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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ion beam mixing in uranium nitride thin films studied by Rutherford Backscattering Spectroscopy
N.-T.H. Kim-Ngan, A.G. Balogh, L. Havela, T. Gouder
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DOI: 10.1016/j.nimb.2010.02.015
Scintillation Screen Investigations for High-Current Ion Beams
E. Gütlich, P. Forck, W. Ensinger, B. Walasek-Hohne
IEEE Transactions On Nuclear Science 57, 1414-1419, 2010
DOI: 10.1109/TNS.2009.2035807
Light Yield, Imaging Properties and Spectral Response of Inorganic Scintillators Under Intense Ion Irradiation
E. Gütlich, P. Forck, W. Ensinger, B. Walasek-Höhne
Proceedings of Beam Instrumentation Workshop 2010 (BIW’10), Jefferson Lab, Santa Fe, USA, p. 151-155.
PDF on CERN server (wird in neuem Tab geöffnet)
Outgassing and degradation of polyimide induced by swift heavy ion irradiation at cryogenic temperature
D. Severin, E. Balanzat, W. Ensinger, C. Trautmann
Journal of Applied Physics 108, 024901, 2010
DOI: 10.1063/1.3457846
Ion Irradiation Studies of Soft Magnetic Metallic Glasses
M. Pavlovič, M. Miglierini, E. Mustafin, T. Seidl, W. Ensinger, I. Strašík, M. Šoka
Acta Physica Polonica A 118, 754-755, 2010
An apparatus for in situ spectroscopy of radiation damage of polymers by bombardment with high-energy heavy ions
O. Baake, T. Seidl, U.H. Hossain, A.O. Delgado, M. Bender, D. Severin, W. Ensinger
Review of Scientific Instruments 82, 045103, 2011
DOI: 10.1063/1.3571301
Radiation Hardness of Insulating Components for the New Heavy-ion Accelerator Facility
T. Seidl, W. Ensinger, E. Floch, E. Mustafin, A.B. Plotnikov, D. Severin, C. Trautmann, A. Golubev, A. Smolyakov, R. Lopez, D. Tommasini
In: A. Adelmann, J. Chrin, M. Marx, V.R.W. Schaa, M. Seidel (Eds.), Proceedings of the 46th ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams, Paul Scherrer Institut, Villigen, 2011, pp. 667-670
PDF on CERN server (wird in neuem Tab geöffnet)
Quantitative Scintillation Screen Studies at GSI-LINAC and Related Model Calculations
E. Gütlich, P. Forck, W. Ensinger, B. Walasek-Höhne
Proceedings of European Workshop on Beam Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators 2011 (DIPAC’11), Desy, Hamburg, p. 164-166.
abstract on DESY server
In-situ investigation of polyvinyl formal irradiated with GeV Au ions
T. Seidl, O. Baake, U.H. Hossain, M. Bender, D. Severin, C. Trautmann, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 272, 400-404, 2012
DOI: 10.1016/j.nimb.2011.01.110
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
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 272, 437-440, 2012
DOI: 10.1016/j.nimb.2011.01.118
Platinum implantation into tantalum for protection against hydrogen embrittlement during corrosion
W. Ensinger, S. Flege, K. Baba
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 272, 441-445, 2012
DOI: 10.1016/j.nimb.2011.01.119
Irradiation induced defect formation and phase transition in nanostructured ZrO2
A.G. Balogh
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 282, 48-58, 2012
DOI: 10.1016/j.nimb.2011.08.063
Depth profiling of residual activity of 237U fragments as a range verification technique for 238U primary ion beam
I. Strašík, V. Chetvertkova, E. Mustafin, M. Pavlovič, A. Belousov
Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams 15, 071001, 2012
DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.15.071001
Influence of swift heavy ion beams and protons on the dielectric strength of polyimide
T. Seidl, A. Plotnikov, E. Mustafin, R. Lopez, D. Severin, E. Floch, C. Trautmann, A. Golubev, A. Smolyakov, D. Tommasini, W. Ensinger
Polymer Degradation and Stability 97, 2396-2402, 2012
DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2012.07.025
Scintillation Screen Studies for High-Dose Ion Beam Applications
E. Gütlich, P. Forck, W. Ensinger, B. Walasek-Höhne
IEEE Transactions on Nuclear Science 59, 2354-2359, 2012
DOI: 10.1109/TNS.2012.2191797
Imaging Properties of Scintillation Screens for High Energetic Ion Beams
R. Krishnakumar, F. Becker, W. Ensinger, P. Forck, R. Haseitl, B. Walasek-Höhne
IEEE Transactions on Nuclear Science 59, 2301-2306, 2012
DOI: 10.1109/TNS.2012.2197417
Correlations in Nuclear Interactions between ECM/u and Unexplained Experimental Observables
