1. A quantitive understanding of the nucleosynthesis process requires the knowledge of the production rates, the masses and the ?-decay characteristics of exotic neutron-rich nu- clei. Nuclear fission is a suitable method of producing such nuclei with masses from 60 - 150. Neutron-rich nuclei close to the r-process path can be produced via photo-fission at the Rossendorf superconducting linear accelerator of high brilliance and low emittance (ELBE) or by means of nuclear reactions at relativistic energies (for example at GSI). If the fission prod- ucts are identified and also their charge numbers are obtained, it will be principally possible to investigate their structure by means of beta-gamma spectroscopy. 2. For the purpose of fission-fragment detection a double time-of-flight (TOF) spectrometer has been developed. The key component of the TOF spectrometer is a TOF detector consisting of multichannel-plate (MCP) detectors with a position-sensitive readout, a foil for secondary electron (SE) production and an electrostatic mirror. The fission fragments are detected by measuring the SEs impinging on the position-sensitive anode after emission from the foil, ac- celeration and deflection by the electrostatic mirror. 3. In the first part of the work, special attention is paid to the relevant methods of building a spectrometer of such type. The functionality of the different detector components is proven in detail. A unique method for the determination of the SE foil thickness with ?-particles is pre- sented. Values for the mirror transmission and scattering are deduced. A dedicated SIMION 3D simulation showed that introducing serpentine like wires with pitch distance of 1 mm is capable of providing transparency of more than 90% without significant impact on the time resolution. 4. Since the performance of the MCP detectors is crucial, optimised schemes for their high- voltage supplies have been implemented successfully. Further enhancement of the setup was achieved by introducing surface-mount device (SMD) elements for signal decoupling, positioned close to the detector surface. Thus, we succeeded in avoiding signal deterioration coming from the additional capacitances and inductivities caused by extra cable lengths. Because the MCP signal decoupling takes place by means of rings with not well-defined impedance, impedance- matching problems arise, causing signal ringing and distortion. An approach towards solving this problem was to build a special fast, wide-band transimpedance amplifier. Using its circuit mounted close to the detectors, a significant reduction of the signal ringing was observed while maintaining the rise time of the detector signal. In order to process the multichannel-plate de- tector signals optimally, a new state-of-the-art constant-fraction discriminator (CFD) based on the amplitude and rise time compensated (ARC) technique with very low threshold capabilities and optimised walk properties has been developed and incorporated into the setup. 5. In our first laboratory test measurements conducted with an ?-particle source, we demonstrated ability of the setup to resolve pattern images placed directly in front of the MCP detector or reflected by the electrostatic mirror. The obtained position resolution for the second case is in the order of 2 mm. We showed that the detection efficiency of the system for ions like He is less than 30 %. This is mainly due to the low number of the electrons liberated from the SE foil. In a setup consisting of two mirror MCP detectors, we could successfully observe the TOF spectrum of a mixed (226Ra, 222Rn, 210Po, 218Po, 214Po) ?-source and found a good agreement with a SRIM simulation. 6. Measurements performed at the FZ Dresden-Rossendorf 5 MV tandem accelerator en- abled us to learn more about the response of the TOF detectors to various beams of heavy ions. The first in-beam experiments clearly showed that the applied setup consisting of two mirror detectors is capable of resolving different 35Cl beam charge states. In a combination with the specially designed wide-band amplifier and dedicated CFDs based on the ARC technique, we managed to achieve an in-beam time resolution of 170 ps per TOF detector. Measurements with ions of Z > 30 resulted in detection efficiencies of greater than 90%. At foil accelerating potentials approximately two times larger than the mirror deflection voltage, most of the SEs gain enough energy to pass through the electrostatic mirror without being deflected towards the MCP surface. Thus, an abrupt drop of the efficiency curve was observed - the “transparent” mode of the mirror. 