Neutron detection in the frame of spatial magnetic spin resonance

AbstractThis work is related to neutron detection in the context of the polarised neutron optics technique of spatial magnetic spin resonance. By this technique neutron beams may be tailored in their spectral distribution and temporal structure. We have performed experiments with very cold neutrons (VCN) at the high-flux research reactor of the Institut Laue Langevin (ILL) in Grenoble to demonstrate the potential of this method. A combination of spatially and temporally resolving neutron detection allowed us to characterize a prototype neutron resonator. With this detector we were able to record neutron time-of-flight spectra, assess and minimise neutron background and provide for normalisation of the spectra owing to variations in reactor power and ambient conditions at the same time

Design of the Magnet System of the Neutron Decay Facility PERC

The PERC (Proton and Electron Radiation Channel) facility is currently under construction at the research reactor FRM II, Garching. It will serve as an intense and clean source of electrons and protons from neutron beta decay for precision studies. It aims to contribute to the determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark-mixing element $V_{ud}$ from neutron decay data and to search for new physics via new effective couplings. PERC's central component is a 12m long superconducting magnet system. It hosts an 8m long decay region in a uniform field. An additional high-field region selects the phase space of electrons and protons which can reach the detectors and largely improves systematic uncertainties. We discuss the design of the magnet system and the resulting properties of the magnetic field.Comment: Proceedings of the International Workshop on Particle Physics at Neutron Sources PPNS 2018, Grenoble, France, May 24-26, 201

Model-independent data analysis for ultra small angle scattering with polarised neutrons

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheUSANSPOL ist eine eektive Möglichkeit zur zerstörungsfreien Probenanalyse mittels Neutronen mit einem Auflösungsvermögen von wenigen Zehntel bis zu einigen Mikrometern. Als Weiterentwicklung von USANS hat man bei dieser Messmethode nun auch die Möglichkeit die unterschiedliche magnetische Streuung von Spinzuständen von Neutronen an Kernen und an den magnetischen Momenten der Atome zu analysieren, indem man das magnetische Dipolmoment des Neutrons ausnützt. Der prinzipiell dreidimensionale Streuvektor des Neutrons Q wird bedingt durch den Messaufbau auf eine eindimensionale Neutronenintensitätskurve P(Q_y) abgebildet, welche jedoch noch mit der Gerätekurve R(Q_y) zur messbaren Kurve I(Q_y) gefaltet wird. Diese Faltung rückgängig zu machen um Zugriff auf die vom Messgerät unabhängige physikalische Neutronenverteilung zu bekommen, ist eine bekannte Schwierigkeit im Gebiet der Streutheorie. Im Bereich von USANSPOL führt dies zu den unterschiedlichsten Lösungsansätzen. Immer werden in diesen Ansätzen jedoch mehr oder weniger komplexe Modellfunktionen verwendet, welche an die Messdaten per Ausgleichsverfahren gelegt werden. Dadurch können jedoch Effekte übersehen werden, welche nicht in der Erstellung der Modellfunktionen bedacht wurden. Diese Arbeit soll als proof of principle verstanden werden. Sie soll Methoden zur modellunabhängigen Datenanalyse zeigen, da dieser Lösungsansatz einerseits noch nie systematisch untersucht wurde, andererseits aber weitreichende Vorteile zu haben scheint. Diese Arbeit hat gezeigt, dass die modellunabhängige Datenanalyse für USANSPOL-Experimente möglich ist und gewisse Vorteile bietet. Weiters werden erste qualitative Vorhersagen von Messungen über Probeneigenschaften geliefert. Durch die parallele, gleichzeitige Entwicklung eines komplett alternativen modellunabhängigen Lösungsansatzes in [1] wurde außerdem die Vertrauenswürdigkeit der Methodik gesteigert.USANSPOL is a neutron scattering technique for polarised neutrons for non-destructive examination of magnetic materials wich allows to access scattering structures of of few thenths up to a few tens of a micrometre. As an andvanced development of USANS it is now possible to detect the different magnetic scattering of spin-up - and spin-down-neutrons on magnetic moments of electrons and nuclei. USANSPOL is done by exploiting the mangetic moment of the neutron. Due to the measurement setup, the three-dimensional scattering vector Q of the neutron is projected on a one-dimensional neutron intensity distribution P(Q_y) which unfortunately cannot be measured directly since it is convolved with the instrument curve R(Q_y). Hence, this convolution has to be reversed by deconvoluting the measurable neutron distribution I(Q_y) with R(Q_y) to get access to the instrument-independet function P(Q_y) which is the item of interest. This deconvolution is a well-known challenge in the scientific domain of scattering theory. For the case of USANSPOL a lot of approaches to this problem exist. Nevertheless, all of these approaches have more or less complicated model functions in common which will be fifitted to the measured data points. A disadvantage of all these model-depending approaches is the chance of missing effects which were not considered while creating these functions. This thesis should be recognised as a proof of principle for a model-independent data analysis for USANSPOL because it has never been done before systematically. The thesis shows that model-independent data analysis for USANSPOL is possible and has some neat advantages. Furthermore, some preliminary predictions for sample characteristics are made. The simultaneous development of a completely different model-independent way of analysing data ([1]) has increased the credibility of this work.9

