Master of Science / Department of Mechanical and Nuclear Engineering / William L. Dunn / A prototype system for detecting explosives at standoff distances, using a signature based radiation scanning approach, is being developed at Kansas State University. The prototype will incorporate both a machine x-ray source and a machine neutron source to generate signatures from unknown samples of material. These signatures can be compared to templates measured or calculated from known explosive samples using a figure-of-merit. The machine neutron source uses the fusion of deuterium and tritium to create 14.1 MeV neutrons. Due to its radioactivity, the tritium must be sealed within the system. A new method of controlling the gas pressure with the DT generator was developed using a Zr-V-Fe getter supplied by a commercial firm. The shielding and collimation of the 14.1 MeV neutron source is accomplished using layers of steel, high-density polyethylene and borated high-density polyethylene. This thesis describes the development of the gas control method for the sealed neutron source, design studies for the shielding and collimation of the neutron source and modifications made to the building in which the prototype is being housed.

Interactions between an intense laser pulse and cluster targets are investigated using the recent experimental results of the cluster fusion experiments on the Texas Petawatt Laser (TPW). We achieved about 2x10⁷ DD fusion neutrons per shot on the TPW by optimizing the laser and gas jet parameters. A few different types of cluster targets were used on the TPW including deuterium clusters, deuterated methane clusters, deuterium cluster + helium-3 mixture, and deuterated methane cluster + helium-3 mixture. We designed our own neutron detectors and proton detectors for the measurements of the fusion yields. The calibration method of neutron detectors is described in detail. Through the yield measurements of the 2.45 MeV neutrons from the DD fusion reactions and 14.7 MeV protons from the D-³He fusion reactions in the deuterium-helium-3 mixture target, we successfully measured the ion temperature of the fusion plasma at the time of the fusion reactions. / text

Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Forschungsprojekts zur Entwicklung eines neuartigen Systems zur zerstörungsfreien und bildgebenden Untersuchung von Luftfracht mittels Neutronen- und Gammastrahlung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Strahlungsquelle entwickelt, die optimal auf die Anwendung angepasst ist: Ein gepulster Deuteronenstrahl wird in einer Ionenquelle erzeugt und mittels eines niederenergetischen Strahltransportsystems zum Hauptbeschleuniger geführt. Dieser besteht aus einem Radiofrequenz Quadrupol (RFQ) mit einer finalen Energie von 6 MeV. Da für die Anwendung sehr kurze Pulse der Strahlung in der Größenordnung einiger Nanosekunden unabdingbar sind, musste eine neuartige Lösung zur Pulsung des Deuteronenstrahls gefunden werden. Eine große Herausforderung bestand hierbei im Zusammenspiel der kurzen Pulsdauer und hohen Pulsladung in Kombination mit der hohen Wiederholrate. Dieses wurde erreicht, indem ein spezielles Pulsungssystem innerhalb des Strahlentransportes zwischen Ionenquelle und RFQ eingefügt wurde. Dieses System enthält neben einem strahlablenkenden auch ein strahlbündelndes Element. Der Deuteronenstrahl wird hinter dem RFQ auf ein Target geführt, welches aus Borcarbid besteht. In dieser Arbeit wird das komplette physikalische Design der Strahlungsquelle diskutiert sowie Simulationen zum Pulsungssystem bzw. dem RFQ-Beschleuniger präsentiert. Weiterhin werden Proof-of-Principle Experimente beschrieben, die mithilfe eines Prototypen-Pulsungssystems entwickelt im Rahmen dieser Arbeit und gefertigt von der RI Research Instruments GmbH an einem speziell für diesen Zweck errichteten Teststands durchgeführt wurden. Außerdem wurden mehrere Experimente sowohl an der Beschleunigeranlage der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig als auch am RFQ Beschleuniger der Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba durchgeführt, um das Target zu optimieren und das erzeugte Strahlungsfeld zu charakterisieren. / This thesis is part of a research project whose goal is to develop a novel, non-destructive imaging system to be employed for air freight security. The screening will be performed employing neutron- and gamma-radiation based techniques. One of the critical issues in this project was the absence of an adequate particle source. Thus, a new type of source was developed during this work. The new source consists of four main parts: A pulsed deuteron beam is formed in an ion source (IS) and is fed, via a matching low energy beam transport system (LEBT), into the main accelerator. The latter comprises a radio frequency quadrupole (RFQ) that produces a deuteron beam with a final