Beam dumps are installed at the experimental areas of the ELBE facility. Their purpose is to absorb the primary electron beam and the secondary radiation. The beam dump consists of a purified graphite core inside a water cooled stainless steel vessel. The radiation shield surrounding the beam dump will be designed individually for each experimental area. In this context, dose rate calculations were carried out to estimate the dose rate source term around the stainless steel vessel of the beam dump. Detailed Monte Carlo simulations were carried out using the code FLUKA. The energy dependent photon and neutron fluences and the equivalent dose rates were obtained near the surface of the cylindrical steel vessel for a beam current of 1 mA and energies of 20 MeV and 50 MeV.

<p>The objective of this project is to study the production of Li, Be and B isotopes emitted in the interaction of 12C with 12C at incident energies of 200 and 400 MeV.<br /> The energies of these produced fragments were measured with a detector telescope consisting of two silicon detectors at the incident energy of 200 MeV while a third silicon detector was added for the measurements at 400 MeV.</p>

The energy deposition characteristics of heavy ions vary substantially compared to those of photons. Many radiation biology studies have compared the damaging effects of different types of radiation to establish relative biological effectiveness among them. These studies are dependent on cell type, biological endpoint, radiation type, dose, and dose rate. The radiation field found in space is much more complicated than that simulated in most experiments, both from a point of dose-rate as well as the highly mixed field of radiative particles encompassing a broad spectrum of energies. To establish better estimates for radiation risks on long-term, deep space missions, the damaging ability of heavy ions requires further understanding. Track structure studies provide significant details about the spatial distribution of energy deposition events in and around the sensitive targets of a mammalian cell. The damage imparted by one heavy ion relative to another can be established by modeling the track structures of ions that make up the galactic cosmic ray (GCR) spectrum and emphasizing biologically relevant target geometries. This research was undertaken to provide a better understanding of the damaging ability of GCR at the cellular level. By comparing ions with equal stopping power values, the differences in track structure will illuminate variations in cell particle traversals and ionization density within cell nuclei. For a cellular target, increased particle traversals, along with increased ionization density, are key identifiers for increased damaging ability. Performing Monte Carlo simulations with the computer code, FLUKA, this research will provide cellular dosimetry data and detail the track structure of the ions. As shown in radiobiology studies, increased ionizations within a cell nucleus generally lead to increased DNA breaks and increased free radical production, resulting in increased carcinogenesis and cell death. The spatial distribution of dose surrounding ions tracks are compared for inter- and intracellular regions. A comparison can be made for many different ions based upon dose and particle fluence across those different regions to predict relative damaging ability. This information can be used to improve estimates for radiation quality and dose equivalent from the space radiation environment.

>Magister Scientiae - MSc / The objective of this project is to study the production of Li, Be and B isotopes emitted in the interaction of 12C with 12C at incident energies of 200 and 400 MeV.The energies of these produced fragments were measured with a detector telescope consisting of two silicon detectors at the incident energy of 200 MeV while a third silicon detector was added for the measurements at 400 MeV. / South Africa

Beam dumps are installed at the experimental areas of the ELBE facility. Their purpose is to absorb the primary electron beam and the secondary radiation. The beam dump consists of a purified graphite core inside a water cooled stainless steel vessel. The radiation shield surrounding the beam dump will be designed individually for each experimental area. In this context, dose rate calculations were carried out to estimate the dose rate source term around the stainless steel vessel of the beam dump. Detailed Monte Carlo simulations were carried out using the code FLUKA. The energy dependent photon and neutron fluences and the equivalent dose rates were obtained near the surface of the cylindrical steel vessel for a beam current of 1 mA and energies of 20 MeV and 50 MeV.

