" Fluoreszenz von Kunststoffszintillatoren durch Röntgenstrahlung"

Kurzfassung

Für zwei Lichtleiter- und vier Szintillatorfasern wurde das Absorptionsverhalten während und nach Bestrahlung mit 100-keV-Röntgenstrahlung in Luft mit Hilfe der Transmissionsspektroskopie beobachtet. Untersucht wurden die Lichtleiter BCF-98 (Bicron) aus Polystyrol und FL-51 (Hoechst) aus Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie die Polystyrol-Szintillatoren SCSF-38, SCSF-81, SCSF-81(Y7) (Kuraray) und BCF-60 (Bicron).

Wohlbekannt ist ein permanenter optischer Strahlenschaden, der durch stabile Absorptionszentren hervorgerufen wird. Dieser entwickelt sich in BCF-98 in den hier durchgeführten Untersuchungen bis zu Dosen von 6 kGy proportional zur applizierten Dosis; die Strahlenempfindlichkeit ist jedoch um einen Faktor 13 größer als in unabhängigen Messungen mit höheren Bestrahlungsdosen, die zum Vergleich herangezogen wurden. Eine lineare Extrapolation von Strahlenschäden durch Hochdosisbestrahlungen auf die Strahlenempfindlichkeit der Polymere bei geringen Dosen ist demnach nicht möglich.

Zusätzlich zum Permanentschaden wurden in allen Fasern kurzlebige Absorptionszentren beobachtet, die innerhalb von Stunden zerfallen. In den Lichtleitern ist ihre Absorption sehr schwach ausgeprägt. Die kurzlebige Absorption in PMMA kann einem Peroxidradikal zugeordnet werden. Für Polystyrol kann die Kinetik der Absorptionsentwicklung mit einem vorgeschlagenen Modell beschrieben werden, indem diese kurzlebigen Absorptionen von Radikalen hervorgerufen werden, die dann zu stabilen Absorptionszentren rekombinieren. Diese rufen den bekannten Permanentschaden hervor. Obwohl ständig Sauerstoff in der Faser vorhanden war, der nach gängiger Annahme die Bildung von messbaren Konzentrationen von Radikalen verhindert, wurde deren Entstehung in den ersten Bestrahlungsphasen beobachtet.

Neben dem Schaden der Grundmatrix im UV-Bereich zeigten alle Szintillatoren die Bildung von sich sehr schnell entwickelnden und zurückbildenden Absorptionen im sichtbaren Bereich. Sie werden abhängig von der Fasersorte von einem oder zwei Absorptionszentren hervorgerufen. Zum Teil überlappen sie den Fluoreszenzlichtbereich, bei SCSF-81 wurde im gesamten Fluoreszenzspektrum ausheilende Absorption beobachtet. BCF-60 bildet deutliche Absorptionen nur unterhalb des Emissionsspektrums, SCSF-38 zeigt ein von zwei Zentren hervorgerufenes breites Absorptionsband im roten Spektrum. Es hat nur wenig Einfluss auf das Fluoreszenzlicht.

Eine Berechnung der Einflüsse der Transmissionsverluste auf das Fluoreszenzlicht wurde durchgeführt. Die beobachtete Fluoreszenzlichtintensität fiel in den Bestrahlungen sehr viel stärker aus als durch Transmissionseffekte erklärbar; die Fluoreszenzfarbstoffe werden direkt durch die Strahlung in Mitleidenschaft gezogen. Nach den Bestrahlungen zeigten sich besonders in SCSF-38 starke Ausheileffekte der Farbstoffe, die nach 2 Tagen Ausheilzeit wieder vollständig reaktiviert waren.

Titel

Kurzfassung

Summary

Radiation resistance of plastic scintillators becomes more and more important in high energy physics, especially calorimeters close to beampipes are exposed to a high radiation background. During irradiation the used polymers form color centers absorbing visible and ultraviolet light and so reducing the light yield. This leads to a decrease in energy resolution. The work on hand investigates the formation and decay of such absorption centers.

A permanent radiation damage induced by stable absorption centers is well known. In the presented investigations, it rises linearly with dose in BCF-98 up to doses of 6 kGy, but the radiation sensitivity is larger by a factor of 13 than in independent experiments with higher irradiation doses. According to this, a linear extrapolation of radiation damages at high doses to radiation sensitivity of polymers at low doses is impossible.

In addition to the permanent damage shortlived absorption centers decaying within hours were found in all fibers. In the lightguides their absorption is very weak. In PMMA this shortlived absorption can be attributed to a peroxide radical. For polystyrene the kinetics of absorption development is well described by a proposed model with radicals causing this shortlived damage. They recombine to stable absorption centers which produce the known permanent damage. The formation of radicals was observed in early irradiation phases despite the presence of oxygen in the fiber which is presumed to prevent the development of measurable concentrations of radicals.

Besides the damage of the basic matrix in ultraviolet regions all scintillators showed the formation of very fast developing and annealing absorptions in the visible spectrum. Depending on the type of fiber they are caused by one or two absorption centers. Partly they overlap the fluorescence spectrum, in SCSF-81 shortlived absorption was observed in the whole emission spectrum. BCF-60 builds up noticible absorptions only below the emission spectrum, SCSF-38 shows a broad absorption band in the red region caused by two centers. It has only a small influence on the fluorescence light.

A calculation of the influences of transmission loss on the fluorescence light was performed. The observed fluorescence light yield dropped off much more than explainable by transmission effects. This means that the fluorescence dyes are directly affected by irradiation. After irradiation, especially in SCSF-38 the dyes showed strong annealing effects. After 2 days they had recovered completely.