Strahlenschutz an BESSYII und Strahlenschutzplanungen für BERLinPro

Workshop Strahlenschutz und allgemeine Sicherheit an Synchrotronstrahlngsquellen

WSAS11, KIT, 27.6. – 28.6.2011

Klaus Ott

Helmholtz-Zentrum Berlin, BESSYII, Albert-Einstein-Str.15, 12489 Berlin, Germany

22

EinfEinfüührunghrung

•• BESSY/MLS BESSY/MLS ÜÜberblickberblick•• Gepulste StrahlungGepulste Strahlung•• SynchrotronstrahlungSynchrotronstrahlung•• GasbremsstrahlungGasbremsstrahlung•• BeamdumpsBeamdumps•• Zusammenfassung Teil 1Zusammenfassung Teil 1•• BBERLERLinProinPro ÜÜberblickberblick•• Herleitung analytischer AbschirmformelnHerleitung analytischer Abschirmformeln•• AbschirmungAbschirmung•• Zusammenfassung Teil 2Zusammenfassung Teil 2

33

Gegründet 1979 als BESSY GmbH

(Berliner Elektronenspeicherring Gesellschaft für Synchrotronstrahlung

1982-1999 BESSY I in Berlin - Wilmersdorf

seit 1998 Betrieb von BESSY II in Berlin - Adlershof

seit 2000 Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

31.12.2008 230 Angestellte (90 Wissenschaftler)

1.1.2009 Fusion mit Hahn-Meitner-Institut Berlin

zum Helmholtz-Zentrum Berlin

44

Elektronenenergie (GeV)

Umfang (m)

Emittanz (m rad)

Gerade Sektionen

ID‘s

Brillianz (Ph/mm2/mrad2/0.1% BW)

0.9 – 1.9

240

6 x 10-9

16

14

ca. 1019

Beamlines 51

Parameter und BeamlinesParameter und Beamlines

55

In der Experimentier Halle

51 Beam lines in operationin 2011

66

Photon Radiometry

PTB in Berlin-Adlershof: Metrology with synchrotron radiation

PTB laboratory at BESSY II

Metrology Light Source (MLS)

• Start of construction: September 2004

• Start of commissioning: January 2007

• Start of user operation: 2008

PBI I

Willy-Wien-Laboratory with Metrology Light Source (MLS)

77

MLS in the Willy-Wien-Laboratory PBI I

Photon Radiometry

88

Metrology Light Source

Mikrotron 100 MeV, <100 nA@10Hz, tacc <1 µs Speicherring MLS• 48 m Umfang

• Elektronenenergie

200 MeV to 630 MeV

• charakt. Photonenenergie

12 eV to 314 eV

• Ringstrom

1 pA (=1 e-) bis 200 mA

• Emittanz (600 MeV)

100 nm rad

PBI I

Photonen Radiometrie

99

Probleme bei Probleme bei StarhlungsmessungenStarhlungsmessungen an an Synchrotron StrahlungsquellenSynchrotron Strahlungsquellen

•• Hochenergetische Teile des Spektrum (bes. Neutronen)Hochenergetische Teile des Spektrum (bes. Neutronen)•• --> 1 cm > 1 cm leadlead layerlayer (INFN) (n,2n) Reaktionen ((INFN) (n,2n) Reaktionen (Berthold,ThermoBerthold,Thermo))•••• Gepulste Strahlung (300nsec @10Hz BESSY, 150nsec @10 Hz MLS) Gepulste Strahlung (300nsec @10Hz BESSY, 150nsec @10 Hz MLS)

bei Injektionbei Injektion•• --> > AktivierungsdetAktivierungsdet. (PTB M. . (PTB M. LuszikLuszik--Bhadra),(DESYBhadra),(DESY A.LeuschnerA.Leuschner) )

--> > AgRemAgRem nicht erhnicht erhäältlich, LB6419 braucht ltlich, LB6419 braucht µµSv/SchuSv/Schußß ffüür Statistik r Statistik

•• Gepulste Strahlung bei langsamer Rep. Rate (bes. Gepulste Strahlung bei langsamer Rep. Rate (bes. Ionisationskammern, z.B. 1 /min Ionisationskammern, z.B. 1 /min TopTop--UpUp, bes. Injektionsmodus mit , bes. Injektionsmodus mit offenen offenen BeamshutternBeamshuttern))

•• Strahlungspulse (Beamdumps bei offenen Beamshutter)Strahlungspulse (Beamdumps bei offenen Beamshutter)

•• Synchrotronstrahlung (Synchrotronstrahlung (EcEc 2.5 keV Dipol, 1 keV Undulator) 2.5 keV Dipol, 1 keV Undulator)

1010

MLS MLS TransferlineTransferline

•• LB6419LB6419•• II--KammerKammer•• AgRemAgRem•• BioremBiorem•• Target 2 cm Target 2 cm

Al (FOM)Al (FOM)

1111

FlukaFluka Simulation des Experiments Simulation des Experiments Gamma Rad.Gamma Rad.

