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 fur 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. Fur 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 fur 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.

Die Arbeit befaßt sich mit Untersuchungen der Schwingungsdynamik von ZnMgEr/Ho/Y quasikristallen. Neben diesen werden auch Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften durch Neutronenstreuung an denselben Proben durchgeführt.

Die Arbeit befaßt sich mit Untersuchungen der Schwingungsdynamik von ZnMgEr/Ho/Y quasikristallen. Neben diesen werden auch Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften durch Neutronenstreuung an denselben Proben durchgeführt.

Der Aufbau und die erste Nutzung eines kompakten Flugzeitsystems zur energiedispersiven Untersuchung der Wechselwirkung von schnellen Neutronen mit Materialien sind Inhalt eines Vernetzungsprojektes des Forschungszentrums Rossendorf, an dem auch die Technische Universität Dresden im Rahmen eines gemeinsamen DFG-Projektes mitarbeitet. Die geplanten Flugzeit-Experimente mit gepulsten Neutronen werden an der Strahlungsquelle ELBE durchgeführt werden. Erste Ergebnisse zur Entwicklung eines Neutronen-Produktionstargets werden vorgestellt. Mit Hilfe von Strahlungstransport- und Finite-Elemente-Programmen wurden die Verteilungen der Energiefreisetzung des von der Strahlungsquelle ELBE genutzten Elektronenstrahls und der Temperatur im Neutronen-Radiator sowie die zu erwartenden Teilchenspektren und -flüsse am Messplatz berechnet. Überlegungen zur Entwicklung des Strahlfängers werden diskutiert.

In zukünftigen kerntechnischen Anlagen können die Materialien Blei und Bismut eine größere Rolle spielen als heute. Für die Planung dieser Anlagen werden verlässliche Wirkungsquerschnittsdaten benötigt. Insbesondere der Neutronentransport in einem Blei-Spallationstarget eines beschleunigergetriebenen unterkritischen Reaktors hängt stark von den inelastischen Streuquerschnitten im Energiebereich von 0,5 MeV bis 6 MeV ab. In den vergangenen 20 Jahren wurden elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte mit hoher Präzision für eine Vielzahl von Elementen am PTB-Flugzeitspektrometer gemessen. Zur Erzeugung der Neutronen wurde hauptsächlich die D(d,n)-Reaktion genutzt. Aufgrund des Q-Wertes der Reaktion und der verfügbaren Deuteronenenergien können Neutronen im Energiebereich von 6 MeV bis 16 MeV erzeugt werden. Die Messung von Wirkungsquerschnitten bei niedrigeren Energien erfordert somit die Verwendung einer anderen neutronenerzeugenden Reaktion. Hierfür wurde die 15N(p,n)15O-Reaktion ausgewählt, da sie die Erzeugung monoenergetischer Neutronen bis zu einer Energie von 5,7 MeV erlaubt. In dieser Arbeit wird die 15N(p,n)-Reaktion auf ihre Eignung als Quelle monoenergetischer Neutronen in Streuexperimenten untersucht. Die Untersuchung der Reaktion beinhaltet die Messung von differentiellen Wirkungsquerschnitten für ausgewählte Energien und die Auswahl von optimalen Targetbedingungen. Differentielle elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte wurden unter Anwendung der Flugzeitmethode für Blei bei vier Energien zwischen 2 MeV und 4 MeV gemessen. Eine Bleiprobe mit natürlicher Isotopenzusammensetzung wurde verwendet. Für den Nachweis der gestreuten Neutronen wurden NE213 Flüssigszintillatoren verwendet, deren Nachweiswahrscheinlichkeit gut bekannt ist. Winkelintegrierte Wirkungsquerschnitte wurden mit einem Legendre-Polynomfit unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Zusätzlich erfolgten Messungen für die isotopenreinen Streuproben 209Bi und 181Ta bei 4 MeV Neutronenenergie. Die Ergebnisse werden mit denen früherer Experimente und aktuellen Evaluationen verglichen. / In future nuclear facilities, the materials lead and bismuth can play a more important role than in today’s nuclear reactors. Reliable cross section data are required for the design of those facilities. In particular the neutron transport in the lead spallation target of an Accelerator-Driven Subcritical Reactor strongly depends on the inelastic neutron scattering cross sections in the energy region from 0.5MeV to 6 MeV. In the recent 20 years, elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured with high precision for a variety of elements at the PTB time-of-flight spectrometer. The D(d,n) reaction was primarily used for the production of neutrons. Because of the Q value of the reaction and the available deuteron energies, neutrons in the energy range from 6MeV to 16MeV can be produced. For the cross section measurement at lower energies, however, another neutron producing reaction is required. The 15N(p,n)15O reaction was chosen, as it allows the production of monoenergetic neutrons with up to 5.7MeV energy. In this work, the 15N(p,n) reaction was studied with focus on the suitability as a source for monoenergetic neutrons in scattering experiments. This includes the measurement of differential cross sections for the neutron producing reaction and the choice of optimum target conditions. Differential elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured for lead at four energies in the region from 2MeV to 4MeV incident neutron energy using the time-offlight technique. A lead sample with natural isotopic composition was used. NE213 liquid scintillation detectors with well-known detection efficiencies were used for the detection of the scattered neutrons. Angle-integrated cross sections were determined by a Legendre polynomial expansion using least-squares methods. Additionally, measurements were carried out for isotopically pure 209Bi and 181Ta samples at 4MeV incident neutron energy. Results are compared with other measurements and recent evaluations.

