Neue Entwicklungen in der Strahlenschutzmesstechnik

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1 detect and identify Neue Entwicklungen in der Strahlenschutzmesstechnik Dr. Alfred Klett Berthold Technologies, Bad Wildbad SEI-Frühjahrstagung Studiengruppe für Elektronische Instrumentierung Forschungszentrum Juelich März 2009 Übersicht Einführung Kontaminationsmessung mit Szintillations-Detektoren Neues Verfahren zur Ortsdosis-Messung in gepulsten Neutronenfeldern Spektroskopie mit LaBr 3 bei der Messung luftgetragener Radioaktivität Alfred Klett 23. März

2 Berthold Technologies in Bad Wildbad Namhafter, führender mittelständischer Messgeräte-Hersteller mit 60 Jahre Tradition Produkte für Industrielle Prozessmesstechnik Bioanalytik Strahlenschutz schön gelegen im Nordschwarzwald in der Nähe von Karlsruhe Alfred Klett 23. März Berthold Technologies 1949 Gründung Prof. R. Berthold 1960 Weiterführung Dr. F. Berthold 1989 Verkauf an EG&G Inc. USA (später PerkinElmer Inc.) 2000 Rückkauf 2008 knapp 60 Mio. Umsatz weltweit 335 Mitarbeiter Eigene Tochterunternehmen in Belgien, Frankreich, Italien, Österreich, Schweiz, UK und USA Quality Management System nach ISO 9001, ISO 14001, KTA 1401 Alfred Klett 23. März

3 Firmenprofil Unsere Produkte Messgeräte bester Qualität und hoher Zuverlässigkeit mit umfassender Beratung Prozessmesstechnik Bioanalytik Strahlenschutz Alfred Klett 23. März Unsere Kunden in der Prozessmesstechnik Chemische Industrie Raffinerien Kraftwerke Kohle Bergbau Zement Keramik Nahrungsmittel Stahlindustrie Papierindustrie Glasindustrie Baustoffindustrie Alfred Klett 23. März

4 Anwendungen in der Prozessmesstechnik Füllstand Dichte Feuchte Durchsatz Flächengewicht Konzentration Schwefelgehalt Prozessanalytik Alfred Klett 23. März Unsere Kunden in der Bioanalytik Biotechnologie Pharmazeutische Wirkstoff-Forschung Life Sciences Research Diagnostik und Nuklearmedizin Hygiene - Überwachung Alfred Klett 23. März

5 Anwendungen & Produkte in der Bioanalytik Microplate Readers Imaging Instrumente Röhrchen Luminometer Radio HPLC Monitore Gamma Zähler Alfred Klett 23. März Unsere Kunden im Strahlenschutz Radionuklidlabors Nuklearmedizin Forschungslabors Kernkraftwerke Nuklearindustrie Lebensmittelindustrie Aufsichtsbehörden Staatliche Ämter EWN, Lubmin ZWILAG, Würenlingen, Schweiz Alfred Klett 23. März

6 Anwendungen & Produkte im Strahlenschutz Kontaminations-Messung Dosis- und Dosisleistungs-Messung Aktivitäts-Messung und Low-level-α/β-Counting Luftüberwachung auf Aerosole, Jod, Edelgas, Tritium Strahlenschutzsysteme nach speziellen Kundenanforderungen Alfred Klett 23. März Umsatz 2008 (konsolidiert) 57.5 Mio Process Control Bioanalytics Radiation Protection 11,9 Mio 9,6 Mio 36,1 Mio Alfred Klett 23. März

7 Berthold Technologies keur Sales Bookings Alfred Klett 23. März Company Profile Mitarbeiter Wildbad nach Abteilungen (per ) 41 R&D 38 Sales / Marketing 253 Employees 22 Administration 121 Production 14 Service Apprentices Alfred Klett 23. März

8 Einführung Die Messung von Kontamination und Aktivität sind wesentliche Aufgaben im Strahlenschutz Dazu sind zuverlässige, leicht bedienbare und robuste Messgeräte erforderlich Neue Produkte basierend auf Szintillations- Messtechnik sind den mit Gas betriebenen traditionellen Detektoren deutlich überlegen hinsichtlich Messeigenschaften Leichte Bedienbarkeit Service und Wartung und beginnt nun überall gasbetriebene Geräte zu ersetzen Alfred Klett 23. März Eine neue Technologie-Plattform Vorteile der Szintillations-Messtechnik keine Gasversorgung erforderlich in der Regel höhere Ausbeuten und niedrigere Nachweisgrenzen einfache Reparatur von Eintrittsfenstern geringes Gewicht geringere Kosten für Service und Instandhaltung Neue Berthold-Messgeräte mit Szintillations-Messtechnik Kontaminations-Monitor LB124 SCINT Kontaminations-Monitor LB (mit 300 cm² Fläche) Hand-Fuß-Kleider-Monitor LB 147 Aktivitätsmessplatz LB 2046 zur Alpha- / Beta-Messung Alfred Klett 23. März

9 Nachteile gasgefüllter Detektoren Eintrittsfenster kann leicht beschädigt werden Relativ hohe Kosten für Service und Instandhaltung Abgeschmolzene Detektoren können nur beim Hersteller repariert werden Für Durchflusszähler ist eine Gasversorgung erforderlich Manche Zählgase sind brennbar Butan-Zähler können nicht bei Temperaturen unter 5 C betrieben werden Gasgefüllte Detektoren sind relativ schwer, da sie meistens ein Metallgehäuse besitzen Alfred Klett 23. März Neues Design Problem kompaktes Design eines Detektors mit großer Messfläche Lichtsammlung aus den Ecken des Detektors Lösung ZnS:Ag als Szintillator Innovative Reflektor Geometrie Batterien µp Board Szintillations Detektor Alfred Klett 23. März

10 Prinzipieller Aufbau des LB 124 SCINT Flacher, kompakter Szintillationsdetektor mit einer empfindlichen Messfläche von 170 cm² Gleichzeitige und getrennte Messung von α- und β-γ-strahlung Batterien µp Board Szintillations Detektor Alfred Klett 23. März Kontaminationsmonitor LB 124 SCINT Flacher ZnS:Ag Szintillator Lichtnachweis über PMT Gleichzeitige und getrennte Messung von α- und β-γ-strahlung Gleichmäßiges Ansprechvermögen über 170 cm² empfindliche Fläche Hohe Efficiencies und sehr niedrige Nachweisgrenzen bei kurzer Messzeit 6 µm Eintrittsfenster aus aluminisiertem Kunststoff 0.4 mg/cm² Alfred Klett 23. März

