Themen für Abschlussarbeiten

 

In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir Detektoren für eine mobile, kompakte Neutronentomographieanlage, in der schnelle Neutronen (bis 14 MeV) verwendet werden. Es werden Detektoren benötigt, die auf den effizienten Nachweis schneller Neutronen optimiert sind. Eine Herausforderung ist es Signale von Neutronen und Gammastrahlung zu unterscheiden, eine generelle Schwierigkeit bei der Detektion von schnellen Neutronen. Gelingt dies, kann allerdings Tomographie gleichzeitig mit Neutronen und Gammas betrieben werden, wodurch man mehr Informationen über das untersuchte Objekt erhält. Die Unterscheidung erfolgt über eine detaillierte Analyse der gemessenen Pulsformen, der sogenannten Pulse Shape Discrimination.

In unserer Arbeitsgruppe wurden bisher zwei Detektorprototypen gebaut: ein Einzelpixeldetektor und eine Neutronenkamera mit 16 Pixeln (siehe Bilder).
Unsere Prototypen setzen auf den organischen Szintillator Stilben (Bild), der Pulse Shape Discrimination ermöglicht. Dieser Szintillator hat die Besonderheit, dass Neutronenwechselwirkungen zu Signalen mit einer längeren fallenden Flanke führen als z.B. Gamma-Wechselwirkungen. Somit lassen sich Neutronen klar identifizieren (Bild). Zur Identifikation trägt man das Verhältnis des Pulsintegrals über den hinteren Teil des Pulses zum gesamten Pulsintegral (sogenannte PSD Variable) gegen das gesamte Pulsintegral auf. Es bilden sich zwei getrennte Bänder, wobei das obere Neutronen-Signalen und das untere Gamma-Signalen zuzuordnen ist. Das Szintillationslicht wird mit Silizium-Photomultipliern (SiPM) detektiert (Bild). Ein Bild zeigt den aktuellen Teststand, der es ermöglicht Tomographien aufzunehmen (Bilder).

 

Bilder

 

Themenvorschläge (Bachelor und Master)

Alle Bachelor-Themen (B) können in Zweier-Teams bearbeitet werden. Master-Themen (M) sind Themen für eine Person. Bei Fragen stehe ich gerne zur Verfügung.

A) Quantitativer Vergleich von Tomographie-Messungen mit Simulationen (B)

Es sind bereits eine große Zahl von Messungen aufgenommen und Simulationen durchgeführt worden. Sie stehen in dieser Bachelorarbeit zur Verfügung und es soll eine quantitativer Vergleich zwischen Messung und Simulation von identischen Objekten durchgeführt werden. Dazu sollen verschiedene Algorithmen zum Bildvergleich zum Einsatz kommen.

B) Tomographie-Simulationen mit Geant4 (B)

Existierende Geant4-Simulationen können zur Verwendung für Neutronen- und Gammatomographie erweitert werden. Verschiedenste Effekte auf die erreichbare tomographische Bildqualität werden aktuell im Rahmen einer Masterarbeit untersucht, z.B. die Quellengeometrie und Kollimation, die Probenposition, die Detektorgeometrie (Pixelgröße, Pixelanzahl). In dieser Bachelorarbeit soll ein dynamischer Verfahrweg und gleichzeitige Messung (conveyer belt Anordnung) studiert werden. Die Geant4 Simulationsergebnisse sollen dazu verwendet werden, ein experimentelles Tomographiesetup zu verbessern. Da Geant4 C++ basiert ist, sind entsprechende Vorkenntnisse zu empfehlen.

C) Schrittmotorsteuerung zur Neutronentomographie (B/M)

In unserem Labor haben wir einen Teststand zur Neutronen-und Gammatomographie aufgebaut, mit dem eine Probe zwischen unserer AmBe Neutronenquelle und unserem Detektor bewegt und gedreht werden kann. Über einen schrittmotorgetriebenen XY-Tisch kann die Probe translatorisch verfahren werden, eine Rotation der Probe wird über einen weiteren Schrittmotor realisiert (siehe Abbildung oben). Die Schrittmotoren werden momentan über einen Arduino gesteuert. Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll dieser Teststand überarbeitet und verbessert werden. Es soll ein neues Konzept für die Ansteuerung der Schrittmotoren (x, y und Drehachse) und für die Überwachung der drei Koordinaten entwickelt werden. Dazu muss das existierende System kennengelernt und charakterisiert werden. Danach soll basierende auf einem Arduino das neue System aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Im Rahmen einer Masterarbeit können dann auch tomographische Messungen von verschiedensten Objekten mit dem Aufbau durchgeführt werden.

D) Neue Detektorgeometrien (B/M)

Bevor neue, größere Prototyp-Detektoren gebaut werden, müssen die Detektorgeometrie und Ankopplung des Szintillators an die Siliziumphotomultiplier in Simulationen optimiert werden. Eine Idee ist, statt eines pixelierten Detektors einen einfacheren, homogenen Szintillator an Siliziumphotomultipier zu koppeln und die gewichteten Lichtsignale zur Ortsinformation zu nutzen. Diese Idee soll in der Abschlussarbeit simuliert werden. Da Geant4 C++ basiert ist, sind entsprechende Vorkenntnisse zu empfehlen.

E) Prompt-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse (PGNAA) in die Simulation einbauen (B/M)

Zur Charakterisierung unbekannter Objekte kann die Tomograhie mit schnellen Neutronen und Photonen mit der Prompt-Gamma-Neutronen-Aktivierungsanalyse gekoppelt werden. Das unbekannte Objekt wird durch die schnellen Neutronen aktiviert und ein für das Material charakteristische Spektrum wird vom Objekt emittiert. In dieser Abschlussarbeit soll die existierende Simulation um die PGNAA erweitert werden. Da Geant4 C++ basiert ist, sind entsprechende Vorkenntnisse zu empfehlen.

Erfolgreiche Abschussarbeiten aus den letzten Jahren.