Es werden die Entdeckung der organischen Szintillatoren durch Hartmut Kallmann und seine anderen Arbeiten, insbesondere die Entwicklung der flüssigen Szillitatoren beschrieben. / The discovery of organic scintillators by Hartmut Kallmann and his further work, especially the development of liquid scintillators are described.

Es werden die Entdeckung der organischen Szintillatoren durch Hartmut Kallmann und seine anderen Arbeiten, insbesondere die Entwicklung der flüssigen Szillitatoren beschrieben. / The discovery of organic scintillators by Hartmut Kallmann and his further work, especially the development of liquid scintillators are described.

The starting SNO+ experiment, successor to the Sudbury Neutrino Observatory, is a neutrino detector using LAB based liquid scintillator as active medium. Situated in the SNOLab deep underground laboratory in Sudbury, Canada, the rock overburden amounts to about 6 km.w.e., providing an effective shielding against cosmic rays. The residual muon rate is 63 μ/day going through the detector volume. About 780 t of an LAB mixture inside an acrylic sphere with a 6 m radius will be observed by ≈ 9300 photomultipliers, surrounded by a ≈ 7000 t water shielding. SNO+ will be searching for low energy solar-, geo-, reactor- and supernova neutrinos, but the main goal is the observation of the neutrinoless double beta decay in Te-130. Under operating conditions, the scintillator will be cooled to about 12° C. This work investigated the effect of temperature changes on the light output of LAB based liquid scintillator in a range from -5° C to 30° C with α-particles and electrons in a small scale setup. Assuming a linear behaviour, a combined negative temperature coefficient of (−0.29 ± 0.01) %/° C is found. Considering hints for a particle type dependency, electrons show (−0.17 ± 0.02) %/° C whereas the temperature dependency seems stronger for α-particles (−0.35 ± 0.03) %/° C. A pulse shape analysis shows increased strength of a slow decay component at lower temperatures, pointing to reduced non-radiative triplet state de-excitations at lower temperatures. Furthermore, this work found upper bounds for the in-situ muon-induced isotope production via scaling calculations and simulations with Geant4 based software. For the most concerning isotope C-11, an upper limit of about 1.3 × 10^3 decays/kt/yr is found and a reduction technique, developed by the Borexino collaboration, can be effectively applied for SNO+. Also a muon reconstruction algorithm is implemented, performing reasonably well, but not good enough to improve the background reduction scheme. / Das zukünftige SNO+ experiment, Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatory, ist ein Neutrino-Detektor mit LAB basierten Flüssigszintillator als aktivem Medium. Im SNOLab Untertagelabor (Sudbury, Kanada) gelegen, ist es durch die Felsüberdeckung von 6 km.w.e. hervorragend gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Die Rate der übrigen Myonen die das Detektorvolumen durchdringen beträgt ca. 63 μ/Tag. In einer Acrylkugel, mit einem Radius von 6 m, wird eine LAB Mischung von ≈ 9300 Photomultipliern beobachtet und von einer Wasserabschirmung von ≈ 7 kt umgeben. SNO+ wird nach niederenergetischen solaren-, Geo-, Reaktor- und Supernova Neutrinos suchen, aber das Hauptziel ist die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Betazerfällen in Te-130. Unter den Betriebsbedingungen wird der Flüssigszintillator eine Temperatur von ca. 12° C annehmen. Diese Arbeit hat den Einfluss von Temperaturveränderungen in einem Bereich von -5° C to 30° C auf die erzeugte Lichtmenge untersucht. Dazu wurden α-Teilchen und Elektronen in einem kleineren Versuchaufbau beobachtet. Unter der Annahme eines linearen Verhaltens, wurde ein globaler negativer Temperaturkoeffizient von (−0.29 ± 0.01) %/° C gefunden. Unter Berücksichtigung von Hinweisen auf eine Teilchenartabhängigkeit, findet sich für Elektronen ein Koeffizient von (−0.17 ± 0.02) %/° C, wohingegen α-Teilchen eine stärkere Abhängikeit von (−0.35 ± 0.03) %/° C aufweisen. Eine Pulsformanalyse zeigt eine bei tieferen Temperaturen stärker ausgeprägte langsame Zerfallskomponente, was darauf hinweist dass die nicht-radiativen Abregungen der Triplet-Zustände bei niedrigeren Temperaturen reduziert sind. Weiterhin wurden in dieser Arbeit obere Ausschlußgrenzen für in-situ Myon-induzierte Isotopenproduktion gefunden, wozu Skalierungsrechnungen und Simulation mit auf Geant4 basierender Software benutzt wurden. Für das wichtigste Isotop C-11 wurde eine obere Grenze von 1.3 × 10^3 Ereignisse/kt/Jahr gefunden und eine Technik zur Reduzierung des Untergrundes, entwickelt von der Borexino Kollaboration, kann effektiv für SNO+ angewendet werden. Darüber hinaus wurde eine Myon Spurrekonstruktion implementiert, die sinnvolle Ergebnisse liefert, aber nicht gut genug ist um die Untergrund Reduzierung zu unterstützen.

