Materialien in Strahlungsfeldern

Materialien in Strahlungsfeldern

In einer Reihe von Anwendungen, wie in Nuklearanlagen, Teilchenbeschleunigern und im Weltraum, sind Materialien energetischer ionisierender Strahlung ausgesetzt. Diese Bestrahlung kann zu einer Degradation der Materialeigenschaften führen.

Polymere sind in dieser Hinsicht besonders anfällig. In Zusammenarbeit mit der GSI werden Polyimide und Polyepoxide, die Bestandteile der supraleitenden Strahlführungsmagnete sind, bestrahlt mit relativistischen schweren Ionen und hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert, wie der Netzwerkdegradation und elektrischen Leitfähigkeit.

Ein weiteres Material ist polykristalliner Graphit, der als Targetrad und Strahlfänger eingesetzt wird.

Untersuchungen an Szintillatoren für die Hochstrom-Diagnose von Schwerionenstrahlen

Szintillationsschirme werden an Beschleunigeranlagen standardmäßig verwendet, um ein zweidimensionales Abbild des Teilchenstrahls zu erhalten und somit Lage, Form und Intensitätsverteilung im Strahlrohr zu bestimmen. Dazu wird der Leuchtschirm in den Ionenstrahl gebracht, durch diesen zur Szintillation angeregt und das emittierte Licht mit einem geeigneten Detektor (z.B. CCD-Kamera) registriert. Neben der direkten Abbildung des Strahls sind Leuchtschirme ein häufig verbautes Element in anderen Diagnosetools, z.B. in der sogenannten Pepper-Pot-Vorrichtung zur Bestimmung der Brillanz des Strahls oder auch als bildgebendes Element hinter Multi-Channel-Plates (MCP).

Da sich im Allgemeinen der Leuchtschirm als strahlzerstörendes Werkzeug direkt im Primärstrahl befindet, sind die verwendeten Materialien extrem hohen Strahlintensitäten ausgesetzt. Die daraus resultierenden Strahlenschäden führen zur raschen Degradation der eingesetzten Materialien sowie unter Umständen zur falschen Abbildung des Ionenstrahls.

Deshalb wurden die Eigenschaften von Szintillationsschirmen in Abhängigkeit verschiedener Strahlparameter (Projektil-Ion, Energie, Energieverlust dE/dx, Teilchenfluenz, Targettemperatur) untersucht. Verschiedene inorganische Materialien wurden in zwei Teilprojekten untersucht:

Niedrig-Energiebereich: Durchführung von Experimenten am UNILAC am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt sowie am 6 MV-Tandetron des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) in Dresden mit Teilchenenergien von 0,5 bis 11,4 MeV/u.

Hoch-Energiebereich: Durchführung von Bestrahlungsexperimenten am Schwerionensynchrotron SIS18 am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH mit Energien von einigen hundert MeV/u.

Die Untersuchungen konzentrieren sich nicht nur auf bereits herkömmlich genutzte Szintillatoren (z.B. P43, P46, Al2O3:Cr), sondern auch auf keramische und als besonders strahlenhart bekannte Materialien (z.B. Al2O3, ZrO2). Die Eigenschaften der Materialien (Lichtausbeute, Strahlbreite und höhere statistische Momente) wurden untereinander verglichen. Das Abbild verschiedener Ionenstrahlpulse wurde mit einer digitalen CCD-Kamera aufgenommen und einzeln ausgewertet. Im Niedrig-Energiebereich ergibt sich bei allen Materialien eine Abschwächung der Lichtausbeute in Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer. Dies wird auf die massive Erzeugung von Strahlenschäden (Leerstellen, Interstitials etc.) zurückgeführt. Die aufgenommene Strahlbreite zeigte eine Abhängigkeit vom Szintillationsmaterial.

