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Die Entstehung der Elemente im Universum wird auf eine Vielzahl von Prozessen zurückgeführt, die sowohl in Urknall - als auch in stellaren Szenarien angesiedelt werden. Die Kenntnis der dort ablaufenden Reaktionen und deren Raten ermöglicht es die zugrundeliegenden Modelle einzugrenzen und somit genauere Aussagen über die Plausibilität der Szenarien zu treffen. Ein Teil dieser Prozesse stützt sich auf Neutroneneinfänge an Atomkernen, wodurch die Massezahl des Ausgangskerns erhöht wird. Die Aktivierungsmethode ermöglicht die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Neutroneneinfangs, sofern der Zielkern eine detektierbare Radioaktivität aufweist. Die experimentelle Untersuchung einer Reaktion mit einem kurzlebigen Produktkern ist eine besondere Herausforderung, da bei langen Aktivierungen zwar viele Einfänge stattfinden, die meisten Produktkerne jedoch schon während der Aktivierung zerfallen. Ein probates Mittel um genügend Zerfälle des Produktkerns beobachten zu können ist die zyklische Aktivierung, wobei die Probe in mehrfachen Wiederholungen kurz bestrahlt und ausgezählt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Anwendungen der zyklischen Aktivierung behandelt. Eine vom Paul Scherrer Institut Villigen bereitgestellte Probe von 10Be wurde am TRIGA Reaktor der Johannes Gutenberg - Universität Mainz mit Neutronen aktiviert. Über die Cadmiumdifferenzmethode konnte der thermische und der epithermische Anteil der Neutronen separiert werden und dadurch sowohl der thermische Wirkungsquerschnitt als auch das Resonanzintegral für die Reaktion 10Be(n,γ)11Be bestimmt werden. Am Institut für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt wurde mit einem Van - de - Graaff - Beschleuniger über die 7Li(p,n)7Be Reaktion ein quasistellares Neutronenspektrum mit kBT ≈ 25 keV erzeugt. Für die zyklische Aktivierung von Proben wurde die Infrastruktur in Form einer automatisiert ablaufenden Vorrichtung zur Bestrahlung und Auszählung geplant und umgesetzt. In diesem Rahmen wurden die über das Spektrum gemittelten Neutroneneinfangsquerschnitte für verschiedene Reaktionen bestimmt. Für 19F(n,γ)20F konnte der Gesamteinfangsquerschnitt bestimmt werden. Für die Reaktion 45Sc(n,γ)46Sc wurde der partielle Wirkungsquerschnitt in den 142,5 keV Isomerzustand gemessen. Aus der 115In(n,γ)116In Reaktion konnten die partiellen Querschnitte in die Isomerzustände bei 289,7 keV, 127,3 keV sowie den Grundzustand bestimmt werden. Außerdem wurde mit einer Hafniumprobe die partiellen Einfangsquerschnitte in den 1147,4 keV Isomerzustand von 178Hf und in den 375 keV Isomerzustand von 179Hf gemessen.

Für das bessere Verständnis der Nukleosynthese der schweren Elemente im s-Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit die Messung zur Bestimmung der Neutroneneinfangsreaktion von 83Kr durchgeführt. Als Messinstrument wurde DANCE am LANL verwendet, ein 4pi-Kalorimeter zur Detektion der entstehenden g-Kaskaden bei (n,g)-Reaktionen. Darüber hinaus wurden außerdem noch Proben mit 85Kr und 86Kr vermessen. Die Herausforderung an diesem Experiment bestand vor allem in der Probenherstellung. Das Edelgas Kr erforderte eine Neukonstruktion der normalerweise bei DANCE verwendeten Probenhalterung. Das Hauptaugenmerk lag auf der Maximierung der Kr-Exposition durch den Neutronenstrahl. Im Gegenzug wurde versucht das umgebende Material nach Möglichkeit keinen Neutronen auszusetzen. Für die Isotope 83,86Kr wurden Hochdruckgaskugeln verwendet, die an der Goethe-Universität Frankfurt gefüllt und in eine der neuen Probenhalterungen eingesetzt wurden. Zur Beachtung des bei der Messung entstehenden Untergrundes wurde eine Messung mit baugleicher Probenhalterung und leerer Gaskugel durchgeführt. Da bereits kleine Mengen 85Kr eine hohe Radioaktivität aufweisen, wurde eine in einen Stahlzylinder eingeschweißte, existierende Quelle verwendet. Bei der Analyse zu 86Kr wurde schnell eine zu starke Verunreinigung der Kr-Probe mit Xe offensichtlich, einen signifikanten Anteil des Spektrums ausmachte. Aus diesem Grund kam es vor allem zu Problemen den korrekten Untergrund von den 86Kr Messdaten zu subtrahieren. Die weitere Bestimmung inklusive Streukorrekturen, Normierung anhand des Flussmonitors und DICEBOX/GEANT3 Effizienzbestimmung lieferte zwar einen energieabhängigen Wirkungsquerschnitt, dieser zeigte allerdings große Abweichungen von den evaluierten ENDF/B-VII.1 Daten, was besonders ersichtlich in der deutlichsten 86Kr Resonanz bei 5515 eV zu erkennen war. Aus diesem Grund konnte aus den Messdaten kein MACS