11 Kontaminationsmonitor LB 124 SCINT Leichte Bedienbarkeit Verschieden Benutzerprofile Akustische Warnung Speicher für >1000 Datenpunkte RS 232 Schnittstelle Batteriebetrieben > 25 h (Ni-MH 3.5 Ah) > 50 h (Alkaline 7.8 Ah) Schutzart IP g Gesamtgewicht mit Batterien Temperaturbereich: 20 C bis +40 C Alfred Klett 23. März Technische Daten LB 124 SCINT Messfläche 170 cm² Eintrittsfenster 6 µm Kunststoff aluminisiert 0.4 mg/cm² Efficiencies 14 C 11% 36 Cl 43% 60 Co 29% 99m Tc 8% 241 Am (alpha) 20% Nulleffekt Beta Alpha 10 cps 0.1 cps Spillover Alpha -> Beta Beta -> Alpha < 50% < 2 x 10-5 Schutzgitter 80% geometrical transmission Schutzrechte DPMA Gebrauchsmuster Nr US Patent No. 7,368,722 Alfred Klett 23. März

12 Gleichmäßiges Ansprechvermögen Y-Profile X-Profile Response Uniformity (Y-Profile Central) Response Uniformity (X-Profile Central) Y X 140% 140% 120% 120% Relative Yield [%] 100% 80% 60% 40% 20% C-14 SrY-90 Am-241 Relative Yield [%] 100% 80% 60% 40% 20% C-14 SrY-90 Am-241 zentral 0% Y-Position [mm] Response Uniformity (Y-Profile Peripherical) 120% 0% X-Position [mm] Response Uniformity (X-Profile Peripherical) 120% 100% 100% Relative Yield [%] 80% 60% 40% 20% C-14 SrY-90 Am-241 Relative Yield [%] 80% 60% 40% 20% C-14 SrY-90 Am-241 peripher 0% 0% Y-Position [mm] X-Position [mm] Alfred Klett 23. März LB 124SCINT 300 mit 300cm² Messfläche bei Kontaminationsmessung nach 44 StrSchV max. 300 cm² Mittelungsfläche Vorteil größerer Messflächen Besseres Suchverhalten Schnellere Messung Alfred Klett 23. März

13 Hand-Fuss-Kleider Monitor LB 147 Szintillations-Detektoren Hand 130 mm x 210 mm (345 cm²) Fuss 150 mm x 360 mm (540 cm²) Gleichzeitige und getrennte Alpha- und Beta-Gamma Messung Kleidersonde Speicher für >1000 Messdaten USB, RS232, RS485 Networking capability Optionaler Kartenleser Alfred Klett 23. März Hand-Fuss-Kleider Monitor LB 147 Großes leicht ablesbares graphisches LCD Display (Touchpanel) Service Funktionen Plateau-Messung Kalibrierung System Test Zugangskontrolle Positionssensoren Hand: infrared Fuß: µ-switch Alfred Klett 23. März

14 Hand-Fuss-Kleider Monitor LB 147 Nuklid-Bibliothek Konfiguration nur für Alpha- oder nur für Beta-Gamma-Messung möglich Handrückenmessung konsekutiv softwaregesteuert Datenkommunikation Spannungsversorgung VAC Alfred Klett 23. März Temperatur Effekte Detektoren 1000 Response & Background of Berthold LB 147 (Hand Detectors) as a Function of Temperature Counting Rate [cps] beta bgrd beta Cl-36 alpha Am Temperature [ C] Alfred Klett 23. März

15 Aktivitätsmessplatz LB 2046 Detektor: ZnS(Ag) und PMT, 60 mm Gleichzeitige und getrennte α- und β-γ-messung Schublade für Probenschälchen oder Filter mit 60 mm oder 100 mm Typischer Nulleffekt 0.02 ips (α) 0.3 ips (β-γ) Alfred Klett 23. März Aktivitätsmessplatz LB 2046 Ausbeute 22% for 241 Am (α) 41% for 36 Cl (β-γ) 8% for 14 C (β-γ) Nachweisgrenzen mit 1h Messzeit 241 Am: 0.03 Bq (α) 36 Cl: 0.06 Bq (β-γ) Spillover α β-γ < 10% ( 210 Po) β-γ α < 2x10-5 ( 90 Sr) Alfred Klett 23. März

16 Rechtliche Aspekte und Kalibrierung Verlassen Kontrollbereich nach 44 StrlSchV Prüfung Kontamination von Personen und Gegenständen (bei Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen) 300 cm² max. Mittelungsfläche Grenzwerte nach StrlSchV Anlage III Tabelle 1 Spalte 4 Freigabe nach 29 StrlSchV Grenzwerte Oberflächenkontamination Anlage III Tabelle 1 Spalte 8 Freigabe von Gebäuden zur Wiederverwendung Spalte 10 Freigabe von Gebäuden zum Abriss Mittelungsflächen 1000 cm² und größer Transportrecht - Anlage 3 StrlSchV Transportbehälter Oberflächen freigestellter Versandstücke: für β-γ 0.4 Bq/cm² bzw. für α 0.04 Bq/cm² Oberflächen nichtfreigestellter Versandstücke: für β-γ 4 Bq/cm² bzw. für α 0.4 Bq/cm² max. Mittelungsfläche 300 cm² Alfred Klett 23. März Kontamination Definition: Unerwünschte Verunreinigung von Arbeitsflächen, Geräten, Räumen, Wasser, Luft usw. durch radioaktive Stoffe (Lexikon zur Kernenergie, W. Koelzer) Die Messgröße ist Aktivität pro Fläche in [Bq/cm²] zu definieren Bezug auf welche Fläche? Bezug auf Aktivität oder Teilchenfluss Alfred Klett 23. März

17 Kalibrierung Kontaminationsmonitore Durchführung bei NUCLITEC (ehemals QSA Global) in Braunschweig Akkreditiertes DKD Labor für Aktivität Die Aktivitäten und Teilchenflüsse sind rückführbar auf nationale Normale traceability to NIST (nach ANSI. N ) 3% relative Unsicherheit der Aktivitäten mit k=2 und 95% Konfidenzlevel Genauigkeitsangaben entsprechend Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, ISO Guide, 1995 Beta-Teilchenflüsse werden gemessen mit fensterlosem Proportionalzählrohr Messgeräte (jeweils mehrere normale Seriengeräte) Alfred Klett 23. März Strahlungsquellen offene Strahlungsquellen aktive Fläche 100 mm x 100 mm gute Homogenität der Aktivitätsverteilung Aluminium-Trägerplatte mit den Ab-messungen 120 mm x 120 mm x 3 mm Aktivitäten ca. 10 bis 200 kbq Alfred Klett 23. März

18 Radionuklide Neue Nuklide Ni-63, Sm-153, Er-169, Re-186, Re-188 weitere QSA Strahlungsquellen F-18, P-32, P-33, S-35, Cr-51, Mn-54, Co-57, Co-58, Fe-59, Ga-67, Se-75, Sr-89, Y-90, Tc-99m, In-111, Sn-113, I-123, I-125, I-131, Tl-201 Berthold Strahlungsquellen C-14, Cl-36, Fe-55, Co-60, Sr-90, I-129, Cs-137, Tl-204, Po-210, U-238, Pu-238, Pu-239, Am-241 Alfred Klett 23. März Durchführung Messungen Alfred Klett 23. März

