This thesis describes the development of electronic modules for fusion neutron spectroscopy as well as several implementations of artificial neural networks (NN) for neutron diagnostics for the Joint European Torus (JET) experimental reactor in England. The electronics projects include the development of two fast light pulser modules based on Light Emitting Diodes (LEDs) for the calibration and stability monitoring of two neutron spectrometers (MPRu and TOFOR) at JET. The particular electronic implementation of the pulsers allowed for operation of the LEDs in the nanosecond time scale, which is typically not well accessible with simpler circuits. Another electronic project consisted of the the development and implementation at JET of 32 high frequency analog signal amplifiers for MPRu. The circuit board layout adopted and the choice of components permitted to achieve bandwidth above 0.5 GHz and low distortion for a wide range of input signals. The successful and continued use of all electronic modules since 2005 until the present day is an indication of their good performance and reliability. The NN applications include pulse shape discrimination (PSD), deconvolution of experimental data and tomographic reconstruction of neutron emissivity profiles for JET. The first study showed that NN can perform neutron/gamma PSD in liquid scintillators significantly better than other conventional techniques, especially for low deposited energy in the detector. The second study demonstrated that NN can be used for statistically efficient deconvolution of neutron energy spectra, with and without parametric neutron spectroscopic models, especially in the region of low counts in the data. The work on tomography provided a simple but effective parametric model for describing neutron emissivity at JET. This was then successfully implemented with NN for fast and automatic tomographic reconstruction of the JET camera data. The fast execution time of NN, i.e. usually in the microsecond time scale, makes the NN applications presented here suitable for real-time data analysis and typically orders of magnitudes faster than other commonly used codes. The results and numerical methods described in this thesis can be applied to other diagnostic instruments and are of relevance for future fusion reactors such as ITER, currently under construction in Cadarache, France.

Neutron-rich rare-earth nuclei are among the most collective nuclei that can be found in nature. In particular, the doubly mid-shell nucleus 170Dy is expected to be the nucleus where the collective structure is maximized. This has implications for the astrophysical r-process, since it has been suggested that the collectivity maximum plays an important role in the abundances of the rare-earth elements that are created in supernova explosions. In this work, the collective structure of the five nuclei 168,170Dy and 167,168,169Ho are studied and different theoretical models are used to interpret the evolution of collectivity around the mid-shell. In order to produce and study even more neutron-rich nuclei in this mass region, new radioactive ion beam facilities will be a valuable tool. These facilities, however, require advanced instruments to study the weak signals of exotic nuclei in a high background environment. Two of these instruments are the γ-ray tracking spectrometer AGATA and the neutron detector array NEDA. For AGATA to work satisfactorily, the interaction position of the gamma rays must be determined with an accuracy of at least five millimetres. The position resolution is measured in this work using a model independent method based on the Doppler correction capabilities of the detector at two different distances between the detector and the source. For NEDA, one of the critical parameters is its ability to discriminate between neutrons and γ rays. By using digital electronics it is possible to employ advanced and efficient algorithms for pulse-shape discrimination. In this work, digital versions of the common analogue methods are shownto give as good, or better, results compared to the ones obtained using analogue electronics. Another method which effectively distinguishes between neutrons and γ rays is based on artificial neural networks. This method is also investigated in this work and is shown to yield even better results.

La mesure récente de l'angle de mélange theta-13, à laquelle l'expérience Double Chooz contribue, a ouvert la voie aux futures expériences de la physique des neutrinos. Dans ce manuscrit, la caractérisation de certains bruits de l'expérience sont décrits. Les muons cosmiques qui s'arrêtent et se désintègrent dans le détecteur sont mal reconstruits, résultant en distorsion de la distribution temporelle des signaux laquelle peut être utilisée pour identifier ce type de fond. Les neutrons rapides créés par spallation par les muons cosmiques produisent de nombreux protons de recul qui peuvent entraîner un décalage dans la distribution temporelle des signaux et ainsi être identifiés. Ces distributions temporelles ont aussi été utilisées pour identifier la formation de l'état d'orthopositronium en observant et en mesurant un délai entre l'ionisation du positron et l'annihilation de celui-ci, pouvant permettre une séparation positron-électron. / The measurement of the theta-13 mixing angle, to which the Double Chooz experiment contributed, paves the way to future findings in neutrino physics. In this manuscript, we describe the characterization of some Double Chooz backgrounds. Cosmic muons that stop and decay in the detector are characterized by anisotropic emission of the scintillation light, causing the vertex to be poorly reconstructed. The resulting pulse shape distortion can be used to tag and remove such background. Fast spallation neutrons producing multiple recoil protons may produce a similar distortion in the pulse shape and can also be tagged. Pulse shapes are also used to identify the formation of ortho-positronium. The tagging of such electron-positron bound state is made possible by the induced distortion in the pulse shape due to the delay in the positron annihilation, and can be used for an electron-positron separation.