energy of 6 MeV. Since pulsing of this beam in the regime of several nanoseconds is mandatory for the application, a novel solution had to be found to apply the required pulsing scheme, without undershoot the required beam charge per pulse. A major challenge in doing so was the combination of pulse length, high bunch charge as well as high repetition rate. This could be achieved by adding a pulsing system in between the LEBT section and RFQ: it consists of a beam-deflection, as well as a beam-bunching element. The deuteron beam is ultimately directed to a wobbling, plasma sprayed boron carbide (B4C) target. This work focuses on an entire physical design as well as simulation work of the pulsing system and RFQ. Furthermore, proof-of-principle experiments concerning a prototype of the pulsing system developed in the framework of this thesis and manufactured by RI Research Instruments GmbH could be performed at a test bench dedicated to this project. To round up the study, the suitability of the target and target reaction was demonstrated during multiple experiments performed at Physikalisch- Technische Bundesanstalt (PTB) at Braunschweig as well as the Nuclear Energy Corporation of South Africa (NECSA) in Pelindaba.

<p>Accelerator-driven systems for transmutation of nuclear waste have been suggested as a means for dealing with spent fuel components that pose potential radiological hazard for long periods of time. While not entirely removing the need for underground waste repositories, this nuclear waste incineration technology provides a viable method for reducing both waste volumes and storage times. Potentially, the time spans could be diminished from hundreds of thousand years to merely 1.000 years or even less. A central aspect for accelerator-driven systems design is the prediction of safety parameters and fuel economy. The simulations performed rely heavily on nuclear data and especially on the precision of the neutron cross section representations of essential nuclides over a wide energy range, from the thermal to the fast energy regime. In combination with a more demanding neutron flux distribution as compared with ordinary light-water reactors, the expanded nuclear data energy regime makes exploration of the cross section sensitivity for simulations of accelerator-driven systems a necessity. This fact was observed throughout the work and a significant portion of the study is devoted to investigations of nuclear data related effects. The computer code package EA-MC, based on 3-D Monte Carlo techniques, is the main computational tool employed for the analyses presented. Directly related to the development of the code is the extensive IAEA ADS Benchmark 3.2, and an account of the results of the benchmark exercises as implemented with EA-MC is given. CERN's Energy Amplifier prototype is studied from the perspectives of neutron source types, nuclear data sensitivity and transmutation. The commissioning of the n_TOF experiment, which is a neutron cross section measurement project at CERN, is also described.</p>

Accelerator-driven systems for transmutation of nuclear waste have been suggested as a means for dealing with spent fuel components that pose potential radiological hazard for long periods of time. While not entirely removing the need for underground waste repositories, this nuclear waste incineration technology provides a viable method for reducing both waste volumes and storage times. Potentially, the time spans could be diminished from hundreds of thousand years to merely 1.000 years or even less. A central aspect for accelerator-driven systems design is the prediction of safety parameters and fuel economy. The simulations performed rely heavily on nuclear data and especially on the precision of the neutron cross section representations of essential nuclides over a wide energy range, from the thermal to the fast energy regime. In combination with a more demanding neutron flux distribution as compared with ordinary light-water reactors, the expanded nuclear data energy regime makes exploration of the cross section sensitivity for simulations of accelerator-driven systems a necessity. This fact was observed throughout the work and a significant portion of the study is devoted to investigations of nuclear data related effects. The computer code package EA-MC, based on 3-D Monte Carlo techniques, is the main computational tool employed for the analyses presented. Directly related to the development of the code is the extensive IAEA ADS Benchmark 3.2, and an account of the results of the benchmark exercises as implemented with EA-MC is given. CERN's Energy Amplifier prototype is studied from the perspectives of neutron source types, nuclear data sensitivity and transmutation. The commissioning of the n_TOF experiment, which is a neutron cross section measurement project at CERN, is also described.

