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Neutronendosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz

29.12.2011

 

Im Rahmen eines Technologietransfer-Projektes (BMBF Projekt IND 08/10, Januar 2010 bis Dezember 2011) wurden in einer Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Bhabha Atomic Research Centre (BARC, Mumbai/Indien) Techniken der Neutronendosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz (OSL) verbessert. Es wurde gezeigt, dass der Neutronennachweis sowohl über die Albedo-Technik durch Mischen von OSL-Material mit 6LiF und 7LiF als auch über den Nachweis von Rückstoßprotonen durch Mischen mit Polyäthylen möglich ist.

Im Rahmen eines Technologietransfer-Projektes (BMBF Projekt IND 08/10, Januar 2010 bis Dezember 2011) wurden in einer Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Bhabha Atomic Research Centre (BARC, Mumbai/Indien) Techniken der Neutronendosimetrie mittels optisch stimulierter Lumineszenz (OSL) untersucht.

Die OSL Technik hat sich in der Personendosimetrie für Photonenstrahlung in den letzen Jahren immer stärker durchgesetzt. Vorteilhaft gegenüber der sonst üblichen Technik mit Thermolumineszenz Detektoren (TLD) ist eine höhere Empfindlichkeit, ein größerer linearer Bereich der Dosisanzeige und die Möglichkeit wiederholter Auswertungen. Eine führende Rolle nehmen dabei weltweit die von der Firma Landauer/USA vertriebenen Dosimeter mit dem α-Al2O3:C Material der Firma ein.

Den Kollegen des BARC ist es gelungen, durch Schmelzen von Aluminiumoxid in Hochvakuum/Graphit Atmosphäre ein kostengünstigeres polykristallines Al2O3:C Material mit ähnlichen Eigenschaften zu entwickeln. Ein eigenes OSL Dosimeter für die Photonendosimetrie wird derzeit in Indien erprobt.

Die Nutzung von OSL Techniken in der Neutronendosimetrie ist demgegenüber noch weit unterentwickelt und war Thema der Zusammenarbeit mit der PTB.

Al2O3:C Material ist kaum empfindlich auf Neutronenstrahlung und muss daher mit geeigneten Neutronen-Konvertern bedeckt oder gemischt werden. In einer ersten Projektphase wurde Al2O3:C Pulver der Firma Landauer und des BARC mit neutronenempfindlichem Pulver - 6LiF und Polyäthylen (HDPE) - und mit neutronenunempfindlichem Pulver - 7LiF und Teflon - gemischt, zu Pillen gepresst, in einer lichtdichten Halterung auf einem ISO-Wasserphantom in den Neutronenreferenzfeldern der PTB und dem Photonenfeld einer Cäsium Quelle bestrahlt und das OSL Signal ausgewertet [1].

Abbildung 1 zeigt das relative Neutronen/Photonen-Ansprechvermögen für die Mischungen mit 6LiF und HDPE. Die Ergebnisse für das relative Neutronen/Photonen-Ansprechvermögen sind unabhängig von der Herstellung des OSL Materials (BARC/ Landauer).

 

Abb. 1 : Relatives Neutronen/Protonen-Ansprechvermögen von OSL Detektoren als Funktion der Neutronenenergie (siehe Text).

Die Mischung mit 6LiF ist im Wesentlichen über die 6Li(n,α) Einfangreaktion empfindlich auf thermische Neutronen, die von ISO-Wasserphantom zurückgestreut werden. Diese sog. Albedo-Anzeige ist stark abhängig von der Neutronenenergie (siehe Abbildung 1, oben) und Dosimeter benötigen einen vom Anwendungsfeld und der Dosimeterkapsel abhängigen Kalibrierfaktor – ähnlich wie bei TLD-Albedo Dosimetern.

Die Mischung mit HDPE ist empfindlich auf neutroneninduzierte Rückstoßprotonen. Oberhalb von 1 MeV wird ein kleines (1-2%), aber näherungsweise konstantes relatives Neutronen/Photonen-Ansprechvermögen gemessen (siehe Abbildung 1, unten). Dieser Wert ist so klein dass eine Anwendung nur in hochenergetischen Neutronenfeldern mit geringem Beitrag von Photonenstrahlung benutzt werden kann.

In einer zweiten Projektphase wurde das relative Neutronen/Photonen-Ansprechvermögen für schnelle Neutronen durch das Verwenden von zusätzlichen Polyäthylen-Konvertern vor dem Detektor auf 3,5 % erhöht.

Literatur

  1. Kulkarni, M. S., Luszik-Bhadra, M., Behrens, R., Muthe, K. P., Rawat, N. S., Gupta, S. K., Sharma, D. N.:
    Studies on new neutron-sensitive dosimeters using optically stimulated luminescence technique.
    Nucl. Instr. Meth. B269 (2011) 1465-1470.