There are a variety of uses for reference neutron fields including detector response and dosimeter studies. The Georgia Institute of Technology has a 252Cf spontaneous fission source and an AmBe (α, n) source available for use in its research programs. In addition, it has iron, lead, beryllium, tantalum, heavy water, and polyethylene spheres to modify the neutron energy distributions from these neutron sources. This research characterized the neutron leakage spectra from the source inside spherical shells using a Bonner sphere spectrometer. All the neutron fields measured were also computed with a Monte Carlo code to determine the neutron fluence rate and ambient dose equivalent rate. The comparison of experimental data and calculations are used to provide further insight into the neutron spectra as modified by the spheres. The characterization of these modified sources will provide data to assist in using the resulting neutron fields in other research activities. To measure each neutron field combination, one of the two sources was placed in the center of an attenuating sphere. The neutron field was first measured at a variety of source-to-detector distances with a Bonner Sphere System. The spectrometer measurements, specifically the count rates of the different Bonner spheres, as a function of distance from the source is fitted to obtain corrections for room-scatter and air-scatter of neutrons using the Eisenhauer, Schwartz, and Johnson method. Using these corrections, the count rates free of room return is obtained at 1 m from the source and unfolded using the BUMS software to obtain the reported fluence and dose equivalent rates. These results are compared to those generated by the Monte Carlo Neutral Particle (MCNP) code. Models were made in MCNP for each of the source and moderating sphere combinations. The neutron fluence and dose rates were tallied during the MCNP simulation. The unfolded experimental data and the MCNP calculations showed good agreement for most of source-attenuating sphere combinations, thereby reinforcing the experimental results.

La réponse d’un détecteur de neutrons varie avec l’énergie du neutron incident. La détermination expérimentale de cette variation se réalise au moyen de champs neutroniques monoénergétiques. Ceux-ci sont produits par l’interaction entre un faisceau d’ions accélérés et une cible fine constituée d’un dépôt réactif sur un support métallique. En utilisant différentes réactions telles que 7Li(p,n), 3H(p,n), 2H(d,n) et 3H(d,n), il est possible de produire des neutrons entre 120 keV et 20 MeV dans la direction du faisceau incident (0°).Pour atteindre des énergies inférieures, il est possible d’augmenter l’angle du point de mesure par rapport à la direction du faisceau d’ions. Cependant, cette méthode présente des problèmes d’homogénéité en énergie et en fluence des neutrons à la surface du détecteur, ainsi qu’une augmentation de la proportion de neutrons diffusés. Une alternative est l’utilisation d’autres réactions nucléaires, notamment la réaction 45Sc(p,n) qui permet de descendre jusqu’à des énergies de 8 keV à 0°.Une étude complète de cette réaction et de sa section efficace a été menée au sein d’une coopération scientifique entre le laboratoire de métrologie et de dosimétrie des neutrons (LMDN) de l’IRSN, deux instituts de métrologie européens, le NPL (National Physical Laboratory, RU) et le PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, All), et l’IRMM (Institute for Reference Materials and Measurements, CEE). Parallèlement, d’autres réactions envisageables ont été étudiées : 65Cu(p,n), 51V(p,n), 57Fe(p,n), 49Ti(p,n), 53Cr(p,n) et 37Cl(p,n). Elles ont été comparées en termes d’émission neutronique et d’énergie minimale des neutrons produits. / The response of a neutron detector, defined as the reading of the device per unit of incident fluence or dose, varies with neutron energy. The experimental determination of this variation, i.e. of the response function of this instrument, has to be performed by facilities producing monoenergetic neutron fields. These neutrons are commonly produced by interaction between accelerated ions (proton or deuteron) onto a thin target composed of a reactive layer deposited on a metallic backing. Using the 7Li(p,n), 3H(p,n), 2H(d,n) and 3H(d,n) reactions, monoenergetic neutrons are obtained between 120 keV and 20 MeV in the ion beam direction (0°).To reach lower neutron energies, the angle of the measuring point with respect to the ion beam direction can be increased. However, this method presents several problems of neutron energy and fluence homogeneities over the detector surface, as well as an important increase of the scattered neutron contribution. Another solution is to investigate other nuclear reactions, as 45Sc(p,n) allowing to extend the neutron energy range down to 8 keV at 0°.A complete study of this reaction and its cross section has been undertaken within the framework of a scientific cooperation between the laboratory of neutron metrology and dosimetry (IRSN, France), two European national metrological institutes, the National Physical Laboratory (UK) and the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Germany), and IRMM, the Institute for Reference Materials and Measurements (EC).In parallel, other possible reactions have been investigated: 65Cu(p,n), 51V(p,n), 57Fe(p,n), 49Ti(p,n), 53Cr(p,n) and 37Cl(p,n). They were compared in terms of neutron fluence and minimum energy of the produced neutrons.