19 Kalibrierung tragbare Messgeräte Messung von Alpha- und Beta / Gamma- Brutto-Zählraten Nulleffekt mit Strahlungsquellen Alfred Klett 23. März Prüfadapter mit Quelle Alfred Klett 23. März

20 Wohldefinierte Prüfgeometrie Alfred Klett 23. März Calibration Factors LB 147 Hand Efficiency, Response and Calibration Factors Hand-Foot-Clothing Monitor Berthold LB Hand 2) No. Nuclide eff src CH Efficiency [%] Response [s -1 Bq -1 cm 2 ] A-100 ISO Calibration Factor [s Bq cm -2 ] Decision Thres. [Bq/cm²] Min. Det. Activity [Bq/cm²] Efficiency [%] Response [s -1 Bq -1 cm 2 ] Calibration Factor [s Bq cm -2 ] Decision Thres. [Bq/cm²] Min. Det. Activity [Bq/cm²] Limit 1) [Bq/cm²] 4 C-14 0,25 b-g 7,8% 7,78 0,131 0,377 0,815 20,4% 15,31 0,066 0,192 0, F-18 0,50 b-g 30,3% 30,33 0,033 0,096 0,207 60,7% 90,99 0,011 0,032 0, Cl-36 0,50 b-g 31,2% 31,20 0,032 0,093 0,200 49,3% 74,01 0,014 0,040 0, Co-60 0,25 b-g 18,2% 18,24 0,055 0,159 0,343 36,8% 27,56 0,037 0,106 0, Sr-90+ 0,50 b-g 64,9% 64,92 0,015 0,045 0,097 52,3% 78,39 0,013 0,037 0, Tc-99m 0,50 b-g 5,3% 5,31 0,191 0,552 1,193 10,6% 15,93 0,064 0,184 0, I-131 0,50 b-g 28,0% 27,97 0,036 0,104 0,224 48,9% 73,30 0,014 0,039 0, Cs ,50 b-g 30,2% 30,21 0,033 0,096 0,208 50,6% 75,95 0,013 0,039 0, Am-241 0,25 b-g 7,6% 7,65 0,136 0,393 0,848 15,3% 11,47 0,090 0,261 0,563 0,1 53 Po-210 0,25 a 14,1% 14,08 0,071 0,020 0,072 27,6% 20,68 0,049 0,014 0, U-238sec 0,25 a 18,2% 18,25 0,060 0,017 0,061 19,9% 14,95 0,073 0,021 0, Am-241 0,25 a 15,7% 15,66 0,064 0,018 0,065 33,2% 24,94 0,041 0,011 0,041 0,1 1) Limits are from German Radiation Protection Ordinance 2001 Attachment III Table 1 Column 4 2) All measurements are with protection grid Ident. No ) from LB 147Software Version 3.12 Alfred Klett 23. März

21 Tochternuklide in der StrlSchV Anlage III Radionuklide mit der Kennzeichnung +, ++ oder sec sind Mutternuklide im Gleichgewicht mit den in Tabelle 2 angegebenen Tochternukliden Die Strahlenexpositionen durch diese Tochternuklide sind bei den Freigrenzen, Freigabewerten oder Werten der Oberflächenkontamination bereits berücksichtigt Die Aktivitätsangaben beziehen sich also nur auf die Mutternuklide Beispiel: Sr-90+ ist Sr-90 im Gleichgewicht mit Y-90; die Freigrenze von Bq für Sr-90 bezieht sich also nur auf das Mutternuklid Alfred Klett 23. März StrlSchV Anlage III Tabelle 2 Tochternuklide Mutternuklid Tochternuklide Sr-90+ Y-90 Ru-106+ Rh-106 Sn-113+ In-113m Cs-137+ Ba-137m W-188+ Re-188 Pb-210+ Bi-210 Pb Bi-210, Po-210 Rn-222+ Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214 Alfred Klett 23. März

22 StrlSchV Anlage III Tabelle 2 Tochternuklide Mutternuklid Ra-226+ Ra Th-232sec U-238+ U-238sec Tochternuklide Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214 Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210, Po-210, Po-214 Ra-228, Ac-228, Th-228, Ra-224, Rn-220, Po-216, Pb-212, Bi-212, Tl-208, Po-212U- Th-234, Pa-234m, Pa-234 Th-234, Pa-234m, Pa-234, Th-230, Ra-226, Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210, Po-210, Po-214 Alfred Klett 23. März Neue Berechnung für einige Nuklide Zum Beispiel für das Nuklid Sr-90+ beziehen wir uns ab jetzt konform zur Strahlenschutzverordnung nur noch auf die Aktivität des Mutternuklids Bisher hatten wir uns auf die Summenaktivität der Nuklide Sr-90 + Y-90, also auf die verdoppelte Aktivität bezogen Wir haben das meist als SrY-90 oder Sr+Y-90 bezeichnet, um anzudeuten, dass die Summenaktivität gemeint war Ein Kontaminationsmonitor hat damit bisher bei einer SrY-90 Kalibrierung bezüglich der Aktivität des Mutternuklids den doppelten Wert angezeigt Bei den neuen Kalibrierungen wird weniger Aktivität angezeigt. Die Efficiency scheint sich gegenüber früher zu verdoppeln. Alfred Klett 23. März

23 Neue Berechnung für einige Nuklide Deutlich bemerkbare Unterschiede ergeben sich vor allem bei den Radionukliden Sr-90+ U-238sec Bei folgenden Nukliden wurde es im Prinzip immer schon so gemacht Sn-133+ Cs-137+ Pb-210+ Ra Th-232sec Alfred Klett 23. März Berechnung Kontaminations-Messwert Bezug auf Aktivität und auf 100 cm² Fläche A Surface RSample RBgrd RSource R = ε 2 ε Detection = 100cm A Detection Bgrd Bezug auf Teilchenfluss q 2π und empfindliche Detektorfläche W (ISO ) A Surface RSample RBgrd = ε W ε Detection Source ε Detection = R Source q 2 π R Bgrd Alfred Klett 23. März

24 Nachweisgrenzen Usually in measuring ionizing radiation from a sample the radiation level has to be determined in the presence of external background radition This is a limitation to measuring small values. There is always the question if measured values indicate contributions from samples or if not. What is the lowest detectable amount from a sample? What is the range of values of a measured quantity which includes the real value at a specified probability? (confidence level) Alfred Klett 23. März Nachweis- und Erkennungsgrenze Erkennungsgrenze Nulleffekt Nachweisgrenze Probenbeitrag Alfred Klett 23. März

