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.
Material | Polyethylen | Wasser | Graphit | Blei |
Strukturformel | C2H4 | H2O | C | Pb |
Dichte (g cm-3) | 0.95 | 1.0 | 2.2 | 11.34 |
Z | 16 | 10 | 6 | 82 |
A | 28 | 18 | 12 | 207 |
n*Z (mol cm-3) | 0.54 | 0.56 | 1.1 | 4.5 |
nmax*Zmax2 (mol cm-3) | 2.44 | 3.55 | 6.6 | 368 |
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:
Diese Forderungen werden durch einen schweren Absorber aus Blei erreicht.
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:
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 Eg 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.
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.
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.
[1] GEANT Detector Description and Simulation Tool, CERN Application Software Group, Geneva
© Andreas Wagner, 07.12.2000 |
|
|