7. Properties of electrons ejected from thin foils from heavy ions have been also investigated. From the MCP pulse-height-distribution spectra, a number for the forward-emitted SEs ejected by 35Cl beam was deduced. A method for obtaining widths of the SE energy distributions from the drop of the efficiency curve for various ions has been proposed. Assuming that the efficiency curve as a function of the accelerating voltage follows an error function, its standard deviation gives the standard deviation of the SE energy distribution. Another method based on the TOF technique for reconstructing the secondary electron velocity and energy distribution was also invented. It was found that the resulting mean SE velocity closely approaches the one of the beam ions. This phenomenon was attributed to the so-called “convoy” electrons. 8. The obtained position resolution for beams like 35Cl, 79Br and 107Ag at stable detection efficiency was better than 1.8 mm. It was demonstrated that with increasing the foil accelerat- ing voltage, the position resolution improves due to the minimised SE angular spread. Such a mode of operation was favoured until the mirror “semi-transparency” regime was reached, after which increasing further the accelerating potential could lead to a position resolution worsen- ing. An explanation of the fact could be the deterioration of the anode timing signals or some defocusing effects arising from the mirror wires field at high accelerating voltages. 9. Testing photo-fission experiments were performed at the bremsstrahlung facility at the ELBE accelerator. For the first time a spectrometer of this kind was successfully employed for bremsstrahlung-induced photo-fission measurements. The setup consisted of two mirror detectors (first arm) and a 80 mm diameter MCP detector (second arm) with a 238U target positioned in between. TOF measurements with two bremsstrahlung end-point energies of 12.9 and 16.0 MeV were carried out. A clear cut separation of the TOF peaks for the medium- mass and heavy fission fragments was observed. At these experimental test runs, we did not aim at one-by-one fission fragment mass resolution, since this may be the purpose of a more specific experiment utilising a much thinner fissile source than the one applied here (minimum straggling of the fragments inside the target is required) and considerably better statistics. It was possible to estimate the photo-fission production rate for the two measuring cases and to compare the obtained results with data from other measurements.

1. A quantitive understanding of the nucleosynthesis process requires the knowledge of the production rates, the masses and the ?-decay characteristics of exotic neutron-rich nu- clei. Nuclear fission is a suitable method of producing such nuclei with masses from 60 - 150. Neutron-rich nuclei close to the r-process path can be produced via photo-fission at the Rossendorf superconducting linear accelerator of high brilliance and low emittance (ELBE) or by means of nuclear reactions at relativistic energies (for example at GSI). If the fission prod- ucts are identified and also their charge numbers are obtained, it will be principally possible to investigate their structure by means of beta-gamma spectroscopy. 2. For the purpose of fission-fragment detection a double time-of-flight (TOF) spectrometer has been developed. The key component of the TOF spectrometer is a TOF detector consisting of multichannel-plate (MCP) detectors with a position-sensitive readout, a foil for secondary electron (SE) production and an electrostatic mirror. The fission fragments are detected by measuring the SEs impinging on the position-sensitive anode after emission from the foil, ac- celeration and deflection by the electrostatic mirror. 3. In the first part of the work, special attention is paid to the relevant methods of building a spectrometer of such type. The functionality of the different detector components is proven in detail. A unique method for the determination of the SE foil thickness with ?-particles is pre- sented. Values for the mirror transmission and scattering are deduced. A dedicated SIMION 3D simulation showed that introducing serpentine like wires with pitch distance of 1 mm is capable of providing transparency of more than 90% without significant impact on the time resolution. 