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Eine mit Polyethylen abgeschirmte Americium-Beryllium-Quelle wurde bzgl. ihres schnellen und thermischen Neutronenfeldes sowie Photonenfeldes durch Messungen und Simulationen quantifiziert. Dafür wurden Strahlungsfeldgrößen wie spektrale Teilchenflussdichten, Teilchenflussdichten, UmgebungsÄquivalentdosisleistungen und Richtungs-Äquivalentdosisleistungen für die jeweiligen Felder in unterschiedlichen Abständen der Strahlungsquelle bestimmt. Die ermittelten Ergebnisse werden verwendet, um einen neuen Bestrahlungsstand als Referenzfeld für Neutronen und Photonen zu errichten.:Einleitung 1. Theoretische Grundlagen 1.1. Strahlungsfeldgrößen 1.1.1. Radiometrische Größen 1.1.2. Interaktionskoeffizienten 1.1.3. Dosimetrische Größen 1.1.4. Fluenz-zu-Dosis-Konversionskoeffizienten 1.2. Photonen 1.2.1. Wechselwirkung mit Materie 1.2.2. Nachweis durch Szintillationsdetektoren 1.3. Neutronen 1.3.1. Klassifizierung 1.3.2. Wechselwirkung mit Materie 1.3.3. Nachweis schneller Neutronen durch organische Szintillationsdetektoren 1.3.4. Nachweis thermischer Neutronen durch ³He-Zählrohre 1.4. Americium-Beryllium-Quellen 1.4.1. Neutronenerzeugung 1.4.2. Abschirmung 1.5. Detektoren 1.5.1. Szintillationsdetektoren 1.5.2. ³He-Zählrohre 1.6. Digitale Pulsverarbeitung 1.6.1. Pulsformdiskriminierung mit organischen Szintillationsdetektoren 1.7. Monte-Carlo-Strahlungstransportsimulationen 2. Geräte und Materialien 3. Methoden 3.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 3.1.1. PFD-unterstützte Flugzeitmethode 3.1.2. Einfache Entfaltungstechnik 3.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 3.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 4. Messungen 4.1. Messung 1 4.2. Messung 2 4.3. Messung 3 4.4. Messung 4 4.5. Messung 5 4.6. Messung 6 4.7. Messung 7 4.8. Messung 8 4.9. Messung 9 4.10. Messung 10 5. Simulationen mit FLUKA 5.1. Nachmodellierung der Versuchsaufbauten 5.2. Nachbildung der Strahlungsfelder 5.2.1. Bestimmung der Korrekturfaktoren 5.3. Simulierte Größen 6. Ergebnisse 6.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 6.1.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des Stilbendetektors 6.1.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der Plausibilitätsmessungen 6.1.3. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 6.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 6.2.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des ³He-Zählrohrs 6.2.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 6.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 6.3.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des CeBr₃-Detektors 6.3.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der Plausibilitätsmessungen 6.3.3. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 7. Diskussion 7.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 7.1.1. Spektrale Teilchenflussdichten 7.1.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen 7.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 7.2.1. Teilchenflussdichten 7.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 7.3.1. Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV 7.3.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen 7.3.3. Richtungs-Äquivalentdosisleistungen 8. Zusammenfassung A. Bestimmte Strahlungsfeldgrößen A.1. Schnelles Neutronenfeld A.1.1. Spektrale Teilchenflussdichten A.1.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen A.2. Thermisches Neutronenfeld A.2.1. Teilchenflussdichten A.3. Photonenfeld A.3.1. Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV A.3.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen A.3.3. Richtungs-Äquivalentdosisleistungen B. Zwischenergebnisse B.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes B.1.1. Pulsladungshistogramme des Stilbendetektors für n₁-Neutronen B.1.2. Anzahlen der Rückstoßprotonen B.2. Quantifizierung des Photonenfeldes B.2.1. Simulierte und gemessene Größen zur Bestimmung der Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV / An americium-beryllium source shielded with polyethylene was quantified in regards to its fast and thermal neutron field, as well as its photon field via measurements and simulations. Therefore, radiation field quantities like spectral fluence rates, fluence rates, ambient dose rate equivalents and directional dose rate equivalents of the respective fields were determined in different distances from the radiation