The starting SNO+ experiment, successor to the Sudbury Neutrino Observatory, is a neutrino detector using LAB based liquid scintillator as active medium. Situated in the SNOLab deep underground laboratory in Sudbury, Canada, the rock overburden amounts to about 6 km.w.e., providing an effective shielding against cosmic rays. The residual muon rate is 63 μ/day going through the detector volume. About 780 t of an LAB mixture inside an acrylic sphere with a 6 m radius will be observed by ≈ 9300 photomultipliers, surrounded by a ≈ 7000 t water shielding. SNO+ will be searching for low energy solar-, geo-, reactor- and supernova neutrinos, but the main goal is the observation of the neutrinoless double beta decay in Te-130. Under operating conditions, the scintillator will be cooled to about 12° C. This work investigated the effect of temperature changes on the light output of LAB based liquid scintillator in a range from -5° C to 30° C with α-particles and electrons in a small scale setup. Assuming a linear behaviour, a combined negative temperature coefficient of (−0.29 ± 0.01) %/° C is found. Considering hints for a particle type dependency, electrons show (−0.17 ± 0.02) %/° C whereas the temperature dependency seems stronger for α-particles (−0.35 ± 0.03) %/° C. A pulse shape analysis shows increased strength of a slow decay component at lower temperatures, pointing to reduced non-radiative triplet state de-excitations at lower temperatures. Furthermore, this work found upper bounds for the in-situ muon-induced isotope production via scaling calculations and simulations with Geant4 based software. For the most concerning isotope C-11, an upper limit of about 1.3 × 10^3 decays/kt/yr is found and a reduction technique, developed by the Borexino collaboration, can be effectively applied for SNO+. Also a muon reconstruction algorithm is implemented, performing reasonably well, but not good enough to improve the background reduction scheme. / Das zukünftige SNO+ experiment, Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatory, ist ein Neutrino-Detektor mit LAB basierten Flüssigszintillator als aktivem Medium. Im SNOLab Untertagelabor (Sudbury, Kanada) gelegen, ist es durch die Felsüberdeckung von 6 km.w.e. hervorragend gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Die Rate der übrigen Myonen die das Detektorvolumen durchdringen beträgt ca. 63 μ/Tag. In einer Acrylkugel, mit einem Radius von 6 m, wird eine LAB Mischung von ≈ 9300 Photomultipliern beobachtet und von einer Wasserabschirmung von ≈ 7 kt umgeben. SNO+ wird nach niederenergetischen solaren-, Geo-, Reaktor- und Supernova Neutrinos suchen, aber das Hauptziel ist die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Betazerfällen in Te-130. Unter den Betriebsbedingungen wird der Flüssigszintillator eine Temperatur von ca. 12° C annehmen. Diese Arbeit hat den Einfluss von Temperaturveränderungen in einem Bereich von -5° C to 30° C auf die erzeugte Lichtmenge untersucht. Dazu wurden α-Teilchen und Elektronen in einem kleineren Versuchaufbau beobachtet. Unter der Annahme eines linearen Verhaltens, wurde ein globaler negativer Temperaturkoeffizient von (−0.29 ± 0.01) %/° C gefunden. Unter Berücksichtigung von Hinweisen auf eine Teilchenartabhängigkeit, findet sich für Elektronen ein Koeffizient von (−0.17 ± 0.02) %/° C, wohingegen α-Teilchen eine stärkere Abhängikeit von (−0.35 ± 0.03) %/° C aufweisen. Eine Pulsformanalyse zeigt eine bei tieferen Temperaturen stärker ausgeprägte langsame Zerfallskomponente, was darauf hinweist dass die nicht-radiativen Abregungen der Triplet-Zustände bei niedrigeren Temperaturen reduziert sind. Weiterhin wurden in dieser Arbeit obere Ausschlußgrenzen für in-situ Myon-induzierte Isotopenproduktion gefunden, wozu Skalierungsrechnungen und Simulation mit auf Geant4 basierender Software benutzt wurden. Für das wichtigste Isotop C-11 wurde eine obere Grenze von 1.3 × 10^3 Ereignisse/kt/Jahr gefunden und eine Technik zur Reduzierung des Untergrundes, entwickelt von der Borexino Kollaboration, kann effektiv für SNO+ angewendet werden. Darüber hinaus wurde eine Myon Spurrekonstruktion implementiert, die sinnvolle Ergebnisse liefert, aber nicht gut genug ist um die Untergrund Reduzierung zu unterstützen.