•• 100 MeV /15 nA100 MeV /15 nA•• 10 Hz 10 Hz •• FOM (Al FOM (Al targettarget 2 cm)2 cm)•• 1 m Abstand 1 m Abstand

II--Kammer Kammer -- FOMFOM•• H*(10)H*(10)•• Detailliertes Detailliertes

MagnetjochMagnetjoch•• Dosisleistung bei Dosisleistung bei

II--Kammer (links) Kammer (links) 32 32 --100 mSv/h100 mSv/h

1212

•• 100 MeV /15 nA100 MeV /15 nA•• 10 Hz 10 Hz •• FOM (Al FOM (Al targettarget 2 cm)2 cm)•• 1 m Abstand 1 m Abstand

Biorem Biorem -- FOMFOM•• H*(10)H*(10)•• Detailliertes Detailliertes

Magnetjoch Magnetjoch •• Dosisleistung beim Dosisleistung beim

Neutronendetektor 30 Neutronendetektor 30 cm PE ball (rechts)cm PE ball (rechts)

•• 10 10 --22 mSv/h22 mSv/h

FlukaFluka Simulation des Experiments Simulation des Experiments NeutronenstrahlungNeutronenstrahlung

1313

Neutronenmessungen@MLSNeutronenmessungen@MLS

•• VorverstVorverstäärker 10 rker 10 µµsec sec TotzeitTotzeit

•• SCHWARZ: ISCHWARZ: I--Kammer linear bis Kammer linear bis 74 mSv/h (10 Hz)74 mSv/h (10 Hz)

•• BLAU: LB6419 BLAU: LB6419 PlastikszintillatorPlastikszintillator in Sin Säättigung (Werte*100)ttigung (Werte*100)

•• ROT: ROT: AgRemAgRem•• BLAU: LB6419 He3 in SBLAU: LB6419 He3 in Säättigung ttigung

keine 12C(n,p)12B Ereignisse keine 12C(n,p)12B Ereignisse (Schwellenenergie 13 MeV)(Schwellenenergie 13 MeV)

•• Bei 613 Bei 613 µµSv/h wahre Sv/h wahre Dosisleistung bereits 13.5 mSv/h Dosisleistung bereits 13.5 mSv/h

•• Nicht abhNicht abhäängig von f und ngig von f und Pulsbreite; nur Dosis/Acc. PulsPulsbreite; nur Dosis/Acc. Puls

1414

Neutronenmessungen@MLSNeutronenmessungen@MLS

•• VorverstVorverstäärker 10 rker 10 µµsec sec TotzeitTotzeit

•• SCHWARZ: ISCHWARZ: I--Kammer linear bis Kammer linear bis 74 mSv/h (10 Hz)74 mSv/h (10 Hz)

•• BLAU: LB6419 BLAU: LB6419 PlastikszintillatorPlastikszintillator in Sin Säättigung (Werte*100)ttigung (Werte*100)

•• ROT: ROT: AgRemAgRem Dosisleistung ist in Dosisleistung ist in guter guter ÜÜbereinstimmung mit bereinstimmung mit TotzeitkorrekturTotzeitkorrektur und FLUKA und FLUKA BerechnungBerechnung

•• BLAU: LB6419 He3 in SBLAU: LB6419 He3 in Säättigung ttigung keine 12C(n,p)12B Ereignisse keine 12C(n,p)12B Ereignisse (Schwellenenergie 13 MeV)(Schwellenenergie 13 MeV)

•••• Bei 613 Bei 613 µµSv/h wahre Sv/h wahre

Dosisleistung bereits 13.5 mSv/h Dosisleistung bereits 13.5 mSv/h •• Nicht abhNicht abhäängig von f und ngig von f und

Pulsbreite; nur Dosis/Acc. PulsPulsbreite; nur Dosis/Acc. Puls

Meßfehler Jahresdosis < 0.2 mSvAber: Max. Dosisleistung Sperrberiche erforderlich

1515

Neutron Neutron measurements@MLSmeasurements@MLS

•• Schneller VorverstSchneller Vorverstäärker 1.9 rker 1.9 µµs s TotzeitTotzeit sonst identisch sonst identisch ((ThermoThermo))