4. Since the performance of the MCP detectors is crucial, optimised schemes for their high- voltage supplies have been implemented successfully. Further enhancement of the setup was achieved by introducing surface-mount device (SMD) elements for signal decoupling, positioned close to the detector surface. Thus, we succeeded in avoiding signal deterioration coming from the additional capacitances and inductivities caused by extra cable lengths. Because the MCP signal decoupling takes place by means of rings with not well-defined impedance, impedance- matching problems arise, causing signal ringing and distortion. An approach towards solving this problem was to build a special fast, wide-band transimpedance amplifier. Using its circuit mounted close to the detectors, a significant reduction of the signal ringing was observed while maintaining the rise time of the detector signal. In order to process the multichannel-plate de- tector signals optimally, a new state-of-the-art constant-fraction discriminator (CFD) based on the amplitude and rise time compensated (ARC) technique with very low threshold capabilities and optimised walk properties has been developed and incorporated into the setup. 5. In our first laboratory test measurements conducted with an ?-particle source, we demonstrated ability of the setup to resolve pattern images placed directly in front of the MCP detector or reflected by the electrostatic mirror. The obtained position resolution for the second case is in the order of 2 mm. We showed that the detection efficiency of the system for ions like He is less than 30 %. This is mainly due to the low number of the electrons liberated from the SE foil. In a setup consisting of two mirror MCP detectors, we could successfully observe the TOF spectrum of a mixed (226Ra, 222Rn, 210Po, 218Po, 214Po) ?-source and found a good agreement with a SRIM simulation. 6. Measurements performed at the FZ Dresden-Rossendorf 5 MV tandem accelerator en- abled us to learn more about the response of the TOF detectors to various beams of heavy ions. The first in-beam experiments clearly showed that the applied setup consisting of two mirror detectors is capable of resolving different 35Cl beam charge states. In a combination with the specially designed wide-band amplifier and dedicated CFDs based on the ARC technique, we managed to achieve an in-beam time resolution of 170 ps per TOF detector. Measurements with ions of Z > 30 resulted in detection efficiencies of greater than 90%. At foil accelerating potentials approximately two times larger than the mirror deflection voltage, most of the SEs gain enough energy to pass through the electrostatic mirror without being deflected towards the MCP surface. Thus, an abrupt drop of the efficiency curve was observed - the “transparent” mode of the mirror. 7. Properties of electrons ejected from thin foils from heavy ions have been also investigated. From the MCP pulse-height-distribution spectra, a number for the forward-emitted SEs ejected by 35Cl beam was deduced. A method for obtaining widths of the SE energy distributions from the drop of the efficiency curve for various ions has been proposed. Assuming that the efficiency curve as a function of the accelerating voltage follows an error function, its standard deviation gives the standard deviation of the SE energy distribution. Another method based on the TOF technique for reconstructing the secondary electron velocity and energy distribution was also invented. It was found that the resulting mean SE velocity closely approaches the one of the beam ions. This phenomenon was attributed to the so-called “convoy” electrons. 8. The obtained position resolution for beams like 35Cl, 79Br and 107Ag at stable detection efficiency was better than 1.8 mm. It was demonstrated that with increasing the foil accelerat- ing voltage, the position resolution improves due to the minimised SE angular spread. Such a mode of operation was favoured until the mirror “semi-transparency” regime was reached, after which increasing further the accelerating potential could lead to a position resolution worsen- ing. An explanation of the fact could be the deterioration of the anode timing signals or some defocusing effects arising from the mirror wires field at high accelerating voltages. 9. Testing photo-fission experiments were performed at the bremsstrahlung facility at the ELBE accelerator. For the first time a spectrometer of this kind was successfully employed for bremsstrahlung-induced photo-fission measurements. The setup consisted of two mirror detectors (first arm) and a 80 mm diameter MCP detector (second arm) with a 238U target positioned in between. TOF measurements with two bremsstrahlung end-point energies of 12.9 and 16.0 MeV were carried out. A clear cut separation of the TOF peaks for the medium- mass and heavy fission fragments was observed. At these experimental test runs, we did not aim at one-by-one fission fragment mass resolution, since this may be the purpose of a more specific experiment utilising a much thinner fissile source than the one applied here (minimum straggling of the fragments inside the target is required) and considerably better statistics. It was possible to estimate the photo-fission production rate for the two measuring cases and to compare the obtained results with data from other measurements.

