Étape 1 – Une source de rayonnement extrêmement bien caractérisée est placée dans le dispositif alpha-gamma. Crédit : Sean Kelley/NIST
Après des années de recherche, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé et démontré un moyen de compter le nombre absolu de neutrons dans un faisceau qui est quatre fois plus précis que leurs meilleurs résultats précédents, et 50 fois plus précis que des mesures similaires partout ailleurs dans le monde.
"Notre technique est tout à fait unique, " a déclaré le physicien du NIST Jeffrey Nico, qui, avec des collègues, rapportent les résultats dans un article accepté pour Métrologie . "Personne d'autre n'a cette capacité." La nouvelle méthode utilise un roman, Appareil "alpha-gamma" construit par le NIST et un processus en plusieurs étapes qui aboutit à des incertitudes de mesure finales de 0,058 %, soit environ six parties sur dix mille.
La détermination du nombre de neutrons se déplaçant dans un faisceau par unité de temps est nécessaire pour des applications allant de la gestion de l'énergie nucléaire à la thérapie neutronique en médecine. En particulier, il est d'une importance cruciale pour l'étalonnage de NBS-1, la source de neutrons standard nationale des États-Unis et pour mesurer la durée de vie des neutrons libres. Il fournit également une nouvelle, moyens indépendants de vérifier une propriété clé des éléments.
En général, mesurer la vitesse à laquelle les neutrons se déplacent dans un faisceau (appelé flux de neutrons) consiste à diriger le faisceau vers une cible et à compter le nombre et les types de produits émis lorsque les neutrons interagissent avec les atomes de la cible. Les produits typiques sont les particules alpha et les rayons gamma, deux des trois principaux produits de la désintégration radioactive. Les particules alpha contiennent deux protons et deux neutrons ― essentiellement un atome d'hélium dépourvu d'électrons (un noyau d'hélium). Les rayons gamma sont des photons à haute fréquence avec plus d'énergie que les rayons X. Les deux sont relativement simples à détecter.
Étape 2 – Un faisceau contrôlé de neutrons traverse l'appareil, frapper une cible mince. Crédit :Sean Kelley/NIST
Mais compter les émissions ne suffit pas. Il est également nécessaire de connaître la probabilité qu'un neutron percute le noyau d'un atome dans une cible particulière; cette probabilité, appelé la "section transversale, " est différent pour chaque élément et pour différentes énergies neutroniques, entre autres facteurs. Classiquement, la section efficace est obtenue à partir de tables de base de données des valeurs moyennes mondiales obtenues à partir d'expériences.
La nouvelle méthode du NIST évite cette dépendance et n'utilise que "des choses qui sont directement mesurables par nous, " a déclaré le scientifique du projet M. Scott Dewey. " Avant, nous devions obtenir des valeurs d'ailleurs. Et s'ils se trompent, nous obtenons les mauvaises réponses. Par exemple, dans le cas de la durée de vie des neutrons, chaque fois que la base de données révise ses numéros, notre mesure de la durée de vie change car elle suit ces chiffres. Maintenant, nous n'avons plus à nous fier aux bases de données, ou coupes transversales, ou des rapports de branchement, etc. La nouvelle approche utilise la constance de ces interactions fondamentales pour en faire une expérience de comptage."
Le processus en quatre étapes commence dans un dispositif "alpha-gamma" conçu par le NIST et doté de détecteurs à la fois pour les particules alpha et les rayons gamma. Une source radioactive de particules alpha dont le taux d'émission est connu à quelques centièmes de pour cent près est placée dans l'appareil, et une lecture est effectuée à partir des détecteurs alpha. Cette lecture établit exactement quelle fraction d'alphas s'enregistre dans les détecteurs par rapport à la sortie bien connue de la source ; C'est, il calibre les détecteurs alpha.
Dans la deuxième étape, la source alpha est supprimée, et une cible mince en bore-10 est placée dans la chambre, qui permet à un faisceau de neutrons soigneusement contrôlé du réacteur du NIST Center for Neutron Research d'entrer d'un côté. Le faisceau atteint la cible, qui émet à la fois des particules alpha et des photons gamma. La comparaison des décomptes des détecteurs alpha étalonnés et des détecteurs gamma hautement sensibles donne un rapport. (Par exemple, il se pourrait que pour chaque 1, 000 alphas détectés, 50 gammas sont détectés.) Ce rapport calibre les détecteurs gamma.
Étape 3 – La cible mince est remplacée par une cible épaisse qui absorbe tous les neutrons incidents. Crédit :Sean Kelley/NIST
Dans la prochaine étape, la fine cible de bore-10 est retirée et remplacée par un morceau de carbure de bore suffisamment épais pour absorber chaque neutron qui la frappe. Toutes les particules alpha ne peuvent pas sortir de la cible épaisse, mais les rayons gamma hautement énergétiques le font. En raison de la chaîne d'étalonnages décrite ci-dessus, le comptage gamma peut être utilisé comme une mesure précise du flux de neutrons.
Dans la dernière étape du processus, le taux mesuré par le dispositif alpha-gamma est utilisé simultanément pour étalonner un moniteur de flux neutronique, un instrument séparé qui se trouve dans la ligne de faisceau de neutrons juste en amont du dispositif alpha-gamma. Il absorbe 1 pour cent des neutrons entrants; le dispositif alpha-gamma absorbe les 99% restants. Donc, relier la sortie du détecteur de moniteur de flux au flux de neutrons connu du dispositif alpha-gamma est une question de mathématiques simples.
Le moniteur de flux portable calibré, contenant quatre détecteurs qui comptent les émissions d'alphas et autres particules lourdes, sera utilisé comme élément central d'une nouvelle façon de mesurer la sortie de neutrons de NBS-1, améliorant sa précision par un facteur de trois ou quatre. Il jouera également un rôle clé dans le programme en cours du NIST pour déterminer la durée de vie d'un neutron libre. Bien qu'il puisse durer des éons à l'intérieur d'un noyau atomique, un neutron se décompose en 15 minutes environ en un proton et d'autres particules. La durée de vie exacte est d'un grand intérêt pour les scientifiques car, entre autres, il détermine les types d'atomes de lumière dans l'univers primitif.
Des équipes de recherche utilisant différentes techniques de mesure ont mis au point des durées de vie qui diffèrent d'environ huit secondes, environ 1 pour cent. En utilisant le nouveau dispositif alpha-gamma, "nous espérons réduire l'incertitude de nos mesures à une seconde, " dit Nico.
Étape 4 – Les mesures de débit sont utilisées pour étalonner un moniteur portable. Crédit :Sean Kelley/NIST
Pendant ce temps, le dispositif alpha-gamma fera également ses preuves en jouant un rôle clé dans la métrologie nucléaire. "Cette façon de mesurer les choses n'existait pas avant, " a déclaré Dewey. " Et parce que personne au monde n'a la capacité de le faire, nous n'avons que notre propre parole que la chose fonctionne vraiment. C'est un peu effrayant. Nous aimerions que la communauté nous vérifie à ce sujet. »
Une façon de valider la méthode est d'utiliser l'appareil alpha-gamma "pour mesurer une section efficace déjà bien connue, et voir si nous obtenons les mêmes valeurs, " a déclaré le scientifique du projet Hans Pieter Mumm. "Notre plan est de faire une mesure préliminaire de l'uranium-235 en tant que contre-vérification du dispositif alpha-gamma. La section transversale de l'U-235 est connue avec une grande précision. Non seulement cela démontrera les capacités de notre technique, mais cela pourrait ouvrir une toute nouvelle façon de vérifier les valeurs dans les bases de données de sections transversales standard."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