source. The produced results will be used for establishing a new irradiation workbench as reference field for neutrons and photons.:Einleitung 1. Theoretische Grundlagen 1.1. Strahlungsfeldgrößen 1.1.1. Radiometrische Größen 1.1.2. Interaktionskoeffizienten 1.1.3. Dosimetrische Größen 1.1.4. Fluenz-zu-Dosis-Konversionskoeffizienten 1.2. Photonen 1.2.1. Wechselwirkung mit Materie 1.2.2. Nachweis durch Szintillationsdetektoren 1.3. Neutronen 1.3.1. Klassifizierung 1.3.2. Wechselwirkung mit Materie 1.3.3. Nachweis schneller Neutronen durch organische Szintillationsdetektoren 1.3.4. Nachweis thermischer Neutronen durch ³He-Zählrohre 1.4. Americium-Beryllium-Quellen 1.4.1. Neutronenerzeugung 1.4.2. Abschirmung 1.5. Detektoren 1.5.1. Szintillationsdetektoren 1.5.2. ³He-Zählrohre 1.6. Digitale Pulsverarbeitung 1.6.1. Pulsformdiskriminierung mit organischen Szintillationsdetektoren 1.7. Monte-Carlo-Strahlungstransportsimulationen 2. Geräte und Materialien 3. Methoden 3.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 3.1.1. PFD-unterstützte Flugzeitmethode 3.1.2. Einfache Entfaltungstechnik 3.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 3.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 4. Messungen 4.1. Messung 1 4.2. Messung 2 4.3. Messung 3 4.4. Messung 4 4.5. Messung 5 4.6. Messung 6 4.7. Messung 7 4.8. Messung 8 4.9. Messung 9 4.10. Messung 10 5. Simulationen mit FLUKA 5.1. Nachmodellierung der Versuchsaufbauten 5.2. Nachbildung der Strahlungsfelder 5.2.1. Bestimmung der Korrekturfaktoren 5.3. Simulierte Größen 6. Ergebnisse 6.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 6.1.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des Stilbendetektors 6.1.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der Plausibilitätsmessungen 6.1.3. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 6.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 6.2.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des ³He-Zählrohrs 6.2.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 6.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 6.3.1. Strahlungsfeldgrößen mittels des CeBr₃-Detektors 6.3.2. Strahlungsfeldgrößen mittels der Plausibilitätsmessungen 6.3.3. Strahlungsfeldgrößen mittels der FLUKA-Simulationen 7. Diskussion 7.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes 7.1.1. Spektrale Teilchenflussdichten 7.1.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen 7.2. Quantifizierung des thermischen Neutronenfeldes 7.2.1. Teilchenflussdichten 7.3. Quantifizierung des Photonenfeldes 7.3.1. Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV 7.3.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen 7.3.3. Richtungs-Äquivalentdosisleistungen 8. Zusammenfassung A. Bestimmte Strahlungsfeldgrößen A.1. Schnelles Neutronenfeld A.1.1. Spektrale Teilchenflussdichten A.1.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen A.2. Thermisches Neutronenfeld A.2.1. Teilchenflussdichten A.3. Photonenfeld A.3.1. Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV A.3.2. Umgebungs-Äquivalentdosisleistungen A.3.3. Richtungs-Äquivalentdosisleistungen B. Zwischenergebnisse B.1. Quantifizierung des schnellen Neutronenfeldes B.1.1. Pulsladungshistogramme des Stilbendetektors für n₁-Neutronen B.1.2. Anzahlen der Rückstoßprotonen B.2. Quantifizierung des Photonenfeldes B.2.1. Simulierte und gemessene Größen zur Bestimmung der Teilchenflussdichten der Photonen mit den Energien 511 keV, 2,2 MeV und 4,4 MeV

Die Grundlage vieler zukünftiger Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente (SNO+, Daya Bay, LENA) ist das Lösungsmittel Lineare-Alkyl-Benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13). Zusammen mit dem weit verbreiteten Szintillator 2,5-Diphenyloxazole (PPO) ist es ein farb- und geruchsloses Detektormaterial mit hohem Flammpunkt. Im Vergleich zu toluol- oder xylolbasierten Szintillatoren ist LAB+PPO preiswert und nicht gesundheitsschädlich. Die Eigenschaften von LAB machen es ebenfalls interessant für die Anwendung an nELBE, die Neutronenfugzeitanlage im Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Lichtausbeute im niederenergetischen Bereich (bis 2 MeV) wird vorgestellt. Kombiniert wurden Messungen mit (quasi) monoenergetischen Gammastrahlungs-Prüfstrahlern und einem in dieser Arbeit aufgebauten Compton-Spektrometer. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Lichtausbeute bis zu 5 keVee. Der Birks-Parameter wurde für eine Lösung von LAB + 3 g/l PPO sowie für den Flüssigszintillator NE-213 bestimmt. Die relative Lichtausbeute in Bezug auf letzteren konnte mit diesen Messmethoden ebenfalls ermittelt werden. Zur spektralen Analyse des Lumineszenzlichtes wurden Messungen an Fluoreszenz- und UV/VIS- Spektrometern durchgeführt. Die Pulsformdiskriminationsfähigkeit auf LAB basierenden Szintillatoren wurde während eines Flugzeitexperiments in einem gemischten n-gamma-Feld eines Cf(252)-Prüfstrahlers ermittelt. Dabei kamen unterschiedliche Algorithmen der semi-analogen und digitalen Pulsformdiskrimination zum Einsatz. / Linear alkyl benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13) is the proposed solvent for the SNO+, the Daya Bay Neutrino and LENA experiment. In solution with the commonly used scintillator PPO it is a colourless, odourless and cheap liquid scintillator with a high fash point and low health hazard compared to toluene based ones. The properties of LAB make this scintillator interesting also for nELBE, the neutron time-of-fight facility at Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. A new approach to measure the light yield in the low-energy range using a combination of quasi-monoenergetic photon sources and a Compton-spectrometer is described. The latter allows the measurement of the light yield down to 5 keVee (electron equivalent). The Birks- Parameter was determined for a homemade solution (LAB + 3 g/l PPO) and for NE-213. The light yield (relative to this standard scintillator) was confrmed by measurements using a fuorescence spectrometer. The ability of pulse-shape-discrimination in a mixed n-gamma- field of a Cf(252) source was tested using different digital and semi-analogue techniques.

Die Grundlage vieler zukünftiger Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente (SNO+, Daya Bay, LENA) ist das Lösungsmittel Lineare-Alkyl-Benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13). Zusammen mit dem weit verbreiteten Szintillator 2,5-Diphenyloxazole (PPO) ist es ein farb- und geruchsloses Detektormaterial mit hohem Flammpunkt. Im Vergleich zu toluol- oder xylolbasierten Szintillatoren ist LAB+PPO preiswert und nicht gesundheitsschädlich. Die Eigenschaften von LAB machen es ebenfalls interessant für die Anwendung an nELBE, die Neutronenfugzeitanlage im Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. Ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Lichtausbeute im niederenergetischen Bereich (bis 2 MeV) wird vorgestellt. Kombiniert wurden Messungen mit (quasi) monoenergetischen Gammastrahlungs-Prüfstrahlern und einem in dieser Arbeit aufgebauten Compton-Spektrometer. Letzteres ermöglicht die Bestimmung der Lichtausbeute bis zu 5 keVee. Der Birks-Parameter wurde für eine Lösung von LAB + 3 g/l PPO sowie für den Flüssigszintillator NE-213 bestimmt. Die relative Lichtausbeute in Bezug auf letzteren konnte mit diesen Messmethoden ebenfalls ermittelt werden. Zur spektralen Analyse des Lumineszenzlichtes wurden Messungen an Fluoreszenz- und UV/VIS- Spektrometern durchgeführt. Die Pulsformdiskriminationsfähigkeit auf LAB basierenden Szintillatoren wurde während eines Flugzeitexperiments in einem gemischten n-gamma-Feld eines Cf(252)-Prüfstrahlers ermittelt. Dabei kamen unterschiedliche Algorithmen der semi-analogen und digitalen Pulsformdiskrimination zum Einsatz. / Linear alkyl benzene (LAB, C6H5CnH2n+1, n = 10 - 13) is the proposed solvent for the SNO+, the Daya Bay Neutrino and LENA experiment. In solution with the commonly used scintillator PPO it is a colourless, odourless and cheap liquid scintillator with a high fash point and low health hazard compared to toluene based ones. The properties of LAB make this scintillator interesting also for nELBE, the neutron time-of-fight facility at Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf. A new approach to measure the light yield in the low-energy range using a combination of quasi-monoenergetic photon sources and a Compton-spectrometer is described. The latter allows the measurement of the light yield down to 5 keVee (electron equivalent). The Birks- Parameter was determined for a homemade solution (LAB + 3 g/l PPO) and for NE-213. The light yield (relative to this standard scintillator) was confrmed by measurements using a fuorescence spectrometer. The ability of pulse-shape-discrimination in a mixed n-gamma- field of a Cf(252) source was tested using different digital and semi-analogue techniques.