The Physics of Spallation Processes

Kurzfassung der ErgebnisseDie Entwicklung neuartiger technologischer Großprojekte hat zu einer Renaiscance desInteresses an der protoninduzierten Produktion von Neutronen geführt. Zu diesen zählenhochintensive Spallationsneutronenquellen (wie z.B. die European Spallation Source ESS,die SNS in den USA oder die J-PARC in Japan), beschleunigergetriebene unterkritischeReaktorsysteme, Anlagen zur Beseitigung radioaktiven Abfalls und Experimente mitradioaktiven Strahlen. Im Rahmen solcher Anwendungen ist die effektivste Art, diePrimärstrahlenergie der Protonen in nutzbare Neutronen zu konvertieren, von höchsterWichtigkeit. Dieser Thematik ist in der vorliegenden Arbeit experimentell nachgegangenworden, indem bei Variation der Protoneneinschußenergie unterschiedlichste Target-Materialien und -Geometrien untersucht wurden. Die sehr umfangreiche Datenbasis stelltdie Grundlage für extensive Vergleichsmöglichkeiten mit Modellrechnungen gängiger ComputerCodes dar, die vielfältige Anwendung in der Teilchenphysik finden. Um diese Transportcodes(HERMES, LCS oder MCNPX) in ihrer Prognosequalität beurteilen zu können,werden Reaktionsquerschnitte, hadronische Wechselwirkungslängen, mittlere Neutronenmultiplizitäten,Neutronenmultiplizitäts- und Energieverteilungen und die Entwicklunghadronischer Schauer studiert. Das Problem strahlungsinduzierter Schädigung durch He-Produktion (Materialversprödung, atomare Versetzungen,...) des Fensters und der Target-Materialien, die in den Spallationsneutronquellen eingesetzt werden sollen, ist in der aktuellenArbeit ausgeführt. Beispielsweise zeigen protoneninduzierte Produktionswirkungsquerschnitteleichter geladener Teilchen aus dünnen Targets beträchtliche Abweichungennicht nur für unterschiedliche Experimente, sondern auch innerhalb der Modelle.Neben diesem anwendungsorientierten Aspekt liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit indem Studium der Spallationsphysik selbst. Es wurde erstmalig die Anregung schwererKerne unter Ausschluß dynamischer Effekte und die anschließenden Zerfallmodi derheißen Kernmaterie studiert. Die Untersuchung heißer, angeregter Kernmaterie setzt dasVerständnis der Erzeugung unter extremen Bedingungen (Druck, Temperatur) voraus.Hierzu muß der Übergang eines Ensembles aus Nukleonen zum thermischen Gleichgewichtanalysiert werden. Als experimentelle Observable dienen die Energiespektren geladenerTeilchen wie p, d, t, 3 He, 4 He, IMF, FF(fission fragments), die in Koinzidenz mit Neutronennach Beschuß verschiedenster Targets mit leichten Teilchen gemessen wurden. DieseObservablen ermöglichen die quantitative Bestimmung der Energierelaxation in den untersuchtenReaktionen. Unabhängig von dem Projektilteilchen beträgt der Anteil der thermischenAnregungsenergie E ∗ , die in dem Kern deponiert werden kann nur maximal 30%der totalen zur Verfügung stehenden Energie. Damit sind erwartete exotische Zerfallsprozessewie z.B. Multifragmentation (MF) unwahrscheinlich und der experimentelle Produktionsquerschnittfür IMFs läßt sich vollständig mit statistischen Modellen erschöpfen,i.e. es liegen—zumindest für Anregungsenergien bis rund 1 GeV—keine Hinweise für MFphänomenevor. Definiert man MF als einen Prozeß, bei dem 3 oder mehr IMFs imAusgangskanal gefunden werden, findet man die Schwelle bei 4 MeV/Nukleon. Selbstfür höchste hier erreichbare E ∗ betragen die IMF Multiplizitäten beispielsweise für die1.2 GeV p+Cu und p+Ag Reaktionen im Mittel nur 〈M IMF 〉 = 1 bzw. 2. In Einklangmit dieser Beobachtung demonstrieren hohe Spaltwahrscheinlichkeiten schwerer Kerne,daß angeregte heiße Materie als gebundenes Objekt hohe Temperaturen überleben kann.Vaporisation wird für die 1.2 GeV p+Cu Reaktion ab etwa 7.5 MeV/Nukleon beobachtet,wobei dessen Wirkungsquerschnitt bei knapp 3 mb liegt.