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Messung von Referenzwirkungsquerschnitten an der Spallationsneutronenquelle n_TOF des CERN

19.12.2018

Im Jahresbericht 2017 wurde über die Vorbereitung eines Experiments zur Messung des Wirkungsquerschnitts der neutroneninduzierten Spaltung von 235U relativ zum differentiellen Wirkungsquerschnitt der Neutron-Proton Streuung berichtet. Die Neutron-Proton Streuung ist die primäre Referenz für Neutronenmessungen. Das Experiment wurde in Zusammenarbeit mit französischen und italienischen Kollaborationspartnern an der Spallationsneutronenquelle n_TOF des CERN geplant und soll für Neutronenenergien oberhalb von 20 MeV den einzigen in diesem Energiebereich vorhandenen Datensatz ergänzen.

Die Voruntersuchungen in den Jahren 2016 und 2017 haben gezeigt, dass das geplante Experiment unter den Bedingungen der n_TOF Quelle durchgeführt werden kann. Die Resultate dieser Untersuchungen wurden dazu benutzt, den Aufbau des Experiments zu optimieren und abzuschließen. Für die Messung des Spaltwirkungsquerschnitts wurde eine Parallelplatten-Ionisationskammer aufgebaut (Abb. 1). In diesem Detektor werden Spaltfragmente nachgewiesen, die in dünnen 235UF4 Schichten erzeugt werden. Zur Messung der n-p Streuung wurden Polyethylenradiatoren im Neutronenstrahl platziert. Die bei der Neutron-Proton Streuung erzeugten Rückstossprotonen wurden unter einem Winkel von 25° in drei Detektorteleskopen nachgewiesen. Zwei der Teleskope wurden vom INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) und eines von der PTB aufgebaut. Das PTB Teleskop besteht aus drei hintereinander angeordneten schnellen Plastikszintillatoren unterschiedlicher Dicke (Abb. 2) in denen die Protonen koinzidente Signale erzeugen. Diese Dreifachkoinzidenzbedingung dient der Unterdrückung von Untergrundereignissen, die durch den Neutronenstrahl induziert werden.

Parallelplatten-Ionisationskammer

Abb. 1: Die Parallelplatten-Ionisationskammer wurde am Messplatz EAR1 in einer Entfernung von 184 m vom Spallationstarget installiert. Der Neutronenstrahl erreicht den Messplatz durch das Ende eines evakuierten Strahlrohrs und durchläuft danach die Ionisationskammer.


Auf der linken Seite ist das dreistufige Detektorteleskop der PTB zu sehen. Die beiden Detektorteleskope des INFN befinden sich auf der rechten Seite.

Abb. 2: Auf der linken Seite ist das dreistufige Detektorteleskop der PTB zu sehen. Die beiden Detektorteleskope des INFN befinden sich auf der rechten Seite. Der Neutronenstrahl verläuft oberhalb der Schiene, auf der die Radiatorhalterungen befestigt sind. Die schwarzen Graphitradiatoren dienen der separaten Messung von Protonen, die aus der Wechselwirkung von Neutronen mit den auch in den Polyethylenradiatoren enthaltenen Kohlenstoffkernen erzeugt werden.

Die Energieverteilung der n_TOF Neutronenquelle ist kontinuierlich und erstreckt sich bis zu etwa 1 GeV. Um den Energiebereich von 20 MeV bis zu einigen hundert MeV abzudecken sind mehrere Kombinationen von Plastikszintillationsdetektoren und Polyethenradiatoren unterschiedlicher Dicke nötig. Eine höhere Radiatordicke bedeutet eine höhere Rate von Rückstossprotonen, aber auch ein erhöhtes Energie- und Winkelstraggling der Rückstossprotonen, das die Energieauflösung reduziert. Die verwendeten Konfigurationen wurden so ausgewählt, dass sich diese Effekte in drei überlappenden Energiebereichen möglichst gut ausgleichen: 20 MeV – 75 MeV, 35 MeV – 100 MeV und oberhalb von 50 MeV.

Das Experiment wurde Mitte September 2018 am CERN aufgebaut. Die Messzeit betrug sechs Woche. Diese lange Messzeit war wegen der mit steigender Neutronenenergie abnehmenden Wirkungsquerschnitte und Reaktionsraten nötig, um eine ausreichende Zahl von Ereignissen nachzuweisen. Das Experiment wurde im Oktober 2018 erfolgreich abgeschlossen und wird zurzeit ausgewertet. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sich die Spaltfragment- und Rückstossprotonendetektoren wie erwartet verhielten.