The nuclear design of fusion devices such as ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), which is an experimental fusion reactor based on the "tokamak" concept, rely on the results of neutron physical calculations. These depend on the knowledge of the neutron and photon flux spectra which is particularly important because it permits to anticipate the possible answers of the whole structure to phenomena such as nuclear heating, tritium breeding, atomic displacements, radiation shielding, power generation and material activation. The flux spectra can be calculated with transport codes, but validating measurements are also required. An important constituent of structural materials and divertor areas of fusion reactors is tungsten. This thesis deals with the measurement of the neutron fluence and neutron energy spectrum in a tungsten assembly by means of multiple foil neutron activation technique. In order to check and qualify the experimental tools and the codes to be used in the tungsten benchmark experiment, test measurements in the D-T and D-D neutron fields of the neutron generator at Technische Universität Dresden were performed. The characteristics of the D-D and D-T reactions, used to produce monoenergetic neutrons, together with the selection of activation reactions suitable for fusion applications and details of the activation measurements are presented. Corrections related to the neutron irradiation process and those to the sample counting process are discussed, too. The neutron fluence and its energy distribution in a tungsten benchmark, irradiated at the Frascati Neutron Generator with 14 MeV neutrons produced by the T(d, n)4He reaction, are then derived from the measurements of the neutron induced γ-ray activity in the foils using the STAYNL unfolding code, based on the linear least-square-errors method, together with the IRDF-90.2 (International Reactor Dosimetry File) cross section library. The differences between the neutron flux spectra measured by means of neutron foil activation and the neutron flux spectra obtained in the same assembly, making use of an NE213 liquid-scintillation spectrometer were studied. The comparison of measured neutron spectra with the spectra calculated with the MCNP-4B (Monte Carlo neutron and photon transport) code, which allows a crucial test of the evaluated nuclear data used in fusion reactor design, is discussed, too. In conclusion, this thesis shows the applicability of the neutron foil activation technique for the measurement of neutron flux spectra inside a thick tungsten assembly irradiated with 14 MeV from a D-T generator. / Die Konstruktion von Fusionsreaktoren wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der ein experimenteller Fusionsreaktor ist und auf dem "Tokamak"-Konzept beruht, basiert unter neutronenphysikalischen Gesichtspunkten auf den Ergebnissen von umfangreichen Simulationsrechnungen. Diese setzen die Kenntnis der Spektren des Neutronen- und Photonenflusses voraus die besonders wichtig ist, weil sie, die möglichen Antworten der ganzen Struktur auf physikalische Prozesse vorauszuberechnen erlaubt wie z.B.: Heizen durch nukleare Prozesse, Tritium-Brüten, Atomverschiebung, Abschirmung von Strahlung, Leistungserzeugung und Materialaktivierung. Die Flußspektren können mittels Transportcodes berechnet werden, aber es werden auch Messungen zu ihrer Bestätigung benötigt. Ein wichtiger Bestandteil des Strukturmaterials und der Divertor-Flächen der Fusionsreaktoren ist Wolfram. Diese Dissertation behandelt die Messungen der Neutronspektren und ?fluenz in einer Wolfram-Anordnung mittels der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik. Um die anzuwendenden experimentellen Geräte und die Codes, die im Wolfram-Benchmark-Experiment eingesetzt werden, zu überprüfen und zu bestimmen, wurden Testmessungen in den D-T und D-D Neutronenfeldern des Neutronengenerator der Technischen Universität Dresden durchgeführt. Die Eigenschaften der D-T und D-D Reaktionen, die für die Erzeugung von monoenergetischen Neutronen verwendet werden, sowie die Auswahl der Aktivierungsreaktionen, die für Fusionsanwendungen geeignet sind und die Aktivierungsmessung werden detailliert vorgestellt. Korrekturen, die sich auf den Neutronen-Bestrahlungsprozess und auf den Probenzählungsprozess beziehen, werden ebenfalls besprochen. Die Neutronenfluenz und ihre Energieverteilung in einem Wolfram-Benchmark, bestrahlt am Frascati Neutronen Generator mit 14 MeV-Neutronen aus der T(d, n)4He Reaktion, werden aus den Messungen der γ-Strahlenaktivität, die von Neutronen in den Folien induziert ist, durch den STAYNL Entfaltungscode, der auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate basiert, zusammen mit der IRDF-90.2 Wirkungsquerschnitt-Bibliothek abgeleitet. Die Unterschiede zwischen den Neutronenflußspektren, die mit Hilfe der Multifolien-Neutronenaktivierung ermittelt wurden, und den Neutronenflußspektren, gemessen im selben Aufbau mit einem NE-213 Flüssigszintillator, wurden untersucht. Die gemessenen Neutronenspektren werden den aus MCNP-4B Rechnungen (Monte Carlo neutron and photon transport) ermittelten Spektren gegenüber gestellt. Der Vergleich stellt einen wichtigen Test der evaluierten Kerndaten für Fusionsreaktorkonzepte dar. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Anwendbarkeit der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik bei Messungen der Neutronenflussspektren innerhalb eines massiven Wolframblocks bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen aus D-T Generatoren.