W. Westmeier, R. Brandt, R. Hashemi-Nezhad, R. Odoj, W. Ensinger, M. Zamani-Valasiadou, A Sosnin
World Journal of Nuclear Science and Technology 2, 125-132, 2012
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Short and long term ionizing radiation effects on charge-coupled devices in radiation environment of high-intensity heavy ion accelerators
A Belousov, E Mustafin, W Ensinger
Journal of Instrumentation 7, C11002, 2012
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Ion beam based composition and texture control of titanium nitride
W. Ensinger, E. Marin, L.Guzman
Vacuum 89, 229-232, 2013
DOI: 10.1016/j.vacuum.2012.05.021
Influence of xenon ion irradiation on magnetic susceptibility of soft-magnetic alloys
M. Pavlovič, M. Miglierini, E. Mustafin, W. Ensinger, A. Šagátová, T. Seidl, M. Šoka
Proceedings of the 19th International conference on APPLIED PHYSICS OF CONDENSED MATTER (eds. J. Vajda, I. Jamnický), 2013, p. 78-81
Combined in-situ infrared and mass spectrometric analysis of high-energy heavy ion induced degradation of polyvinyl polymers
U.H. Hossain, T. Seidl, W. Ensinger
Polymer Chemistry 5, 1001-1012, 2014
DOI: 10.1039/C3PY01062G
CCD based beam loss monitor for ion accelerators
A. Belousov, E. Mustafin, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 743, 86-89, 2014
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On-line and post irradiation analysis of swift heavy ion induced modification of PMMA (polymethyl-methacrylate)
U.H. Hossain, V. Limaa, O. Baake, D. Severin, M. Bender, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 326, 135-139, 2014
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Influence of High Energy Heavy Ions on Magnetic Susceptibility of Soft Magnetic Metallic Glasses
M. Pavlovič, M. Miglierini, E. Mustafin, T. Seidl, M. Šoka, W. Ensinger
Acta Physica Polonica A 126, 54-55, 2014
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A Comparative Study on Degradation Characteristics of Fluoropolymers Irradiated by High Energy Heavy Ions
U.H. Hossain, F. Muench, W. Ensinger
RSC Advances 4, 50171-50179, 2014
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Radiation damage studies of soft magnetic metallic glasses irradiated with high-energy heavy ions
M. Pavlovic, M. Miglierini, E. Mustafin, W. Ensinger, A. Šagátová, M. Šoka
Radiation Effects and Defects in Solids 170, 1-6, 2015
DOI: 10.1080/10420150.2014.993635
Decomposition and CO2 evolution of an aliphatic polymer under bombardment with high energy heavy ions
U.H. Hossain, W. Ensinger
Polymer Degradation and Stability 119, 132-138, 2015
DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2015.05.006
High-temperature scintillation of alumina under 32 MeV 63Cu5+ heavy-ion irradiation
S. Lederer, S. Akhmadaliev, J. von Borany, E. Gütlich, A. Lieberwirth, J. Zimmermann, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 359, 161-166, 2015
DOI: 10.1016/j.nimb.2015.07.131
Experimental simulation of radiation damage of polymers in space applications by cosmic-ray-type high energy heavy ions and the resulting changes in optical properties
U.H. Hossain, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 365, Part A, 230-234, 2015
DOI: 10.1016/j.nimb.2015.06.007
Response from inorganic scintillation screens induced by high energetic ions
A. Lieberwirth, W. Ensinger, P. Forck, S. Lederer
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 365, Part B, 533-539, 2015
DOI: 10.1016/j.nimb.2015.07.111
Thermal annealing behavior of α-Al2O3 scintillation screens
S. Lederer, S. Akhmadaliev, P. Forck, E. Gütlich, A. Lieberwirth, W. Ensinger
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 365, Part B, 548-552, 2015
DOI: 10.1016/j.nimb.2015.08.024
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
Proceedings of IBIC2016, Barcelona, Spain, p. 516-519
DOI: 10.18429/JACoW-IBIC2016-TUPG70
High surface stability of magnetite on bi-layer Fe3O4/Fe/MgO(0 0 1) films under 1 MeV Kr+ ion irradiation
N.-T. H. Kim-Ngan, M. Krupska, A.G. Balogh, P. Malinsky, A. Mackova
Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 8, 045005, 2017
DOI: 10.1088/2043-6254/aa84e2
Mass spectrometric comparison of swift heavy ion-induced and anaerobic thermal degradation of polymers
V. Lima, U.H. Hossain, T. Walbert, T. Seidl, W. Ensinger
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