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Neutronenmonitor AGREM - Testmessungen in gepulsten Strahlenfeldern

09.07.2014

Der Neutronenmonitor AGREM [1] registriert die verzögerte Beta-Strahlung einer Neutronen-induzierten Silberaktivierung. Der Monitor nutzt vier Siliziumdioden im Zentrum einer Moderatorkugel (30 cm Durchmesser, bestehend aus Polyäthylen). Zwei der Dioden sind mit Silberfolien umgeben und zwei mit Zinnfolien. Die mit Silberfolien bedeckten Dioden sind empfindlich auf Neutronen- und Photonen-Strahlung. Die mit Zinnfolien bedeckten Dioden sind nur empfindlich auf Photonen-Strahlung und dienen der Subtraktion Photonen-induzierte Signale der ersteren Dioden. Über eine Schwelle im Pulshöhenspektrum der Dioden wird niederenergetische Photonenstrahlung (< 662 keV) zusätzlich unterdrückt. Außerdem wird durch das Setzen der Pulshöhenschwelle die etwas höher-energetische Beta-Strahlung des Silberisotopes 110Ag (Halbwertszeit 25 s, Emax = 2,9 MeV) - im Vergleich zur Beta-Strahlung des Silberisotopes 108Ag (Halbwertszeit 144 s, Emax = 1,7 MeV) - verstärkt nachgewiesen. Das prinzipielle Verfahren ist zum Patent angemeldet (siehe Patente 1 bis 4).

Abbildung 1 zeigt den Prototyp des Neutronenmonitors AGREM. Die Pulshöhensignale werden in der Detektorkapsel im Zentrum des Moderators vorverstärkt, dann aber über herkömmliche nukleare Elektronik (Hauptverstärker, Pulshöhenanalysator) weiterverarbeitet. Ein batteriebetriebener Monitor mit verbrauchsarmer Mikroelektronik ist noch im Aufbau.

In den letzen Jahren wurden mehrere Testmessungen mit dem Prototyp des Neutronenmonitors AGREM durchgeführt:

  • Am PSI in Villigen (Schweiz) wurden Bestrahlungen durchgeführt, bei denen ein Protonenstrahl (590 MeV, Strom 0,01 mA bis 1,0 mA) auf ein 1 mm dickes Wolfram-Target traf. Die Pulsdauer betrug 5 ms bis 25 ms. Die Monitore (AGREM und das kommerzielle Gerät LB6411) befanden sich in 60 cm Abstand vom Target, senkrecht zur Strahlrichtung. Die Resultate der Monitoranzeigen sind in Abbildung 2 dargestellt. Der AGREM-Monitor zeigt ein nahezu lineares Verhalten mit wachsendem Strom, während der LB6411-Monitor die Neutronendosis um mehrere Größenordnungen unterschätzt (siehe Literatur 2).
  • An den Elektronenspeicherringen BESSY und MLS (beide in Berlin) wurden Bestrahlungen durchgeführt, bei denen Elektronen (1,7 GeV am BESSY und 100 MeV am MLS) mit jeweils 10-Hz-Wiederholfrequenz auf ein geschlossenes Ventil (6 mm Stahl am BESSY und 20 mm Aluminium am MLS) trafen. Die Pulsbreiten lagen im ns-Bereich. Die Neutronenmonitore (das kommerzielle Gerät BIOREM: Versionen A und B mit unterschiedlichen Verstärkern, LB6419 und AGREM) waren senkrecht zur Strahlrichtung in 1 m Entfernung vom Target aufgebaut. Während z.B. der BIOREM A die Äquivalentdosis um bis zu einen Faktor 20 unterschätzte, zeigte der AGREM Monitor keine Dosisunterschätzung [3].
  • Am HZB wurden Bestrahlungen durchgeführt, bei denen ein Protonenstrahl (68 MeV, 100 Hz, Pulsbreiten 1 µs bis 40 µs) auf ein 20 mm dickes Wolfram-Target trafen. Die Bestrahlung der Neutronenmonitore (14 verschiedene Geräte) erfolgte in 50 cm Abstand vom Target in Vorwärtsrichtung. Die Neutronenmonitore AGREM und die Rekombinationskammer REM-2 zeigten ein lineares Verhalten bei ansteigender Ladung pro Puls. Ein Monitor, basierend auf einem Stromverstärker (LUPIN), zeigte ein nahezu lineares Verhalten und alle anderen Monitore eine stärkere Abweichung vom linearen Verhalten [4].

Abbildung 1: Prototyp des Neutronenmonitors AGREM.

Abbildung 2: Messung der Äquivalentdosis H*(10) als Funktion des Protonstromes mit den Neutronenmonitoren AGREM und LB6411.

Literatur:

  1. Luszik-Bhadra, M. und Hohmann, E.:
    A new neutron monitor for pulsed fields at high-energy accelerators
    Proceedings of the IRPA Congress 2008: Buenos Aires, 20-24 October 2008,
    (http://www.irpa12.org.ar/fullpapers/FP3384.pdf), letzter Zugriff am 21.11.2013.
  2. Luszik-Bhadra, M.; Hohmann, E. and Otto, Th.:
    A new neutron monitor with silver activation
    Radiat. Meas. 45 (2010) 1258-1262
  3. Ott, K.; Helmecke, M.; Luszik-Bhadra, M.; Martin, M. und Weber A.:
    Dead-time effects of neutron detectors due to pulsed radiation
    Radiation Prot. Dosim. 155 (2013) 125-140
  4. Caresana, M.; Denker, A.; Esposito, A.; Ferrarini, M.; Golnik, N.; Hohmann, E.; Leuschner, A.; Luszik-Bhadra, M.; Manessi, G.; Mayer, S.; Ott, K.; Röhrich, J.; Silari, M.; Trompier, F.; Volnhals, M.; Wielunski, M.:
    Intercomparison of radiation protection instrumentation in a pulsed neutron field
    Nucl. Instr. and Meth. A, submitted (2013).

Patente:

  1. Luszik-Bhadra, M.; Hohmann, E.: Neutronendosimeter, DE 102008050731A1.
  2. Luszik-Bhadra, M.; Hohmann, E.: Neutron dosimeter, EP000002332985A2
  3. Luszik-Bhadra, M.; Hohmann, E.: Neutron dosimeter, US020110180718A1
  4. Luszik-Bhadra, M.; Hohmann, E.: Neutron dosimeter, WO002010040330A3.