Das Institut für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden (TUD) hat im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ein Labor zur Untersuchung von neutroneninduzierten kernphysikalischen Prozessen in Materialien, die für die Fusionsforschung relevant sind, aufgebaut. Das Labor ist ausgestattet mit drei intensiven Neutronenquellen: einer 14 MeV-Neutronenquelle, einer weißen kontinuierlichen Photoneutronen-Quelle, die näher in dieser Arbeit beschrieben wird, und einer gepulsten Photoneutronen-Quelle, die vom FZD inKooperation mit der TUD aufgebaut wurde. Die kontinuierliche Photoneutronen-Quelle basiert auf einem Radiator aus Wolfram (engl. Tungsten Photoneutron Source (TPNS)). TPNS nutzt die im ELBE-Beschleuniger (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillianz und niedriger Emittanz (ELBE)) beschleunigten Elektronen zur Neutronenerzeugung. Der Prozess läuft über Zwischenschritte ab, indem bei der Abbremsung der Elektronen im Radiator Bremsstrahlungsphotonen entstehen, die anschließend Neutronen durch (γ,xn)-Reaktionen erzeugen. Das Neutronenspektrum der TPNS kann mittels Moderatoren so modifiziert werden, dass es dem in der ersten Wand im Fusionsreaktor entspricht. Dies ermöglicht Untersuchungen mit einem für einen Fusionsreaktor typischen Neutronenspektrum. Die technische Verwirklichung des Projektes, die Inbetriebnahme der Anlage sowie die Durchführung der ersten Experimente zur Neutronenerzeugung ist Inhalt dieser Arbeit. Die Neutronenquelle ist insbesondere für qualitative Untersuchungen in der Fusionsneutronik bestimmt. Der Fusionsreaktor produziert, im Vergleich zu einem Spaltungsreaktor, keine langlebigen Isotope als Abfall. Die wesentliche Aktivität des Reaktors ist in Konstruktionsmaterialien akkumuliert. Durch sorgfältige Auswahl der Materialien kann man die Aktivierung minimieren und damit künftig wesentlich weniger radioaktives Inventar produzieren als in Spaltreaktoren. Ziel der kernphysikalischen Untersuchungen ist, solche Materialien für den Aufbau eines Fusionsreaktors zu erforschen, die niedrigaktivierbar sind, das heißt wenig Aktivität akkumulieren können, und eine Halbwertzeit von einigen Jahren haben. Es ist das Ziel, alle Konstruktionsmaterialien nach 100 Jahren wiederverwenden zu können. Die Neutronenflussdichte einer Photoneutronenquelle ist einige Größenordnungen höher als die, die mittels eines DT-Neutronengenerators mit anschließender Moderation erreicht werden kann. Die gesamte Arbeit ist in drei Teile geteilt. Der erste Teil leitet in die Problematik der Energieversorgung ein und zeigt die Kernfusion als eine vielversprechende Energiequelle der naher Zukunft auf. Das Neutronenlabor der TUD, in dem die TPNS aufgebaut ist, wird ebenfalls kurz vorgestellt. Der zweite Teil befasst sich mit der TPNS selbst, mit ihrem physikalischen Entwurf, der Konstruktion und dem Aufbau bis zu der Inbetriebnahme sowie dem ersten Experiment an der TPNS. Der letzte, dritte Teil ist die Zusammenfassung der vorhandenen Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Vorhaben. / The Institute for Nuclear and Particle Physics at the Technische Universität Dresden (TUD) has build a neutron physics laboratory at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) to investigate nuclear processes in materials. The experiments are focused on materials relevant to nuclear fusion. The laboratory is equipped with three intensive neutron sources. The first is a 14 MeV monochromatic neutron source based on the DT reaction (owned by TUD); the other two are continuous and pulsed white photoneutron sources based on (γ,xn) reactions. One pulsed photoneutron source is realized by FZD in cooperation with the TUD. The continuous photoneutron source utilises a tungsten radiator (Tungsten Photoneutron Source) to produce neutrons with a wide energy spectra. The TPNS uses the ELBE-accelerator as a source of electrons for neutron production. This process involves an intermediate step, where slowed down electrons produce bremsstrahlung (γ -rays) absorbed by