Der Aufbau und die erste Nutzung eines kompakten Flugzeitsystems zur energiedispersiven Untersuchung der Wechselwirkung von schnellen Neutronen mit Materialien sind Inhalt eines Vernetzungsprojektes des Forschungszentrums Rossendorf, an dem auch die Technische Universität Dresden im Rahmen eines gemeinsamen DFG-Projektes mitarbeitet. Die geplanten Flugzeit-Experimente mit gepulsten Neutronen werden an der Strahlungsquelle ELBE durchgeführt werden. Erste Ergebnisse zur Entwicklung eines Neutronen-Produktionstargets werden vorgestellt. Mit Hilfe von Strahlungstransport- und Finite-Elemente-Programmen wurden die Verteilungen der Energiefreisetzung des von der Strahlungsquelle ELBE genutzten Elektronenstrahls und der Temperatur im Neutronen-Radiator sowie die zu erwartenden Teilchenspektren und -flüsse am Messplatz berechnet. Überlegungen zur Entwicklung des Strahlfängers werden diskutiert.

In zukünftigen kerntechnischen Anlagen können die Materialien Blei und Bismut eine größere Rolle spielen als heute. Für die Planung dieser Anlagen werden verlässliche Wirkungsquerschnittsdaten benötigt. Insbesondere der Neutronentransport in einem Blei-Spallationstarget eines beschleunigergetriebenen unterkritischen Reaktors hängt stark von den inelastischen Streuquerschnitten im Energiebereich von 0,5 MeV bis 6 MeV ab. In den vergangenen 20 Jahren wurden elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte mit hoher Präzision für eine Vielzahl von Elementen am PTB-Flugzeitspektrometer gemessen. Zur Erzeugung der Neutronen wurde hauptsächlich die D(d,n)-Reaktion genutzt. Aufgrund des Q-Wertes der Reaktion und der verfügbaren Deuteronenenergien können Neutronen im Energiebereich von 6 MeV bis 16 MeV erzeugt werden. Die Messung von Wirkungsquerschnitten bei niedrigeren Energien erfordert somit die Verwendung einer anderen neutronenerzeugenden Reaktion. Hierfür wurde die 15N(p,n)15O-Reaktion ausgewählt, da sie die Erzeugung monoenergetischer Neutronen bis zu einer Energie von 5,7 MeV erlaubt. In dieser Arbeit wird die 15N(p,n)-Reaktion auf ihre Eignung als Quelle monoenergetischer Neutronen in Streuexperimenten untersucht. Die Untersuchung der Reaktion beinhaltet die Messung von differentiellen Wirkungsquerschnitten für ausgewählte Energien und die Auswahl von optimalen Targetbedingungen. Differentielle elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte wurden unter Anwendung der Flugzeitmethode für Blei bei vier Energien zwischen 2 MeV und 4 MeV gemessen. Eine Bleiprobe mit natürlicher Isotopenzusammensetzung wurde verwendet. Für den Nachweis der gestreuten Neutronen wurden NE213 Flüssigszintillatoren verwendet, deren Nachweiswahrscheinlichkeit gut bekannt ist. Winkelintegrierte Wirkungsquerschnitte wurden mit einem Legendre-Polynomfit unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Zusätzlich erfolgten Messungen für die isotopenreinen Streuproben 209Bi und 181Ta bei 4 MeV Neutronenenergie. Die Ergebnisse werden mit denen früherer Experimente und aktuellen Evaluationen verglichen. / In future nuclear facilities, the materials lead and bismuth can play a more important role than in today’s nuclear reactors. Reliable cross section data are required for the design of those facilities. In particular the neutron transport in the lead spallation target of an Accelerator-Driven Subcritical Reactor strongly depends on the inelastic neutron scattering cross sections in the energy region from 0.5MeV to 6 MeV. In the recent 20 years, elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured with high precision for a variety of elements at the PTB time-of-flight spectrometer. The D(d,n) reaction was primarily used for the production of neutrons. Because of the Q value of the reaction and the available deuteron energies, neutrons in the energy range from 6MeV to 16MeV can be produced. For the cross section measurement at lower energies, however, another neutron producing reaction is required. The 15N(p,n)15O reaction was chosen, as it allows the production of monoenergetic neutrons with up to 5.7MeV energy. In this work, the 15N(p,n) reaction was studied with focus on the suitability as a source for monoenergetic neutrons in scattering experiments. This includes the measurement of differential cross sections for the neutron producing reaction and the choice of optimum target conditions. Differential elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured for lead at four energies in the region from 2MeV to 4MeV incident neutron energy using the time-offlight technique. A lead sample with natural isotopic composition was used. NE213 liquid scintillation detectors with well-known detection efficiencies were used for the detection of the scattered neutrons. Angle-integrated cross sections were determined by a Legendre polynomial expansion using least-squares methods. Additionally, measurements were carried out for isotopically pure 209Bi and 181Ta samples at 4MeV incident neutron energy. Results are compared with other measurements and recent evaluations.