The radiation environment in space is a threat that engineers and astronauts need to mitigate as exploration into the solar system expands. Passive shielding involves placing as much material between critical components and the radiation environment as possible. However, with mass and size budgets, it is important to select efficient materials to provide shielding. Currently, NASA and other space agencies plan on using water as a shield against radiation since it is already necessary for human missions. Water has been tested thoroughly and has been proven to be effective. Liquid propellants are needed for every mission and also share similar characteristics to water such as their density and hydrogenous composition. This thesis explores the shielding potentials of various liquid propellants as they compare to water for the purpose of providing an additional parameter when choosing propellants for any given mission. Testing propellants is done by first creating an experimental setup involving radioisotope sources Cs-137 and Co-60, a column of liquid with variable depths, and a Geiger-Mueller tube. Water and three other liquids: acetone, 70% isopropyl alcohol, and 12% hydrogen peroxide are physically tested and their linear attenuation coefficients are calculated. Then, the test setup is replicated in CERN’s Monte Carlo base radiation transport code, FLUKA. Although the calculated linear attenuation outputs from FLUKA are discrepant from experimental results by an average of 34%, they produce the same trends. FLUKA is used to expand upon experimental results by simulating a multitude of liquid propellants and comparing them all to water. FLUKA has the ability to simulate all propellants including hydrogen, oxygen, hydrazine, and dinitrogen tetroxide. Most of the tested propellants are found to have similar, to within 35%, gamma radiation linear attenuation coefficients as compared to water. The gamma radiation in this thesis’s experiment and simulations comes from Cs-137 and Co-60 radioisotope sources. For gamma radiation from the Co-60 source, liquid hydrogen provides 90% less attenuation than water and nitric acid and AF-M315E provide 35% and 38% more attenuation than water respectively. For gamma radiation emitted by Cs-137, liquid hydrogen, isopropyl alcohol, and methane have 90%, 35%, and 29% less attenuation than water respectively. Dinitrogen tetroxide, hydrogen peroxide, AF-M315E, and nitric acid have 34%, 41%, 46%, and 52% greater attenuation coefficients than water respectively. The liquids that are similar to water for the Cs-137 source have linear attenuation coefficients within 20% of water’s. Ultimately, most of the tested liquid propellants are shown to shield against radiation at a similar rate to water. Thus, an additional parameter for choosing liquid propellants on any given mission should be their radiation shielding capabilities.

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.

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.

Das Felsenkellerlabor ist ein neues Untertagelabor im Bereich der nuklearen Astrophysik. Es befindet sich unter 47 m Hornblende-Monzonit Felsgestein im Stollensystem der ehemaligen Dresdner Felsenkellerbrauerei. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Neutronenuntergrund in Stollen IV und VIII untersucht. Gewonnene Erkenntnisse aus Stollen IV hatten direkten Einfluss auf die geplanten Abschirmbedingungen für Stollen VIII. Die Messung wurde mit dem HENSA-Neutronenspektrometer durchgeführt, welches aus polyethylenmoderierten ³He-Zählrohren besteht. Mit Hilfe des Monte-Carlo Programmes FLUKA zur Simulation von Teilchentransport werden für das Spektrometer die Neutronen-Ansprechvermögen bestimmt. Für jeden Messort wird außerdem eine Vorhersage des Neutronenflusses erstellt und die Labore hinsichtlich der beiden Hauptkomponenten aus myoneninduzierten Neutronen und Gesteinsneutronen aus (α,n)-Reaktionen und Spaltprozessen kartografiert. Die verwendeten Mess- und Analysemethoden finden in einer neuen Messung am tiefen Untertagelabor LSC Canfranc Anwendung. Erstmalig werden im Rahmen dieser Arbeit vorläufige Ergebnisse vorgestellt. Des Weiteren werden Strahlenschutzsimulationen für das Felsenkellerlabor präsentiert, welche den strahlenschutztechnischen Rahmen für die wissenschaftliche Nutzung definieren. Dabei werden die für den Sicherheitsbericht des Felsenkellers verwendeten Werte auf die Strahlenschutzverordnung 2018 aktualisiert. Letztlich werden Experimente an der Radiofrequenz-Ionenquelle am Felsenkeller vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit technisch betreut wurde. Dabei werden Langzeitmessungen am übertägigen Teststand am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf präsentiert.:1 Einführung und Motivation 2 Grundlagen 3 Der Dresdner Felsenkeller 4 Neutronenflussmessungen am Felsenkeller 5 Auswertung der Neutronenraten 6 Messung am LSC Canfranc 7 Strahlenschutz am Felsenkeller 8 Die Radiofrequenz-Ionenquelle am Felsenkeller 9 Zusammenfassung A Technische Angaben zu den verwendeten Zählern B Aufbauskizzen der Detektoren C WinBUGS Pulshöhenspektren D Savitzky-Golay-Filter Fits E Entfaltung mit Gravel F Omega-Variation mit Gravel G Aktivierungssimulationen

The ESSnuSB will produce a high intensity neutrino super beam based on the 3 ms long proton pulses at 14 Hz from the ESS linac. With the use of a conventional normal-conducting van der Meer horn, to collect pions from the neutrino target, these 3 ms pulses will have to be compressed to of the order of 1 microsecond in order to avoid overheating of the magnet current conductors. Since this pulse compression requires costly extensions to the accelerator complex a prototype design of an alternative normal-conducting hadron collector scheme that could be operated in DC mode has been studied. The magnet has been implemented in the simulation software FLUKA and extensive research has been made to analyse and maximise the flux of charged pions inside and downsteam of the magnet. Further simulations have been made to asses the flux of on-target neutrinos from the alternative collector scheme in comparison to the corresponding flux of a van der Meer horn. Simulation results from the comparison show that the alternative magnet greatly improved the neutrino flux of a bare source but not to the extent necessary to replace the magnetic horn. A conclusion is presented on the future possibilities of an optimized design that can improve the neutrino flux.