Strahlenschutzherausforderungen bei SwissFEL, der neuen Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts
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- Jakob Schwarz
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1 WIR SCHAFFEN WISSEN HEUTE FÜR MORGEN Sabine Mayer, Eike Hohmann, Albert Fuchs, Roland Lüscher :: Abteilung Strahlenschutz und Sicherheit :: Paul Scherrer Institut Strahlenschutzherausforderungen bei SwissFEL, der neuen Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts 27. September 2016
2 Inhalt SwissFEL Prinzip Aufbau Strahlfänger Dosisüberwachungssystem Seite 2
3 Prinzip von SwissFEL Laser Extrem kurze Pulse & Extrem hohe Intensität Einfarbiges Licht Kohärenz Röntgenquellen Auflösung kleinster Strukturen Durchleuchten von Materie Selektive Messung der Dichte chemischer Elemente Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL: X-ray free electron laser) Extrem kurze und intensive Röntgenpulse Filmen wie die Nanowelt im Femtosekunden-Takt funktioniert 1 fs= 1/ Sekunden Seite 3
4 Untersuchung von Strukturen Aufnahme von Statischen Bildern Dynamische Bilder Geordnete Strukturen Komplexe, ungeordnete Strukturen Zukunft Roentgen SLS SwissFEL Seite 4
5 Röntgenlaser weltweit Eu-XFEL 2016 LCLS 2009 LCLS II 2020 SwissFEL 2016 PAL-XFEL 2015 SACLA 2011
6 PSI mit SwissFEL, Aare und Alpen
7 Integration in ein Naherholungsgebiet Wildübergänge Technische Galerie Beschleuniger Tunnel ARAMIS Undulatoren Strahllinie Experimentierareale und Labore Injektor Linearbeschleuniger (Linac) Allgemeine Daten: Gesamtläge: 740 m Erdaushub: m 3 Beton: m t Seite 7
8 SwissFEL Gebäude Baufortschritt 2 May May 2016 Courtesy Markus Hössli Forstamt Würenlingen
9 SwissFEL - Beschleuniger und Experimente Gun Laser Heater Booster 1 Booster 2 BC 1 Deflector Switch Linac 1 BC 2 Linac 2 Yard C band (36 x 2 m) C band (16 x 2 m) 26.5 MV/m, 19.3 º 27.5 MV/m, 0 º Energy tuning C band (8 x 2 m) max Athos 28.5 MV/m, Linac 0 º Deflector Linac m Athos Undulators 12 x 4 m; gap mm λ u = 40 mm; K= 1-3.2; L U = 58 m Collimation Aramis Undulators Deflector ATHOS ARAMIS Strahlparameter: e - -Energie e - Pulse Ladung Wiederholrate Pulslänge 5.8 GeV pc < 100 Hz 1 fs - 20 fs Zwei Experimentierstrahlinien: ARAMIS: Hard X-ray FEL, λ= nm Erste Experimente: 2017 ATHOS: Soft X-ray FEL, λ= nm Erste Experimente: 2021 Seite 9
10 Inhalt SwissFEL Prinzip Aufbau Strahlfänger Dosisüberwachungssystem Seite 10
11 Strahlfänger Designtypen 1. Konventioneller Strahlfänger (Beam dump) Strahl wird auf den Strahlfänger durch einen Dipolmgnet abgelenkt Hier werden auch spektrometrische Messungen für das Experiment durchgeführt 2. Strahlfänger im Kollimator Design Strahl wird direkt durch die Abschirmung geführt bei limitierten Platzverhältnissen (Transport- und Infrastrukturkorridor) Keine magnetischen Materialien näher als 30 cm an der Strahllinie Einfacher Unterhalt - Keine mechanischen Teile in der Abschirmung Seite 11
12 GUN-Strahlfänger Stahl Blei Seite 12
13 Injektor-Strahlfänger Schwerbeton Beton Stahl Beton Seite 13
14 Dosisverteilung im Tunnel durch Neutronen msvh -1 Seite 14
15 (Diagnose)-Strahlfänger Linac PE Pb Beton Seite 15
16 Linearbeschleuniger Seite 16
17 (Diagnose-) Strahlfänger Seite 17
18 (Diagnose-) Strahlfänger: Aufbau Gewicht: Total: 44 t Beton: 20 t Kupfer: 0.12 t Blei: 7 t Stahl: 17 t Seite 18
19 Undulator- Strahllinie Seite 19
20 ARAMIS Strahlfänger Geometrisches Modell für die Dosisabschätzung Seite 20
21 ARAMIS Strahlfänger - Realisierung PSI-Schwebeton (83t) CH-Eisen- Reserve (83t) PSI-Schwerbeton (83t) Seite 21
22 Inhalt SwissFEL Prinzip Aufbau Strahlfänger Dosisüberwachungssystem Seite 22
23 Dosisüberwachung - Herausforderungen An den Beschleuniger angrenzende Areale sind zum Teil frei zugänglich Dosisleistung begrenzt auf 0.1 µsvh -1 Gepulste Zeitstruktur mit Pulslängen von einigen ps und Wiederholraten bis zu 100 Hz Gemischte Strahlungsfelder mit Neutronen E > 20 MeV PSI-Standarddosisüberwachung nicht für SwissFEL verwendbar Totaler SwissFEL Seite 23
24 Dosisüberwachung - Konzept Überwachung der Dosisleistung für Neutronen innerhalb des Beschleunigertunnels mit Kalibrierung auf Positionen ausserhalb Erwartete spektrale Neutronenverteilung quasi unabhängig von der Elektronenenergie Verwendung von für gepulste Strahlung geeigneten Detektoren Einstellung der Alarmschwelle für den schlimmsten Fall (Verlustpunkt nicht direkt in Detektornähe) Elektrostatische Cd Abschirmung Pb BF 3 Zählrohr Pe Neutronendetektor LUPIN BF 3 Seite 24
25 Kalibrierung des Überwachungssystem in-field Kalibrierung 40 Detektoren, positioniert nach Klassifizierung der Nachbarzonen und Abschirmwirkung, die davor ist Bestimmung eines Kalibrierfaktors durch Monte Carlo Simulationen (Schlechteste Abschirmung relativ zur Detektorposition) Verifikation durch Messungen an einen Referenzpunkt mit unabhängigem Detektor Relevante Positionen Referenz Detektor Simulierter Strahlverlust Seite 25
26 Ausblick das Wettrennen um die Einweihung Feierliche Einweihung am 5. Dezember Bundesrat drückt Knopf «freundliche Konkurrenz» hatte bereits ein Medienevent im Juni zur Einweihung des Hauptgebäudes von XFEL in Schenefeld, Schleswig-Holstein Seite 26
27 Wir schaffen Wissen heute für morgen Vielen Dank! Seite 27
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