In dieser Arbeit wird der Durchgang von Gammastrahlung durch Betonstrukturen spektroskopisch und dosimetrisch untersucht, welcher im Rückbau kerntechnischer Anlagen aufgrund der Kontamination der Betonsubstanz durch radioaktive Spalt- oder Aktivierungsprodukte von Interesse ist. Dazu wurde ein Betonphantom erstellt, dessen Zusammensetzung der im Kraftwerk genutzten Substanz möglichst nahekommt, und ein Aufbau mit variierender Geometrie realisiert. Darin wurden spektroskopische Messungen mithilfe einer aus Gadolinium-Aluminium-Gallium-Granat bestehenden faseroptischen Szintillationssonde durchgeführt. Zudem wurden dosimetrische Messungen mittels Berylliumoxid-Detektoren im Phantom umgesetzt. Somit konnte sowohl die Abhängigkeit der applizierten Dosisleistung als auch der Energieverteilung der Gammastrahlung von der Phantomabmessung bestimmt werden. Eine computergestützte Simulation des Messaufbaus mit beiden Messsystemen führte daraufhin zu Ergebnissen, welche gut mit den Messwerten übereinstimmen.:1 Einleitung 1 2 Physikalische Grundlagen 2 2.1 Wichtige Gröÿen der Strahlungsphysik 2 2.2 Das Zerfallsgesetz 3 2.3 Schwächung von Photonenstrahlung 3 2.4 Wechselwirkung von Photonen mit Materie 4 2.5 Dosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz 7 2.6 Spektrometrie mittels Szintillationsdetektoren 9 2.7 Energiedepositionshistogramm eines Szintillationsdetektors 11 2.8 Entstehung von Kontaminationen im Kernreaktor 13 3 Messaufbau 15 3.1 Das Messsystem der BeO-Dosimeter 15 3.2 Das Messsystem des GAGG-Szintillationsdetektors 16 3.3 Die 22Na-Quelle 18 3.4 Aufbau des Sandphantoms 19 3.5 Messwertaufnahme 22 3.6 Simulation der Messungen 23 4 Ergebnisse und Auswertung 25 4.1 Dosimetrische Messung und Simulation 25 4.2 Spektroskopische Messung und Simulation 27 4.2.1 Kalibrierung des GAGG-Messsystems 27 4.2.2 Messergebnisse des GAGG-Detektors 29 4.3 Ergebnisse der spektroskopischen Simulation 31 4.3.1 Faltung des Simulationsspektrums 34 4.4 Auswertung der spektroskopischen Messung und Simulation 35 5 Diskussion 40 6 Zusammenfassung 43 Literatur 44

Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung von hochenergetischer Gammastrahlung aus Richtung des Binaersystems PSR B1259-63 / SS 2883. Die Beobachtungen dieses Systems von einem Radio-Pulsar, der sich auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn um einen schweren und hellen Stern befindet, wurden mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), einem System von abbildenden atmosphaerischen Cherenkov-Teleskopen, in der ersten Haelfte des Jahres 2004 durchgefuehrt. Kosmische Gammastrahlen im Energiebereich zwischen 0.1 und 100 TeV erzeugen in der oberen Atmosphaere Luftschauer von relativistischen Sekundaerteilchen, deren Cherenkov-Emission von den Teleskopen des Systems nachgewiesen werden kann. Vor der Entdeckung von TeV-Gammastrahlung aus Richtung von PSR B1259-63 galt dieses System als ein aussichtsreicher Kandidat fuer die Beschleunigung von geladenen Teilchen auf Energien oberhalb von 1 TeV. Es wurde angenommen, dass die Wechselwirkung des relativistischen Pulsarwindes mit dem Sternenwind des Begleitsterns massive Plasmaschocks erzeugt, in denen die Beschleunigung erfolgt. Durch die H.E.S.S. Beobachtungen wurde ein Signal von Photonen im TeV-Bereich mit einer statistischen Signifikanz von ueber 13 sigma gemessen und somit wurde die Beschleunigung von Teilchen auf TeV-Energien innerhalb des Binaersystems erstmalig zweifelsfrei nachgewiesen. Das gemessene Energiespektrum kann im zeitlichen Mittel mit einem Potenzgesetz mit dem Photonenindex 2.7 +- 0.3 beschrieben werden. Diese Form des Spektrums weist auf eine Erzeugung der Gammastrahlung durch inverse Compton-Streuung