Kurzfassung
Die Strahlungsstabilität von Szintillatoren ist eine wichtige Voraussetzung
für erfolgreiche Experimente in der Hochenergiephysik, insbesondere für
strahlrohrnahe Kalorimeter, die einem hohen Strahlungsuntergrund ausgesetzt
sind. Während der Bestrahlung von Plastikszintillatoren entstehen im
Material Radikale, die ultraviolettes und sichtbares Licht absorbieren.
Gegenstand der vorliegenden Untersuchungen sind u.a. kurzlebige
Absorptionszentren in der Faser BCF12 (Bicron), die das Fluoreszenzlicht
und damit die Detektoreigenschaften negativ beeinflussen. Durch Strahlung
induzierte Radikale sind in der Regel instabil und zerfallen sehr schnell
in Radikale, die bei Raumtemperatur stabil sind. Kurzlebige
Absorptionszentren können nur nachgewiesen werden, wenn die Untersuchungen
während und unmittelbar nach der Bestrahlung durchgeführt werden.
Dabei besteht eine Parallele zum Detektorbetrieb, wo kurzlebige
Absorptionszentren durch den Strahlungsuntergrund beim Beschleunigerbetrieb
entstehen. Das kann im besonderen Maße bei strahlungsintensiven
Experimenten durch Transmissionsverluste die genaue Kalibrierung
beeinträchtigen.
Zwei Arten von Absorptionszentren sind seit langer Zeit bekannt:
Stabile Absorptionszentren bilden den permanenten Schaden, während andere
Absorptionszentren z. B. in Gegenwart von Sauerstoff oder bei höheren
Temperaturen abgebaut werden.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Online-Untersuchungen des
Strahlenschadens während der Bestrahlung haben einen weiteren Typ von
Absorptionszentren nachgewiesen, welche eine typische Lebensdauer von
einigen Stunden aufweisen. Diese kurzlebigen Absorptionszentren sind für
beobachtete Dosisleistungse"ffekte der Strahlenschädigung verantwortlich.
Das Verhalten der BCF12-Fasern wird im wesentlichen durch zwei breitbandige
Absorptionszentren bestimmt, von denen das erste unterhalb von 540 nm und
das zweite im Wellenlängenbereich von 500 nm bis 700 nm mit einem Maximum
um 580 nm absorbiert. Diese Absorptionszentren absorbieren das
Fluoreszenzlicht des Szintillators. Die kurzwellige Absorption gehört
zu stabilen Radikalen, die in Anwesenheit von Sauerstoff sehr schnell
zerfallen, während die langwellige Absorption durch Radikale verursacht
wird, die mit einem Prozeß zweiter Ordnung beschrieben werden.
Die Anwesenheit von Sauerstoff reduziert deshalb die Schädigung während
der Bestrahlung sehr deutlich. Der Abbau des Sauerstoffs während der
Bestrahlung führt jedoch zu einem Anstieg der Schädigung, welcher für
Bestrahlung in Luft schon für Dosisleistungen von 8 Gy/h beobachtet wurde.
Mit dem gemessenen Transmissionsverlust wurde die rechnerische Beschreibung
der Absorptionsverluste, die das Fluoreszenzlicht erleidet, in guter
Übereinstimmung mit dem gemessenen Fluoreszenzlichtsignal durchgeführt.
Für eine Faser mit einer Abschwächlänge von 100 cm reduziert sich diese
nach Bestrahlung und Ausheilung in Luft mit einer Dosis von 2,5 kGy bei
42 Gy/h demnach auf 55 cm. Die kleinste Abschwächlänge beträgt vor der
Ausheilung 40 cm. In sauerstoff"|freier Atmosphäre reduziert sich die
Abschwächlänge sogar auf 11 cm.
Radiation stability of scintillators is an important requirement for successful experiments in high energy physics, especially for narrow-beam calorimeters exposed to a high radiation background. Radicals absorbing visible and ultraviolet light are formed in the material during irradiation of plastic scintillators. In the work at hand, among others shortlived absorption centers for the fiber BCF12 (Bicron) were investigated, which have a negative effect on the fluorescence light and thus on the performance of the detector. Radicals generated during irradiation are mostly unstable and decay into radicals which are stable at room temperature. Shortlived absorption centers can only be detected if the investigation is carried out during and directly after the irradiation process. This corresponds to the situation in a detector, where shortlived absorption centers are formed by the radiation background during detector operation. This can decrease the transmission of light and thus impair precise detector calibration, particularly in high-dose rate environments. Two types of absorption centers have been known for a long time: The first are stable and responsible for a permanent damage in the polymers, the second kind recovers for example when oxygen is present or in higher temperatures. On-line investigations regarding the radiation damage during irradiation presented as part of this work have revealed a further type of absorption center with a typical mean lifetime of a few hours. These shortlived absorption centers are responsible for the dose rate dependence of the radiation damage observed. The behaviour of BCF12 fibers during irradiation in argon is determined in the main by two broad absorption bands, ranging up to 540 nm and from 500--700 nm, respectively with a peak at a wavelength of 580 nm; these bands overlap with the emission spectrum of the scintillator. The lower band belongs to stable radicals, which decay very fast in the presence of oxygen, whereas the upper band is caused by radicals, whose kinetic is described by a second order process. Therefore, the presence of oxygen significantly reduces the damage during irradiation. However, the reduction of Oxygen during irradiation results in an increase in damage. This has been observed for a dose rate of only 8 Gy/h during irradiation in air. Using the measured radiation-induced absorption, the transmission loss of the fluorescence light for different geometries was calculated. The calculated and the measured loss of fluorescence light during irradiation correspond well. For a fiber with an attenuation length of 100 cm, this loss amounts to 45 % after irradiation and recovery in air with a dose of 2.5 kGy at a dose rate of 42 Gy/h. The shortest attenuation length during irradiation before recovery was calculated to 40 cm. In an oxygen-free atmosphere the calculated attenutaion length for the same dose actually decreased to 11 cm.