••

•• NeutronenmesswerteNeutronenmesswerte linear linear bis 1.0 mSv/h (10 Hz) =bis 1.0 mSv/h (10 Hz) = 27 nSv/acc. pulse27 nSv/acc. pulse Nicht abhNicht abhäängig von ngig von ttaccacc

•• Bei 3849 Bei 3849 µµSv/h wahre Sv/h wahre Dosisleistung 13.5 mSv/h Dosisleistung 13.5 mSv/h

•• Nicht abhNicht abhäängig von f und ngig von f und Pulsbreite; nur Dosis/Acc. PulsPulsbreite; nur Dosis/Acc. Puls

1616

Aufbereitung von SR

1717

4 Arten von Beamlines4 Arten von Beamlines

•• 1.) Dipol Beamlines1.) Dipol BeamlinesEc = 2.5 keV at 1.7 GeV, SR aborbiert im Vakuum- system, wenige Probleme mit Gasbremsstrahlung

2.) W/U Beamlines mit abgelenkter SR2.) W/U Beamlines mit abgelenkter SR

Ec = 2 keV (Wiggler) 1 keV (Undulator) , SR absorbiert im Vakuumsystem. Absorption von Gasbremsstrahlung downstream von Spiegelkammer. Keine transversale Abschirmung von Gas- bremsstrahlung

1818

•• 3.) W/U Beamlines mit nichtabgelenkter 3.) W/U Beamlines mit nichtabgelenkter SRSREc < 2 keV, SR absorbiert im Vakuumsystem

Absorption von Gasbremsstrahlung am Experiment Personen Interlocksystem (PSI) notwendig

4.) Beamlines von supraleitenden Magneten4.) Beamlines von supraleitenden Magneten

Ec > 10 keV, Hutch mit PSI (4 - 6 mm Pb) Absorption von Gasbremsstrahlung am Experiment oder Spiegelkammer Keine transversale Abschirmung von Gasbremsstrahlung

4 Arten von Beamlines4 Arten von Beamlines

1919

HutchHutch (7 T MPW Beamlines)(7 T MPW Beamlines)

2020

HutchHutch von 7 T MPW BL (Dach)von 7 T MPW BL (Dach)

2121

7 T 7 T MultipolwigglerMultipolwiggler hutchhutch at BESSY at BESSY ((opticsoptics hutchhutch + 2 + 2 expexp hutches)hutches)

•• 6 mm Pb + 2x2 mm Stahl 6 mm Pb + 2x2 mm Stahl (MAGS 4 mm Pb)(MAGS 4 mm Pb)

•• WeisslichtWeisslicht Beamline (Beamline (--12 mrad)12 mrad)•• Monochromatische Beamline (+ 1 mrad)Monochromatische Beamline (+ 1 mrad)

2222

SR Spektrum von 7 T SR Spektrum von 7 T MultipolwigglerMultipolwiggler

•• Berechnet mit Berechnet mit SPECTRA8 SPECTRA8 (T. Tanaka und (T. Tanaka und H. H. KitamuraKitamura 2001) 2001)

•• 3 3 mradHmradH•• Vert. integriertVert. integriert•• 1.9 GeV1.9 GeV•• 300 mA300 mA•• Ec=16.875 keVEc=16.875 keV•• 7.088E17 7.088E17 ph/secph/sec

2323

FLUKA FLUKA SampledSampled SpectrumSpectrum

•• Cu Cu targettarget in in SlitKammerSlitKammer

•• Realistische Realistische GeometryGeometry

•• ShieldingShielding der der HutchHutch ist OKist OK

2424

FLUKA FLUKA sampledsampled spectrumspectrum

•• Cu Target in Cu Target in SlitSlit-- kammerkammer

•• Simulation mit Balg Simulation mit Balg (NICHT REAL)(NICHT REAL)

•• BBäälge in Hutches lge in Hutches sollten nicht bei sollten nicht bei StreukStreuköörpern rpern positioniert oder positioniert oder falls doch falls doch abgeschirmt werdenabgeschirmt werden

2525

GasbremsstrahlungGasbremsstrahlung

Peak Dosisleistung BESSYII

2626

GasbremsstrahlungGasbremsstrahlung

•• 1.9 GeV1.9 GeV•• 300 mA300 mA•• GastargetGastarget

(ESRF 2008) (ESRF 2008) HH22: 80% : 80% CO: 10 % CO: 10 % COCO22: 5 % : 5 % CHCH44: 3% : 3% HH22O: 2 % O: 2 % (Partialdruck)(Partialdruck)

