Pulsformdiskrimination und Lichtausbeutemessungen von LAB-basierten Flüssigszintillatoren

Die Grundlage vieler zukünftiger Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente (SNO+, Daya Bay, LENA) ist das Lösungsmittel Lineare-Alkyl-Benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13). Zusammen mit dem weit verbreiteten Szintillator 2,5-Diphenyloxazole (PPO) ist es ein farb- und geruchsloses Detektormaterial mit hohem Flammpunkt. Im Vergleich zu toluol- oder xylolbasierten Szintillatoren ist LAB+PPO preiswert und nicht gesundheitsschädlich. Die Eigenschaften von LAB machen es ebenfalls interessant für die Anwendung an nELBE, die Neutronenfugzeitanlage im Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Lichtausbeute im niederenergetischen Bereich (bis 2 MeV) wird vorgestellt. Kombiniert wurden Messungen mit (quasi) monoenergetischen Gammastrahlungs-Prüfstrahlern und einem in dieser Arbeit aufgebauten Compton-Spektrometer. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Lichtausbeute bis zu 5 keVee. Der Birks-Parameter wurde für eine Lösung von LAB + 3 g/l PPO sowie für den Flüssigszintillator NE-213 bestimmt. Die relative Lichtausbeute in Bezug auf letzteren konnte mit diesen Messmethoden ebenfalls ermittelt werden. Zur spektralen Analyse des Lumineszenzlichtes wurden Messungen an Fluoreszenz- und UV/VIS- Spektrometern durchgeführt. Die Pulsformdiskriminationsfähigkeit auf LAB basierenden Szintillatoren wurde während eines Flugzeitexperiments in einem gemischten n-gamma-Feld eines Cf(252)-Prüfstrahlers ermittelt. Dabei kamen unterschiedliche Algorithmen der semi-analogen und digitalen Pulsformdiskrimination zum Einsatz.Linear alkyl benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13) is the proposed solvent for the SNO+, the Daya Bay Neutrino and LENA experiment. In solution with the commonly used scintillator PPO it is a colourless, odourless and cheap liquid scintillator with a high fash point and low health hazard compared to toluene based ones. The properties of LAB make this scintillator interesting also for nELBE, the neutron time-of-fight facility at Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. A new approach to measure the light yield in the low-energy range using a combination of quasi-monoenergetic photon sources and a Compton-spectrometer is described. The latter allows the measurement of the light yield down to 5 keVee (electron equivalent). The Birks- Parameter was determined for a homemade solution (LAB + 3 g/l PPO) and for NE-213. The light yield (relative to this standard scintillator) was confrmed by measurements using a fuorescence spectrometer. The ability of pulse-shape-discrimination in a mixed n-gamma- field of a Cf(252) source was tested using different digital and semi-analogue techniques

Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242)

