Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Ursachen und die Entwicklung von optischen Absorptionszentren, die wir Strahlenschaden nennen, in Plastik-Szintillatoren und Lichtleitern für die Hochenergiephysik (HEP) untersucht. Als Basismaterial für die Plastik-
Szintillatoren dienen vorwiegend die Polymere Polystyrol (PS) und Polymethylmetha-
crylat (PMMA). Aufgrund der weiten Verbreitung sind PS und PMMA bis heute von
großen Bedeutung für den Detektorbau in der HEP.
In Beschleunigern wie HERA am DESY werden hochenergetische Elektronen (Positronen) mit einer Energie von 30 GeV auf Protonen mit 920 GeV geschossen. Durch tief inelastische Streuung der Elektronen an den Protonen entstehen elektromagnetische und
hadronische Schauer, die zu einer hohen Strahlenbelastung der Detektorkomponenten
durch γ- und Neutronen-Strahlung führen. Bei zukünftigen Beschleunigern wird der
Anteil der schnellen Neutronen deutlicht erhöht sein. Aus diesem Grund widmet sich
diese Arbeit insbesondere den durch schnelle Neutronen induzierten Strahlenschäden.
Diese Strahlenschäden in PS und PMMA wurden mit Hilfe optischer Transmissions-
Spektroskopie und der Elektron-Spin-Resonanz-Spektroskopie (ESR) untersucht.
Durch die ionisierende und Neutronen-Strahlung werden optische Absorptionszen-
tren in den Materialien gebildet. Diese Absorptionszentren sind zunächst radikalischer
Natur. Durch Umsetzung der Radikale untereinander und mit Hilfe von Sauerstoff werden die durch Strahlung gebildeten veränderlichen Absorptionszentren abgebaut und
neue permanente, nichtradikalische Absorptionszentren gebildet. Es wird aufgezeigt, in
welchem Wellenlängenbereich die Radikale optisch absorbieren.
Bisherige Untersuchungen der
The aim of this work is to study the formation of optical absorption
centres in plastic scintillators and light guides which are used in
detectors in High Energy Physics (HEP). Often used basic
materials for these purposes are Polystyrene (PS) and
Polymethylmethachrylate (PMMA). Due to the large popularity of a great
variety of these (scintillating) materials, and in consideration of
the development of new detector components in HEP, we took a special
look at the radiation damage of the ostly used basic materials
Polystyrene (PS) and PolyMethylMethAchrylate (PMMA).
At accelerators like HERA at DESY high energetic electrons with 30 GeV
hit protons with 920 GeV. The deep inelastic scattering of these
particles caused electromagnetic and hadronic showers, which are
responsible for the high radiation stress of the detector
components.
In future accelerators the part of fast neutrons of the radiation
stress will be increased very much out of the interaction of the
hadronic showers with the detector materials. So we took our special
interest to the neutron induced radiation damages in Polystyrene and
PMMA. The knowledge of their change in optical characteristics,
especially the formation of optical absorption centers due to
irradiation is of particular importance for the development of new
detector components.
Radiation caused the formation of radicals, which form optical
absorption centres. The interaction of these radicals with each other
and with oxygen are the reasons the degradation of the radicals and the
formation of permanent optical absorption centres.
Present studies of the radiation hardness were performed with a
60Co source with a γ energy of about 1.3 MeV and a
dose rate of about 100 Gy/h up to a few kGy/h. These high dose rates
are resposible for the complete degradation of the dissolved oxygen in
the materials while irradiation. As we will see, the presence of
oxygen as well as the Linear Energy Transfer (LET) of the radiation
have important influence to radiation damage.
Lower activity and the resulting enlargement of the influence of
oxygen causes an enlargement of the permanent damage by a factor up to 10 in
Polystyrene as well as the high LET of the neutrons causes an enlargement
in the formation of radicals.
The reasons for this behaviour are chemical reactions which become
more important under the new conditions. These irradiation conditions
in this work are more realistic for the operating of future detector
components and they give also a insight in the light yield of the
szintillators SCSN38 and SCSN81 T2 (Kuraray).