extrahiert werden. Bei einer Untersuchung der Aktivität der 85Kr-Probe mit Hilfe der einzelnen BaF2-Detektoren in der DANCE Kugel zeigte sich zunächst eine um fast einen Faktor vier geringere Aktivität als vom Hersteller angegeben. Auch bei der weiteren Analyse traten massive Untergrundprobleme auf. Die Form des Stahlzylinders, in dem das Kr-Gasgemisch eingeschweißt war, konnte aufgrund seiner Form nur schwer im Strahlrohr untergebracht werden. Beim Experiment selbst zeigte sich dann, dass Teile der Halterung vom Neutronenstrahl getroffen wurden, was einen Untergrund mit sehr hohem Q-Wert erzeugte, der nicht durch ein Esum Fenster entfernt werden konnte. Durch eine Beschädigung der Halterung mit der Probe kam es darüber hinaus zu Abweichungen mit der verwendeten Leerhalterung. All das führte trotz einer langen Messzeit von fast 18 d dazu, dass nur ein sehr schwaches Signal von der eigentlichen Kr-Probe zu erkennen war. Es wurde eine mögliche 85Kr Resonanz bei 675 eV gefunden, allerdings ist die endgültige Zuordnung aufgrund der nicht eindeutigen Untergrundsituation äußerst schwierig. Im Vorfeld des Kr-Experimentes wurde eine Messung von RbCl an DANCE durchgeführt, da ursprünglich zu erwarten war, dass bereits ein Teil des 85Kr zu 85Rb zerfallen war. Durch diese Messung sollte dieser Anteil leicht von der späteren Messung zu subtrahieren sein. Allerdings trat ein unerwartetes Problem während der Datenaufnahme auf. Die Verbindung der DAQ Boards wurde getrennt, wodurch ca. 3/4 der Detektoren nicht mehr zeitsynchron liefen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Rekonstruktion dieser Daten angestrebt. Durch Modifikationen am FARE Code, der zur Auswertung verwendet wurde, konnte Flugzeitspektren für jeden Beschleunigerpuls erzeugt werden. Es zeigte sich zunächst ein offensichtlicher Trend einer Verschiebung der getrennten Boards zu späteren Zeiten. Durch mehrere Fits an die Abweichungsverteilung und anschließende Korrektur konnte zunächst ein Spektrum wiederhergestellt werden, das vergleichbar mit den unbeschädigten Daten war. Bei einer detaillierten Analyse dieser neu gewonnen Daten zeigte sich jedoch eine Nichtlinearität in der Zeitverschiebung. Dies resultierte letztlich in einer Korrektur des Spektrums, allerdings nicht in einem Koinzidenzfenster von 10 ns, das für eine Wirkungsquerschnittsanalyse notwendig ist. Es wurde geschlussfolgert, dass durch die geringe Statistik in den einzelnen Flugzeitspektren solch eine Genauigkeit nicht zu erreichen ist. Die Messung des Neutroneneinfangsquerschnitts von 83Kr konnte im Zuge dieser Arbeit erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden zwei Messungen mit verschiedenen Strömen kombiniert. Eine Messung mit 40 µA wurde durchgeführt, um Pile-Up in der größten Resonanz bei 28 eV zu reduzieren. Die zweite Messung diente dann dem Sammeln von ausreichend Statistik in den nicht resonanten Bereichen. Die eingesetzte Leerkugel erlaubte eine saubere Subtraktion des Untergrundes von Probenhalterung, Gaskugel und Umgebung. Für die Skalierung der Messergebnisse wurde eine weitere Messung mit einer 5000 Å dicken Goldfolie durchgeführt. Zur Bestimmung der Detektoreffizienz konnten zunächst die durch den Neutroneneinfang entstandenen Abregungskaskaden der 84Kr Kerne mit DICEBOX modelliert werden. Diese Kaskaden wurden dann anschließend in GEANT3 Simulationen verwendet, um die Effizienz bestimmen zu können. Mit diesen Methoden erhielt man die Maxwell-gemittelten Wirkungsquerschnitte von kT = 5 keV - 100 keV. Bei der für den s-Prozess wichtigen Temperatur von kT = 30 keV wurde der Querschnitt bestimmt zu: MACS (30 keV) = (256,6 +- 14,2 (stat) +- 18,1(sys)) mb. Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit dem in der KADoNIS v0.3 Datenbank angegebenen Wert von MACS;KADoNIS (30 keV) = (243 +- 15) mb. Mit den so gewonnenen Wirkungsquerschnitten wurden außerdem die Reaktionsraten berechnet. Bei den anschließenden Netzwerkrechnungen mit dem Programm NETZ wurden die Auswirkungen der in dieser Arbeit gewonnenen Wirkungsquerschnitte im Vergleich zu den KADoNIS v0.3 Werten betrachtet. Dabei zeigte sich eine leicht erhöhte Produktion der stabilen Isotope 84Kr, 86Kr, 85Rb und 87Rb, sowie eine leichte Unterproduktion der stabilen Isotope 86-88Sr in der Hauptkomponente des s-Prozess. Ein ähnliches Bild zeigte sich in der He-Brennphase der schwachen Komponente. Der in dieser Arbeit gemessene Wirkungsquerschnitt bei hohen Temperaturen ist geringer als der in KADoNIS v0.3 angegebene, weswegen es bei der Simulation mit NETZ zu einer stark erhöhten Produktion von 83Kr in der C-Brennphase kommt.

Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die energieabhängigen Wirkungsquerschnitte von (γ,n)-Reaktionen für 169Tm, 170Yb, 176Yb und 130Te mittels der Photoaktivierungsmethode zu bestimmen. Dazu wurden zunächst die Effizienzen der verwendeten Detektoren mithilfe von Simulationen korrigiert, da die verwendeten Targets eine ausgedehnte Geometrie aufweisen im Gegensatz zu den punktförmigen Eichquellen. Es hat sich herausgestellt, dass mit den Simulationen die Effizienzen der MCA-Detektoren energieabhängig korrigiert werden konnten, da die Simulationen die Form der gemessenen Effizienzen gut reproduzieren konnten. Bei den Effizienzen der LEPS-Detektoren hingegen konnte keine energieabhäangige Korrektur vorgenommen werden, da die LEPS-Detektoren aufgrund des geringen Abstandes zu den Detektoren hohe Summeneffekte zeigten. Im Rahmen dieser Arbeit konnten diese Summeneffekte jedoch nicht korrigiert bzw. berücksichtigt werden.

Der langsame Neutroneneinfang-Prozess (s-Prozess) ist für die Erzeugung von rund der Hälfte der Elemente zwischen Eisen und Blei verantwortlich. Sein Reaktionspfad enthält entlang des Stabilitätstals einige Verzweigungspunkte an instabilen Isotopen, deren Neutroneneinfangquerschnitte die Produktion schwererer Elemente und deren Isotopen-Verhältnisse beeinflussen. Kennt man ihre Zerfalls- und Neutroneneinfangraten unter den angenommenen stellaren Bedingungen ist es möglich, Rückschlüsse auf die physikalischen Umstände während des s-Prozesses zu ziehen. Einer dieser Verzweigungspunkte ist 63-Ni. Die experimentelle Bestimmung des differentiellen Wirkungsquerschnittes für den Neutroneneinfang an diesem Isotop ist das primäre Ergebnis der vorliegenden Arbeit. Der 63-Ni(n,gamma)- Wirkungsquerschnitt hat Einfluss auf die Häufigkeiten von 64-Ni, die Kupfer- und die Zink-Isotope. Die Sensitivität der Produktion dieser Nuklide in s-Prozess-Szenarien wurde ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit anhand von Simulationen des entsprechenden Nukleosynthesenetzwerkes untersucht. Zudem wurde die Datenlage für s-Prozess-Modelle mit einer Flugzeit-Messung des 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitts erweitert. Die beiden Experimente zur Querschnittsbestimmung von 63-Ni und 63-Cu fanden am Los Alamos Neutron Science Center in New Mexico, USA statt. Eine aus angereichertem 62-Ni hergestellte 63-Ni-Probe wurde im Rahmen einer Flugzeit-Messung gepulst mit Neutronen bestrahlt. Der Nachweis der prompten Gammastrahlung aufgrund von Neutroneneinfängen erfolgte mit dem 4π-BaF_2-Detektor DANCE. Die kalorimetrische Messung macht den Q-Wert der Reaktion für jedes Einfangereignis zugänglich und erlaubt die Unterscheidung von Ereignissen verschiedener Isotope. Es konnte gezeigt werden, dass diese Methode die Bestimmung von Querschnitten selbst mit Proben ermöglicht, die nur zu einem Bruchteil aus dem zu untersuchenden Isotop bestehen. Der 63-Ni(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt wurde für den Energiebereich von 40 eV bis 500 keV mit einer maximalen Unsicherheit von 15% bestimmt. Es zeigte sich, dass theoretische Abschätzungen den Querschnitt bislang um etwa einen Faktor 2 unterschätzten. In demselben Energiebereich konnte der 63-Cu(n,gamma)-Wirkungsquerschnitt mit einer maximalen Unsicherheit von 8% vermessen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein bereits im Jahr 1989 gebauter Neutronenkollimator für den zukünftigen Einsatz an der Frankfurter Neutronenquelle am Stern Gerlach Zentrum (FRANZ) getestet und simuliert werden. Hierfür wurde der Neutronenkollimator