Depois de anos de pesquisa, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram e demonstraram uma maneira de contar o número absoluto de nêutrons em um feixe que é quatro vezes mais preciso do que seus melhores resultados anteriores, e 50 vezes mais preciso do que medições semelhantes em qualquer outro lugar do mundo.

"Nossa técnica é totalmente única, "disse o físico do NIST Jeffrey Nico, que com colegas relatam as descobertas em um artigo aceito para Metrologia . "Ninguém mais tem essa capacidade." O novo método utiliza um romance, Aparato "alfa-gama" construído pelo NIST e um exigente, processo de vários estágios que resulta em incertezas de medição final de 0,058% - cerca de seis partes em dez mil.

Determinar o número de nêutrons que se movem em um feixe por unidade de tempo é necessário para aplicações de gerenciamento de energia nuclear à terapia de nêutrons na medicina. Em particular, é extremamente importante para calibrar o NBS-1, a fonte de nêutrons padrão nacional dos EUA e para medir a vida útil de nêutrons livres. Ele também fornece um novo, meios independentes de verificar uma propriedade-chave dos elementos.

Em geral, medir a taxa na qual os nêutrons se movem em um feixe (chamado fluxo de nêutrons) envolve apontar o feixe para um alvo e contar o número e os tipos de produtos emitidos quando os nêutrons interagem com os átomos no alvo. Produtos típicos são partículas alfa e raios gama, dois dos três principais produtos da decomposição radioativa. Partículas alfa contêm dois prótons e dois nêutrons - basicamente um átomo de hélio despojado de elétrons (um núcleo de hélio). Os raios gama são fótons de alta freqüência com mais energia do que os raios-x. Ambos são relativamente fáceis de detectar.

Mas contar as emissões não é suficiente. Também é necessário saber a probabilidade de um nêutron colidir com o núcleo de um átomo em um alvo específico; essa probabilidade, chamado de "seção transversal, "é diferente para cada elemento e para diferentes energias de nêutrons, entre outros fatores. Convencionalmente, a seção transversal é obtida a partir de tabelas de banco de dados de valores médios mundiais obtidos a partir de experimentos.

O novo método NIST evita essa dependência e usa apenas "coisas que são diretamente mensuráveis ​​por nós, "disse o cientista do projeto M. Scott Dewey." Antes, tivemos que obter valores de outro lugar. E se eles estiverem errados, obtemos as respostas erradas. Por exemplo, no caso da vida útil do nêutron, cada vez que o banco de dados revisa seus números, nossa medição de vida muda porque rastreia esses números. Agora não precisamos depender de bancos de dados, ou seções transversais, ou taxas de ramificação, etc. A nova abordagem usa a constância dessas interações fundamentais para transformá-la em um experimento de contagem. "

O processo de quatro estágios começa em um dispositivo "alfa-gama" projetado pelo NIST que possui detectores para partículas alfa e raios gama. Uma fonte de partícula alfa radioativa, cuja taxa de emissão é conhecida dentro de alguns centésimos de um por cento, é colocada no dispositivo, e uma leitura é feita dos detectores alfa. Essa leitura estabelece exatamente qual fração de alfas se registra nos detectores em comparação com a saída conhecida da fonte; isso é, ele calibra os detectores alfa.

Na segunda fase, a fonte alfa é removida, e um alvo fino feito de boro-10 é colocado na câmara, que permite que um feixe de nêutrons cuidadosamente controlado do reator no Centro NIST para Pesquisa de Nêutrons entre por um lado. O feixe atinge o alvo, que emite partículas alfa e fótons de raios gama. A comparação das contagens dos detectores alfa calibrados e dos detectores gama altamente sensíveis resulta em uma proporção. (Por exemplo, pode ser que para cada 1, 000 alfas detectados, 50 gamas são detectados.) Essa proporção calibra os detectores de gama.

Na próxima etapa, o fino alvo de boro-10 é removido e substituído por um pedaço de carboneto de boro espesso o suficiente para absorver cada nêutron que o atinge. Nem todas as partículas alfa podem sair do alvo grosso, mas os raios gama altamente energéticos sim. Por causa da cadeia de calibrações descritas acima, a contagem gama pode ser usada como uma medida precisa do fluxo de nêutrons.

Na fase final do processo, a taxa medida pelo dispositivo alfa-gama é usada simultaneamente para calibrar um monitor de fluxo de nêutrons, um instrumento separado que fica na linha de feixe de nêutrons logo acima do dispositivo alfa-gama. Ele absorve 1% dos nêutrons que chegam; o dispositivo alfa-gama absorve os outros 99 por cento. Então, relacionar a saída do detector do monitor de fluxo com o fluxo de nêutrons conhecido do dispositivo alfa-gama é uma questão de matemática simples.

O monitor de fluxo portátil calibrado, contendo quatro detectores que contam as emissões de alfas e outras partículas pesadas, será usado como uma parte central de uma nova maneira de medir a saída de nêutrons do NBS-1, melhorando sua precisão por um fator de três ou quatro. Ele também terá um papel fundamental no programa em andamento do NIST para determinar a vida útil de um nêutron livre. Embora possa durar eras quando dentro de um núcleo atômico, um nêutron por si só se decompõe em cerca de 15 minutos em um próton e outras partículas. O tempo de vida exato é de grande interesse para os cientistas porque, entre outras coisas, ele determina os tipos de átomos de luz no universo primitivo.

As equipes de pesquisa que usam diferentes técnicas de medição chegaram a tempos de vida que diferem em cerca de oito segundos, cerca de 1 por cento. Usando o novo dispositivo alfa-gama, "esperamos reduzir a incerteza em nossas medições para um segundo, "Nico disse.

Enquanto isso, o dispositivo alfa-gama também se provará desempenhando um papel fundamental na metrologia nuclear. "Essa forma de medir as coisas simplesmente não existia antes, "Dewey disse." E porque ninguém no mundo tem a capacidade de fazer isso, só temos nossa própria palavra de que a coisa realmente funciona. Isso é meio assustador. Gostaríamos que a comunidade nos verificasse sobre isso. "

Uma forma de validar o método é usar o dispositivo alfa-gama "para medir uma seção transversal que já é bem conhecida, e ver se obtemos os mesmos valores, "disse o cientista do projeto Hans Pieter Mumm." Nosso plano é fazer uma medição preliminar do urânio-235 como uma verificação cruzada do dispositivo alfa-gama. A seção transversal do U-235 é conhecida por sua grande precisão. Isso não apenas demonstrará as capacidades de nossa técnica, mas pode abrir uma maneira inteiramente nova de verificar os valores em bancos de dados de seção cruzada padrão. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.