25 Alfred Klett 23. März Normen Nachweisgrenze Wir verwenden weiter DIN (oder in internationalen Unterlagen ISO ) Die neue DIN regelt alles komplett neu und basiert auf der Bayes-Statistik; Akzeptanz in Fachkreisen noch nicht sehr hoch Die älteren Normen DIN Teil 1-7 und ISO parts 1-5 wenden den Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) noch nicht an Die neueren Normen DIN Teile und ISO parts 6-8 wenden den GUM an Alfred Klett 23. März Formeln DIN Erkennungsgrenze (= Decision Threshold) Nachweisgrenze (= Detection Limit) Mit den Faktoren k 1-α = k 1-β = 1.65 und den Messzeiten T 0 für Nulleffekt und T B für Probe = B n t t k t R k t R * α α ( ) ( ) = B B n t t k k t t k k * β α β α ρ ρ

26 Normen Nachweisgrenze DIN Nachweisgrenze und Erkennungsgrenze bei Kernstrahlungsmessungen ISO Determination of the detection limit and decision threshold for ionizing radiation measurements DIN , Zählende Messungen ohne Berücksichtigung des Probenbehandlungseinflusses ISO : Fundamentals and application to counting measurements without the influence of sample treatment DIN , Zählende spektrometrische Messungen ohne Berücksichtigung des Probenbehandlungseinflusses DIN , Messungen mit linearen analog arbeitenden Zählratenmeßgeräten (Ratemeter) DIN , Zählende alphaspektro-metrische Messungen ohne Berücksichtigung von Probenbehandlungs- und Geräteeinflüssen DIN , Zählende hochauflösende gammaspektrometrische Messungen ohne Berücksichtigung des Probenbehandlungseinflusses ISO : Fundamentals and application to measurements by use of linear-scale analogue ratemeters, without the influence of sample treatment ISO : Fundamentals and application to counting measurements by high resolution gamma spectrometry, without the influence of sample treatment Alfred Klett 23. März Normen Nachweisgrenze DIN Nachweisgrenze und Erkennungsgrenze bei Kernstrahlungsmessungen ISO Determination of the detection limit and decision threshold for ionizing radiation measurements DIN , Zählende Messungen mit Berücksichtigung des Probenbehandlungs- und Geräteeinflusses ISO : Fundamentals and application to counting measurements with the influence of sample treatment DIN , Zählende Messungen an Filtern während der Anreicherung radioaktiver Stoffe DIN , Allgemeine Anwendungen ISO : Fundamentals and applications to counting measurements on filters during accumulation of radioactive material ISO : Fundamentals and general applications DIN , Messungen mit Albedodosimetern DIN , Entfaltung von Spektren DIN , Zählende Messungen an bewegten Objekten ISO : Fundamentals and application to unfolding of spectrometric measurements without the influence of sample treatment ISO : Fundamentals and applications to measurements by use of transient mode Alfred Klett 23. März

27 Nachweisgrenzen LB 124 B Berechnet nach DIN Irrtumswahrscheinlichkeit für Fehler erster und zweiter Art jeweils 5% Rate Nulleffekt 10 cps Messzeit Nulleffekt 120 s Messzeit Probe 30 s Für einige schwer nachweisbare Nuklide ( 54 Mn, 238 Pu, 239 Pu, 241 Am) mit niedrigen Grenzwerten Berechnung mit Messzeit NE 1200s und Messzeit Probe 300s Alfred Klett 23. März Calibration Factors LB 124 SCINT LB124 SCINT Efficiency, Response, Calibration Factors and MDAs German SW Version 3.18 A-100 2) ISO ) Limit 1) No. Nuclide CH eff src Efficiency [%] Response [s -1 Bq -1 cm 2 ] Calibration Factor [s Bq cm -2 ] Decision Thres. [Bq/cm²] Min. Det. Activity [Bq/cm²] Efficiency [%] Response [s -1 Bq -1 cm 2 ] Calibration Factor [s Bq cm -2 ] Decision Thres. [Bq/cm²] Min. Det. Activity [Bq/cm²] [Bq/cm²] 1 Beta b-g 0,50 35,0% 35,00 0,029 0,030 0,061 70,0% 59,50 0,017 0,018 0, C-11 b-g 0,50 37,8% 37,77 0,027 0,027 0,056 74,1% 63,00 0,016 0,017 0, N-13 b-g 0,50 74,7% 74,74 0,013 0,014 0,028 74,7% 63,53 0,016 0,017 0, C-14 b-g 0,25 10,9% 10,89 0,092 0,095 0,194 28,6% 12,16 0,082 0,085 0, O-15 b-g 0,50 38,2% 38,17 0,026 0,027 0,055 74,9% 63,66 0,016 0,017 0, F-18 b-g 0,50 43,7% 43,70 0,023 0,024 0,048 87,4% 74,28 0,013 0,013 0, Na-22 b-g 0,50 34,2% 34,19 0,029 0,030 0,062 67,1% 57,03 0,018 0,019 0, P-32 b-g 0,50 42,9% 42,86 0,023 0,024 0,049 68,8% 58,46 0,017 0,018 0, P-33 b-g 0,25 26,1% 26,06 0,038 0,040 0,081 59,9% 25,47 0,039 0,040 0, S-35 b-g 0,25 11,2% 11,22 0,089 0,092 0,188 25,9% 11,00 0,091 0,094 0, Cl-36 b-g 0,50 43,5% 43,51 0,023 0,024 0,049 68,7% 58,40 0,017 0,018 0, K-40 b-g 0,50 38,1% 38,09 0,026 0,027 0,056 74,7% 63,53 0,016 0,017 0, K-42 b-g 0,50 38,2% 38,17 0,026 0,027 0,055 74,9% 63,66 0,016 0,017 0, Ca-45 b-g 0,25 19,4% 19,40 0,052 0,053 0,109 38,1% 16,18 0,062 0,064 0, Sc-46 b-g 0,25 27,4% 27,43 0,037 0,038 0,077 53,8% 22,88 0,044 0,045 0, Ca-47+ b-g 0,50 3,2% 3,18 0,314 0,324 0,665 6,2% 5,31 0,189 0,195 0, Cr-51 b-g 0,50 0,0% 0,03 36,364 37,455 76,873 0,1% 0,05 22,222 22,889 46, Mn-54 b-g 0,50 0,8% 0,80 1,250 1,288 2,643 1,6% 1,36 0,734 0,756 1, Fe-55 b-g 0,50 0,0% 0,04 26,667 27,467 56,373 0,1% 0,07 15,152 15,607 32, ) Limits are from German Radiation Protection Ordinance 2001 Attachment III Table 1 Column 4 2) Reference to activities and 100 cm² source area 3) Reference to surface emission rates and 170 cm² sensitive detection area 4) MDAs calculated according to DIN with measuring time 200 s for background and 30 s for sample and 0.1 cps alps bgrd and 10 cps beta-bgrd Alfred Klett 23. März