In dieser Arbeit wird die Signalanalyse eines Ortsdosisleistungsmessgerät mit organischem Szintillatoren der Arbeitsgruppe Strahlungsphysik optimiert, damit die Signalanalyse die Anforderungen der PTB im Hinblick auf eine Baumusterprüfung erfüllt. Dafür wird der Mittellungszeitraum der Dosisleistung dynamisch an die Zählrate angepasst, um einen Kompromiss zwischen schneller Ansprechzeit und geringer statistischer Messunsicherheit der gemessenen Dosisleistungen zu erreichen. Bei hohen Zählraten wird die Datenmenge begrenzt, damit die CPU nicht mit der Auswertung der Einzelereignisse überlastet wird. Weiterhin wird für 2 Prototypen des Dosimeters eine Energiekalibrierung und Wichtung gefunden. Als zusätzliches Feature ist eine Fourier-Transformation implementiert, mit der die Frequenz von gepulster Strahlung bestimmt wird.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 1 2 Physikalischer Hintergrund 3 2.1 Dosis 3 2.2 Kernreaktionen 3 2.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie 4 2.4 Detektoren 6 3 Material und Methoden 9 3.1 Aufbau und Funktionsweise 9 3.2 Funktionsprüfung 13 3.3 Kalibrierung 15 3.4 Anforderungen der PTB 18 3.5 Überlastungsschutz 19 3.6 Fourier-Transformation 20 4 Messungen 23 4.1 Messung mit dem Pulsgenerator 23 4.2 Messungen mit dem NaI-Szintillator 25 4.3 Messungen mit organischem Szintillator 27 5 Zusammenfassung 41 6 Anhang 43 6.1 Beobachtete Röntgen und γ-Linien 43 6.2 Pulsladungshistogramme 44 Abbildungsverzeichnis 53 Tabellenverzeichnis 55 Literatur 57 / In this thesis, the signal analysis of a local dose rate measurement device is improved for a type examination at the PTB. For this the averaging time of the dose rate measurement is dynamically optimized to archive a trade-off between a short reaction time and low statistical uncertainty of the measured dose rate in order to fulfil the expectations of the PTB and an overload protection is added to ensure a swift analysis of the incoming events even at high count rates. Furthermore, an energy calibration and weight is determined for two prototypes of the dose rate measurement device. As an additional feature a Fourier transformation is implemented to determine the frequency of pulsed radiation fields.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 1 2 Physikalischer Hintergrund 3 2.1 Dosis 3 2.2 Kernreaktionen 3 2.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie 4 2.4 Detektoren 6 3 Material und Methoden 9 3.1 Aufbau und Funktionsweise 9 3.2 Funktionsprüfung 13 3.3 Kalibrierung 15 3.4 Anforderungen der PTB 18 3.5 Überlastungsschutz 19 3.6 Fourier-Transformation 20 4 Messungen 23 4.1 Messung mit dem Pulsgenerator 23 4.2 Messungen mit dem NaI-Szintillator 25 4.3 Messungen mit organischem Szintillator 27 5 Zusammenfassung 41 6 Anhang 43 6.1 Beobachtete Röntgen und γ-Linien 43 6.2 Pulsladungshistogramme 44 Abbildungsverzeichnis 53 Tabellenverzeichnis 55 Literatur 57

Es wird ein Verfahren zur Energiekalibrierung von Niedrig-Z-Szintillatoren vorgestellt. Jenes basiert dabei auf einem roboter-unterstütztem Weitwinkel-Compton-Aufbau. In diesem werden die koinzidenten Ereignisse von Compton-gestreuten Photonen in einem HPGe-Detektor und einem Niedrig-Z-Szintillator erfasst und die Messdaten zur Energiekalibrierung des letzteren genutzt. Eine Bestimmung von Compton-Kanten für das Szintillatormaterial ist dabei nicht zwingend notwendig. / A technique for the energy calibration of low-Z scintillators is being presented. It is based on a robot-supported wide-angle Compton setup. In this the coincident events of photons being Compton-scattered in a HPGe detector and a low-Z scintillator are being recorded and the generated measurement data used for energy calibration of the latter. A determination of Compton edges in the scintillator material is not necessarily needed.