Installation eines Neutronenstrahlinstruments am TRIGA Reaktor Wien

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersIm Zuge dieser Arbeit wurde ein neuer Strahlplatz für thermische Neutronen mit einem weißen Spektrum und hohem Fluss geplant, simuliert, installiert und charakterisiert. Der hohe Neutronenfluss von bis zu 10 7 cm 2 s 1 wird die Grundlage für eine Serie neuer Experimente sein. In Kombination mit der neuen Reaktorinstrumentierung des Triga Reaktors in Wien, ist es möglich, den Reaktor zu pulsen. Dies ermöglicht einen peak flux von sogar 10 10 cm2 s 1. Da alle anderen Beamlines am Triga Reaktor ein monochromatisches Spektrum und daher einen um ungefähr drei Größenordnungen kleineren Fluss haben, wird dieser neue Strahlplatz die experimentellen Möglichkeiten am Atominstitut erheblich erweitern. Allerdings führt ein so hoher Neutronenfluss einerseits und ein direkter Blick auf den Reaktorkern andererseits zu hohen Ortsdosisleistungen. Um diese zu minimieren, wurden innerhalb des Reaktorstrahlrohres Perfektkristalle aus Saphir und Wismut installiert. Die Dosisleistung verursacht durch schnelle Neutronen und -Strahlung wird hierdurch erheblich reduziert. Außerdem wurde eine neue Art von Strahlenschutzbeton entwickelt, um Dosisleistungslimits einhalten zu können. Borcarbid, Serpentinit und Hämatit als Zuschlagstoffe verbessern dessen Eigenschaften der Neutronenthermalisation und steigern die Absorptionswirkung von Neutronen und -Strahlung. Die Eigenschaften dieser neu entwickelten Betonsorte wurde mittels des strengen Geheimhaltungsauflagen unterliegenden Softwarepakets MCNP6 theoretisch simuliert und auch experimentell am Triga Reaktor verifiziert. In der Folge wurde die gesamte Strahlenschutzkammer des neuen Strahlplatzes in MCNP6 simuliert. Überzeugt, dass das Design die vorgeschriebenen Limits an Ortsdosisleistungen erfüllen wird, wurde der Strahlplatz errichtet. Nach Fertigstellung wurden die tatsächlichen Ortsdosisleistungen sorgfältig an einer beträchtlichen Anzahl von Messpunkten erhoben. Es zeigte sich, dass die Messwerte in voller Übereinstimmung zu den Simulationsergebnissen stehen. In Folge wurde die Betriebsbewilligung des Strahlplatzes nach § 6 des Österreichischen Strahlenschutzgesetzes vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) erteilt. Ambitionierte Forschungsprojekte werden an diesem neuen Strahlplatz in naher Zukunft durchgeführt werden, deren Realisation an den anderen Strahlplätzen des Reaktors nicht möglich wären. So werden wir zum Beispiel Grundlagenforschung vorantreiben, indem wir neue Instrumente zur Manipulation von Neutronenstrahlen entwickeln sowie bereits existierende weiter verbessern, wie etwa den magnetischen Neutronenspinresonator Monopol [2], der unter anderem für das derzeit am Hochflussreaktor FRM II in München in Aufbau befindliche Hochpräzisons Beta-Zerfall Projekt PERC [3] sicherlich noch sehr von Nutzen sein wird. Natürlich wird der thermische weiße Strahl auch die neue Möglichkeiten als Neutronenradiographiestation eröffnen. Die Entwicklung von Neutronendetektoren mit Ortsauflösung im Micrometer-Bereich ist nur eine weitere Möglichkeit zur Nutzung des neuen Strahlplatzes. Nach ersten Tests am vcn-Strahl am PF2 des ILL in Grenoble im Jahr 2014 wurde vom Neutronenresonator monopol ein gänzlich neuer Prototyp entwickelt, welcher Ende des Jahres 2018 das erste Mal am thermischen weißen Strahl dieser neuen Anlage des Atominstituts getestet werden soll.As described in this thesis, a new multi-purpose facility for a thermal white neutron beam with high flux was planned, simulated, installed and characterized. Its high thermal neutron flux of up 10 7 cm 2 s 1 will be the basis to realize a series of new experimental projects. In combination