von schock-beschleunigten Elektronen und Positronen mit den Photonen der thermischen Strahlung von SS 2883 hin. Die gemessene Variation des Flusses der Gammastrahlung auf einer Zeitskala von Tagen ist bisher einmalig fuer eine galaktische Quelle von TeV Photonen und ermoeglicht erstmalig Einblicke in die Dynamik der Wechselwirkung eines Pulsarwindes mit einer sich aendernden Umgebung. / This work reports on the discovery of very high energy (VHE) gamma-ray emission of the binary system PSR B1259-63 / SS 2883, consisting of a radio pulsar orbiting a massive, luminous star in a highly eccentric orbit. The observations of the binary system in the first half of 2004 were performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes, recently installed in Namibia and in full operation since December 2003. The instrument collects the Cherenkov light emitted by air showers which are induced by the interaction of cosmic gamma-rays with the upper atmosphere. This technique allows to detect gamma-rays with energies ranging from 10^11 to 10^14 electron Volts, and to reconstruct their direction and energy with an angular resolution of less than 0.1° and energy resolution of better than 20%, respectively. Prior to the detection of VHE gamma-rays from PSR B1259-63, the system served as a candidate for the acceleration of particles to TeV energies. The acceleration is believed to take place in plasma shocks produced by the interaction of the relativistic pulsar wind with the massive stellar winds of the companion star. The VHE gamma-ray signal from the binary system was detected with a total significance above 13 sigma. This detection provides the first unambiguous evidence for particle acceleration to multi-TeV energies in this binary system. The measured time-averaged energy spectrum can be described by a power law with a photon index 2.7 +- 0.3 suggesting that the emission is produced by inverse Compton scattering of shock-accelerated electrons and positrons on the thermal photons emitted by SS 2883. The gamma-ray flux was found to vary significantly on timescales of days which makes PSR B1259-63 the first variable galactic source of VHE gamma-rays observed so far and gives valuable insights into the dynamics of pulsar winds interacting with a changing environment.

Trotz der beeindruckenden Fortschritte, die die Röntgen- und Gammastrahlenobservatorien in den letzten Jahrzehnten erzielt haben, ist der Energiebereich zwischen 200 keV und 50 MeV nach wie vor kaum erforscht. Diese Lücke, die in der Literatur oft als ``MeV-Lücke'' bezeichnet wird, ist nicht auf einen Mangel an überzeugender Wissenschaft zurückzuführen, sondern auf technische Herausforderungen und Nachweisschwierigkeiten, die mit MeV-Beobachtungen einhergehen. COMPTEL an Bord von CGRO (1991-2000) war das letzte Teleskop, das eine vollständige Durchmusterung des MeV-Himmels mit einer relativ bescheidenen Empfindlichkeit durchführte. Für die Zukunft sind zahlreiche Missionen vorgeschlagen worden, insbesondere AMEGO, die die Leistung von COMPTEL um mindestens eine Größenordnung verbessern sollen. Der Zeitrahmen für die Entwicklung, den Aufbau und den Start solch großer Missionen beträgt jedoch etwa 10 Jahre und ist mit erheblichen Kosten verbunden. In diesem Szenario könnte ein viel kleinerer Satellit, der sich der neuen Welle von schnellen, relativ kostengünstigen Weltraumforschungsmissionen anschließt, die durch CubeSats ermöglicht werden, in kürzerer Zeit rentabel sein. In dieser Arbeit werden die Verfügbarkeit und die Leistung eines Compton-Teleskops auf der Grundlage des CubeSat-Standards, genannt MeVCube, untersucht. Die Auswirkungen der Materialwahl und verschiedener CubeSat-Nutzlasten wurden