The nuclear design of fusion devices such as ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), which is an experimental fusion reactor based on the "tokamak" concept, rely on the results of neutron physical calculations. These depend on the knowledge of the neutron and photon flux spectra which is particularly important because it permits to anticipate the possible answers of the whole structure to phenomena such as nuclear heating, tritium breeding, atomic displacements, radiation shielding, power generation and material activation. The flux spectra can be calculated with transport codes, but validating measurements are also required. An important constituent of structural materials and divertor areas of fusion reactors is tungsten. This thesis deals with the measurement of the neutron fluence and neutron energy spectrum in a tungsten assembly by means of multiple foil neutron activation technique. In order to check and qualify the experimental tools and the codes to be used in the tungsten benchmark experiment, test measurements in the D-T and D-D neutron fields of the neutron generator at Technische Universität Dresden were performed. The characteristics of the D-D and D-T reactions, used to produce monoenergetic neutrons, together with the selection of activation reactions suitable for fusion applications and details of the activation measurements are presented. Corrections related to the neutron irradiation process and those to the sample counting process are discussed, too. The neutron fluence and its energy distribution in a tungsten benchmark, irradiated at the Frascati Neutron Generator with 14 MeV neutrons produced by the T(d, n)4He reaction, are then derived from the measurements of the neutron induced γ-ray activity in the foils using the STAYNL unfolding code, based on the linear least-square-errors method, together with the IRDF-90.2 (International Reactor Dosimetry File) cross section library. The differences between the neutron flux spectra measured by means of neutron foil activation and the neutron flux spectra obtained in the same assembly, making use of an NE213 liquid-scintillation spectrometer were studied. The comparison of measured neutron spectra with the spectra calculated with the MCNP-4B (Monte Carlo neutron and photon transport) code, which allows a crucial test of the evaluated nuclear data used in fusion reactor design, is discussed, too. In conclusion, this thesis shows the applicability of the neutron foil activation technique for the measurement of neutron flux spectra inside a thick tungsten assembly irradiated with 14 MeV from a D-T generator. / Die Konstruktion von Fusionsreaktoren wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der ein experimenteller Fusionsreaktor ist und auf dem "Tokamak"-Konzept beruht, basiert unter neutronenphysikalischen Gesichtspunkten auf den Ergebnissen von umfangreichen Simulationsrechnungen. Diese setzen die Kenntnis der Spektren des Neutronen- und Photonenflusses voraus die besonders wichtig ist, weil sie, die möglichen Antworten der ganzen Struktur auf physikalische Prozesse vorauszuberechnen erlaubt wie z.B.: Heizen durch nukleare Prozesse, Tritium-Brüten, Atomverschiebung, Abschirmung von Strahlung, Leistungserzeugung und Materialaktivierung. Die Flußspektren können mittels Transportcodes berechnet werden, aber es werden auch Messungen zu ihrer Bestätigung benötigt. Ein wichtiger Bestandteil des Strukturmaterials und der Divertor-Flächen der Fusionsreaktoren ist Wolfram. Diese Dissertation behandelt die Messungen der Neutronspektren und ?fluenz in einer Wolfram-Anordnung mittels der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik. Um die anzuwendenden experimentellen Geräte und die Codes, die im Wolfram-Benchmark-Experiment eingesetzt werden, zu überprüfen und zu bestimmen, wurden Testmessungen in den D-T und D-D Neutronenfeldern des Neutronengenerator der Technischen Universität Dresden durchgeführt. Die Eigenschaften der D-T und D-D Reaktionen, die für die Erzeugung von monoenergetischen Neutronen verwendet werden, sowie die Auswahl der Aktivierungsreaktionen, die für Fusionsanwendungen geeignet sind und die Aktivierungsmessung werden detailliert vorgestellt. Korrekturen, die sich auf den Neutronen-Bestrahlungsprozess und auf den Probenzählungsprozess beziehen, werden ebenfalls besprochen. Die Neutronenfluenz und ihre Energieverteilung in einem Wolfram-Benchmark, bestrahlt am Frascati Neutronen Generator mit 14 MeV-Neutronen aus der T(d, n)4He Reaktion, werden aus den Messungen der γ-Strahlenaktivität, die von Neutronen in den Folien induziert ist, durch den STAYNL Entfaltungscode, der auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate basiert, zusammen mit der IRDF-90.2 Wirkungsquerschnitt-Bibliothek abgeleitet. Die Unterschiede zwischen den Neutronenflußspektren, die mit Hilfe der Multifolien-Neutronenaktivierung ermittelt wurden, und den Neutronenflußspektren, gemessen im selben Aufbau mit einem NE-213 Flüssigszintillator, wurden untersucht. Die gemessenen Neutronenspektren werden den aus MCNP-4B Rechnungen (Monte Carlo neutron and photon transport) ermittelten Spektren gegenüber gestellt. Der Vergleich stellt einen wichtigen Test der evaluierten Kerndaten für Fusionsreaktorkonzepte dar. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Anwendbarkeit der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik bei Messungen der Neutronenflussspektren innerhalb eines massiven Wolframblocks bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen aus D-T Generatoren.