Strahlfänger für den sekundären Photonenstrahl am Kernphysik-Messplatz (NP-CBG.01)

Grundlagen

Für Messungen zur Kernphysik an ELBE wird beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf eine dünne (20 mum bis 100 mum) Metallfolie (Al, Ta, Au, etc.) hochenergetische elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die elektromagnetische Bremsstrahlung erreicht durch einen Wanddurchbruch den Experimentierplatz in Raum 40/109, wobei polarisierte Photonen mittels eines Kollimators aus Reinstaluminium selektiert werden. Die Konzeption des Wanddruchbruches und des Kollimators sind an anderer Stelle beschrieben. Die Konzeption des Strahlfängers für hochenergetische Photonen soll eine weitgehende Vernichtung des sekundären Photonenstrahls im Experimentierraum 40/109 gewährleisten. Hierbei soll sowohl die Rückstreuung von Photonen in den Experimentiersaal als auch die Produktion von Neutronen minimiert werden.

Anforderung an den Strahlfänger

Vakuumtechnische Anforderungen

Konzept

• Hohe effektive Schwelle zur Produktion von Neutronen über (g,n)-Reaktionen.
• Geringer Wirkungsquerschnitt für (g,n)-Reaktionen.
• Geringe mittlere Kernladung des Materials zur Verringerung oder zumindestens Minimierung von Paarbildung (g + Z -> e⁺ + e^- + Z). Die Annihilation der entstehenden Positronen führt zu Photonen von 511 keV.
• Hohe Dichte von Elektronen im Material zur Aufweitung des Strahls durch Compton-Streuung der Photonen an Elektronen.

Diese Forderungen werden durch einen leichten Absorber aus Polyethylen erreicht. Um diesen primären Absorber werden die Photonen, die bereits einmal oder mehrfach im Absorber gestreut wurden, absorbiert. Daher muss dieser sekundäre Absorber die folgenden Bedingungen erfüllen:

• Hohe effektive Absorptionswirkung für sekundäre Photonen und Elektronen.
• Hohe Materialdichte zur effektiven Platzausnutzung.
• Geringe Aktivierung des Materials.

Diese Forderungen werden durch einen schweren Absorber aus Blei erreicht.

Simulationsrechnungen

Zur Optimierung der beschriebenen Anforderungen wurden Simulationsrechnungen mit dem Programmpaket GEANT [1] durchgeführt. Diese Monte-Carlo Rechnungen ergaben die erforderlichen Abmessungen und Materialien für den Strahlfänger. Es wurden hierbei die folgenden Alternativen verglichen:

1. Das Photonenstrahlrohr verschliesst eine Bleiwand von 20 cm Stärke.
2. Der Strahlfänger besteht aus einem inneren Block aus Wasser von 70 cm Länge, einer Höhe von 30 cm und einer Breite von 30 cm, sowie einem Quader von dreieckiger Grundfläche mit 30 cm Kantenlänge und 30 cm Höhe. Beide Absorber sind umgeben von einem Bleimantel von 10 cm Stärke senkrecht zur Strahlrichtung und hinter dem Absorber, sowie einer Bleiwand von 20 cm Stärke vor dem inneren Absorber. In der vorderen Bleiwand befindet sich ein Loch von 10 cm Durchmesser für den Durchtritt des primären Photonenstrahl.
3. Dto., jedoch Wasser durch Kohlenstoff ersetzt.
4. Dto., jedoch Wasser durch Polyethylen ersetzt.

Bestimmt wurde jeweils der richtungsabhängige Fluss von Photonen aus dem Strahlfänger in Richtung der Detektoren. In nebenstehendem Bild ist die Häufigkeitsverteilung für rückgestreute Photonen mit der Energie E_g gezeigt, die eine Fläche durchqueren, die den Experimentierraum in Ost-West Richtung durchschneidet. Der Photonenstrahl durchsticht diese Fläche bei der position 0. Die im oberen Bild zu sehende Asymmetrie ist durch die Neigung der Fläche gegenüber dem Photonenstrahl von p/4 bedingt. Es wurde jeweils der auf Situation (1.) normierte totale Fluss in jedes Bild aufgetragen. Die Rechnungen wurden für jeweils 10⁷ inzidente Photonen mit einer Anfangsenergie von 20 MeV durchgeführt. Deutlich zu erkennen ist, das das Material mit der geringsten mittleren Kernladung - Polyethylen - aufgrund des kleinsten Paarbildungswirkunsgquerschnitts die besten Eigenschaften für die Rückstreuung von Photonen aufweist. Weiterhin weisen sowohl Kohlenstoff als auch Wasserstoff die höchsten Schwellenenergien für Neutronenproduktion auf und sind daher ebenso als Materialien geeignet.

Aufbau des Strahlfängers

Wie in nebenstehender Schnittzeichnung zu sehen, besteht der Strahlfänger aus einem inneren Absorber aus Polyethylen, der von einem Bleiabsorber umgeben ist. Wie ebenfalls zu sehen ist, ist die Tiefe des inneren Absorbers von 70 cm erforderlich, um die primären Photonen soweit aufzustreuen, dass der Raumwinkel der Eintrittsöffnung soweit verringert wird, dass eine effektive Abschirmung gewährleistet wird. Der Strahlfänger wird von einer 10 cm starken Bleischicht senkrecht zur Strahlrichtung, einer 20 cm starken Bleischicht in Richtung der Detektoren und einer 10 cm starken Bleischicht in Strahlrichtung umgeben. Da der Massenabsorptionskoeffizient von Blei für den in Frage kommenden Energiebereich etwa 20 g/cm² beträgt, entsprechen 10 cm Blei einer Abschwächung auf etwa 3.5 * 10^-3 gegenüber der einfallenden Strahlung, bei 20 cm Blei auf etwa 1.2 * 10^-5. Der im Polyethylen enthaltene Wasserstoff wirkt ebenfalls als Moderator für die bei Reaktionen am Blei, bzw. Kohlenstoff (hauptsächlich C-13), entstehenden Neutronen. Innerhalb der äusseren Bleiabschirmung ist eine Neutronen-absorbierende Schicht aus Cadmium in einer Stärke von 0.5 mm angebracht.

Das Stapelschema und der Zuschnitt der Bleisteine ist auf einer separaten Seite dokumentiert.

Sicherheitssystem

Der Photonenstrahlfänger stellt gegenüber der vorhandenen Abschirmung eine zusätzliche Reduzierung der Strahlendosis dar. Er dient ausschliesslich der Unterdrückung der Dosisleistung im Experimentiersaal und ist daher für das Sicherheitssystem nicht von Belang.

Referenzen

[1] GEANT Detector Description and Simulation Tool, CERN Application Software Group, Geneva

© Andreas Wagner, 07.12.2000