tungsten nuclei. Consecutively, the excited nuclei emit neutrons. The neutron flux of the photoneutron source is five orders of magnitude higher than the flux of the DT neutron sources with appropriate moderation. The neutron spectrum of TPNS can be modified by moderators, in such a way that the spectrum is comparable to that in the first wall of a Tokamak-Reactor. That allows investigations with the typical neutron spectrum of the fusion reactor. The technical solution, initial operation and the first experiment are described in this work. The neutron source is, in particular, dedicated to quantitative investigations in fusion neutronics. A fusion reactor produces radioactive isotopes as a nuclear waste. The main activity is accumulated in the structural materials. Carefully selected structural materials can significantly minimize the activity and thereby the amount of nuclear waste. The purpose of this project is to find constructional materials with half-lives shorter than several years, which can be recycled after about 100 years. The work is divided into three parts. The first part is dedicated to the energy supply problem and nuclear fusion is addressed as a promising solution of the near future. The neutron laboratory housing the TPNS is also briefly described. The second part deals with the tungsten photoneutron source, the design, construction, operation and the first experiments for neutron production. The third part summarises results and presents an outlook for future experiments with the TPNS.

This master’s thesis provides a comprehensive overview of the conventional neutron sources from the perspective of reactions which lead to the production of neutrons, advantages, disadvantages, properties and their possible utilization. In the relation to the assembly of the laboratory neutron source and the unique experimental stand “Candle” basic methods of the neutron field analysis are outlined and two of them, the neutron activation analysis and the calculation using the MCNP software code are discussed in depth to apply and compare these methods. The experimental part deals with the realization of neutron activation analysis from its design itself, through gamma spectrometry to the cadmium ratio calculation. In compliance with the measurements, a calculation with MCNP code was run and both methods were evaluated and compared. The computation is complemented with the analysis of radiation situation on the borders of the supervised area, which is compared to the legal limit.

Das Institut für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden (TUD) hat im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ein Labor zur Untersuchung von neutroneninduzierten kernphysikalischen Prozessen in Materialien, die für die Fusionsforschung relevant sind, aufgebaut. Das Labor ist ausgestattet mit drei intensiven Neutronenquellen: einer 14 MeV-Neutronenquelle, einer weißen kontinuierlichen Photoneutronen-Quelle, die näher in dieser Arbeit beschrieben wird, und einer gepulsten Photoneutronen-Quelle, die vom FZD inKooperation mit der TUD aufgebaut wurde. Die kontinuierliche Photoneutronen-Quelle basiert auf einem Radiator aus Wolfram (engl. Tungsten Photoneutron Source (TPNS)). TPNS nutzt die im ELBE-Beschleuniger (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillianz und niedriger Emittanz (ELBE)) beschleunigten Elektronen zur Neutronenerzeugung. Der Prozess läuft über Zwischenschritte ab, indem bei der Abbremsung der Elektronen im Radiator Bremsstrahlungsphotonen entstehen, die anschließend Neutronen durch (γ,xn)-Reaktionen erzeugen. Das Neutronenspektrum der TPNS kann mittels Moderatoren so modifiziert werden, dass es dem in der ersten Wand im Fusionsreaktor entspricht. Dies ermöglicht Untersuchungen mit einem für einen Fusionsreaktor typischen Neutronenspektrum. Die technische Verwirklichung des Projektes, die Inbetriebnahme der Anlage sowie die Durchführung der ersten Experimente zur Neutronenerzeugung ist Inhalt dieser Arbeit. Die Neutronenquelle ist insbesondere für