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W. Mach:
"Installation of a neutron beam instrument at the TRIGA reactor in Vienna";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): G. Badurek, E. Jericha, H. Abele; Atominstitut, 2018; Rigorosum: 10/2018.

Im Zuge dieser Arbeit wurde ein neuer Strahlplatz für thermische Neutronen mit einem weißen Spektrum und hohem Fluss geplant, simuliert, installiert und charakterisiert.
Der hohe Neutronenfluss von bis zu ~10⁷ cm^-2 s^-1 wird die Grundlage für eine Serie neuer Experimente sein. In Kombination mit der neuen Reaktorinstrumentierung des TRIGA Reaktors in Wien, ist es möglich, den Reaktor zu pulsen. Dies ermöglicht einen peak flux von sogar ~10¹⁰ cm^-2 s^-1. Da alle anderen Beamlines am TRIGA Reaktor ein monochromatisches Spektrum und daher einen um ungefähr drei Größenordnungen kleineren Fluss haben, wird dieser neue Strahlplatz die experimentellen Möglichkeiten am Atominstitut erheblich erweitern.
Allerdings führt ein so hoher Neutronenfluss einerseits und ein direkter Blick auf den Reaktorkern andererseits zu hohen Ortsdosisleistungen. Um diese zu minimieren, wurden innerhalb des Reaktorstrahlrohres Perfektkristalle aus Saphir und Wismut installiert. Die Dosisleistung verursacht durch schnelle Neutronen und γ-Strahlung wird hierdurch erheblich reduziert. Außerdem wurde eine neue Art von Strahlenschutzbeton entwickelt, um Dosisleistungslimits einhalten zu können. Borcarbid, Serpentinit und Hämatit als Zuschlagstoffe verbessern dessen Eigenschaften der Neutronenthermalisation und steigern die Absorptionswirkung von Neutronen und γ-Strahlung. Die Eigenschaften dieser neu entwickelten Betonsorte wurde mittels des strengen Geheimhaltungsauflagen unterliegenden Softwarepakets MCNP6 theoretisch simuliert und auch experimentell am TRIGA Reaktor verifiziert. In der Folge wurde die gesamte Strahlenschutzkammer des neuen Strahlplatzes in MCNP6 simuliert.
Überzeugt, dass das Design die vorgeschriebenen Limits an Ortsdosisleistungen erfüllen wird, wurde der Strahlplatz errichtet.
Nach Fertigstellung wurden die tatsächlichen Ortsdosisleistungen sorgfältig an einer beträchtlichen Anzahl von Messpunkten erhoben. Es zeigte sich, dass die Messwerte in voller Übereinstimmung zu den Simulationsergebnissen stehen. In Folge wurde die Betriebsbewilligung des Strahlplatzes nach § 6 des Österreichischen Strahlenschutzgesetzes vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) erteilt.
Ambitionierte Forschungsprojekte werden an diesem neuen Strahlplatz in naher Zukunft durchgeführt werden, deren Realisation an den anderen Strahlplätzen des Reaktors nicht möglich wären. So werden wir zum Beispiel Grundlagenforschung vorantreiben, indem wir neue Instrumente zur Manipulation von Neutronenstrahlen entwickeln sowie bereits existierende weiter verbessern, wie etwa den magnetischen Neutronenspinresonator MONOPOL, der unter anderem für das derzeit am Hochflussreaktor FRM II in München in Aufbau befindliche Hochpräzisons Beta-Zerfall Projekt PERC sicherlich noch sehr von Nutzen sein wird. Natürlich wird der thermische weiße Strahl auch die neue Möglichkeiten als Neutronenradiographiestation eröffnen. Die Entwicklung von Neutronendetektoren mit Ortsauflösung im Micrometer-Bereich ist nur eine weitere Möglichkeit zur Nutzung des neuen Strahlplatzes. Nach ersten Tests am VCN-Strahl am PF2 des ILL in Grenoble im Jahr 2014 wurde vom Neutronenresonator MONOPOL ein gänzlich neuer Prototyp entwickelt, welcher Ende des Jahres 2018 das erste Mal am thermischen weißen Strahl dieser neuen Anlage des Atominstituts getestet werden soll.

As described in this thesis, a new multi-purpose facility for a thermal white neutron beam with high flux was planned, simulated, installed and characterized.
Its high thermal neutron flux of up ~10⁷ cm^-2 s^-1 will be the basis to realize a series of new experimental projects. In combination with the recently installed new instrumentation of the Vienna TRIGA research reactor, which allows to run this reactor in a pulsed mode of operation, it will even be possible to achieve a peak flux of ~10¹⁰ cm^-2 s^-1. Taking into account that all other available beamlines of the TRIGA reactor are monochromatic and thus have a three orders of magnitude lower flux, such an intense neutron beam will lead to an immense broadening of the experimental possibilities at the Atominstitut.
However, high flux and a direct view to the reactor core lead to high radiation dose rates. Therefore, single crystals made of sapphire and bismuth were installed inside the reactor beam tube to filter out fast neutrons and γ-radiation in order to drastically decrease the total dose rate. Furthermore, a special kind of radiation absorbing concrete was designed as a biological shielding to meet radiation protection limits. Its content of boron carbide, serpentine and hematite as additives facilitates neutron thermalization and increases the absorption of both neutron and γ-radiation. The performance of this newly developed radiation protection concrete was simulated with the classified software package MCNP6 and also verified experimentally at the TRIGA reactor. Subsequently the radiation shielding of the complete white beam facility was simulated using MCNP6.
Being confident that its design fulfills the ambient dose rate limits we finally have constructed the new facility.
After completion the real ambient dose rates were carefully measured at an extensive number of different positions. The experimental values turned out to be in full agreement with the simulation results. As a consequence, the legal permission to run this new facility was given by the Austrian Ministry of Science, Research and Economy.
In the immediate future we intend to use it for a series of ambitious new projects whose realization could not be conceived on the hitherto available beamlines of the TRIGA reactor. We definitely will push forward fundamental physics experiments by developing new and improving existing neutron beam manipulation devices, like e.g. the neutron magnetic spin resonator MONOPOL which without doubt will become very useful for the high precision beta decay experiment PERC that is currently under construction at the high-flux reactor FRM II in Munich. Clearly this white beam facility will also open new possibilities for us when used as a station for neutron imaging. The development of position sensitive neutron detectors with high spatial resolution in the m-range is another topic of our research focus to be mentioned. After first tests on the VCN-beam at the ILL in Grenoble in 2014 a new prototype of the neutron resonator MONOPOL will be tested for the first time on a thermal white neutron beam in end of 2018 on this new facility of the Atominstitut.

'weißer' Neutronenstrahl / Strahlabschirmung / TRIGA Reaktor / 'white' neutron beam / radiation shielding / TRIGA reactor