•• < 1< 1µµSv/h Sv/h auaußßerhalb erhalb HutchHutch

2727

Neutronendosis durch GasbremsstrahlungNeutronendosis durch Gasbremsstrahlung

•• 1.9 GeV1.9 GeV•• 300 mA300 mA•• GastargetGastarget

(ESRF 2008) (ESRF 2008) HH22: 80% : 80% CO: 10 % CO: 10 % COCO22: 5 % : 5 % CHCH44: 3% : 3% HH22O: 2 % O: 2 % (Partialdruck)(Partialdruck)

•• <0.1 <0.1 µµSv/h Sv/h auaußßerhalb erhalb HutchHutch

2828

Messungen von GasbremsstrahlungMessungen von Gasbremsstrahlung

•• Alle Sektionen (auAlle Sektionen (außßer 4)er 4)•• Dosisleistung < 0.1 Dosisleistung < 0.1 µµSv/h transversal in 1 Sv/h transversal in 1

m Abstand zur 0m Abstand zur 0°° BeamlineBeamline•• Sektion 4 (7T MPW)Sektion 4 (7T MPW)•• Dosisleistung < 2 Dosisleistung < 2 µµSv/h transversal in 1 m Sv/h transversal in 1 m

Abstand zur 0Abstand zur 0°° BeamlineBeamline•• Bremsstrahlung abhBremsstrahlung abhäängig von Orbit und ngig von Orbit und

Winkel Winkel •• Nur Gasbremsstrahlung ?Nur Gasbremsstrahlung ?

2929

Andere BremsstrahlungsquellenAndere Bremsstrahlungsquellen

•• Am 7 T MPW Kammer sind 2 Am 7 T MPW Kammer sind 2 TapersTapers (kleine (kleine Apertur und ansteigende Apertur und ansteigende betabeta--FunktionFunktion))

•• Aktivierung 2 Aktivierung 2 µµSv/h (Sv/h (SeptumkammerSeptumkammer 3 3 µµSv/h)Sv/h)

3030

ZusZusäätzliche Abschirmung tzliche Abschirmung

•• Pb SchPb Schüürze (5 rze (5 -- 10 10 cm) fahrbar cm) fahrbar ((HutchHutch links v. BL) links v. BL)

•• Pb Ziegel (5 Pb Ziegel (5 -- 10 cm) 10 cm) ((HutchHutch rechts v. BL) rechts v. BL)

•• Bis zum Bis zum MonochromatorMonochromator

•• Transversale Transversale Abschirmung von Abschirmung von Bremsstrahlung nur Bremsstrahlung nur an Sektion 4 an Sektion 4 erforderlicherforderlich

3131

BAM BAM HutchHutch

•• 7 T WLS 7 T WLS •• Keine Keine TapersTapers (gr(größößere ere

Apertur)Apertur)•• Keine transversale Keine transversale

Abschirmung gegen Abschirmung gegen BremsstrahlungBremsstrahlung

•• Gleiche Gleiche HutchHutch KonstruktionKonstruktion

•• < 0.1 < 0.1 µµSv/h auSv/h außßerhalb erhalb HutchHutch

3232

•• Streustrahlung 10 cm Streustrahlung 10 cm Pb 1 m x 1 mPb 1 m x 1 m

Bremsstrahlung an Undulator B.L.Bremsstrahlung an Undulator B.L.

Direkter Strahl 30 cm Direkter Strahl 30 cm Pb 20 cm x 20 cmPb 20 cm x 20 cm

Gestreuter Strahl 10 cm Gestreuter Strahl 10 cm Pb 100 cm x 100 cmPb 100 cm x 100 cm

3333

StochastischeStochastische Beamdumps Beamdumps beibei BESSYBESSY

•• 30 30 -- 50 Beamdumps pro 50 Beamdumps pro JahrJahr•• VerursachtVerursacht durchdurch

MaschinenschutzMaschinenschutz Interlocks und Interlocks und FehlfunktionenFehlfunktionen 98 % 98 % ((TemperaturTemperatur SR Absorber, Power Supplies, HF System, SR Absorber, Power Supplies, HF System, Orbit Orbit KontrolleKontrolle...)...)

