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Laser-Driven Neutron Sources - A Compact Approach to Non-Destructive Material Analysis

Zimmer, Marc (2020):
Laser-Driven Neutron Sources - A Compact Approach to Non-Destructive Material Analysis.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.25534/tuprints-00012996,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Laser-Driven Neutron Sources - A Compact Approach to Non-Destructive Material Analysis
Language: English
Abstract:

Neutrons have become a unique tool for non-destructive testing of materials but despite the increasing interest from science and industry, the number of accessible neutron sources has decreased in the last years due to the phasing out of nuclear research reactors. This creates a strong discrepancy between supply and demand for access to neutron facilities. Laser-Driven Neutron Sources (LDNS) have the potential to fill this gap but so far research on this topic is mostly focused on the neutron production and not on their utilization for material testing. This shortcoming is addressed by this thesis through the development of a setup designed to conduct Neutron Resonance Spectroscopy (NRS) on a laser-driven source. In this process, the question is answered how the involved components have to be optimized to enable this source type to be competitive with established neutron sources. This is accomplished via a meta-analysis on laser ion acceleration, a systematic review process of targetry solutions as well as Monte Carlo (MC) simulations for the neutron generation, moderation and transport. This is followed by an experimental verification of this technique through the identification of the isotopes 182W and 183W inside a tungsten sample. In addition, it was shown that the same setup was capable of determining the sample thickness of a 1mm indium plate behind a 2mm thick lead shield via a thermal neutron radiography. By using MC simulations for state of the art laser systems it was possible to predict the performance of LDNS to be comparable to existing sources while being orders of magnitude smaller in size. These results close the gap between LDNS as a theoretical concept and their application as a tool for material identification.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Neutronen sind zu einem wichtigen Werkzeug der zerstörungsfreien Materialanalyse geworden, doch trotz des steigenden Interesses seitens der Wirtschaft und der Forschung, sinkt die Anzahl der verfügbaren Neutronenquellen weiter ab. Die Ursache dafür, ist das allmähliche Abschalten alter Forschungsreaktoren, was zu einer starken Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage führt. Laser-Neutronenquellen haben das Potential diese Lücke zu füllen, jedoch hat sich der Großteil der bisherigen Forschung in diesem Bereich darauf konzentriert, die Neutronenerzeugung zu untersuchen und nicht darauf, die Neutronen für Materialuntersuchungen nutzbar zu machen. Dieser Mangel wird von der vorliegenden Thesis adressiert, indem ein Aufbau entwickelt wird, um an einer Laser-Neutronenquelle Neutronen-Resonanzspektroskopie durchzuführen. Innerhalb dieses Prozesses wird die Frage beantwortet, inwieweit vorhandene Komponenten optimiert werden können, damit ein derartiges System mit etablierten Neutronenquellen konkurrieren kann. Dies geschieht unter Anderem, durch das Erstellen einer Metaanalyse über den Einfluss des Lasers auf die Ionenerzeugung, eine systematische Übersichtsarbeit über existierende Targetsysteme, sowie Monte Carlo Simulationen zur Neutronenerzeugung und deren Transport. Mithilfe eines Experimentes wurde die Anwendbarkeit des entwickelten Aufbaus durch den simultanen Nachweis der Isotope 182W und 183W innerhalb einer Wolframprobe bestätigt. Darüber hinaus, konnte die Dicke einer 1mm Indium Probe hinter einer 2mm Bleiabschirmung bestimmt werden. Durch Monte Carlo Simulationen für moderne Lasersysteme konnte gezeigt werden das vergleichbare Neutronenflüsse wie bei etablierten Quellen erzielt werden können, jedoch mit einem um Größenordnungen kleineren Aufbau. Diese Ergebnisse schließen die Lücke zwischen der Betrachtung von Laser-Neutronenquellen als theoretisches Konzept und deren tatsächlichen Nutzung als Werkzeug zur Materialanalyse.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 20 Aug 2020 12:36
Last Modified: 20 Aug 2020 12:37
DOI: 10.25534/tuprints-00012996
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-129964
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Bagnoud, Dr. Vincent
Refereed: 4 May 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/12996
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