Investigation of the Spallation Process with 1.2 and 1.8 GeV Protons

0 Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Zusammenfassung 1 1 Einleitung 7 1.1 Neutronen aus Spallationsreaktionen 7 1.1.1 Stand der Technik 10 1.2 Die Europäische Spallationsquelle 11 1.3 Motivation 14 2 Experimente, Methode und Datenanalyse 17 2.1 Protonenquelle COSY 18 2.2 Aufbau der Experimente 20 2.3 Targets 23 2.4 Der 4π Neutronendetektor (BNB) 25 2.4.1 Nachweiswahrscheinlichkeit des BNB 29 2.4.2 Verifizierung der Funktionalität 29 2.5 Der 4π Siliziumdetektor (BSiB) 30 2.5.1 Teilchenidentifikation 32 2.5.2 Massenbestimmung mit dem Si-Ball 35 2.6 Einsatz von Teilchenteleskopen 37 2.7 Elektronik und Datenerfassung 37 3 Theoretische Modelle 41 3.1 Die Intranukleare Kaskade 42 3.1.1 Der Cugnoncode 44 3.2 Das Statistische Modell 45 4 Resultate und Diskussion 48 4.1 Datenkorrekturen und Fehlerdiskussion 48 4.1.1 Korrekturen der Protonenmessung 49 4.1.2 Genauigkeit der Bestimmung der Targetdicke 50 4.1.3 Korrektur von Nreak 51 4.1.4 Korrektur von Npart,i 51 4.2 Experimentelle Wirkungsquerschnitte 59 4.2.1 Ergebnisse der Teilchenteleskope 60 4.3 Anregungsenergieverteilung 61 4.4 Energie- und Winkelspektren 65 4.5 Teilchenmultiplizitäten 69 4.6 σx: Vergleich Rechnung - Messung 70 5 Zusammenfassung 81 A Elektronische Experimentlogik 83 Literaturverzeichnis 87 Publikation und Konferenzbeiträge 96Für die Untersuchung des Spallationsprozesses, der Reaktion von hochenergetischen Protonen mit Atomkernen, wurden umfangreiche Messungen im Rahmen einer internationalen Kollaboration am Protonenbeschleuniger COSY im Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Es galt vor allem, Wirkungsquerschnitte zu bestimmen und mit theoretischen Modellen zu vergleichen. Gemessen wurden Reaktionsquerschnitte und Produktionsquerschnitte von Neutronen, Wasserstoff und Helium bei Reaktionen von 1,2 und 1,8 GeV Protonen mit Fe, Ni, Ag, Ta, W, Au, Pb, U. Die Ergebnisse wurden verglichen mit Intranuklearen Kaskadenmodellen, kombiniert mit Verdampfungsrechnungen für hochangeregte Kerne. Dabei wurden wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Modellen und dem Experiment festgestellt. Die Diskrepanzen konnten auf spezifische Unzulänglichkeiten der Codes zurückgeführt werden, was insbesondere deshalb von großer Bedeutung ist, da diese Codes bisher zur Berechnung und Spezifizierung von Spallationsquellen benutzt wurden. Die mit den beiden 4π- Detektoren für Neutronen und geladene Teilchen gemessenen Daten ermöglichten es darüber hinaus, einen systematischen Vergleich der für den zeitlichen Ablauf einer Spallationsreaktion charakteristischen Observablen mit Modellrechnungen durchzuführen: inelastische Stoßwahrscheinlichkeit, Anregungsenergieverteilung, Vor- und Gleichgewichtsemission und Verdampfungswirkungsquerschnitte.Reaction cross sections and production cross sections for neutrons, hydrogen, and helium have been measured for 1.2 and 1.8 GeV protons on targets of Fe, Ni, Ag, Ta, W, Au, Pb and U and are compared with different intra-nuclear- cascade- combined with evaporation-models. Agreement for neutrons and considerable differences for light charged particles are observed between experiment and calculation as well as between different models. The discrepancies are associated with specific deficiencies in the models. The exclusive data measured with two 4π-detectors for neutron and charged particle detection allowed furthermore a systematic comparison of observables characteristic of different stages of the temporal evolution of a spallation reaction: inelastic collision probability, excitation energy distribution, pre-equilibrium emission, and inclusive production cross sections