•• BetretenBetreten von von SperrbereichenSperrbereichen 1% 1% •• VakuumVakuum LecksLecks 1 %1 %•• DurchDurch Interlocks: HF Interlocks: HF ausaus --> >

Dump Dump nachnach 80 80 µµsec (100 sec (100 UmlUmlääufeufe) )

3434

GammadosisGammadosis pro pro BeamdumpBeamdump

•• Target: Fe 2 cm (Target: Fe 2 cm (DipolDipol-- kammerkammer halberhalber AblenkngswinkelAblenkngswinkel))

•• E = 1.9 GeVE = 1.9 GeV•• SpeicherringfSpeicherringfüüllungllung

1E+12 1E+12 ElektronenElektronen•• EtwaEtwa 100 100 µµSv/dump, Sv/dump,

300 300 µµSv/a (50/16)Sv/a (50/16)

3535

NeutronendosisNeutronendosis pro pro BeamdumpBeamdump

•• Target: Fe 2 cm (Target: Fe 2 cm (DipolDipol-- kammerkammer halberhalber AblenkungswinkelAblenkungswinkel))

•• E = 1.9 GeVE = 1.9 GeV•• SpeicherrungfSpeicherrungfüüllungllung

1E+12 1E+12 ElektronenElektronen•• EtwaEtwa 32 32 µµSv/dump Sv/dump

100 100 µµSv/a (50/16)Sv/a (50/16)

3636

Neutronenspektrum an PE KugelNeutronenspektrum an PE Kugel

•• Fe TargetFe Target•• Offene BSOffene BS•• In In HutchHutch

neben neben SlitSlit-- kammerkammer

•• H>10/H<10= H>10/H<10= 0.0430.043

•• Wie im TunnelWie im Tunnel

3737

DosenDosen durchdurch BeamdumpsBeamdumps

•• Gamma Gamma DosisDosis: 100 : 100 µµSv/dump Sv/dump II--KammerKammer schaltetschaltet von von BereichBereich 0 0 nachnach 1 1 beibei 78 nSv 78 nSv

•• ImIm BereichBereich 0 0 wirdwird nurnur 0.2 % 0.2 % derder DumpDump-- dosisdosis detektiertdetektiert (99.9 % Counting Loss)(99.9 % Counting Loss)

•• NeutronendosisNeutronendosis: 32 : 32 µµSv/dump Sv/dump 100 % Counting Loss100 % Counting Loss

3838

ZusammenfassungZusammenfassung TeilTeil 11

•• MeMeßßfehlerfehler beibei gepulstergepulster Strahlung Strahlung üüberprberprüüftft: I: I-- KammerKammer linear linear bisbis 74 mSv/h (@10 Hz), 74 mSv/h (@10 Hz), BioremBiorem linear linear bisbis 200 200 µµSv/h (@10 Hz). Sv/h (@10 Hz). FehlerFehler ffüür r JahresdosisJahresdosis < 0.2 mSv/a, < 0.2 mSv/a, aberaber ffüür max. r max. NeutronenNeutronen DL DL ggfggf SperrbereichSperrbereich erforderlicherforderlich. .

•• Abschirmungen und Absperrungen gegen Abschirmungen und Absperrungen gegen Beamdumps sind auch hinreichend fBeamdumps sind auch hinreichend füür r Gasbremsstrahlung. Vorsicht bei BGasbremsstrahlung. Vorsicht bei Bäälgen in Hutches. lgen in Hutches.

•• Planung von Hutches sollte konservativ sein und Planung von Hutches sollte konservativ sein und zuszusäätzliche Abschirmungen ermtzliche Abschirmungen ermööglichen, falls glichen, falls Maschinenkomponenten als Scraper wirkenMaschinenkomponenten als Scraper wirken

•• Dumpdosis < 0.3 mSv/a nicht Dumpdosis < 0.3 mSv/a nicht messbarmessbar

3939

Energy Energy recoveryrecovery linacslinacs

Energy recovery linac (ERL) = “Energie Speicherring” im Gegensatz zumnormalen Speicherring

• Behält alle Vorteile eines Speicherrings inkl.:• Multi-user Operation• Hoher Fluss• Energie effizient

• Bedeutende Verbesserungen:• Hohe Durchschnitts- und Peakbrillianz (2-3 Größenordnungen mehr)• Hoher koherenter SR Anteil (10’s %)• Kurze Pulse (2-3 Größenordnungen kürzer)• Große Flexibilität um Nutzeranforderungen zu erfüllen:

z.B., Variation der Repetition Rate (1kHz - 1.3 GHz), Bunch Pattern,Pulslänge

4040

BERLinPro = Berlin Energy Recovery Linac Project

40

Hoher Fluss Flexibilität

max. Beam Energie 100 MeV 100 MeV

max. Strom 100 mA

nominelle Bunch Ladung 77 pC Bis zu ~ 10 pC

Pulslänge 2 ps Bis zu ~ 100 fs

Rel. Energy spread ~10-4 range ~10-2

rep. rate (cw) 1.3 GHz variabel

Emittanz < 1mm mrad einige mm mrad

Ein Beschleunigerexperiment wissenschaftlich und technisch100mA / low emittance ERL Demonstrator, soll alle wichtigen Aspekte eines großen ERL zeigen

