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Messung der Energieverteilung der prompten Photonen in den monoenergetischen Neutronenreferenzfeldern der PTB

23.12.2021

Personendosimeter für Neutronenstrahlung werden im Allgemeinen für die gleichzeitige Messung der Photonen- und Neutronenpersonendosis konstruiert. Bei der Bestimmung des Neutronenansprechvermögens von Personendosimetern muss deshalb sichergestellt werden, dass der Einfluss parasitärer Photonen in den verwendeten Neutronenfeldern auf die Anzeige der Neutronenpersonendosis vernachlässigbar ist.

Bei der Erzeugung der Neutronen durch ioneninduzierte Kernreaktionen an Beschleunigeranlagen entstehen praktisch immer auch Photonen durch Kernreaktionen der Ionen oder Neutronen im Produktionstarget. Wegen der im Allgemeinen sehr geringen Lebensdauer nuklearer Anregungszustände sind diese ‚prompten‘ Photonen zeitlich eng mit dem Auftreffen der Ionen auf dem Target korreliert. Daneben gibt es noch eine zweite, im Allgemeinen weniger intensive Photonenkomponente, die aus der Aktivierung von Targetmaterialien oder der inelastischen Streuung von Neutronen an den Strukturmaterialien der Anlage resultiert. Diese sekundären Photonen haben keine ausgeprägte Zeitkorrelation mit den Ionen mehr.

Mit dem neuen Tandetron‑Beschleuniger der PTB Beschleunigeranlage PIAF können routinemäßig gepulste Ionenstrahlen erzeugt werden, so dass die Zeitkorrelation mit dem Ionenstrahl zur Trennung prompter Photonen von unkorrelierten Photonen und Neutronen eingesetzt werden kann. Deshalb können anorganische Szintillatoren mit guter Energieauflösung, die seit einigen Jahren erhältlich sind, zur Messung der Energieverteilung der prompten Photonen verwendet werden.

Für eine systematische Charakterisierung der prompten Photonenkomponente in den Neutronenreferenzfeldern wurde ein 1,5“ x 1,5“ CeBr3-Detektor in der PTB umfassend charakterisiert und die Photonen‑Responsematrix mit dem Monte‑Carlo Programm MCNP berechnet. Mit diesem Detektor wurden die Impulshöhenverteilungen der prompten Photonen für alle monoenergetischen ISO Neutronenreferenzfelder gemessen.  Aus den gemessenen Impulshöhenverteilungen wurde durch Entfaltung mit dem GRAVEL‑Algorithmus die Energieverteilung der Photonen berechnet. Abbildung 1 zeigt die gemessene Impulshöhenverteilung und die entfaltete Photonenergieverteilung für das 2.5 MeV Neutronenfeld.  Die Peaks in den Verteilungen können durch Gammastrahlung von Nukliden der Targetmaterialien erklärt werden, da Kernzustände vorwiegend durch inelastische Streuung der Beschleunigerionen im Target angeregt werden.

Aus den Photonenenergieverteilungen können die Verhältnisse von Photonen- und Neutronenpersonendosis berechnet werden. Damit ist eine umfassendere Charakterisierung der Felder und eine Abschätzung des maximalen Einflusses von parasitären Photonen auf die Neutronenanzeige von Personendosimetern möglich. Zu untersuchen bleibt noch der Beitrag der Photonen aus dem radioaktiven Zerfall von Aktivierungsprodukten.

Zwei Diagramme: Impulshöhenverteilung und entfaltete Photonenenergieverteilung

Abbildung 1: Gemessene Impulshöhenverteilung der prompten Photonen im 2.5 MeV Neutronenreferenzfeld (links) und entfaltete Photonenenergieverteilung (rechts). Die Peaks resultieren aus Gammaemissionen angeregter Kernzustände in den Targetmaterialen, die hauptsächlich auf inelastische Streuung von Beschleunigerionen im Target zurückzuführen sind.

Ansprechpartner

Opens local program for sending emailH. Dombrowski, Abteilung 6