This cumulative dissertation explored the use of the detection of natural background of fast neutrons, the so-called cosmic-ray neutron sensing (CRS) approach to measure field-scale soil moisture in cropped fields. Primary cosmic rays penetrate the top atmosphere and interact with atmospheric particles. Such interaction results on a cascade of high-energy neutrons, which continue traveling through the atmospheric column. Finally, neutrons penetrate the soil surface and a second cascade is produced with the so-called secondary cosmic-ray neutrons (fast neutrons). Partly, fast neutrons are absorbed by hydrogen (soil moisture). Remaining neutrons scatter back to the atmosphere, where its flux is inversely correlated to the soil moisture content, therefore allowing a non-invasive indirect measurement of soil moisture. The CRS methodology is mainly evaluated based on a field study carried out on a farmland in Potsdam (Brandenburg, Germany) along three crop seasons with corn, sunflower and winter rye; a bare soil period; and two winter periods. Also, field monitoring was carried out in the Schaefertal catchment (Harz, Germany) for long-term testing of CRS against ancillary data. In the first experimental site, the CRS method was calibrated and validated using different approaches of soil moisture measurements. In a period with corn, soil moisture measurement at the local scale was performed at near-surface only, and in subsequent periods (sunflower and winter rye) sensors were placed in three depths (5 cm, 20 cm and 40 cm). The direct transfer of CRS calibration parameters between two vegetation periods led to a large overestimation of soil moisture by the CRS. Part of this soil moisture overestimation was attributed to an underestimation of the CRS observation depth during the corn period ( 5-10 cm), which was later recalculated to values between 20-40 cm in other crop periods (sunflower and winter rye). According to results from these monitoring periods with different crops, vegetation played an important role on the CRS measurements. Water contained also in crop biomass, above and below ground, produces important neutron moderation. This effect was accounted for by a simple model for neutron corrections due to vegetation. It followed crop development and reduced overall CRS soil moisture error for periods of sunflower and winter rye. In Potsdam farmland also inversely-estimated soil hydraulic parameters were determined at the field scale, using CRS soil moisture from the sunflower period. A modelling framework coupling HYDRUS-1D and PEST was applied. Subsequently, field-scale soil hydraulic properties were compared against local scale soil properties (modelling and measurements). Successful results were obtained here, despite large difference in support volume. Simple modelling framework emphasizes future research directions with CRS soil moisture to parameterize field scale models. In Schaefertal catchment, CRS measurements were verified using precipitation and evapotranspiration data. At the monthly resolution, CRS soil water storage was well correlated to these two weather variables. Also clearly, water balance could not be closed due to missing information from other compartments such as groundwater, catchment discharge, etc. In the catchment, the snow influence to natural neutrons was also evaluated. As also observed in Potsdam farmland, CRS signal was strongly influenced by snow fall and snow accumulation. A simple strategy to measure snow was presented for Schaefertal case. Concluding remarks of this dissertation showed that (a) the cosmic-ray neutron sensing (CRS) has a strong potential to provide feasible measurement of mean soil moisture at the field scale in cropped fields; (b) CRS soil moisture is strongly influenced by other environmental water pools such as vegetation and snow, therefore these should be considered in analysis; (c) CRS water storage can be used for soil hydrology modelling for determination of soil hydraulic parameters; and (d) CRS approach has strong potential for long term monitoring of soil moisture and for addressing studies of water balance. / In dieser kumulativen Dissertation wird die Detektion des natürlichen Hintergrunds von schnellen Neutronen, das sogenannte “Cosmic-Ray Neutron Sensing” (CRS), zur Messung von Bodenfeuchte auf