Dump 10 MeV

Gun cavity

Booster 10 MeV

Linac 100 MeV

Undulator

2. Turn 200 MeV

Merger

Nicht relevant für vertikale Abschirmung

Keine Neutronen Keine NeutronenQuenching

4141

GebGebääude (vorlude (vorlääufig)ufig)

Location of BERLinPro

Pillars down to -17 m

Movable doorStair cases

Elevator

Lifting holeMedia ducts

Floor -9 m

Removable wall

4242

Elektronenverluste verwendet für Abschirmungsberechnungen

Electron losses @storage ringMLS 10 % Verluste im Transferweg (Mikrotron - Speichering) MLS 50 % Verluste wegen rebunching (3 GHz -> 500 MHz)Gemessene/prognostizierte Jahresdosen = 0.7

Elektronenverluste@FELsFlash 1 % BESSY FEL 1 % ELBE 1 % FHI FEL 2 %

Elektronenverluste@ERLsALICE 1 % BERLinPro 0.3 % (0.05 % / Punktquelle)

(Verluste@BERLinPro in 1 sec = injizierte Elektronen/Jahr @ BESSYII !)Beam Parameter: 100 mA, 100 MeV (200 MeV 2nd turn)Teile (<=10 MeV) nicht relevant für vertikale Abschirmung (Neutronen)Kalte Sektionen nicht relevant für vertikale Abschirmung (Quenching)

vertikal Septum

Mikrotron

4343

DosisleistungenDosisleistungen

Unterirdischer Aufbau sinnvoll ( wie z.B. FHI IRUnterirdischer Aufbau sinnvoll ( wie z.B. FHI IR--FEL), FEL), Transversale Transversale gammagamma Strahlung << longitudinale, Grundwasserbewegung< 50 m/a Strahlung << longitudinale, Grundwasserbewegung< 50 m/a

Sehr lange Rechenzeiten mit FLUKA um die Abschirmung zu bestimmeSehr lange Rechenzeiten mit FLUKA um die Abschirmung zu bestimmenn Zwischen 100 und 200 MeV keine analytischen Formeln fZwischen 100 und 200 MeV keine analytischen Formeln füür r gammasgammas und und NeutronenNeutronen

Gamma Neutronen Neutronen vertikal

4444

FormelFormel ffüür gamma r gamma DosisDosis

2

0

17

251.0

0

/40

5/103.1

)/)/75(exp(²

cmg

GeVEeSvH

cmgxEEHHr

A

A

=

=⋅=

−⋅−⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

−

λ

λρ

Sv/primary electron H. Dinter et al Rad. Prot. Dos. 25,2 (1988)

•• Formel gFormel güültig fltig füür Elektronen r Elektronen Energien 150 MeVEnergien 150 MeV-- 50 GeV50 GeV

•• FFüür r BERLinProBERLinPro Test mit Test mit FlukaFluka Berechnungen Berechnungen erforderlicherforderlich

Sand und Normalbeton

Beobactungswinkel 90°Strahlwinkel 2°,d=0.2 cm

Dosisaufbau EffektExponent abhängig von Target-dicke w=0.2cm/sin2° =5.73cm

4545

FlukaFluka Berechnungen zur Herleitung von Berechnungen zur Herleitung von analytischen Formeln (Manuela Helmecke)analytischen Formeln (Manuela Helmecke)

K. Tesch (RadPDos 25,2):

Dosisaufbaueffekt bis 75g/cm² Formel

Berechnung der EM Kaskade: Dosisaufbau Effekt durch sekundäre e-,e+ und Photonen

Gamma und Neutron Berechnungen: Layer bei max. Dosis

Berechnungen with 1 m Wand (Beton und Sand)Vakuumrohr (Stahl, Al) Szenario von Dinter et al

4646

FitsFits (Manuela Helmecke)(Manuela Helmecke)

GeV5,/,/

)/)(exp()(

0

20

51.0

0

=−−=−=

⋅−⋅−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

ErangeupbuildbehindeDoseHeDoseH

xxrr

EEHxH

A

AA λρρ

H. Dinter et al (Rad. Prot.Dos. 25,2,(1988)):

Dosisaufbau Effekt bis 75g/cm²

Bestimmung der Schwächungsfaktoren lambda und Schnittpunkte aus exponentiellen Steigungen. Werte nicht energieabhängig: Mittelwert aus Fluka Berechnungen 50 MeV – 1 GeV

