Neutronensimulation; Entwicklung einer theoretischen Beschreibung von CRNS

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 357874777

In Phase I von CosmicSense entwickelten wir eine analytische Beschreibung des Neutronenflusses aus der Höhenstrahlung für eine Vielfalt von Umweltbedingungen und Geländeformationen basierend auf Monte-Carlo-Transportsimulationen. Als wesentliches Ergebnis haben wir ein überarbeitetes Model für die messbare Neutronendichte als Funktion der Bodenfeuchte und Luftfeuchte erhalten. Die Untersuchung des Detektionsprozesses hat zu einer wesentlichen Verbesserung im Aufbau von Neutronendetektoren geführt mit dem Ziel, Wasser in der Umwelt zu quantifizieren. Darüber hinaus verbesserten wir den Code URANOS im Hinblick auf dessen Anwendbarkeit. Wir verglichen URANOS mit anderen, traditionellen Simulations-Modellen und konnten neue Nutzer im CRNS-Umfeld gewinnen.Bisher wurden vor allem homogene Umweltbedingungen in Betracht gezogen und die derzeit verwendeten Gleichungen nehmen eine gleichverteilte Feuchtigkeit innerhalb des Sensitivitätsbereichs an. Es hat sich allerdings gezeigt, dass bedingt durch die komplexen Mechanismen des Neutronentransports und der Detektion die inhomogene Verteilung verschiedener Wasserstoffreservoirs zu nichtlinearen Effekten im Signal führt. Dies zu berücksichtigen ist wichtig, da verschiedene Research Module (RMs) von CosmicSense unterschiedlich verteilte Wasserstoffreservoirs untersuchen. Wir stellen daher die Hypothese auf, dass die verschiedenen Reservoirs mit Hilfe von umfangreichen Neutronensimulationen unterschieden werden können. Es wurde zum Beispiel bereits festgestellt, dass vertikale und horizontale Gradienten im Wassergehalt das Signal deutlich beeinflussen und daher getrennt untersucht werden müssen, um deren Einfluss auf die Neutronenzählrate zu verstehen. Im Rahmen des RMs wollen wir auch die Prozesse innerhalb der Luftschauerkaskaden untersuchen. Zum einen benötigen wir dieses Verständnis um Effekte bedingt durch die geographische Lage, die Luftfeuchte und Neutronenerzeugung aus anderen Teilchen besser korrigieren zu können. Zum anderen wollen wir Myonen als Indikator für die Primärstrahlungsintensität verwenden um einfacher und womöglich auch zuverlässiger diesbezügliche Echtzeitkorrekturen durchführen zu können. Mit Hilfe von URANOS-Simulationen wollen wir das 1D Vorwärtsmodell COSMIC erweitern und seine Genauigkeit verbessern. Dieses wird in verschiedenen RMs zur Datenassimilation verwendet. Außerdem wollen wir ein „Virtuelles Neutronenlabor“ einrichten in dem Nutzer ihre spezifischen Fragestellungen bezüglich der räumlich-zeitlichen Neutronenintensität in Abhängigkeit von spezifischen Umwelt-Rahmenbedingung bearbeiten können. Wir sehen in dem „Virtuellen Neutronenlabor“ eine Chance die Nutzbarkeit von Simulationswerkzeugen für die hydrologische Forschungsgemeinschaft zu verbessern und damit auch die Brücke zu weiteren Anwendungen in der Hydrologie und Geophysik zu schlagen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons
• Mitverantwortlich: Dr. Martin Schrön