durch Simulationen bewertet. Trotz der begrenzten Größe kann selbst ein kleines Teleskop, das auf einem CubeSat fliegt, den Energiebereich von Hunderten von keV bis zu einigen MeV mit einer Empfindlichkeit abdecken, die mit der der letzten Generation von Großmissionen wie COMPTEL und INTEGRAL vergleichbar ist. Es wurden auch experimentelle Messungen an Cadmium-Zink-Tellurid-Halbleiterdetektoren und einer für den Weltraumbetrieb geeigneten Ausleseelektronik mit geringem Stromverbrauch durchgeführt. / Despite the impressive progresses achieved both by X-ray and gamma-ray observatories in the last decades, the energy range between 200 keV and 50 MeV remains poorly explored. This gap in coverage, often referred in literature as the ``MeV gap'', is not due to lack of compelling science, but instead to technical challenges and detection difficulties that comes with MeV observations. COMPTEL, on-board CGRO (1991-2000), was the last telescope to accomplish a complete survey of the MeV-sky with a relatively modest sensitivity. Many missions have been proposed for the future, most notably AMEGO, aiming to improve COMPTEL's performance by at least one order of magnitude. However, the timescale for development, assembly and launch of such large missions is around 10 years, with substantial costs. Looking at this scenario, a much smaller satellite, joining the new wave of rapid, relatively inexpensive space science missions enabled by CubeSats, may be profitable on a shorter time-scale. This thesis evaluates the availability and performance of a Compton telescope based on the CubeSat standard, named MeVCube. The impact of material choice and different CubeSat payloads has been evaluated through simulations. Despite the limited size, even a small telescope flying on a CubeSat can cover the energy range from hundreds of keV up to few MeVs with a sensitivity comparable to that of the last generation of large-scale missions like COMPTEL and INTEGRAL. Experimental measurements on Cadmium-Zinc-Telluride semiconductor detectors and low-power read-out electronics suitable for space operation have been performed as well.

CdZnTe-Detektoren, zur direkten Messung von Gammastrahlung, die bei der Behandlung mit beschleunigten Teilchen entsteht, besitzen das Potential eine Reichweitenkontrolle zu ermöglichen und die Strahlendosis zu erfassen. Jedoch stellt die Identifizierung einzelner, energetisch nahe beieinander liegenden Photonenenergien, bei einem solchen Volumendetektor eine besondere Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Methoden zur Korrektur der Signalformen am Volumenhalbleiter CdZnTe und der damit verbundenen Verbesserung der Energie- und Zeitinformation des Detektors. Dies ist wichtig für den Einsatz in der therapeutischen Medizin mit beschleunigten Teilchen, da Ladungsträger durch Gammastrahlung in unterschiedlichen Tiefen des Detektors generiert werden und einen tiefenabhängigen Fehler in der Detektorgenauigkeit erzeugen. / CdZnTe detectors, used for the direct measurement of gamma radiation generated during the treatment with accelerated particles, have the potential to provide a range control and to detect the radiation dose. However, the identification of individual energetically close photon energies in such a volume detector is a particular challenge. The present work deals with the development of methods for correcting the signal forms of the CdZnTe and the associated improvement of the energy and time information of the detector This is important for use in accelerated particle medicine because charge carriers are generated by gamma radiation at different depths of the detector and produce a depth dependent error in detector accuracy.

