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The CASCADE 10B thermal neutron detector and soil moisture sensing by cosmic-ray neutrons

Köhli, Markus Otto

German Title: Der 10B basierte thermische Neutronendetektor CASCADE und Bodenfeuchtebestimmung durch kosmische Neutronen

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Download (49MB) | Lizenz: Creative Commons LizenzvertragThe CASCADE 10B thermal neutron detector and soil moisture sensing by cosmic-ray neutrons by Köhli, Markus Otto underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

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Abstract

This work connects the three domains of experimental nuclear physics, computational physics and environmental physics centered around the neutron. The CASCADE thermal neutron detector is based on a combination of solid 10B coatings in several layers, GEMs as gas amplification stages, a microstructured readout, multichannel ASICs and FPGA hardware triggered data acquisition. The detailed analysis to improve the system in terms of time-of-flight resolution for Neutron Resonance Spin Echo Spectroscopy required for a simulation model of the detector. The limitations of existing codes led to the development of the Monte Carlo transport code URANOS, which fully integrates the detector components and features a voxel-based geometry definition. The simulation could then successfully be applied to precisely understand neutron transport within the frame of Cosmic-Ray Neutron Sensing. This novel and interdisciplinary method offers the possibility to non-invasively measure soil moisture on the hectare scale using neutrons of the environmental radiation. The endeavor of this work led to the development of the footprint weighting function, which describes the neutron density change by different hydrogen pools in the air-ground interface. Significant influences of the near-field topology around the sensor were predicted by this work, experimentally verified and correction methods were successfully tested.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den drei Disziplinen der experimentellen Kernphysik, der computergestützten Physik und der Umweltphysik mit dem Neutron als Pivotelement. Der zur Messung von thermischen Neutronen entwickelte CASCADE Detektor besteht aus einer Kombination aus mehreren Ebenen von 10B Schichten, GEMs zur Gasverstärkung, eine mikrostrukturierte Auslese, Vielkanal-ASICs und einer FPGA-gestützten digitalen Datenverarbeitung. Die detaillierte Analyse um das System hinsichtlich seiner Flugzeitauflösung zur Anwendung in der Neutronen-Resonanz-Spin-Echo-Spektroskopie zu verbessern, erforderte ein Simulationsmodell des Detektors. Die Limitationen bestehender Softwarelösungen führten zur Entwicklung des Monte-Carlo Neutronentransportprogramms URANOS, welches alle wesentlichen Komponenten des Detektors abbildet und über eine voxelbasierte Geometrie-Engine verfügt. Die Simulation konnte erfolgreich angewendet werden um den Neutronentransport im Rahmen des Cosmic-Ray Neutron Sensings präzise zu verstehen. Diese neuartige und interdisziplinäre Methode bietet die Möglichkeit der nichtinvasiven Bodenfeuchtebestimmung auf der Hektarskala mit Hilfe von Neutronen aus der kosmischen Höhenstrahlung. Das Bestreben dieser Arbeit führte zu der Ausarbeitung der Flächengewichtungsfunktion, welche die Neutronendichteänderung hinsichtlich verschiedener Wasserstoffpools an der Luft-Boden-Schnittstelle beschreibt. Der maßgebliche Einfluss der Topologie des unmittelbaren Nahbereichs um den Sensor herum wurde in dieser Arbeit vorhergesagt, experimentell bestätigt und Korrekturmethoden wurden untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schmidt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 5 June 2019
Date Deposited: 22 Aug 2019 11:05
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
550 Earth sciences
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