28 Comparison Gas filled vs. Scintillation Berthold Type LB 124 SCINT LB 122 A LB 124 B Detector Type Scintillation Detector Proportional Counter Proportional Counter Scintillator/Gas ZnS(Ag) Butane Xenon/Methane Sensitive Area 170 cm² 218 cm² 150 cm² Entrance Window Aluminized Plastic Aluminized Plastic Titanium Thickness 0.4 mg/cm² 0.4 mg/cm² 5 mg/cm² Detection Mode Simultaneous and separate α and β-γ Selectable α or β-γ Only β-γ Typical Background Counting Rates 0.1 cps for α 10 cps for β-γ 0.1 cps for α 10 cps for β-γ 12.5 cps Weight(incl. batteries) 1300 g 2175 g 1620 g Temperature Range -20 C to +40 C +5 C to +50 C -15 C to +50 C External Dimensions 240 x 140 x 110 mm x 140 x 126 mm x 140 x 110 mm 3 Alfred Klett 23. März Comparison of Efficiencies No Radionuclide LB 124 SCINT LB122A LB124B No. Radionuclide LB 124 SCINT LB122A LB124B [%] [%] [%] [%] [%] [%] 14 C F P P S Cl Co Co [AK1] Fe Co Ga Se Sr Sr/Y m Tc In Sn I I I Cs Tl U Pu Am Po n/a 238 U n/a 238 Pu n/a 239 Pu n/a 241 Am n/a Alfred Klett 23. März

29 Polonium-210 Nachweis mit LB 124 SCINT 2006 in London Anschlag auf Alexander W. Litwinenko Eigenschaften von 210 Po 1898 entdeckt durch Marie and Pierre Curie benannt nach Marie s Heimat Polen Erzeugung durch Kernreaktionen Reiner Alpha-Emitter Alpha Energie 5.3 MeV Halbwertszeit 138 days 210 Po kann sehr einfach mit dem LB 124 SCINT gemessen werden MDA [Bq] Minimum Detectable Po-210 Activity (LB 124 SCINT) , Measuring Time [s] Alfred Klett 23. März Measurement of Polonium-210 Detection limits are shown Compare with Technical Note No. 304 Detection and Measurement of Po-210 Contamination MDA [Bq/cm²] MDA [Bq] Minimum Detectable Po-210 Contamination (LB 124 SCINT) 1 0,1 0,01 0, Measuring Time [s] Minimum Detectable Po-210 Activity (LB 124 SCINT) , Measuring Time [s] Alfred Klett 23. März

30 25% 20% Efficiency for Am-241 Detection as a Function of Distance Berthold Technologies LB124 SCINT Dr. Alfred Klett Oct 9, 2008 Alpha-Channel Beta-Gamma Channel Efficiency 15% 10% 5% 0% Distance [mm] Alfred Klett 23. März % 25% Efficiency for Po-210 Detection as a Function of Distance Berthold Technologies LB124 SCINT Dr. Alfred Klett Oct 10, 2008 Alpha-Channel Beta-Gamma Channel 20% Efficiency 15% 10% 5% 0% Distance [mm] Alfred Klett 23. März

31 15% Efficiency for Am-241 Detection as a Function of Distance Berthold Technologies LB1233 / LB6359 Dr. Alfred Klett Oct 9, 2008 Alpha Channel Beta-Gamma Channel 10% Efficiency 5% 0% Distance [mm] Alfred Klett 23. März Strahlenschutz an Beschleunigern Beschleuniger haben Konjunktur Weltweit bereits mehr als 60 Synchrotron-Lichtquellen Andere Neuentwicklungen: free electron lasers, heavy ion Nuklearmedizin, Antimaterie FAIR Beschleuniger in der Nuklearmedizin (PROSCAN, PROHEALTH, Heavy-Ion Heidelberg) Es gibt spezielle Bedingungen Gepulste Strahlungsfelder Hohe Energien Gemischte Felder und weitere Teilchen (γ, n, p, μ, π,...) Alfred Klett 23. März

32 Beschleuniger am CERN/Genf Alte Beschleuniger PS Proton Synchrotron max. Energie 26 GeV SPS Super Proton Synchrotron max. Energie 400 GeV Large Hadron Collider LHC Zwei gegenläufig umlaufende Protonenoder Schwerionen-strahlen kollidieren mit 7 TeV/pro Strahl 1232 Supraleitende Dipol-Magnete auf einer Länge von 27 km Erster Strahl am 10. September 2008 Alfred Klett 23. März 2009 Reference: 63 Accelerators at CERN/Geneva Old Accelerators PS Proton Synchrotron max. Energy 26 GeV SPS Super Proton Synchrotron max. Energy 400 GeV Large Hadron Collider LHC Designed to collide two counter rotating beams of protons or heavy ions p-p collisions at 7 TeV/per beam 1232 supraconducting dipoles on 27 km circumference First beams successfully circulated 10th Sep 2008 Alfred Klett 23. März 2009 Reference: 64

33 Magnete am LHC 1232 Supraleitende Dipolmagnete Mit Flüssig-Helium gekühlt auf 1.9 K Ampere 8.4 Tesla Länge: 14.3 m Gewicht: 35 tons Kosten: 0.5 Mio. CHF Reference: Alfred Klett 23. März Detektoren am Large Hadron Collider ALICE (Schwerionenphysik) ATLAS (Higgs- Teilchen) CMS (Kalorimeter für γ high E) LHCb (CP- Verletzung) Alfred Klett 23. März 2009 Reference: 66

34 ATLAS Detektor am LHC Vielzweck Detektor 46 x 25 x 25 m³ (L x B x H) 7000 Tonnen Gesamtgewicht Detektor Komponenten Innerer Spurdetektor (Pixel Halbleiter, Silikon Mikrostrip, Straws) Kalorimeter (Sensoren liquid Argon & Plastik Szint zwischen Metallplatten) Muon Spektrometer (Straws) Magnet System Trigger System Datenaufnahmesystem Computersystem 1700 Wissenschaftler von 159 Instituten aus 37 Ländern Alfred Klett 23. März 2009 Reference: 67 Beispiel SLS am Paul-Scherrer-Institut Speicherring für Elektronen zur Erzeugung von Synchrotron-Strahlung Das Synchrotronlicht wird z. B. zur Erforschung von neuartigen Materialien, Biomolekülen, Oberflächen, Mikro- und Nanostrukturen verwendet Besonderheiten am SLS stark gebündelte Strahlung höchste Intensität frei wählbare Wellenlänge kurze Lichtpulse sehr stabile Strahlen Quelle: Alfred Klett 23. März