Präzise neutroneninduzierte Spaltquerschnitte von Actinoiden wie den Plutoniumisotopen haben für die Entwicklung zukünftiger Transmutationstechnologien eine große Bedeutung. Die Unsicherheiten des Pu(242)-Spaltquerschnitts im schnellen Bereich des Spektrums betragen derzeit etwa 21 %. Aktuelle Sensitivitätsstudien haben gezeigt, dass nur eine Reduzierung dieser Unsicherheiten auf unter 5% verlässliche neutronenphysikalische Simulationen zulässt. Diese anspruchsvolle Aufgabe konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit an der Neutronenfugzeitanlage nELBE durchgeführt werden. Dünne, homogene und großfächige Actinoiden-Proben wurden dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf innerhalb des TRAKULA-Verbundprojektes zur Verfügung gestellt. Eingesetzt in eine neu entwickelte Spaltionisationskammer ermöglichten sie eine akkurate Bestimmung des Pu(242)- Spaltquerschnitts relativ zu U(235). Die Flächendichten der Plutoniumschichten wurden anhand der spontanen Spaltrate von Pu(242) bestimmt. Aufwändige Teilchentransportsimulationen (durchgeführt mit Geant 4, MCNP 6 und FLUKA) wurden genutzt, um die auftretende Neutronenstreuung zu korrigieren. Die gewonnenen Ergebnisse sind im Rahmen ihrer Unsicherheiten in guter Übereinstimmung mit aktuellen Kerndatenevaluierungen.:1 Einleitung 1.1 Partitionierung und Transmutation 1.2 Die Bedeutung von Pu(242) für P&T 1.3 Bisherige Experimente 1.4 Evaluierungen 1.5 Gliederung dieser Arbeit 2 Spaltwahrscheinlichkeit 2.1 Statistisches Modell und Compoundkern 2.2 Kernreaktionsrechnungen 3 Die Neutronenfugzeitanlage nELBE 4 Spaltionisationskammern 4.1 Die nELBE Spaltkammern 4.1.1 Actinoidenschichten 4.1.2 Aufbau 4.1.3 Gasversorgung 4.1.4 Optimierung des elektrischen Feldes 4.1.5 Simulationen von Impulshöhenverteilungen 4.2 Die PTB U(235) Spaltkammer H19 5 Experimente zur Spaltung von Pu(242) 5.1 Experimentelle Bestimmung neutroneninduzierter Spaltquerschnitte 5.2 Messaufbau 5.3 Datenaufnahme und -verarbeitung 5.4 Datenanalyse 5.4.1 Bestimmung der Spontanspaltrate 5.4.2 Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242) 5.5 Ergebnisse und Diskussion 5.5.1 Diskussion 5.5.2 Unsicherheiten 5.5.3 Vergleich mit Kernreaktionsrechnungen 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A.1 Depositionszelle A.2 Neutronenfugzeitanlagen A.3 Spaltfragmentverteilungen mit GEF A.4 Experimenteller Aufbau A.5 Aufbau der Datenaufnahme/-verarbeitung A.5.1 Verwendete Elektronik A.6 Stabilität der Datenaufnahme A.7 Konsistenzbetrachtung der Querschnittsbestimmung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Liste der verwendeten Akronyme PublikationenNeutron induced fssion cross sections of actinides like the Pu-isotopes are of relevance for the development of nuclear transmutation technologies. For Pu(242), current uncertainties are of around 21%. Sensitivity studies show that the total uncertainty has to be reduced to below 5% to allow for reliable neutron physics simulations. This challenging task was performed at the neutron time-of-fight facility of the new German National Center for High Power Radiation Sources at HZDR, Dresden. Within the TRAKULA project, thin, large and homogeneous deposits of U(235) and Pu(242) have been produced successfully. Using two consecutively placed fssion chambers allowed the determination of the neutron induced fssion cross section of Pu(242) relative to U(235). The areal density of the Plutonium targets was calculated using the measured spontaneous fssion rate. Experimental results of the fast neutron induced fssion of Pu(242) acquired at nELBE will be presented and compared to recent experiments and evaluated data. Corrections addressing the neutron scattering are discussed by using results of different neutron transport simulations (Geant 4, MCNP 6 and FLUKA).:1 Einleitung 1.1 Partitionierung und Transmutation 1.2 Die Bedeutung von Pu(242) für P&T 1.3 Bisherige Experimente 1.4 Evaluierungen 1.5 Gliederung dieser Arbeit 2 Spaltwahrscheinlichkeit 2.1 Statistisches Modell und Compoundkern 2.2 Kernreaktionsrechnungen 3 Die Neutronenfugzeitanlage nELBE 4 Spaltionisationskammern 4.1 Die nELBE Spaltkammern 4.1.1 Actinoidenschichten 4.1.2 Aufbau 4.1.3 Gasversorgung 4.1.4 Optimierung des elektrischen Feldes 4.1.5 Simulationen von Impulshöhenverteilungen 4.2 Die PTB U(235) Spaltkammer H19 5 Experimente zur Spaltung von Pu(242) 5.1 Experimentelle Bestimmung neutroneninduzierter Spaltquerschnitte 5.2 Messaufbau 5.3 Datenaufnahme und -verarbeitung 5.4 Datenanalyse 5.4.1 Bestimmung der Spontanspaltrate 5.4.2 Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242) 5.5 Ergebnisse und Diskussion 5.5.1 Diskussion 5.5.2 Unsicherheiten 5.5.3 Vergleich mit Kernreaktionsrechnungen 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A.1 Depositionszelle A.2 Neutronenfugzeitanlagen A.3 Spaltfragmentverteilungen mit GEF A.4 Experimenteller Aufbau A.5 Aufbau der Datenaufnahme/-verarbeitung A.5.1 Verwendete Elektronik A.6 Stabilität der Datenaufnahme A.7 Konsistenzbetrachtung der Querschnittsbestimmung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Liste der verwendeten Akronyme Publikatione

Neutron total cross section measurements of gold and tantalum at the nELBE photoneutron source

Neutron total cross sections of $^{197}$Au and $^\text{nat}$Ta have been measured at the nELBE photoneutron source in the energy range from 0.1 - 10 MeV with a statistical uncertainty of up to 2 % and a total systematic uncertainty of 1 %. This facility is optimized for the fast neutron energy range and combines an excellent time structure of the neutron pulses (electron bunch width 5 ps) with a short flight path of 7 m. Because of the low instantaneous neutron flux transmission measurements of neutron total cross sections are possible, that exhibit very different beam and background conditions than found at other neutron sources.Comment: article (18 pages, 10 figures, 2 tables) with attached data tables (13 pages