der Feldskala in landwirtschaftlich genutzten Flächen untersucht. Die kosmische Primärstrahlung durchdringt die oberste Atmosphäre, und interagiert mit atmosphärischen Teilchen. Durch diese Wechselwirkungen entstehen Kaskaden hochenergetischer Teilchen die bis in die Erdoberfläche eindringen, wobei schnelle Neutronen entstehen. Teilweise werden diese durch Wasserstoff (Bodenfeuchte) absorbiert, teilweise zurück in die Atmosphäre gestreut. Dieser Neutronenfluss über dem Boden korreliert invers mit der Bodenfeuchte, was so eine non-invasive und indirekte Bodenfeuchteschätzung ermöglicht. Die CRS-Methode wird vor allem in einer Feldstudie auf einem Ackerland in Potsdam (Brandenburg, Deutschland), einschließlich dreier Phasen mit Anbau von Mais, Sonnenblume und Winterroggen getestet und beurteilt. Darüber hinaus wurde ein Feldmonitoring im Schäfertaleinzugsgebiet (Harz, Deutschland) durchgeführt, um das Potential von Langzeit-CRS-Messungen gegenüber herkömmlich erhobenen bodenhydraulischen Daten abzuschätzen. Im ersten Untersuchungsgebiet wurde die CRS-Methode kalibriert und mittels verschiedener Bodenfeuchtemessansätze validiert. In der Maisanbauphase wurden die Bodenfeuchte-Punktmessungen zunächst nur an der nahen Bodenoberfläche durchgeführt. In den folgendenen Anbauphasen (Sonnenblume und Winterroggen) wurden dann die Sensoren in drei unterschiedlichen Tiefen (5 cm, 20 cm und 40 cm) installiert. Die direkte Übertragung der CRS-Kalibrierparameter zwischen zwei Vegetationsperioden führte zu einer starken Überschätzung der CRS-Bodenfeuchte. Ein Teil der überschätzten Bodenfeuchte wurde der Unterschätzung der CRS-Beobachtungstiefe während der Maisperiode (5-10 cm) zugeschrieben, welche später basierend auf Werten zwischen 20-40 cm in anderen Anbauperioden (Sonnenblume und Winterroggen) neuberechnet wurde. Gemäß der Ergebnisse dieser Beobachtungsperioden mit verschiedenen Feldfrüchten, spielte die Vegetation eine wichtige Rolle für die CRS-Messungen, da das Wasser, das in der über- und unterirdischen Biomasse vorhanden ist, die Neutronen bedeutend abdämpft. Dieser Effekt, sowie der Einfluss des Getreidewachstums und des reduzierten Gesamt-CRS-Bodenfeuchte-Fehlers, wurden in ein einfaches Model zur vegetationsbedingten Neutronenkorrektur berücksichtigt. So wurde ein gekoppelter HYDRUS-1D- und PEST-Ansatz angewendet, um bodenhydraulische Parameter auf dem Feldmassstab während der Sonnenblumen-Phase invers abzuschätzen. Dann wurden die inversen Schätzungen der effektiven bodenhydraulischen Eigenschaften innerhalb des von CRS beobachteten Volumens durch die lokalen Bodeneigenschaften (Modellierung und Messungen) validiert. Abgesehen von Unterschieden auf Grund der Beobachtungstiefe und somit des Volumens, wurden hierbei erfolgreiche Ergebnisse erzielt. Dieser einfache Ansatz unterstreicht das zukünftige Forschungspotential, z.B. um mit Hilfe von Bodenfeuchten aus CRS-Messungen Modelle auf der Feldskala zu parametrisieren. Im Schäfertaleinzugsgebiet wurden die Langzeit-CRS-Messungen mit Nie-derschlags- und Evapotranspirations-Raten abgeglichen. Bei einer monatlichen Auflösung korrelierte die Änderung des CRS-Bodenwasserspeichers mit diesen beiden Wettervariablen. Die Wasserbilanz konnte jedoch auf Grund fehlender Informationen bezüglich Grundwasser, Abfluss des Einzugesgebiets, etc. nicht geschlossen werden. Darüber hinaus wurde, wie auch am Potsdamer Standort, festgestellt, dass das CRS-Signal stark von Schneefall und Schneeakkumulationen beeinflusst wird. Eine einfache Anwendung zur Schneemessung mittels CRS wurde für den Schäfertalfall vorgestellt. Abschließend zeigte sich, dass (a) „Cosmic-Ray Neutron Sensing“ (CRS) ein großes Potential hat, Messungen der mittleren Bodenfeuchte auf der Feldskala im Bereich landwirtschaftlich genutzter Flächen zu realisieren; (b) die CRS-Bodenfeuchte stark durch andere Wasserspeicher, wie Vegetation und Schnee beeinflusst wird, und dies im Rahmen von Analysen berücksichtigt werden sollte; (c) die CRS-Messungen über eine bodenhydraulische Modellierung zur Bestimmung von bodenhydraulischen Paramtern genutzt werden kann; und (d) der CRS-Ansatz ein großes Potential für Langzeit-Bodenfeuchte-Monitoring und für Wasserbilanzstudien hat.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.

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.