Relative Lichtausbeute von α-Al2O3 unter Bestrahlung mit 63Cu5+-Ionen @ 0,5 MeV/u bei Raumtemperatur, 573 K, 673 K und 773 K.
Relative Lichtausbeute von α-Al2O3 unter Bestrahlung mit 63Cu5+-Ionen @ 0,5 MeV/u bei Raumtemperatur, 573 K, 673 K und 773 K.

Zudem hängen sowohl Lichtausbeute als auch Strahlbreite von der Schirmtemperatur ab, die durch die Ionenbestrahlung zunimmt. Mit zunehmender Temperatur ist ein durch thermisches Quenchen verursachter Rückgang der Lichtausbeute zu verzeichnen. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass durch eine gezielte thermische Behandlung der Materialien die weitere Degradation der Lichtausbeute verhindert werden kann (Abbildung 1). Dies wird auf diffusionsgesteuerte Ausheilungsprozesse der erzeugten Strahlenschäden zurückgeführt. Somit stellt das Tempern der Materialien ein wirksames Instrument dar, um die Lebensdauer der Leuchtschirme zu verlängern.

Bei der Bestrahlung im Hoch-Energiebereich tritt die oben skizzierte Degradation der Leuchtschirme nicht bzw. in einem wesentlich geringeren Ausmaß auf. Daher kann hier für die Strahldiagnose auf konventionelle Szintillatoren zurückgegriffen werden. Die effizienteste Umsetzung von Energie in Licht wurde am Phosphor P43 gemessen. Die höchste Lichtausbeute insgesamt wurde von einem Cerium-dotierten YAG Einkristall gemessen. Dieser Kristall zeigte jedoch auch die größten Abweichungen in der Abbildung des Strahlprofils. Beide Effekte werden der Schirmdicke von etwa 1 mm zugeschrieben (Abbildung 2). Eine Abnahme der Lichtausbeute in Abhängigkeit der Bestrahlungsdauer war kaum oder gar nicht zu verzeichnen. Der Grund dafür ist die weniger intensive Erzeugung von Strahlenschäden, da nur ein Bruchteil der Projektil-Energie direkt im Material deponiert wird (Bragg-Kurve). Es lässt sich jedoch eine Abnahme der Lichtausbeute mit zunehmender Größe des Projektils erkennen. Dies kann möglicherweise mit der Nichtproportionalität von Szintillatoren erklärt werden.

Lichtausbeute aller untersuchter Leuchtschirmmaterialien unter Bestrahlung mit schnell extrahierten 92U-Ionen @ 292 MeV/u in Abhängigkeit der Pulsstärke.
Lichtausbeute aller untersuchter Leuchtschirmmaterialien unter Bestrahlung mit schnell extrahierten 92U-Ionen @ 292 MeV/u in Abhängigkeit der Pulsstärke.
 

Publikationen

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abstract on DESY server
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Chromium Nitride Films Formed by Ion Beam Assisted Deposition at Low Nitrogen Ion Energies in Comparison to High Energies
W. Ensinger, S. Flege, M. Kiuchi, K. Honjo
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Platinum implantation into tantalum for protection against hydrogen embrittlement during corrosion
W. Ensinger, S. Flege, K. Baba
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Irradiation induced defect formation and phase transition in nanostructured ZrO2
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On-line and post irradiation analysis of swift heavy ion induced modification of PMMA (polymethyl-methacrylate)
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Decomposition and CO2 evolution of an aliphatic polymer under bombardment with high energy heavy ions
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Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 365, Part B, 533-539, 2015
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Thermal annealing behavior of α-Al2O3 scintillation screens
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Test of the Imaging Properties of Inorganic Scintillation Screens Using Fast and Slow Extracted Ion Beams
A. Lieberwirth, W. Ensinger, P. Forck, O. Kester, S. Lederer, T. Sieber, B. Walasek-Höhne
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High surface stability of magnetite on bi-layer Fe3O4/Fe/MgO(0 0 1) films under 1 MeV Kr+ ion irradiation
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