A hybrid multi-particle approach to range assessment-based treatment verification in particle therapy

Particle therapy (PT) used for cancer treatment can spare healthy tissue and reduce treatment toxicity. However, full exploitation of the dosimetric advantages of PT is not yet possible due to range uncertainties, warranting development of range-monitoring techniques. This study proposes a novel range-monitoring technique introducing the yet unexplored concept of simultaneous detection and imaging of fast neutrons and prompt-gamma rays produced in beam-tissue interactions. A quasimonolithic organic detector array is proposed, and its feasibility for detecting range shifts in the context of proton therapy is explored through Monte Carlo simulations of realistic patient models and detector resolution efects. The results indicate that range shifts of 1 mm can be detected at relatively low proton intensities (22.30(13) × 107 protons/spot) when spatial information obtained through imaging of both particle species are used simultaneously. This study lays the foundation for multiparticle detection and imaging systems in the context of range verifcation in PTpublishedVersio

Inelastic scattering of fast neutrons from 56

The inelastic scattering of fast neutrons on 56Fe was investigated in different manners at the neutron time-of-flight facility nELBE. The scattering cross section was determined via the measurement of the γ-ray production and by means of a kinematically complete double time-of-flight method. In a further measurement the γ-ray angular distribution was determined to correct the measured cross sections for anisotropy. The resulting inelastic scattering cross section determined from the photo production cross sections is in very good agreement with evaluations and previous measurements. In contrast, the result of the double time-of-flight measurement is about 10% lower than these data, giving a hint to neutron-γ-ray angular correlations in the process of inelastic neutron scattering

E1 and M1 strength functions at low energy

We report photon-scattering experiments using bremsstrahlung at the γELBE facility of Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf and using quasi-monoenergetic, polarized γ beams at the HIγS facility of the Triangle Universities Nuclear Laboratory in Durham. To deduce the photoabsorption cross sections at high excitation energy and high level density, unresolved strength in the quasicontinuum of nuclear states has been taken into account. In the analysis of the spectra measured by using bremsstrahlung at γELBE, we perform simulations of statistical γ-ray cascades using the code γDEX to estimate intensities of inelastic transitions to low-lying excited states. Simulated average branching ratios are compared with model-independent branching ratios obtained from spectra measured by using monoenergetic γ beams at HIγS. E1 strength in the energy region of the pygmy dipole resonance is discussed in nuclei around mass 90 and in xenon isotopes. M1 strength in the region of the spin-flip resonance is also considered for xenon isotopes. The dipole strength function of 74Ge deduced from γELBE experiments is compared with the one obtained from experiments at the Oslo Cyclotron Laboratory. The low-energy upbend seen in the Oslo data is interpreted as M1 strength on the basis of shell-model calculations

Fast-neutron-induced fission cross section of Pu(242) measured at the neutron time-of-flight facility nELBE

This dataset includes the processed data of the fast neutron-induced fission of Pu(242) experiement performed in November 2014 at the neutron time-of-flight facility nELBE which was published in T. Kögler et al., Phys. Rev. C 99, 024604 It contains the absolute (Pu242_nfis_Koegler_2019.csv) and relative (Pu242_U235_nfis_Koegler_2019.csv) cross section data ranging from 0.5 MeV to 10 MeV. The cross section data is given in comma separated ASCII files, as well as in a MS Excel-Sheet. The columns of the tables are defined as follows: EN...neutron kinetic energy from the measured time of flight (ToF) EN-ERR...uncertainty of neutron kinetic energy = 0.5*(ToF bin width) = 1 ns DATA...cross section data ERR-S...statistical uncertainty of the cross section data ERR-SY...systematic uncertainty of the cross section data ERR-T...combined standard uncertainty of the cross section data ERR-0...relative uncertainty counting ERR-1...relative uncertainty normalization ERR-2...relative uncertainty reference cross section ERR-3...relative uncertainty FF detection inefficiency ERR-4...relative stat. uncertainty scattering correction H19 ERR-5...relative sys. uncertainty scattering correction H19 ERR-6...relative stat. uncertainty scattering correction PuFC ERR-7...relative sys. uncertainty scattering correction PuFC Additionally, a root (see https://root.cern.ch/) file is supplied, including the determined cross sections and all nessessary data to reconstruct the experiment. This includes the measured quantities, reference data, correction factors, evaluated cross sections etc. To have the whole functionality of the root file, additional libary files (libGo4UserAnalysis.rootmap, libGo4UserAnalysis.so and libGo4UserAnalysis_rdict.pcm) are also given here.This work was supported by the German Federal Ministry of Education and Research under Contract No. 02NUK13A and by the European Commission within the 7th Framework Programme Fission-2013-CHANDA (Project No. 605203)

Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242)

Präzise neutroneninduzierte Spaltquerschnitte von Actinoiden wie den Plutoniumisotopen haben für die Entwicklung zukünftiger Transmutationstechnologien eine große Bedeutung. Die Unsicherheiten des Pu(242)-Spaltquerschnitts im schnellen Bereich des Spektrums betragen derzeit etwa 21 %. Aktuelle Sensitivitätsstudien haben gezeigt, dass nur eine Reduzierung dieser Unsicherheiten auf unter 5% verlässliche neutronenphysikalische Simulationen zulässt. Diese anspruchsvolle Aufgabe konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit an der Neutronenfugzeitanlage nELBE durchgeführt werden. Dünne, homogene und großfächige Actinoiden-Proben wurden dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf innerhalb des TRAKULA-Verbundprojektes zur Verfügung gestellt. Eingesetzt in eine neu entwickelte Spaltionisationskammer ermöglichten sie eine akkurate Bestimmung des Pu(242)- Spaltquerschnitts relativ zu U(235). Die Flächendichten der Plutoniumschichten wurden anhand der spontanen Spaltrate von Pu(242) bestimmt. Aufwändige Teilchentransportsimulationen (durchgeführt mit Geant 4, MCNP 6 und FLUKA) wurden genutzt, um die auftretende Neutronenstreuung zu korrigieren. Die gewonnenen Ergebnisse sind im Rahmen ihrer Unsicherheiten in guter Übereinstimmung mit aktuellen Kerndatenevaluierungen.:1 Einleitung 1.1 Partitionierung und Transmutation 1.2 Die Bedeutung von Pu(242) für P&T 1.3 Bisherige Experimente 1.4 Evaluierungen 1.5 Gliederung dieser Arbeit 2 Spaltwahrscheinlichkeit 2.1 Statistisches Modell und Compoundkern 2.2 Kernreaktionsrechnungen 3 Die Neutronenfugzeitanlage nELBE 4 Spaltionisationskammern 4.1 Die nELBE Spaltkammern 4.1.1 Actinoidenschichten 4.1.2 Aufbau 4.1.3 Gasversorgung 4.1.4 Optimierung des elektrischen Feldes 4.1.5 Simulationen von Impulshöhenverteilungen 4.2 Die PTB U(235) Spaltkammer H19 5 Experimente zur Spaltung von Pu(242) 5.1 Experimentelle Bestimmung neutroneninduzierter Spaltquerschnitte 5.2 Messaufbau 5.3 Datenaufnahme und -verarbeitung 5.4 Datenanalyse 5.4.1 Bestimmung der Spontanspaltrate 5.4.2 Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242) 5.5 Ergebnisse und Diskussion 5.5.1 Diskussion 5.5.2 Unsicherheiten 5.5.3 Vergleich mit Kernreaktionsrechnungen 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A.1 Depositionszelle A.2 Neutronenfugzeitanlagen A.3 Spaltfragmentverteilungen mit GEF A.4 Experimenteller Aufbau A.5 Aufbau der Datenaufnahme/-verarbeitung A.5.1 Verwendete Elektronik A.6 Stabilität der Datenaufnahme A.7 Konsistenzbetrachtung der Querschnittsbestimmung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Liste der verwendeten Akronyme PublikationenNeutron induced fssion cross sections of actinides like the Pu-isotopes are of relevance for the development of nuclear transmutation technologies. For Pu(242), current uncertainties are of around 21%. Sensitivity studies show that the total uncertainty has to be reduced to below 5% to allow for reliable neutron physics simulations. This challenging task was performed at the neutron time-of-fight facility of the new German National Center for High Power Radiation Sources at HZDR, Dresden. Within the TRAKULA project, thin, large and homogeneous deposits of U(235) and Pu(242) have been produced successfully. Using two consecutively placed fssion chambers allowed the determination of the neutron induced fssion cross section of Pu(242) relative to U(235). The areal density of the Plutonium targets was calculated using the measured spontaneous fssion rate. Experimental results of the fast neutron induced fssion of Pu(242) acquired at nELBE will be presented and compared to recent experiments and evaluated data. Corrections addressing the neutron scattering are discussed by using results of different neutron transport simulations (Geant 4, MCNP 6 and FLUKA).:1 Einleitung 1.1 Partitionierung und Transmutation 1.2 Die Bedeutung von Pu(242) für P&T 1.3 Bisherige Experimente 1.4 Evaluierungen 1.5 Gliederung dieser Arbeit 2 Spaltwahrscheinlichkeit 2.1 Statistisches Modell und Compoundkern 2.2 Kernreaktionsrechnungen 3 Die Neutronenfugzeitanlage nELBE 4 Spaltionisationskammern 4.1 Die nELBE Spaltkammern 4.1.1 Actinoidenschichten 4.1.2 Aufbau 4.1.3 Gasversorgung 4.1.4 Optimierung des elektrischen Feldes 4.1.5 Simulationen von Impulshöhenverteilungen 4.2 Die PTB U(235) Spaltkammer H19 5 Experimente zur Spaltung von Pu(242) 5.1 Experimentelle Bestimmung neutroneninduzierter Spaltquerschnitte 5.2 Messaufbau 5.3 Datenaufnahme und -verarbeitung 5.4 Datenanalyse 5.4.1 Bestimmung der Spontanspaltrate 5.4.2 Bestimmung des neutroneninduzierten Spaltquerschnitts von Pu(242) 5.5 Ergebnisse und Diskussion 5.5.1 Diskussion 5.5.2 Unsicherheiten 5.5.3 Vergleich mit Kernreaktionsrechnungen 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A.1 Depositionszelle A.2 Neutronenfugzeitanlagen A.3 Spaltfragmentverteilungen mit GEF A.4 Experimenteller Aufbau A.5 Aufbau der Datenaufnahme/-verarbeitung A.5.1 Verwendete Elektronik A.6 Stabilität der Datenaufnahme A.7 Konsistenzbetrachtung der Querschnittsbestimmung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Liste der verwendeten Akronyme Publikatione