with the recently installed new instrumentation of the Vienna Triga research reactor, which allows to run this reactor in a pulsed mode of operation, it will even be possible to achieve a peak flux of 10 10 cm 2 s 1. Taking into account that all other available beamlines of the Triga reactor are monochromatic and thus have a three orders of magnitude lower flux, such an intense neutron beam will lead to an immense broadening of the experimental possibilities at the Atominstitut. However, high flux and a direct view to the reactor core lead to high radiation dose rates. Therefore, single crystals made of sapphire and bismuth were installed inside the reactor beam tube to filter out fast neutrons and -radiation in order to drastically decrease the total dose rate. Furthermore, a special kind of radiation absorbing concrete was designed as a biological shielding to meet radiation protection limits. Its content of boron carbide, serpentine and hematite as additives facilitates neutron thermalization and increases the absorption of both neutron and -radiation. The performance of this newly developed radiation protection concrete was simulated with the classified software package Mcnp6 [1] and also verified experimentally at the Triga reactor. Subsequently the radiation shielding of the complete white beam facility was simulated using mcnp6. Being confident that its design fulfills the ambient dose rate limits we finally have constructed the new facility. After completion the real ambient dose rates were carefully measured at an extensive number of different positions. The experimental values turned out to be in full agreement with the simulation results. As a consequence, the legal permission to run this new facility was given by the Austrian Ministry of Science, Research and Economy. In the immediate future we intend to use it for a series of ambitious new projects whose realization could not be conceived on the hitherto available beamlines of the TRIGA reactor. We definitely will push forward fundamental physics experiments by developing new and improving existing neutron beam manipulation devices, like e.g. the neutron magnetic spin resonator MONOPOL [2] which without doubt will become very useful for the high precision beta decay experiment PERC [3] that is currently under construction at the high-flux reactor FRM II in Munich. Clearly this white beam facility will also open new possibilities for us when used as a station for neutron imaging. The development of position sensitive neutron detectors with high spatial resolution in the m-range is another topic of our research focus to be mentioned. After first tests on the VCN-beam at the ILL in Grenoble in 2014 a new prototype of the neutron resonator monopol will be tested for the first time on a thermal white neutron beam in end of 2018 on this new facility of the Atominstitut.12

Design of the magnet system of the neutron decay facility PERC

The PERC (Proton and Electron Radiation Channel) facility is currently under construction at the research reactor FRM II, Garching. It will serve as an intense and clean source of electrons and protons from neutron beta decay for precision studies. It aims to contribute to the determination of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark-mixing element Vud from neutron decay data and to search for new physics via new effective couplings. PERC's central component is a 12 m long superconducting magnet system. It hosts an 8 m long decay region in a uniform field. An additional high-field region selects the phase space of electrons and protons which can reach the detectors and largely improves systematic uncertainties. We discuss the design of the magnet system and the resulting properties of the magnetic field