35 Medizinische Anwendung PROSCAN/PSI Protonentherapie für spezielle Tumorarten Seit 1984 Augentherapie mit Protonen (OPTIS) Spot-Scanning-Technik (am PSI entwickelt) Seit Februar 2007 Zyklotron COMET im Patientenbetrieb (250 MeV Protonen) Ab 2009 bis zu 500 Patienten pro Jahr Sachinvestitionskosten 35 Mio. CHF Reference: Alfred Klett 23. März Weitere Therapie-Zentren Loma Linda University Medical Center, Loma Linda, California, USA 1st Hospital based proton therapy facility in the world Charitè/Hahn-Meitner-Institut, Berlin, Protonentherapie Augentumore seit 1998 Rinecker Proton Therapy Center (RPTC), München Bau seit 2004 fertig, Inbetriebnahme steht bevor Universitätsklinikum Heidelberg, Schwerionen-Anlage Inbetriebnahme Herbst 2008 Westdeutsche Protonentherapiezentrum Essen (WPE), Universitätsklinik Essen, Fertigstellung 2009 Schwerionen-Anlage geplant für Kiel Klinikum Offenbach sucht Betreiber für die Errichtung eines Protonentherapiezentrums Universitätsklinikum Giessen-Marburg errichtet in Marburg eine Strahlentherapie (Protonen und C-12) Inbetriebnahme geplant 2010 CNAO in Pavia Proton Ocular Radiotherapy (PORT), Massachusetts General Hospital Alfred Klett 23. März

36 Andere ähnliche Forschungseinrichtungen Fusionsforschung JET Joint European Torus (Culham, UK) ITER International Thermonuclear Experiment Reactor (Cadarache, France) Frascati Nuclear Fusion Facility (FTU) Neutronenquellen Spallationsquellen SINQ am Paul-Scherrer-Institut/Schweiz SNS Spallation Neutron Source, Oak Ridge, USA ESS European Spallation Source, Standort noch unklar Forschungsreaktoren FRM II München ILL Grenoble GKSS Forschungszentrum Geesthacht NIST Research Reactor Alfred Klett 23. März Welche Strahlungsfelder treten auf? Geladene Teilchen (leicht abschirmbar) Protonen, Antiprotonen Elektronen, Positronen Schwere Ionen Müonen, Pionen, Kaonen etc. Neutrale Teilchen (schwieriger abschirmbar) Neutronen Photonen Gammastrahlung Synchrotronstrahlung X-rays Neutrinos, Pionen, Kaonen etc. Alfred Klett 23. März

37 Welche Größen müssen gemessen werden? Im Kontrollbereich Ortsdosis Gammas und Neutronen Personendosis Gammas und Neutronen Raum- und Abluftüberwachung (Aktivierungs-produkte, Tritium, radioaktive Aerosole, Edelgas etc.) Kontamination Umgebungsüberwachung Wasser, Abwasser Aktivierung Grundwasser, Boden, Komponenten Freigabemessung an Abfall Alfred Klett 23. März Aktive Messmethoden Gamma-Ortsdosimetrie Geiger-Müller Zähler Proportionalzähler Ionisationskammern Szintillationszähler Neutronen-Ortsdosimetrie Rem-Counter 3 He Zählrohr mit Moderator und Filter BF 3 Zählrohr mit Moderator und Filter Bubble Detektoren Ionisationskammern Alfred Klett 23. März

38 Neutronenmessung Konventionelle Messung mit Rem-Counter Thermischer Neutronendetektor (z. B. 3 He Counter) Umgeben von Moderatormaterial Zusätzlich interne Neutronenabsorber Nachbildung Konversionsfaktor durch Tuning des Detektors Quality factor Linear energy transfer L [kev/µm] 1000 [psv*cm²] ICRP60 25 ICRP H* (10) ICRP60 Hmade ICRP , ,001 0, Neutron Energy [kev] Alfred Klett 23. März Neutronensonde LB 6411 Entwicklungskooperation MCNP Simulationen: Forschungszentrum Karlsruhe (B. Burgkhardt, E. Piesch, G. Fieg) Detektor- und Gerätedesign: Berthold (A. Klett) Neues modernes µp gesteuertes Gerät Hohe Empfindlichkeit (3 counts/nsv) Gutes energieabhängiges Ansprechvermögen ±30% zwischen 50 kev und 10 MeV 2 Patente mittlerweile sehr weit verbreitet Alfred Klett 23. März

39 Neutronensonde LB6411 Griff Electronik 3 He Zählrohr Bohrungen Messgroesse: Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) für Neutronen (ICRP74) Messbereich 30 nsv/h to 100 msv/h Neutronenenergien thermisch bis 20 MeV Kalibrierung auf unmoderiertes 252 Cf Fluenzansprechvermögen 1.09 cm² Ansprechvermögen 2.83 Counts pro nsv Kalibrierfaktor 353 psv pro count oder 1.27 µsv/h pro cps Energieabhängigkeit ±30% zwischen 50 kev und 10 MeV Gamma-Empfindlichkeit < 40 µsv/h bei 10 msv/h ( 137 Cs) Temperaturbereich -10 C bis 50 C Gewicht 10 kg Cd Absorber Moderator Alfred Klett 23. März Energieabhängigkeit LB Counts/nSv 10 Exp. Fit Cf-252 Leake 1 0,1 0, ,001 0, Neutron Energy [kev] Alfred Klett 23. März

40 Response LB 6411 in realistic Neutron Fields 2.5 RH(rel.) Calculations by B.R.L. Siebert using PTB catalogue of realistic neutron spectra (H * (10) / Φ ) / (psv cm 2 ) Figure: Calculated relative ambient dose equivalent response, R H (rel.) for the LB 6411 (circles) and the Leake counter (triangles) as a function H*(10)/Φ,. Bottom Part: In about 500 spectra found in a catalogue (4) and Upper Part: In a subset of over 100 spectra found in reactor environments. Alfred Klett 23. März Messproblem: Neutronen bei hohen Energien Konventionelle Messung im Neutronenenergiebereich thermisch bis 20 MeV Wirkungsquerschnitte, Ansprechvermögen und Konversionsfaktoren gut bekannt Es gibt viele Messgeräte und es gibt Neutronen-Referenzfelder Bei höheren Energien ist die Neutronen-Dosimetrie nicht so einfach Alfred Klett 23. März

41 Die neue Variante LB 6411-Pb Es ist seit längerem bekannt, daß das Ansprechvermögen von Rem-Countern bei hohen Neutronenenergien erhöht werden kann Man nützt Spallationsneutronen, die in zusätzlichen Pb-Schichten erzeugt werden Spallation: Hochenergetische Projektile bewirken in inelastischen Reaktionen an schweren Targetkernen das "Abdampfen" von Nukleonen mit Energien bis zu 10 MeV Die zusätzlichen (niederenergetischen) Neutronen werden konventionell moderiert und detektiert und erhöhen damit das Ansprechvermögen Alfred Klett 23. März Spallation Spallation ist eine nichtelastische Wechselwirkung eines Projektils z. B. Proton oder Neutron mit hoher kinetischer Energie (>100 MeV) mit einem Atomkern. Zweistufig: Projektil wechselwirkt zunächst mit einzelnen Nukleonen des Targetkerns, die mit anderen Nukleonen interagieren. Einige Nukleonen verlassen den Targetkern mit hohen Energien. Die Hauptemissionsrichtung ist parallel zur Projektilrichtung (Reaktionsdauer ca s). Im hochangeregten Restkern ist die Energie statistisch gleichmäßig über alle Nukleonen verteilt. In der zweiten Stufe der Spallationsreaktion dampfen Neutronen und Protonen - weniger häufig auch andere Kernfragmente mit Energien bis zu 10 MeV vom Targetkern ab. Die Winkelverteilung ist isotrop (Reaktionsdauer ca s). Alfred Klett 23. März