3

2

22

21

/35.2

/63.73

33.31

/15.41

/284.20

cmg

cmgx

cmx

cmg

cmg

A

A

=

=⋅

=

=

=

ρ

ρ

λ

λNormalbeton

Wand zwischen -50 and -150 cm

3

2

22

21

/6.1

/38.71

61.44

/04.37

/92.20

cmg

cmgx

cmx

cmg

cmg

A

A

=

=⋅

=

=

=

ρ

ρ

λ

λ

Sand

3

2

22

1

/42.2

/0.75

0.31

/0.40

cmg

cmgx

cmx

cmg

givennot

A

A

=

=⋅

=

=

=

ρ

ρ

λ

λ

3

2

22

1

/6.1

/2.75

0.47

/0.40

cmg

cmgx

cmx

cmg

givennot

A

A

=

=⋅

=

=

=

ρ

ρ

λ

λ

Werte von Dinter et al:

Lambdas und Schnittpunkte in guter Übereinstimmung mit Dinter et al

4747

Quellterm Quellterm gammagamma

cmdfor

rr

EEyH A

2.0251.0

//

0

20

0

===

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ϕα

α

cminxcmgcmg

lengthradintGeVinEZeteZEHr gx

;/4.2;/66.45

8.1/73.5.;;2/;26ln101.1

32

/35..2ln19.09.1122

==

===⋅⋅⋅⋅⋅⋅= ⋅−+−−

ρλ

πθ

λρθθ

Aus der Dosis y am Schnittpunkt kann Ha bestimmt werden:

Dosis y am Schnittpunkt xa (31 cm in Beton):Rot: Unsere Resultate (linear mit E)Schwarz: Dinter et al Grün: Landolt-Börnstein (ed H. Schopper )(linear mit E):

Quellterm ist linear mit Energie (Abweichung von Dinter et al, Übereinstimmung mit LanB):

20

0

// ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

rr

EEyHA

α

Quellterm gültig wenn Betonabschirmung >25 cm

4848

BetonundSandcmg

cmgmscahlOrdnungszZ

längenStrlinonTransmissitGeVEeSvH

cmgxmscZtrr

EEHH

A

A

2

3

017

2436.22

0

0

/0.40

/4.2;01828.0;

.;1;/1045.3

)/)/75(exp(ln

=

==

=⋅=

−⋅−⋅⋅⋅⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

−

λ

ρ

λρ

Neue Neue gammagamma FormelFormel

1.) Schwächungskoeffizienten und Schnittpunkte stimmen gut überein mit Dinter et al :Wir verwenden ihren Ausdruck für den Exponentialterm 2.) Quellterm ist linear mit E3.) Referenzenergie ist 1 GeV 4.) HA wird bestimmt durch unsere Fluka Resultate5.) Materialabhängigkeit stimmt am besten uberein mit Landolt-Börnstein: Neuer Material Skalierungsfaktor (basiert auf 5.73 cm Fe) Ergebnis für Beobachtungswinkel von 90°:

Dosen hinter 1 m BetonGrün: Landolt-BörnsteinSchwarz: Dinter et al Rote Quadrate: Unsere Fluka ResultateRote Kreise: Neue Formel

4949

Wirkungsquerschnitte von Neutronen Wirkungsquerschnitte von Neutronen --produktion durch Photonenproduktion durch Photonen

Riesenresonanz Neutronen (Ep > 10 MeV)

Schnelle Neutronen (quasi-Deuteron Spaltung) (Ep > 40 MeV)

Schnelle Neutronen (Photo Pion Produktion) (Ep > 150 MeV)

5050

NeutronendNeutronendosenosen von semivon semi--empirischenempirischen FormelnFormeln (90(90°°,Cu and Fe (1),Cu (2)),Cu and Fe (1),Cu (2))

hg dd eEeEHr λρλρη /17/152 104.11011.1² ⋅−−⋅−− ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅=

0

0

33/

31/3/22

3/21

/1.1162

/161

5391

)93.007.0(23

)sin67.033.0(24.0

1010²

θ

θ

λρλρ

λ

θ

−

−−

⋅−−⋅−−

⋅+=

⋅+⋅=

⋅+⋅=

⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=

e

eAa

Aa

eEaeEaHr

h

dd hg

Formula 1: Sv/Primärelektron K. Tesch Part.Acc.9 (1979),Rad.Prot.Dos. 22,1 (1988)

Formula 2: Sv/Primärelektron Landolt-Börnstein vol11, Springer, Berlin (1990)

Formel 3: Sv/Primärelektron H. Dinter et al NIM A 455 (2000)

hg dd eEeEHr λρλρ η /171

/16 100.41055.9² ⋅−−⋅−− ⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=

Sv/e- r in m

Riesenresonance Neutronen Hochenergetische Neutronen

Beobachtungswinkel

Atommasse

5151

Test mit Test mit FlukaFluka BerechnungenBerechnungen

•• HohlkugelHohlkugel•• Dickes Cu Target Dickes Cu Target •• FluenceFluence to dose to dose

convconv. ICRP74 . ICRP74 H*(10)+Pell. H*(10)+Pell. datadata

•• H>10/H<10 H>10/H<10 = 2.72 (1m) = 2.72 (1m) = 3.65 (2m) = 3.65 (2m)

