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NEMUS: Ein erweitertes Bonnerkugel-Spektrometer (Neutron Multisphere Spectrometer)

Mit dem Bonnerkugel-Spektrometer NEMUS kann die Neutronenfluenz sowie die Energieverteilung von Neutronen bestimmt werden. Das Spektrometer der PTB besteht aus einem Satz von 12 Moderatorkugeln aus Polyäthylen von 7,62 cm (3") bis 45,72 cm (18") Durchmesser. In deren Zentrum befinden sich kugelförmige Proportionalzähler, die mit 3He-Gas gefüllt und daher für thermalisierte Neutronen besonders empfindlich sind.

Hinzu kommen vier Kugeln, in denen Blei- bzw. Kupferschalen im Polyäthylen eingebettet sind. Dadurch wird das Ansprechvermögen des Spektrometers bei hohen Neutronenenergien (> 20 MeV) deutlich angehoben. NEMUS dient als Referenzsystem für die Spektrometrie und Dosimetrie unbekannter Neutronenfelder im weiten Energiebereich von thermischen Neutronen bis etwa 400 MeV.

Die totale Neutronenfluenz kann durch geeignete Entfaltungsverfahren mit Unsicherheiten von 5 % bestimmt werden. Aus dem Neutronenspektrum können mit Hilfe empfohlener Konversionsfaktoren Äquivalentdosisgrößen (z. B. die Ortdosis H*(10)) ermittelt werden, deren Unsicherheiten in der Regel bis zu 15 % betragen.

Das Spektrometer wurde kürzlich für die Vermessung des sekundären Neutronenfeldes, das bei der Krebstherapie mit Protonenstrahlen entsteht, sowie in einer Messkampagne in einem Untergrundlabor zur Bestimmung des Neutronenhintergrundes, dessen Kenntnis wichtig für die Grundlagenforschung ist, eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete waren in der Vergangenheit die Vermessung von Arbeitsplätzen in der Kernindustrie und Messungen auf dem Erdboden und in Flughöhen, u.a. zur Bestimmung des Neutronenanteils an der Strahlenbelastung des fliegenden Personals.

Weitere Informationen

  • Messung der Neutronenstrahlung in Gorleben
    Auf Anfrage des Niedersächsischen Ministeriums für Umwelt, Energie und Kilmaschutz wurden Messungen im Ortszentrum von Gorleben durchgeführt. Am Messhaus 5, das sich in ca. 2 km Entfernung vom Transportbehälterlager befindet, wurde gezeigt, dass dort ausschließlich Neutronen aus der kosmischen Strahlung zur Umgebungs-Äquivalentdosis beitragen.

  • Eigenuntergrund der Neutronendetektoren des NEMUS Spektrometers
    Für den Einsatz in unbekannten Neutronenfeldern niedriger Intensität ist die Kenntnis des Eigenuntergrundes von Detektoren eine unabdingbare Voraussetzung. In einer zweimonatigen Messkampagne wurde alle 3He Detektoren des NEMUS Neutronenspektrometers im Untergrundlabor der PTB (UDO) untersucht und die untere Nachweisgrenze bestimmt.
  • Bayes'sche Analyse spektrometrischer Messungen in hochenergetischen Neutronenfeldern
    Die Messunsicherheit eines erweiterten Bonnerkugel-Spektrometers bei Anwendungen in hochenergetischen Neutronenfeldern wurde mit Bayes'schen Verfahren analysiert. Es wurde gezeigt, dass das Spektrum unterhalb von etwa 1 MeV gut bestimmt werden kann, während die Information aus den Messergebnissen nicht ausreicht, um den Hochenergie-Bereich des Spektrums mit geringer Unsicherheit zu bestimmen.
  • Strahlenschutzdosimetrie an Hochenergie-Teilchenbeschleunigern
    Die Überwachung der Strahlenexposition von Mitarbeitern an Hochenergie-Teilchenbeschleunigern, wie sie vielfach für Anwendungen in Grundlagenforschung, Technologie und Medizin betrieben werden, stellt besondere Anforderungen an die Strahlungsmessgeräte, da die Strahlung an den zugänglichen Arbeitsplätzen durch Neutronenstrahlung dominiert wird. Dabei kommen in diesen Umgebungen Neutronenenergien vor, die von herkömmlichen Überwachungsmonitoren nicht richtig gemessen werden können. Eine Arbeitsgruppe der "European Radiation Dosimetry Group" (EURADOS), die von der Europäischen Kommission im 6. Rahmenprogramm gefördert wurde, hat ein Vergleichsexperiment durchgeführt, um die Eignung der von den europäischen Forschungseinrichtungen zu Strahlenschutzmessung verwendeten Messgeräte und -verfahren zu überprüfen. Die PTB hat in dem bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) durchgeführten Vergleichsexperiment Neutronenspektren gemessen, und daraus Referenzwerte für die Teilnehmer an diesem Vergleich ermittelt.
  • Charakterisierung des IRSN Referenzfeldes CANEL/T400 durch internationale Vergleichsmessung
    Die Kalibrierung von Orts- und Personendosimetern für Neutronenstrahlung erfolgt standardmäßig mit Referenz-Radionuklidquellen wie z. B. 252Cf oder 241AmBe. Eine bessere, wenn auch wesentlich aufwendigere Methode ist die Kalibrierung in "simulierten Arbeitsplatzfeldern" mit einer Neutronenenergieverteilung, die der in typischen Arbeitsplatzumgebungen ähnlich ist. Das IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) hat in 2002 ein solches Kalibrierfeld unter der Bezeichnung CANEL/T400 aufgebaut, siehe Abbildung 1. Ein 400 kV SAMES Beschleuniger (T400) liefert Deuteronen mit einer Energie von 350 keV, die über eine D(d,n)3He Reaktion in einer deuterierten Titan-Folie (TiD) Neutronen mit einer Energie von 3,3 MeV erzeugen. Hinter der Moderatoranordnung CANEL erhält man das "simulierte Arbeitsplatz-Neutronenfeld".

Literatur

  • M. Reginatto, A. Kasper, H. Schuhmacher, B. Wiegel, A. Zimbal:
    Neutron fluence rate measurements at an underground laboratory: A Bayesian approach
    AIP Conf. Proc. 1553, 77, 2013
    doi: 10.1063/1.4819986

  • A. Zimbal, D. Degering, M. Reginatto, H. Schuhmacher, B. Wiegel, K. Zuber:
    Low-Level measuring techniques for neutrons: High accuracy neutron source strength determination and fluence rate measurement at an underground laboratory
    AIP Conf. Proc. 1549, 70, 2013
    doi: 10.1063/1.4818078

  • B. Wiegel and A. V. Alevra:
    NEMUS - The PTB Neutron Multisphere Spectrometer: Bonner Spheres and More
    Beitrag "International Workshop on Neutron Field Spectrometry in Science, Technology and Radiation Protection", 5.-8. Juni 2000; Nucl. Instrum. Meth. A 476, (2002) 36-41.
    doi: 10.1016/S0168-9002(01)01385-7
  •  B. Wiegel, A. V. Alevra and B. R. L. Siebert:
    Calculations of the Response Functions of Bonner Spheres with a Spherical 3He Proportional Counter Using a Realistic Detector Model
    PTB-Bericht PTB-N-21, ISBN 3-89429-563-5, (1994).

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