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

Der TAIGA Detektor (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) testet eine neue Nachweismethode der erdgebundenen Cherenkov Gamma Astronomie fuer 10TeV bis einige PeV, und fuer kosmische Strahlung oberhalb 100TeV: die Kombination abbildender und nicht-abbildender Cherenkov Detektoren in einem hybriden System. Im Fokus der Arbeit steht TAIGA-HiSCORE - ein Cherenkov Detektorfeld mit grosser Apertur zur Messung der Zeitstruktur der Cherenkovlichtfront in atmosphaerischen Luftschauern (EAS). Die Praezisonsvermessung der Schauerrichtung basiert auf (1) sub-nsec Zeitsynchronisation aller Detektoren, und (2) einer neuentwickelten Zeitkalibrationsmethode. Die Genauigkeit wird bestimmt mit experimentellen und simulierten EAS-Daten, spezieller LED-Kalibration und dem LIDAR Laserstrahl aus der International Space Station (ISS). Mit den HiSCORE9 Daten (2013-2014) wird die sub-nsec Zeitsynchronisation durch das White Rabbit Zeitsystem unter realen Bedingungen nachgewiesen. Eine neue, auch fuer grosse Cherenkov-Detektorfelder praktikable Zeitoffset-Kalibration aller Detektoren wurde entwickelt, und fuer HiSCORE28 (2015-2018) angewandt. Diese hybride Kalibration basiert auf EAS-Ereignissen und direkter LED-Kalibration fuer lediglich eine begrenzte Zahl von Detektoren. Die Genauigkeit der Luftschauer-Richtungsrekonstruktion wird ueber die “Schachbrett-Methode” MC-unabhaengig bestimmt zu 0.4° an der Energieschwelle (50TeV) und <= 0.2° fuer > 100TeV. Eine wichtige Zufallsentdeckung war mit HiSCORE28 moeglich: der Laser des ISS-CATS-Lidars wurde in richtungsrekonstruierten Daten von HiSCORE28 nachgewiesen. Mit den “ISS Ereignissen” gelang es, sowohl die Rekonstruktionsgenauigkeit von HiSCORE, als auch das “absolute pointing” zu messen (<=0.1°) - besonders wichtig, da eine starke Gamma-Quelle im Datensatz bisher nicht nachgewiesen wurde. Im Schlussteil der Arbeit wird ein Methode zur Punktquellensuche im gesamten Gesichtsfeld von TAIGA-HiSCORE vorgestellt. / The TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) detector is a new ground-based Cherenkov detection technology for gamma-astronomy from 10TeV up to several PeV, and cosmic rays (CR) above 100TeV. The main topic of this work is TAIGA-HiSCORE, the wide-aperture air Cherenkov timing array. The focus is on precision extensive air shower (EAS) arrival direction reconstruction, achieved by (1) sub-nsec time-synchronization between the array stations, and (2) a newly developed array time calibration procedure. The performance is verified using simulated and experimental data from EAS, dedicated LED calibration, and a LIDAR laser beam from the International Space Station (ISS). The analysis of the HiSCORE 9 data (2013-14), collected with a data acquisition system (DAQ) based on the White Rabbit (WR) timing system, allows to verify the sub-nsec time synchronization between the array stations. The analysis of HiSCORE 28 data (2015-2018) addresses the problem of achieving an easy-to-perform time calibration for large area ground-based Cherenkov array. A new "hybrid" calibration method is developed, which makes use of EAS data, and requires direct LED calibration of only a few array stations. The "chessboard" method is applied on the reconstructed data to obtain a MC-independent estimation of the detector angular resolution, found to be 0.4° at threshold (~50TeV) and <= 0.2° above 100TeV. A serendipitous discovery was made in this work: a signal from the CATS-LIDAR on-board the ISS was found in the HiSCORE 28 data. These "ISS-events" are used to verify the detector performance, in particular the absolute angular pointing (<= 0.1°), particularly important since a strong gamma point source has not yet been detected by the TAIGA-HiSCORE. The final part of the work presents a first preliminary approach to a wide aperture point source analysis, developed for the TAIGA-HiSCORE in stand-alone operation.