Pulsformdiskrimination und Lichtausbeutemessungen von LAB-basierten Flüssigszintillatoren

Die Grundlage vieler zukünftiger Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente (SNO+, Daya Bay, LENA) ist das Lösungsmittel Lineare-Alkyl-Benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13). Zusammen mit dem weit verbreiteten Szintillator 2,5-Diphenyloxazole (PPO) ist es ein farb- und geruchsloses Detektormaterial mit hohem Flammpunkt. Im Vergleich zu toluol- oder xylolbasierten Szintillatoren ist LAB+PPO preiswert und nicht gesundheitsschädlich. Die Eigenschaften von LAB machen es ebenfalls interessant für die Anwendung an nELBE, die Neutronenfugzeitanlage im Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Lichtausbeute im niederenergetischen Bereich (bis 2 MeV) wird vorgestellt. Kombiniert wurden Messungen mit (quasi) monoenergetischen Gammastrahlungs-Prüfstrahlern und einem in dieser Arbeit aufgebauten Compton-Spektrometer. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Lichtausbeute bis zu 5 keVee. Der Birks-Parameter wurde für eine Lösung von LAB + 3 g/l PPO sowie für den Flüssigszintillator NE-213 bestimmt. Die relative Lichtausbeute in Bezug auf letzteren konnte mit diesen Messmethoden ebenfalls ermittelt werden. Zur spektralen Analyse des Lumineszenzlichtes wurden Messungen an Fluoreszenz- und UV/VIS- Spektrometern durchgeführt. Die Pulsformdiskriminationsfähigkeit auf LAB basierenden Szintillatoren wurde während eines Flugzeitexperiments in einem gemischten n-gamma-Feld eines Cf(252)-Prüfstrahlers ermittelt. Dabei kamen unterschiedliche Algorithmen der semi-analogen und digitalen Pulsformdiskrimination zum Einsatz.Linear alkyl benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13) is the proposed solvent for the SNO+, the Daya Bay Neutrino and LENA experiment. In solution with the commonly used scintillator PPO it is a colourless, odourless and cheap liquid scintillator with a high fash point and low health hazard compared to toluene based ones. The properties of LAB make this scintillator interesting also for nELBE, the neutron time-of-fight facility at Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. A new approach to measure the light yield in the low-energy range using a combination of quasi-monoenergetic photon sources and a Compton-spectrometer is described. The latter allows the measurement of the light yield down to 5 keVee (electron equivalent). The Birks- Parameter was determined for a homemade solution (LAB + 3 g/l PPO) and for NE-213. The light yield (relative to this standard scintillator) was confrmed by measurements using a fuorescence spectrometer. The ability of pulse-shape-discrimination in a mixed n-gamma- field of a Cf(252) source was tested using different digital and semi-analogue techniques