An der Neutronen-Flugzeit-Anlage nELBE des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sollen Reaktionsquerschnitte mit Relevanz für die nukleare Transmutation bestimmt werden. Die Transmutation hochradioaktiver Abfälle aus abgebrannten Brennelementen thermischer Kernreaktoren in schnellen Neutronenspektren hat das Potential die langlebige Radiotoxizität der Abfälle deutlich zu reduzieren. Zum grundlegenden Verständnis der Physik der Transmutation müssen sowohl Spalt- und Neutroneneinfang-Wahrscheinlichkeiten von Brennelementbestandteilen als auch inelastische Streuquerschnitte an Konstruktionsmaterialien im schnellen Neutronenspektrum mit möglichst kleinen Unsicherheiten bekannt sein. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Messung des inelastischen Neutronen-Streuquerschnittes mit Hilfe einer neu entwickelten Doppel-Flugzeit-Methode. Mit einem kombinierten Aufbau aus Plastik- und BaF2-Szintillationsdetektoren werden die beim Streuprozess emittierten Neutronen und Photonen in Koinzidenz erstmalig nachgewiesen und dadurch der bei der Streuung angeregte Zustand des Zielkerns identifiziert. An nELBE wird weltweit einzigartig der Elektronenstrahl eines supraleitenden Linearbeschleunigers, des ELBE-Beschleunigers, zur Erzeugung schneller Neutronen benutzt. Dieser wird auf einen Kreislauf flüssigen Bleis fokussiert, in dem die Elektronen Bremsstrahlung erzeugen, die wiederum Neutronen aus Bleikernen herauslöst. Durch die kurze Zeitdauer der Elektronenstrahlimpulse von ca. 5 ps kann mit einem kompakten Neutronenquellvolumen auch mit einer kurzen Flugstrecke eine gute Zeitauflösung erzielt werden. Das emittierte Neutronenspektrum hat eine einem Maxwell-Boltzmann-Spektrum ähnliche Verteilung und reicht von etwa 10 keV bis etwa 10 MeV. Bei einem verwendbaren Elektronenstrom von 15 μA beträgt die Quell-Stärke etwa 1,6 · 10^11 n/s. Die Neutronen werden kollimiert und auf eine Probe natürlichen Eisens geschossen, die bei einer Flugstrecke von etwa 6 m positioniert war. Die Probenposition ist von einem Array von bis zu 42 BaF2-Szintillationsdetektoren zur Photonendetektion umgeben. In einem Abstand von 1 m sind fünf 1 m lange Plastik-Szintillationsdetektoren zum Neutronennachweis aufgebaut. Zur Bestimmung des einfallenden Neutronenflusses wurde eine 235U-Spaltkammer verwendet, die bei einer Flugstrecke von etwa 4,3 m zwischen Neutronenquelle und Probe aufgestellt war. Die Signale aller Detektoren werden von einer speziell dafür entworfenen VME basierten Datenaufnahmeelektronik verarbeitet und die Zeit- und Ladungs-Werte bestimmt. Aus dem Detektionszeitpunkt des Photons wird die Flugzeit und damit die Energie des einfallenden Neutrons bestimmt. Aus der Zeitdifferenz zwischen der Photonen- und Neutronendetektion ergibt sich die Flugzeit bzw. Energie des gestreuten Neutrons. Mit Hilfe von Kinematik-Rechnungen können die Ereignisse herausgefiltert werden, die der inelastischen Streuung unter Anregung eines bestimmten Kernniveaus eines bestimmten Isotops entsprechen. Aus dem Verhältnis von eingefallenem Neutronenstrom und nachgewiesenen Streuereignissen jeder Kombination aus einem Plastik- und einem BaF2-Szintillationsdetektor wurde entsprechend der Raumwinkelabdeckung der Detektoren der winkel- und energiedifferentielle inelastische Streuquerschnitt bestimmt.

Präzise neutroneninduzierte Spaltquerschnitte von Actinoiden wie den Plutoniumisotopen haben für die Entwicklung zukünftiger Transmutationstechnologien eine große Bedeutung. Die Unsicherheiten des Pu(242)-Spaltquerschnitts im schnellen Bereich des Spektrums betragen derzeit etwa 21 %. Aktuelle Sensitivitätsstudien haben gezeigt, dass nur eine Reduzierung dieser Unsicherheiten auf unter 5% verlässliche neutronenphysikalische Simulationen zulässt. Diese anspruchsvolle Aufgabe konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit an der Neutronenfugzeitanlage nELBE durchgeführt werden. Dünne, homogene und großfächige Actinoiden-Proben wurden dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf innerhalb des TRAKULA-Verbundprojektes zur Verfügung gestellt. Eingesetzt in eine neu entwickelte Spaltionisationskammer ermöglichten sie eine akkurate Bestimmung des Pu(242)- Spaltquerschnitts relativ zu U(235). Die Flächendichten der Plutoniumschichten wurden anhand der spontanen Spaltrate von Pu(242) bestimmt. Aufwändige Teilchentransportsimulationen (durchgeführt mit Geant 4, MCNP 6 und FLUKA) wurden genutzt, um die auftretende Neutronenstreuung zu korrigieren. Die gewonnenen Ergebnisse sind im Rahmen ihrer Unsicherheiten in guter Übereinstimmung mit aktuellen Kerndatenevaluierungen. / Neutron induced fssion cross sections of actinides like the Pu-isotopes are of relevance for the development of nuclear transmutation technologies. For Pu(242), current uncertainties are of around 21%. Sensitivity studies show that the total uncertainty has to be reduced to below 5% to allow for reliable neutron physics simulations. This challenging task was performed at the neutron time-of-fight facility of the new German National Center for High Power Radiation Sources at HZDR, Dresden. Within the TRAKULA project, thin, large and homogeneous deposits of U(235) and Pu(242) have been produced successfully. Using two consecutively placed fssion chambers allowed the determination of the neutron induced fssion cross section of Pu(242) relative to U(235). The areal density of the Plutonium targets was calculated using the measured spontaneous fssion rate. Experimental results of the fast neutron induced fssion of Pu(242) acquired at nELBE will be presented and compared to recent experiments and evaluated data. Corrections addressing the neutron scattering are discussed by using results of different neutron transport simulations (Geant 4, MCNP 6 and FLUKA).

Nb3Sn Rutherford cables are used in CERN’s superconducting 11 T dipole and MQXF quadrupole magnets, which are proposed for the instantaneous luminosity (rate of particle collisions) upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) by a factor of five to a High Luminosity-Large Hadron Collider (HL-LHC). Nb3Sn-based conductors are the key technology for the envisioned Future Circular Collider (FCC) with an operating magnetic dipole field of 16 T. The baseline superconductor of the LHC dipole magnets is Nb–Ti, whereas an operation above 10 T is not possible due to the current carrying performance limitations of this superconductor at higher magnetic fields. Therefore, a superconducting material such as Nb3Sn has to be used with proven performance capabilities of 10 T and above. The conductor choice towards Nb3Sn-based cables affects the magnet manufacturing process, as it requires a heat treatment up to 650°C, an epoxy resin impregnation and introduces mechanical diffculties as the superconducting filaments are brittle and strain sensitive. A mechanical over loading of the filaments lead to irreversible conductor damage. The designs of 11 and 16 T magnets are supposed to push the conductor towards its mechanical and electrical performance limitations. The magnetic field induced forces on the current carrying conductor are balanced by mechanical pre-loading of the magnet. Thereby the highest controlled mechanical pre-load for the 11 T dipole magnet is set at ambient temperature. The mechanical stress limits of Nb3Sn-based cables have been investigated at cryogenic temperatures. The material strength and stiffness of the cable insulation system, formed by glass-fibre-reinforced resin, is increased at low temperatures. The ultimate stress values, determined at cryogenic temperature, are therefore not conservative. The ultimate stress limitation of the insulated conductor is assumed to be lower at ambient temperature. The cable limitations at ambient temperature need to be known for the ongoing magnet manufacturing process and also for future design approaches. Furthermore, the compressive stress–strain behaviour of a coil conductor block at ambient temperature is the key material characteristic, in order to recalculate the stress level in the coil during the assembly process. Existing approaches using an indirect strain measurement method provide uncertainties in the low-strain regime, which is the essential strain range for a material compound consisting of major fractions composed of heat-annealed copper and epoxy resin. Compressive stress–strain data of an impregnated conductor block are required, based on a direct strain measurement system, as available data have been collected on samples based on a different strand type and insulation system. The elaborated direct strain measurements can be correlated to strain gauge data, measured directly on a coil. The stress distribution in a Nb3Sn Rutherford cable need to be understood and validated to understand strain-induced degradation effects in the insulated conductor. This knowledge can also help to optimise the stress distribution envisioned magnet designs. The stress–strain state in the copper and Nb3Sn phase of a loaded conductor block has to be determined experimentally. This dissertation describes a test protocol and first elaborated results on the investigated stress limitations of a Nb3Sn Rutherford cable under homogeneous load applied in transversal direction. The compressive stress–strain behaviour of impregnated Nb3Sn Rutherford cable stacks was investigated experimentally. This includes a detailed report on the sample manufacturing process, measurements performed and validation of results through a comparison with the elaborated data of cable stacks extracted from a coil. The presented results from neutron diffraction measurements of loaded cable stacks allow the determination of the stress–strain level of the copper and Nb3Sn phase in the impregnated conductor. The relevant measured results have been recalculated with numerical calculations based on the Finite Element Method (FEM).:1. Introduction 1 1.1. The LHC and the HL-LHC project 1.2. The FCC study 1.3. Superconducting materials for accelerator magnets 1.4. Multi-filamentary wires and Rutherford cables 1.5. Coil manufacturing process 1.6. Magnet coil assembly 1.7. Objectives of this thesis 2. Theory: fundamental principles 17 2.1. Analytical calculation: sector coil dipole 2.2. Mechanical behaviour of composite materials 2.3. Failure criteria and strength hypotheses for materials 2.4. Compressive tests 2.5. Fundamental principles of Neutron scattering 2.5.1. Test apparatus and measurement method 2.5.2. Lattice plane and Miller indices 2.5.3. Bragg diffraction and interference 2.5.4. Diffraction-based strain calculation 2.5.5. Diffraction-based stress calculation 2.6. Fundamental principles of FEM 3. Homogeneous transversal compression of Nb3Sn Rutherford cables 3.1. Superconducting cable test stations 3.2. The FRESCA test facility and specific sample holder 3.3. The sample description 3.4. Experimental procedure 3.5. Review of existing contact pressure measurement system 3.6. Compressive test station 3.7. Validation of the pressure-sensitive films 3.8. Press punch 3.9. Improvement of the contact stress distribution 3.9.1. First test: cable pressed between the bare tools 3.9.2. Second test: tool shimmed with a soft Sn96Ag4 3.9.3. Third test: tool shimmed with a soft Sn60Pb40 3.9.4. Fourth test: tool shimmed with a soft indium 3.9.5. Fifth test: tool shimmed with a polyimide film 3.10. Test results 3.11. Conclusion 4. Material characterisation by a compression test 4.1. Test set-ups for compressive tests and validation 4.2. Sample preparation 4.3. Compressive stress–strain measurement 4.4. Ten-stack sample stiffness estimation-based composite theories 4.5. Dye penetration test on loaded and unloaded samples 4.6. Conclusion 5. Neutron diffraction measurements 80 5.1. Test set-up for neutron diffraction measurement 5.2. The samples 5.3. Experiment: lattice stress–strain measurements 5.4. Conclusion 6. Simulation and modelling of Nb3Sn cables 6.1. The models 6.2. The 2D simulation results 6.3. The 3D simulation results 6.4. Conclusion 7. Comprehensive summary 7.1. Summary 7.2. Critical review 7.3. Next steps Appendix 113 A. Calculation of the magnetic field components in a sector coil without iron B. Approaches for the determination of diffraction elastic constants C. Manufacturing drawings D. FEM calculation results of the 2D model E. FEM calculation results of the 3D model F. Source Codes Bibliography