In einer initialen Studie verglichen wir das XQi Revolution, welches auf indirektem CsI (Cäsium Iodit) /a: Si (amorphes Silizium) basiert mit einem direkten Digitalröntgengerät a: SE (amorphes Selen) an einem CDRAD-Phantom bei vier unterschiedlichen Eintrittsdosen und an einem TRG-Phantom bei zwei unterschiedlichen Eintrittsdosen. Mittels des berechneten Bildqualitätsfaktors des CDRAD-Phantoms konnten wir zeigen, daß das indirekte im Vergleich zum direkten System bei niedrigeren Dosen eine bessere Detailerkennungsrate aufweist. Ein positiver Trend läßt sich auch beim TRG-Phantom darstellen. In einer weiteren Studie untersuchten wir anhand von Patientenbildern die Bildqualität des Dual Energy Systems bei zwei unterschiedlichen Dosisniveaus, der Standarddosis sowie einer doppelten Dosis, was einem Speed-Äquivalent von 400/1000 bzw. 200/500 entspricht. Bei hoher Dosis konnten wir eine signifikante Reduktion des Rauschens im Knochen- und Weichteilbild feststellen, gleichzeitig nahmen die Störungen durch Bewegungsartefakte signifikant zu. Im Anschluß verglichen wir die Erkennbarkeit verkalkter Lungenpathologien im Standard P/A Bild mit zusätzlichem Einsatz von Dual Energy. Als Goldstandard erfolgte der sichere Nachweis der Pathologien im CT. Bei zusätzlichem Einsatz von Dual Energy konnten wir eine signifikante Steigerung der Sensitivität erkennen. Dieses Ergebnis wurde durch den Qualitätsfaktor, der die Bildeigenschaften kumulativ beschreibt, bestätigt. Weiterhin untersuchten wir analog die Erkennbarkeit von nichtverkalkten Lungenrundherden. Auch bei diesen Pathologien ließ sich ein positiver Trend der Sensitivität und Spezifität bei zusätzlichem Einsatz von Dual Energy erkennen. Zusätzlich stieg die durchschnittliche Entscheidungssicherheit der Gutachter signifikant an. Damit bietet die Dual Energy Subtraktionstechnik eine wertvolle Ergänzung in der Diagnostik verkalkter und nichtverkalkter Lungenpathologien eine wertvolle Ergänzung zum Standardröntgen. / First study assess and quantify the image quality at two dose levels for an amorphous Silicon (a:Si) Cesium Iodide (CsI) flat panel system compared with a direct amorphous Selenium (a:Se) digital radiography system. Image quality of a:Si flat panel digital radiography proved to be superior to a:Se drum digital radiography using low-dose settings. Second study assess the image quality of subtracted soft tissue and bone images of a CsIdetector-based dual-energy system for chest radiography at varying dose levels. Radiation dose did not significantly influence the perception of dual-energy image quality. Next study assess the value of dual-energy chest radiography obtained using a cesium iodide flat-panel detector in addition to standard posteroanterior chest radiography for the detection of calcified chest abnormalities. When dual-energy images were added, sensitivity increased significantly. Brunner and Langer’s test revealed a highly significant difference between posteroanterior chest radiography and dual-energy imaging in the detection of calcified chest abnormalities. Dual-energy images added to standard posteroanterior chest radiographs significantly improve the detection of calcified chest lesions. Last study compare the sensitivity and specificity of digital chest radiography alone with digital chest radiography combined with dual-energy chest radiography in the detection of small non-calcified pulmonary nodules. Standard and dual-energy radiographs were obtained with a flat-panel digital chest system. The increase of nodule detection overall as well as for different size categories was significant. The increase of the confidence level rating was also significant. Dual energy added to standard posteroanterior chest radiography significantly improves the sensitivity, specificity, and confidence in detection of small non-calcified pulmonary nodules. Dual-energy subtraction has the potential to become a future routine application in chest radiography.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.