42 Prinzipieller Aufbau Neutronensonde LB6411-Pb Griff Elektronik 3 He-Zählrohr Bohrung Absorber Moderator Pb-Layer (10 mm) Alfred Klett 23. März Messung hochenergetischer Neutronen LB 6411-Pb mit 10 mm externer Blei- Umhüllung zur zusätzlichen Aus-nutzung von Spallationsneutronen Kalibriermessungen mit und ohne Pb-Umhüllung im Hochenergiefeld bei CERN/CERF im August 2004 CERN-EU high-energy reference neutron field facility (CERF) besteht seit 1992 Breite Verteilung der Neutronen-energien bis hoch zu 1 GeV mittlere Energie: 70 MeV 98.8% Ansprechvermögen mit Pb Underresponse ohne Pb Instrument's Reading [µsv/h] CERN/CERF Calibration of Neutron Dose Rate Monitor LB 6411 Measurements Geneva August 2004 Dr. Alfred Klett/Berthold Technologies with 10 mm Pb 98.8% Response Linear Fit without Pb Linear Fit 68.9% Response CERN/CERF Neutron Reference Field (Rad. Prot. Dos. Vol. 102, no. 1, pp- 7-22, 2002) Mean Neutron Energy: 70 MeV CERF Reference Dose Rate [µsv/h] Alfred Klett 23. März

43 Referenzfelder Neutronenfelder PTB, Braunschweig, 24 kev bis 19 MeV, Beschleuniger NPL, NIST usw. Hochenergetische Neutronen CERN/CERF TSL, Uppsala ca. 20 MeV bis 200 MeV quasi-mononergetisch UCL, Louvain-la-Neuve, Belgien, 32 MeV bis 60 MeV ithemba Laboratory, Cape Town, Südafrika ca. 100 MeV 200 MeV Hochenergetische Photonen PTB Energiebereich 4 MeV bis 7 MeV Alfred Klett 23. März Beispiele: Strahlenschutz am SLS/PSI 15 mobile Gamma- + Neutronen Mess- Stationen Flexibler Strahlenschutz in änderbaren Experimentier-Arealen MEVIS Software Alfred Klett 23. März

44 Strahlenschutz bei ANKA/Karlsruhe Synchrotron- Lichtquelle ANKA Booster 500 MeV Elektronen Speicherring 2.5 GeV Alfred Klett 23. März ANKA Konzept Dosisleistungsmessung mit LB111 Gamma: Ionisations- Kammer LB 6720-H10 Neutronen: LB 6411-Pb 8 Messstationen 6 mobil 2 fest installiert MEVIS Datenzentrale Alfred Klett 23. März

45 Messsysteme Anka Mobile Gamma/Neutron-Messstation Alfred Klett 23. März Centronic IG5 Gamma-Messung ANKA Dynamic range Lo & Hi outputs Converter connected to LB111 electronics Alfred Klett 23. März

46 ANKA Instrumentation Alfred Klett 23. März Eine neue Idee Es sind bessere Lösungen erforderlich zur Messung Gepulster Felder Felder mit hohen Energien Dr. Albrecht Leuschner/DESY hat ein vollständig neuartiges Konzept zur Messung gepulster Neutronenfelder entwickelt das beruht auf Aktivierung von instabilen radioaktiven Kernen (mit kurzen Halbwertszeiten an geeigneten Target-Material) Zeit-aufgelöster Nachweis von Zerfallsprodukten Dosis-Information wird als Aktivierung gespeichert Mehrere Patentanmeldungen Alfred Klett 23. März

47 Forschungszentrum DESY Beschleunigerlabor in HH Teilchenphysik Forschung mit Photonen Beschleunigeranlagen Ursprünglich Deutsches Elektronen Synchrotron DORIS III HERA Ringbeschleuniger mit Detektor ZEUS beendet Sommer 2007 FLASH Free-Electron Laser PETRA III seit 2009 XFEL europäischer Röntgenlaser Inbetriebnahme 2013 Quelle: Alfred Klett 23. März DESY XFEL Europäischer X-Ray Laser Konstruktionsbeginn Sommer 2008 Betrieb ab Ende 2013 Freier Elektron Laser: hochenergetische Elektronen erzeugen intensive kohärente Röntgen-Laser Blitze Gesamtlänge 3.4 km Kosten: 986 Mio. EUR Quelle: Alfred Klett 23. März

48 Pilotanlage FLASH für XFEL FLASH FEL (Pilot for XFEL) formerly called VUV-FEL 1 GeV e - beam, superconducting linear accel Hz, 100 kw commissioned in 2004 wavelength down to 6 nm XFEL Free Electron Laser about 3 km total length GeV e - beam 100 fs pulse width wavelength nm begin construction 2007 commissioning 2013 Accelerator Module Undulators Alfred Klett 23. März Kooperation zwischen DESY - Berthold Kooperation zur gemeinschaftlichen Entwicklung eines vermarktbaren Systems DESY/Dr. Albrecht Leuschner und Norbert Tesch Entwicklung eines datenverarbeitenden Sub-Systems (Auftrag an einen externen Supplier) Forschung, Kalibrierung und Tests mit gepulster Strahlung und mit hohen Energien Berthold Technologies/Dr. Alfred Klett Entwicklung und Fertigung eines neuen Detektormoduls mit Neutronendetektor 3 He und Moderator Plastik-Szintillator System-Integration Entwicklung und Fertigung eines serienreifen Systems Marketing und Vertrieb (weltweit) Alfred Klett 23. März

49 Messung gepulster Neutronenstrahlung Die Neutronen-Strahlung produziert totzeitfrei am 12 C Target (Moderator) 12 C(n, X) 9 Li (CS = MeV) Der 9 Li Zwischenzustand hat eine Halbwerts-zeit von 174 ms und zerfällt 9 Li 9 Be* + ß - + ν ; 9 Be* 2 α + n Das Neutron wird zeitaufgelöst nachgewiesen Alfred Klett 23. März Neutronen Aktivierungsreaktionen Activation of 12 C Reaction Product Threshold [MeV] Decay Type daughter half life β max energy [MeV] (n,p) 12 B 13 β 12 C 20 ms 13.4 (n,pα) 8 Li 23 β 2α 840 ms 13.0 (n,p 3 He) 9 Li 39 β n 2α 170 ms 13.5 Alfred Klett 23. März

