut nous dire combien de neutrons par seconde le traversent." avec une incertitude relative d'environ 0,06 %.

"C'est vraiment une nouvelle approche. Personne d'autre dans le monde n'a un réacteur et un faisceau sur lesquels ils peuvent faire cela. Personne d'autre n'a une sphère de plus petite taille. L'incertitude de 0,85 % que nous avons maintenant est à peu près une norme parmi les peut-être 10 labos dans le monde qui font cela. Si nous pouvions l'améliorer d'un facteur trois, cela ferait de nous le plus précis du monde."