zunächst probeweise aufgebaut und die einzelnen Bauteile ausgemessen. Zunächst wurde die Zusammensetzung der Kollimatorbauteile überprüft und deren Dichte bestimmt. Zu diesem Zweck wurde mit einigen ausgesuchten Bauteilen des Kollimators eine Gammatransmissionsmessung mit Na-22 und Ba-133 als Gammaquelle durchgeführt. Die Messwerte dieser Messung wurden ausgewertet und mit entsprechend angefertigten Simulationen mit GEANT 3 verglichen. Für die Simulationen wurden die Bauteile, mit denen die Messung durchgeführt wurde, detailgetreu und mit der zu bestätigenden Zusammensetzung sowie einer geschätzten Dichte programmiert. Über die Anpassung der Simulationsergebnisse an die experimentellen Werte, konnte so die Materialzusammensetzung bestätigt und für die jeweiligen Bauteile jeweils eine Dichte ermittelt werden. Für das Lithiumcarbonatrohr wurde eine Dichte von 1,422 g/cm³ ermittelt, für die drei Bauteile aus Borcarbid jeweils 1,169 g/cm³, 1,073 g/cm³, 0,832 g/cm³. Aufgrund von vielen produktionsbedingten, unterschiedlich stark ausgeprägten Lufteinschlüsse in den Borcarbidbauteilen des Kollimators, konnte keine identische Dichte für alle Bauteile gefunden werden. Nach Untersuchung des Kollimators wurde der Neutronendurchgang mit dem Simulationspaket GEANT 3 simuliert. Die vollständige Geometrie des Kollimators wurde in GEANT 3 programmiert und dabei Bohrlöcher und Besonderheiten einzelner Bauteile berücksichtigt. Um die Simulationszeit zu verkürzen, wurde der Teilchendurchgang durch den gesamten Kollimator nicht in einem Durchgang simuliert, sondern stückweise in vier Stufen entlang des Kollimators. Um die Komplexität der Simulation zu beschränken wurde für alle Kollimatorbauteile aus Borcarbid ein Dichtewert eingesetzt, jedoch jede Simulationsreihe mit den drei verschiedenen Werten, die bei der Gammatransmissionsmessung ermittelt wurden, durchgeführt. Beim anschließenden Vergleich der Simulationsergebnisse, konnte zwischen den einzelnen Dichtewerten kein signifikanter Unterschied erkannt werden. Die Unsicherheiten in der Dichtebestimmung sind daher vernachlässigbar. Jede Simulationsreihe wurde mit zwei verschiedenen Neutronenverteilungen durchgeführt: eine Neutronenverteilung bei 1,92 MeV Protonenenergie und eine bei 2 MeV Protonenenergie. Anhand der Simulationsergebnisse konnte ermittelt werden, dass die auf den Detektor eintreffende Neutronenintensität bis zu einem Abstand von etwa 20 cm vom Strahlachsenzentrum um Faktor 4·10-5 geschwächt wird. Ab 20 cm Strahlachsenabstand beträgt die Transmission der Neutronen etwa 10-3. Die Bleiabschirmung, die an den Kollimator montiert wird und den Detektor vor den infolge von Neutroneneinfängen emittierten Gammaquanten vor dem Detektor abschirmen soll, reduziert die Zahl der Gammaquanten ebenfalls um Faktor 10-4. Für den zukünftigen Einsatz des Neutronenkollimators an FRANZ müssen zunächst die fehlenden Kollimatorbauteile ersetzt oder nachgebaut werden. Dazu gehören zwei zylinderförmige innere Einsätze aus Borcarbid sowie eine Verlängerung des Innenrohrs aus Lithiumcarbonat. Neue Geometrien oder Materialzusammensetzungen können durch leichte Modifikation der bereits in GEANT 3 programmierten Kollimator-geometrie getestet und untersucht werden. Für die Positionierung des Kollimators und Aufstellung vor dem 4 π BaF2-Detektor muss zusätzlich eine Platte angefertigt werden, an welche die Bleiabschirmung montiert und auf welcher der Kollimator stabil aufgebaut werden kann. Nach Fertigstellung der fehlenden Bauteile und der Platte, kann der Kollimator aufgebaut und in der Praxis getestet werden.