qualitative Untersuchungen in der Fusionsneutronik bestimmt. Der Fusionsreaktor produziert, im Vergleich zu einem Spaltungsreaktor, keine langlebigen Isotope als Abfall. Die wesentliche Aktivität des Reaktors ist in Konstruktionsmaterialien akkumuliert. Durch sorgfältige Auswahl der Materialien kann man die Aktivierung minimieren und damit künftig wesentlich weniger radioaktives Inventar produzieren als in Spaltreaktoren. Ziel der kernphysikalischen Untersuchungen ist, solche Materialien für den Aufbau eines Fusionsreaktors zu erforschen, die niedrigaktivierbar sind, das heißt wenig Aktivität akkumulieren können, und eine Halbwertzeit von einigen Jahren haben. Es ist das Ziel, alle Konstruktionsmaterialien nach 100 Jahren wiederverwenden zu können. Die Neutronenflussdichte einer Photoneutronenquelle ist einige Größenordnungen höher als die, die mittels eines DT-Neutronengenerators mit anschließender Moderation erreicht werden kann. Die gesamte Arbeit ist in drei Teile geteilt. Der erste Teil leitet in die Problematik der Energieversorgung ein und zeigt die Kernfusion als eine vielversprechende Energiequelle der naher Zukunft auf. Das Neutronenlabor der TUD, in dem die TPNS aufgebaut ist, wird ebenfalls kurz vorgestellt. Der zweite Teil befasst sich mit der TPNS selbst, mit ihrem physikalischen Entwurf, der Konstruktion und dem Aufbau bis zu der Inbetriebnahme sowie dem ersten Experiment an der TPNS. Der letzte, dritte Teil ist die Zusammenfassung der vorhandenen Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Vorhaben. / The Institute for Nuclear and Particle Physics at the Technische Universität Dresden (TUD) has build a neutron physics laboratory at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) to investigate nuclear processes in materials. The experiments are focused on materials relevant to nuclear fusion. The laboratory is equipped with three intensive neutron sources. The first is a 14 MeV monochromatic neutron source based on the DT reaction (owned by TUD); the other two are continuous and pulsed white photoneutron sources based on (γ,xn) reactions. One pulsed photoneutron source is realized by FZD in cooperation with the TUD. The continuous photoneutron source utilises a tungsten radiator (Tungsten Photoneutron Source) to produce neutrons with a wide energy spectra. The TPNS uses the ELBE-accelerator as a source of electrons for neutron production. This process involves an intermediate step, where slowed down electrons produce bremsstrahlung (γ -rays) absorbed by tungsten nuclei. Consecutively, the excited nuclei emit neutrons. The neutron flux of the photoneutron source is five orders of magnitude higher than the flux of the DT neutron sources with appropriate moderation. The neutron spectrum of TPNS can be modified by moderators, in such a way that the spectrum is comparable to that in the first wall of a Tokamak-Reactor. That allows investigations with the typical neutron spectrum of the fusion reactor. The technical solution, initial operation and the first experiment are described in this work. The neutron source is, in particular, dedicated to quantitative investigations in fusion neutronics. A fusion reactor produces radioactive isotopes as a nuclear waste. The main activity is accumulated in the structural materials. Carefully selected structural materials can significantly minimize the activity and thereby the amount of nuclear waste. The purpose of this project is to find constructional materials with half-lives shorter than several years, which can be recycled after about 100 years. The work is divided into three parts. The first part is dedicated to the energy supply problem and nuclear fusion is addressed as a promising solution of the near future. The neutron laboratory housing the TPNS is also briefly described. The second part deals with the tungsten photoneutron source, the design, construction, operation and the first experiments for neutron production. The third part summarises results and presents an outlook for future experiments with the TPNS.