Neutron activation analysis measurement in different energy ranges at the TRIGA Mark II reactor for determination of the neutron spectrum

Abstract

Diese Diplomarbeit basiert auf dem Prinzip der Neutronenaktivierungsanalyse. Im Zuge der Arbeit wurden Metallfolien durch Bestrahlung am TRIGA Mark II Reaktor des Atominstituts der Technischen Universität Wien aktiviert und mittels Gammaspektroskopie ausgewertet. Die dadurch gewonnenen Daten wurden für ein laufendes Forschungsprojekt zur Charakterisierung des Neutronenflusses im neuen Reaktorkern des TRIGA Mark II Reaktors des Atominstituts verwertet. Die grundsätzlichen Bestandteile dieser Arbeit umfassten die Auswahl geeigneter Folien, das Entwerfen von Probenhaltern für diverse Bestrahlungseinrichtungen -im Speziellen handelte es sich hierbei um ein radiales Strahlrohr und das zentrale Bestrahlungsrohr in der Mitte des Reaktorkernes- die Planung und Durchführung der Bestrahlungen, sowie Gammaspektroskopie der aktivierten Proben. Die zu bestrahlenden Folien bestanden aus den Materialien Gold, Kupfer, Indium, Nickel, Eisen und Aluminium. Sie wurden in Hinblick auf ihre Reinheit sowie Geometrie ausgewählt. Bei den Reaktionen, die nachgewiesen werden sollten, handelte es sich um (n,g), (n,n') und (n,p) Reaktionen, wobei einige davon durch eine gewisse Schwellenenergie der Aktivierung charakterisiert wurden. Die Halbwertszeiten der Aktivierungsprodukte waren stark unterschiedlich und schwankten zwischen einigen Minuten auf der einen Seite und fast einem Jahr auf der anderen Seite. Die Messungen wurden daher für die einzelnen Folien so variiert und an die Bedingungen angepasst, dass die statistischen und systematischen Unsicherheiten minimiert werden konnten. Die Bestrahlungen wurden derart geplant und durchgeführt, dass trotz der Einschränkungen in Bezug auf Reaktorverfügbarkeit und Strahlenschutz eine optimale Aktivierung der Folien gewährleistet werden konnte. Im radialen Strahlrohr wurden drei verschiedenen Positionen entlang der horizontalen Achse des Strahlrohres charakterisiert. Für die Bestrahlungen im zentralen Bestrahlungsrohr wurden spezielle Probenhalter konstruiert. Diese ermöglichten die Bestrahlung von Folien in elf verschiedenen Positionen entlang der vertikalen Achse. Zusätzlich war auch eine Referenzposition zur Überwachung des Neutronenflusses inkludiert. Die durchgeführten Bestrahlungen und Messungen lieferten äußerst zufriedenstellende Resultate und konnten für weiterführende Berechnungen und Forschungen herangezogen werden.

Essentially, this master thesis represents the experimental facet of the evaluation of a reactor neutron spectrum. In the course of the work conducted, neutron activation analysis measurements were performed at the TRIGA Mark II reactor at the Atominstitut of the Vienna University of Technology. The data obtained was used for an ongoing research project at the Atominstitut related to the neutron flux characterisation for the new core. The work included the selection of activation foils that would meet the requirements, the design of sample holders for different irradiation positions - in particular a horizontal beam tube and the central irradiation channel - as well as the planning and performing of irradiations and gamma spectroscopy measurements of activated foils. The activation foils that were used in the course of this work were chosen with regard to the pureness of the material and geometry considerations. The materials were gold, copper, indium, nickel, iron and aluminium. The reactions that were essential for covering the entire neutron energy spectrum included (n,g), (n,n') and (n,p) reactions, some of which exhibited threshold behaviour. The half-lives of the activation products were quite diverse, ranging from a few minutes, in the case of Mg-27, to almost a year in the case of Mn-54. The gamma spectroscopy measurements were performed in such a way as to minimize the statistical and systematic uncertainties. The irradiations were planned in order to achieve an optimal activation of the foils but within reasonable limitations such as radiological protection and time constraints. In the horizontal beam tube, irradiations were performed in three different positions along the horizontal axis of the tube. The collimator had been removed before these measurements. For irradiations in the central irradiation channel, a special sample holder, which allowed the irradiation of foils in eleven positions along the vertical axis, was designed. Since the irradiations were performed at different times and under varying circumstances, there was also on extra reference position for flux monitoring in the sample holder. The irradiations and measurements that were performed were overall very satisfying and provided useful data, which could subsequently be used for further research.