Fast Digitizing and Digital Signal Processing of Detector Signals

A fast-digitizer data acquisition system recently installed at the neutron time-of-flight experiment nELBE, which is located at the superconducting electron accelerator ELBE of Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, is tested with two different detector types. Preamplifier signals from a high-purity germanium detector are digitized, stored and finally processed. For a precise determination of the energy of the detected radiation, the moving-window deconvolution algorithm is used to compensate the ballistic deficit and different shaping algorithms are applied. The energy resolution is determined in an experiment with γ-rays from a 22Na source and is compared to the energy resolution achieved with analogously processed signals. On the other hand, signals from the photomultipliers of barium fluoride and plastic scintillation detectors are digitized. These signals have risetimes of a few nanoseconds only. The moment of interaction of the radiation with the detector is determined by methods of digital signal processing. Therefore, different timing algorithms are implemented and tested with data from an experiment at nELBE. The time resolutions achieved with these algorithms are compared to each other as well as to reference values coming from analog signal processing. In addition to these experiments, some properties of the digitizing hardware are measured and a program for the analysis of stored, digitized data is developed. The analysis of the signals shows that the energy resolution achieved with the 10-bit digitizer system used here is not competitive to a 14-bit peak-sensing ADC, although the ballistic deficit can be fully corrected. However, digital methods give better result in sub-ns timing than analog signal processing

Measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen

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

The resonance triplet at E_alpha = 4.5 MeV in the 40Ca(alpha,gamma)44Ti reaction

The 40Ca(alpha,gamma)44Ti reaction is believed to be the main production channel for the radioactive nuclide 44Ti in core-collapse supernovae. Radiation from decaying 44Ti has been observed so far for two supernova remnants, and a precise knowledge of the 44Ti production rate may help improve supernova models. The 40Ca(alpha,gamma)44Ti astrophysical reaction rate is determined by a number of narrow resonances. Here, the resonance triplet at E_alpha = 4497, 4510, and 4523 keV is studied both by activation, using an underground laboratory for the gamma counting, and by in-beam gamma spectrometry. The target properties are determined by elastic recoil detection analysis and by nuclear reactions. The strengths of the three resonances are determined to omega gamma = (0.92+-0.20), (6.2+-0.5), and (1.32+-0.24) eV, respectively, a factor of two more precise than before. The strengths of this resonance triplet may be used in future works as a point of reference. In addition, the present new data directly affect the astrophysical reaction rate at relatively high temperatures, above 3.5 GK.Comment: 12 pages, 11 figures; submitted to Phys. Rev.

Resonance strengths in the 14N(p, \gamma)15O and 15N(p, \alpha \gamma)12C reactions

The 14N(p, \gamma)15O reaction is the slowest reaction of the carbon-nitrogen-oxygen cycle of hydrogen burning in stars. As a consequence, it determines the rate of the cycle. The 15N(p, \alpha \gamma)12C reaction is frequently used in inverse kinematics for hydrogen depth profiling in materials. The 14N(p, \gamma)15O and 15N(p, \alpha \gamma)12C reactions have been studied simultaneously, using titanium nitride targets of natural isotopic composition and a proton beam. The strengths of the resonances at Ep = 1058 keV in 14N(p, \gamma)15O and at Ep = 897 and 430 keV in 15N(p, \alpha \gamma)12C have been determined with improved precision, relative to the well-known resonance at Ep = 278 keV in 14N(p, \gamma)15O. The new recommended values are \omega \gamma = 0.353$\pm$0.018, 362$\pm$20, and 21.9$\pm$1.0 eV for their respective strengths. In addition, the branching ratios for the decay of the Ep = 1058 keV resonance in 14N(p, \gamma)15O have been redetermined. The data reported here should facilitate future studies of off-resonant capture in the 14N(p, \gamma)15O reaction that are needed for an improved R-matrix extrapolation of the cross section. In addition, the data on the 430 keV resonance in 15N(p, \alpha \gamma)12C may be useful for hydrogen depth profiling.Comment: 10 pages, 8 figures. Corrected typos in the abstract, table IV made more comprehensible. As accepted in Phys.Rev.

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

Fast digitizing and digital signal processing of detector signals

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Measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen

Fast Digitizing and Digital Signal Processing of Detector Signals

A fast-digitizer data acquisition system recently installed at the neutron time-of-flight experiment nELBE, which is located at the superconducting electron accelerator ELBE of Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, is tested with two different detector types. Preamplifier signals from a high-purity germanium detector are digitized, stored and finally processed. For a precise determination of the energy of the detected radiation, the moving-window deconvolution algorithm is used to compensate the ballistic deficit and different shaping algorithms are applied. The energy resolution is determined in an experiment with γ-rays from a 22Na source and is compared to the energy resolution achieved with analogously processed signals. On the other hand, signals from the photomultipliers of barium fluoride and plastic scintillation detectors are digitized. These signals have risetimes of a few nanoseconds only. The moment of interaction of the radiation with the detector is determined by methods of digital signal processing. Therefore, different timing algorithms are implemented and tested with data from an experiment at nELBE. The time resolutions achieved with these algorithms are compared to each other as well as to reference values coming from analog signal processing. In addition to these experiments, some properties of the digitizing hardware are measured and a program for the analysis of stored, digitized data is developed. The analysis of the signals shows that the energy resolution achieved with the 10-bit digitizer system used here is not competitive to a 14-bit peak-sensing ADC, although the ballistic deficit can be fully corrected. However, digital methods give better result in sub-ns timing than analog signal processing

Measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen