Die genaue Anzahl einsatzfähiger Nuklearsprengköpfe Pakistans, einer nach den Standards des internationalen Regimes zur Nichtweiterverbreitung von Kernwaffen (NPT) illegalen Atommacht, ist nicht bekannt. Hans Kristensen, Direktor des Nuclear Information Project der unabhängigen Federation of American Scientists und Kenner der Materie, rechnet mit 90 bis 110, Tendenz: kontinuierlich steigend. Diese Waffen befinden sich in einem Land, das seit Jahrzehnten vom Militär beherrscht wird, das aufgrund der extremen Armut einer Mehrheit der Bevölkerung erheblichen sozialen Sprengstoff in sich birgt und in dem sich Guerilla-Angriffe separatistischer paschtunischer Taliban auch gegen Militärbasen richten, die mit den Kernstreitkräften des Landes in Verbindung gebracht werden. Experten warnen daher vor der Möglichkeit eines fundamental-islamistischen Umsturzes ebenso wie vor der Gefahr, dass einzelne Atomwaffen in die Hände terroristischer Gruppen geraten könnten. Was den letzteren Aspekt anbetrifft, so beruhigt es auch nicht, wenn die pakistanischen Taliban – wie im Mai 2011 – erklären, dass „Pakistan die einzige muslimische Atommacht“ sei und man an diesem Status nichts ändern wolle.

The majority of the light elements up to iron (Fe) are formed by successive rounds of ther- monuclear fusion burning in the stellar interiors. The nuclei heavier than iron (Z>26) are being synthesized mainly by neutron-capture reactions - the astrophysical r-and s-processes. There are 35 neutron de¯cient stable isotopes between Se and Hg which are shielded from the rapid neutron capture by stable isobars. These so-called p-nuclei are produced in explosive stellar environments via photodisintegration reactions like (°,n), (°,p) and (°,®) on r- or s- seed nuclei. The reaction rates of the p-nuclei are mostly based on theoretical parameteriza- tions using statistical model calculations. At the bremsstrahlung facility of the superconducting electron accelerator ELBE, photon-induced reactions of the p-nuclei are being studied. In the scope of this thesis work, photodisintegration measurements of the p-nuclei 92Mo and 144Sm have been performed via the photoactivation technique. The residual nuclei resulting from photoactivation were studied via °-ray spectroscopy. For the decay measurements of short-lived nuclei, a pneumatic delivery system has been used. In the case of 144Sm(°,p) and 144Sm(°,®) reactions, the activated samarium samples with very low counting statistics were measured at the underground laboratory "Felsenkeller" in Dresden. The experimental activa- tion yields for the 144Sm (°,n), (°,p) and (°; ®) and the 92Mo(°; ®) reactions were determined. It is to be emphasized that the (°,p) and (°; ®) reactions were measured for the ¯rst time in a laboratory at astrophysically relevant energies. In all the mentioned experiments, special care was taken to determine the endpoint energy of the bremsstrahlung spectra by using the photodisintegration of deuteron. The 197Au(°,n)196Au reaction has been established as an activation standard. The photoactivation yields for the 197Au(°,n) and 144Sm(°; n) reactions have been compared to the yield calculated using cross sections from previous photoneutron experiments. A comparison of the two data sets leads to a conclusion on the inaccuracies in previous data. The statistical uncertainties involved in the activation experiments are very small except for the case of decay spectra with weak counting statistics. The systematic uncertainties are mostly from the experimental determination of photon °ux. A detailed discussion of the overall uncertainty is provided. Hauser-Feshbach statistical model calculations using TALYS and NON-SMOKER codes have been performed for all the concerned reactions. The experimental activation yields, in general, agree within a factor of 2 to the simulated yields using statistical model predictions. The sensitivity of the model codes to the nuclear physics inputs like optical-model potentials, nuclear level densities and °-ray strength functions has been tested.

The majority of the light elements up to iron (Fe) are formed by successive rounds of ther- monuclear fusion burning in the stellar interiors. The nuclei heavier than iron (Z>26) are being synthesized mainly by neutron-capture reactions - the astrophysical r-and s-processes. There are 35 neutron de¯cient stable isotopes between Se and Hg which are shielded from the rapid neutron capture by stable isobars. These so-called p-nuclei are produced in explosive stellar environments via photodisintegration reactions like (°,n), (°,p) and (°,®) on r- or s- seed nuclei. The reaction rates of the p-nuclei are mostly based on theoretical parameteriza- tions using statistical model calculations. At the bremsstrahlung facility of the superconducting electron accelerator ELBE, photon-induced reactions of the p-nuclei are being studied. In the scope of this thesis work, photodisintegration measurements of the p-nuclei 92Mo and 144Sm have been performed via the photoactivation technique. The residual nuclei resulting from photoactivation were studied via °-ray spectroscopy. For the decay measurements of short-lived nuclei, a pneumatic delivery system has been used. In the case of 144Sm(°,p) and 144Sm(°,®) reactions, the activated samarium samples with very low counting statistics were measured at the underground laboratory "Felsenkeller" in Dresden. The experimental activa- tion yields for the 144Sm (°,n), (°,p) and (°; ®) and the 92Mo(°; ®) reactions were determined. It is to be emphasized that the (°,p) and (°; ®) reactions were measured for the ¯rst time in a laboratory at astrophysically relevant energies. In all the mentioned experiments, special care was taken to determine the endpoint energy of the bremsstrahlung spectra by using the photodisintegration of deuteron. The 197Au(°,n)196Au reaction has been established as an activation standard. The photoactivation yields for the 197Au(°,n) and 144Sm(°; n) reactions have been compared to the yield calculated using cross sections from previous photoneutron experiments. A comparison of the two data sets leads to a conclusion on the inaccuracies in previous data. The statistical uncertainties involved in the activation experiments are very small except for the case of decay spectra with weak counting statistics. The systematic uncertainties are mostly from the experimental determination of photon °ux. A detailed discussion of the overall uncertainty is provided. Hauser-Feshbach statistical model calculations using TALYS and NON-SMOKER codes have been performed for all the concerned reactions. The experimental activation yields, in general, agree within a factor of 2 to the simulated yields using statistical model predictions. The sensitivity of the model codes to the nuclear physics inputs like optical-model potentials, nuclear level densities and °-ray strength functions has been tested.

Nuclear spectroscopy is an interdisciplinary subject of physics and electronics, which adopts state-of-the-art digital electronic technology and computer technology to analyze the information in ionizing radiation. The use of FPGAs shortens the development cycles of the digital circuit design and reduces system noise with compact electronics size. As a result, digital spectrometers with FPGAs are gaining popularity in research and industrial markets. The motivation behind this work was to replace conventional analog electronics with modern digital technology to provide an excellent energy resolution for different kinds of nuclear detectors and experiments. In this thesis, a SiPM-based scintillation detector is first designed based on the basic principles of ionizing radiation. The readout circuit of the detector is given in detail. Subsequently, a real-time DPP module is designed using the FPGA of Lattice. The system noise of the DPP is measured, compared, and analyzed after the hardware verification and implementation of digital algorithms to assess the capability of the DPP module. Afterward, digital pulse processing algorithms are investigated in detail to improve the performance of the designed digital module. The design and implementation of multipass moving average and trapezoidal filter are presented. The PZC and BLR are designed and implemented according to the analysis of the trapezoidal filter’s weakness to have a better energy resolution of the digital system. Algorithms are designed and implemented on a Simulink platform. Experimental results and analyses are provided at the end of this thesis. The acquired data are analyzed in real-time or by offline software. Spectra and resolutions are demonstrated of different detectors to evaluate the performance of digital module and algorithms implementation. The resolution of the scintillation detector can be obtained to 4.2%, which is almost the optimal value based on their datasheet. The implementations of digital algorithms are verified. Other applications are provided, such as coincidence and cosmic muons measurements.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der magnetischen Kernspinresonanz (NMR) eingesetzt, um beim Schadstoffabbau stattfindende Prozesse und geochemische Reaktionen zerstörungs- und beprobungsfrei zu untersuchen. Dies ist möglich, da die gelösten Elektronenakzeptoren Sauerstoff und Eisen paramagnetisch sind und somit einen Ein uss auf die NMRRelaxationszeiten ausüben. Der lineare Zusammenhang zwischen der gelösten Sauerstoff- beziehungsweise Eisen-Konzentration und den NMR-Relaxationsraten 1/T1 und 1/T2 wurde quantifiziert. Weiterhin wurde der bereits bekannte Einfluss der Matrixoberflächen von porösen Medien auf die Relaxation von Wasser nachgewiesen. Die paramagnetischen Zentren auf Sandoberflächen führen ebenfalls zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten. Es wurde gezeigt, dass die kleinsten Korngrößen der verwendeten Sande den größten Einfluss auf die Oberflächenrelaxation haben. Wird die Oberflächenrelaxation berücksichtigt, ist auch in porösen Medien die ermittelte lineare Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Ionenkonzentration anwendbar, um den Gehalt an gelösten paramagnetischen Ionen aus Relaxationsmessungen zu ermitteln. Beispielhaft wurde der Anstieg der Eisen(III)-Konzentration in der Porenlösung von natürlichen Sanden infolge der Auflösung eisenhaltiger Mineralien von den Oberflächen zeitlich und räumlich detailliert betrachtet. Eine durchgeführte Modellierung zeigte, dass das Reaktionssystem zu Beginn der Reaktion von der Diffusion dominiert wird, am Ende dann die Reaktionsgeschwindigkeit der bestimmende Parameter ist. Die beim biologischen Schadstoffabbau auftretenden Redoxprozesse des Eisens wurden durch rein chemische Reaktionen unter Verwendung von Oxidations- und Reduktionsmitteln simuliert. Die zeitlich und räumlich detaillierte Beobachtung des Anstiegs beziehungsweise des Abfalls der gelösten Eisen(III)-Konzentration in der (Poren-)Lösung war mit NMR-Relaxometrie trotz der Schnelligkeit der Reaktionen möglich. Mit Hilfe der anschliessenden Modellierung wurde der wichtige Einfluss des pH-Wertes auf den genauen Ablauf der Reaktionen deutlich gemacht. Nur in sehr sauren pH-Bereichen (pH < 3) liegen die Eisen(III)-Ionen in Lösung vor. Weiterhin wurde der Einfluss der Mikroorganismen selbst auf die NMR-Relaxations- und Diffusionsmessungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an Medien mit Lactobacillus und Penicillium eine Verschiebungen in den Relaxationszeitverteilungen hin zu kleineren Relaxationszeiten gemessen. Dies basiert auf der bereits bekannten Verringerung der Mobilität der Spins innerhalb der Biomasse. Für Bakterien von Geobacter metallireducens konnte erstmals der Verbrauch von Eisen(III)-Ionen durch Reduktion während des Wachstum anhand der ansteigenden T2-Relaxationszeit gezeigt werden.