Bernd Bodmann, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2003 :

"Strahlenschäden in Plastik-Szintillatoren nach γ- und Neutronen-Bestrahlung"



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Summary

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

Titel

Kurzfassung

Summary

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).