50 Prototyp Tests mit einer Versuchsanordnung Einfallende gepulste Neutronen Neutronen Monitor LB 6411 TTL Logger LB 5360 RS 232 PC Δt Spektrum Akkumulation, Autosynchronisierung Daten Analyse Target Material 12 C im Moderator 12 C(n, X) 9 Li 9 Li 9 Be* + ß - + ν 9 Be* 2 α + n Alfred Klett 23. März Setup Experimentier Halle PETRA Süd-Ost Abschirmung: 2.5 m Beton+Erde Detektor Plattform Experimentier Halle PETRA Süd-Ost Testmessungen mit Strahl DESY, PETRA, Hamburg GeV Protonenstrahl Länge Pulszug: 1 µs Repetitionsrate: 0.25 Hz Strahlverlust an TunnelwWand erzeugt durch Ausschalten eines Ablenkmagneten DESY III PETRA Transfer Tunnel Alfred Klett 23. März

51 Die Sonden auf der Detektor Plattform Wall/Shielding LB 6411 Bubbles DIS LB 6411 Pb TLD 600/700 in PE Tests mit Strahl bei PETRA Neutronenmonitore 1 x LB x LB 6411-Pb Passive Referenz Dosimeter TLD 600/700 in PE DIS Bubbles Thorium auf Macrofol Alfred Klett 23. März GeV Protonenstrahl Zeit-Struktur Intensität Pulszug i Pulszug i+1 1 µs 4 s Zeit Alfred Klett 23. März

52 Neutronen Spektrum (FLUKA Berechnung) 0,3 Fluence per Unit Lethargy [a.u.] 0,2 0,1 0,0 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9 Neutron Energy [ev] Alfred Klett 23. März Prinzip der Detektion Information über Neutronenfluenz wird während des Strahlpulses gespeichert 1 µs beam power 4000 ms Repetition Information wird später frei über das Zerfallsmuster TLD 600/700 in PE time spectrum detected events Alfred Klett 23. März

53 Zeitskala & typische Verzögerungszeiten Typische Moderationsdauer in einem Rem-Counter Zeitauflösung Readout Transport von thermalisierten Neutrons von der Quellregion zum Detektor (v thermal = 2200 m/s) Zerfalls-Neutronen-Ereignis aus 9 Li, das durch hoch energetische Neutronen erzeugt wurde 0.1 ms 1 ms 2 ms 200 ms Alfred Klett 23. März Datenanalyse Analyse Δt- Histogramme Abzug Untergrund Darstellung der Ergebnisse in einer Lethargy Representation Fit Funktion y = x C + 1 exp x C2 exp x τ 1 τ 2 mit x = Δt τ 1 = 1.5 ms = 245 ms τ 2 Counts/Unit Lethargy [a.u.] Counts/Unit Lethargy [a.u.] y Pulsed Neutron Detection with Probe LB time [ms] experimental fit function Pulsed Neutron Detection with Probe LB 6411-Pb experimental fit function 9 Li Events 9 Li Events Alfred Klett 23. März time [ms]

54 Referenzdosis pro Einzelschuss Referenzdosis Gesamter Neutronenenergiebereich (inklusive hohe Energien) TLD 600/700 in Polyethylen Zylinder Thorium Radiator auf Macrofol Nur niederenergetische Neutronen Bubble Detektoren Nur hochenergetische Neutronen Gammadosis (TLD 700) Ingesamt wurden 101 Schüsse gemessen 50 µsv 27 µsv 23 µsv 7 µsv Alfred Klett 23. März Prototyp Ergebnisse pro Einzelschuss Neue Methode Neutronendosis (hohe Energien) 23 µsv Nachgewiesene Neutronen aus 9 Li 6.0 counts Dosis-Ansprechvermögen 0.26 counts/µsv Konventionelles Ansprechvermögen Neutrondosis (alle Energien) 50 µsv Total counts (Δt=3 s) 250 counts Konventionelle Dosisanzeige 0.09 µsv Relatives Ansprechvermögen 0.18 % Faktor Underresponse 568 Alfred Klett 23. März

55 Zusammenfassung Die neue Methode funktioniert sehr gut und man erhält mit der Prototypanordnung eine Empfindlichkeit von 0.26 counts/µsv Wir haben in diesem Feld mit dieser Zeitstruktur Underresponses von konventionellen Rem- Countern über Faktor 500 gemessen! Alfred Klett 23. März Der neue Detektor LB 6419 Detektoren Neutronendetektor Moderator Detektor für thermische Neutronen Detektor für Beta- und Gammastrahlung Plastikszintillator Photomultiplier Targetmaterialien: 12 C Zeitaufgelöste Messung Auch konventionelle Messung Alfred Klett 23. März

56 Der neue Detektor LB 6419 Moderator SCINT PMT He-3 Elektronik Ø290 mm ca. 600 mm Alfred Klett 23. März Erster Prototyp LB 6419 Alfred Klett 23. März

57 Latest Design LB 6419 for Pulsed Neutrons Cooperation DESY Hamburg Berthold In accelerator environments there are better solutions required for the measurement of pulsed radiation fields high energy radiation fields Completely new approach for pulsed neutron dose measurement based on Activation of intermediate instable nuclei with short half-lifes within the detector materials Dose information storage in the form of activation Time resolved detection of delayed decay particles Patents are pending Alfred Klett 23. März Der neue Detektor LB 6419 Für gepulste und kontinuierliche Strahlungsfelder 2 unabhängige Detektions- Kanäle He-3 Neutronenzählrohr Plastik-Szintillator Zeitaufgelöste Messung mit Pulshöhenanalyse 30 Geräte seit 2008 am DESY in Betrieb Alfred Klett 23. März

58 LaBr 3 Spektroskopie-Anwendung Neuer Szintillator mit interessanten Eigenschaften Hohe Auflösung Keine Kühlung erforderlich Neuentwicklung Monitor BAI 9128 Maxi-Spectro Filterband Monitor zur Kontinuierlichen Radioaktivitäts- Überwachung in Abluft oder Umwelt Nuklidanalyse über Gamma-Spektroskopie Strahlungsmessung α/β-messung mit Silizium Halbleiterdetektor 2000 mm² γ-messung mit BrilLanCe 380 LaBr 3 Detektor 51x51 mm mit ORTEC digibase ADC (1024 channels) Alfred Klett 23. März Eigenschaften von LaBr 3 Dichte Brechungsindex g Schmelzpunkt 1116 C Primary Decay Time Hygroskopisch Wellenlänge max. Emission Typische Kristallgrößen 380 nm 1 x1 3 x3 16 ns Zur Zeit noch teuer Wird hergestellt und vertrieben von Saint Gobain Scintillation Products unter der Bezeichnung BrilLanCe TM Alfred Klett 23. März

59 Eigenschaften von LaBr 3 Quelle: Saint-Gobain Crystals Scintillation Products Alfred Klett 23. März Eigenschaften von LaBr 3 Quelle: Saint-Gobain Crystals Scintillation Products Alfred Klett 23. März

60 137 Cs Spektrum NaI LaBr 3 Quelle: Saint-Gobain Crystals Scintillation Products Alfred Klett 23. März Co Spektrum NaI LaBr 3 Quelle: Saint-Gobain Crystals Scintillation Products Alfred Klett 23. März

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