5252

DickesDickes Cu target, Cu target, sphsphäärischerische GeometrieGeometrie

d/m H<10MeV H>10MeV H>10/H<10

0 5.44E-05 2.34E-06 0.043

1 2.52E-08 7.01E-08 2.787

2 1.38E-09 5.05E-09 3.653

d/m H∑ H form.1 H form.2 H form.3

1 9.53E-08 3.13E-07 3.48E-07 9.06E-08

2 6.43E-09 1.57E-08 1.17E-08 5.42E-09

Tabelle1: Resultate für dickes Cu target at 90°,H in pSv/prim. e-

Übereinstimmung mit Formel 3 ist am besten, K.Ott EPAC06

5353

FormelFormel NeutronendosisNeutronendosis

cminre

eAa

Aa

eEaeEaHr

h

dd hg

;5391

)93.007.0(23

)sin67.033.0(24.0

²

0

0

33/

31/3/22

3/21

/1.12

/1

θ

θ

λρλρ

λ

θ

−

−−

⋅−⋅−

⋅+=

⋅+⋅=

⋅+⋅=

⋅⋅+⋅⋅=

pSv/Primärelektron H. Dinter et al NIM A 455 (2000)

•• Formel 3 gFormel 3 güültig fltig füür Elektronenenergie > 1 GeV r Elektronenenergie > 1 GeV •• Anwendung fAnwendung füür r BBERLERLinProinPro (0.2 GeV) erfordert (0.2 GeV) erfordert •• Korrektor des hochenergetischen Term Korrektor des hochenergetischen Term

Hochenergetische Neutronen Riesnresonanz Neutrons

5454

NeutronenspektrenNeutronenspektren•• Berechnung mit Berechnung mit

FLUKA (FLUKA (thetatheta 8080-- 100 100 degdeg, , phiphi 00--360 360 degdeg))

•• Integration der Integration der Spektren ergibt Spektren ergibt Neutron Neutron yieldyield ffüür r E > 20 MeVE > 20 MeV

•• Vergleich mit Vergleich mit E^1.1 E^1.1 AbhAbhäängigkeit der ngigkeit der FormelFormel

•• Abweichung ist Abweichung ist Korrekturfaktor Korrekturfaktor K(E)K(E)

5555

KorrekturfaktorKorrekturfaktor

GeVin,59.3,52.101)exp(

11)(

EbabaE

EK

−==++⋅

−=

0

0

33/

31/3/22

3/21

/1.12

/1

5391

)93.007.0(23

)sin67.033.0(24.0

)(²

θ

θ

λρλρ

λ

θ

−

−−

⋅−⋅−

⋅+=

⋅+⋅=

⋅+⋅=

⋅⋅⋅+⋅⋅=

e

eAa

Aa

eEaEKeEaHr

h

dd hg Zu klären: Vakuumsystem aus Stahl und Alu, realistische TargetsAbschirmmaterial Beton und Sand

pSv/e- ; r in cm

5656

FlukaFluka BerechnungenBerechnungenFluka Berechnungen um Targetabhängigkeit zu bestimmen Bestimmung der Schächungsfaktoren lambda_g

(Riesenresonanz Neutronen) aus exponentiellen Steigungen bei 50 MeV

Aufgrund schneller Neuronen sind Fits mit einfachen Exponentialfunktione nicht genau bei höheren Energien. (Gekrümmte Kurven)Fits mit zwei Exponentialfunktionen (nicht-physikalisch) um Dosiswerte bei x=-150 (Ende Wand) zu bestimmen

3

2

/35.2

/25.30

cmg

cmgg

=

=

ρ

λ

Normalbeton Sand

3

2

/6.1

/90.23

cmg

cmgg

=

=

ρ

λ

Riesenresonanz Neutrons (1m Beton):H(Fe)/H(Al) = 1.06 diese Arbeit 1.3 (Fe 3 rl, Al 16 rlH(Cu)/H(Al) = 1.86 DinL2000 Targeteffizienz) H(Fe)/H(Al) = 1.28 LanB1990 H(Fe)/(H(Al) = 0.54 Tes1979 Fe 37 Al 47 g/cm^2

5757

Neue NeutronenformelNeue Neutronenformel

1.) Verwende DinL2000 mit Modifikationen 2.) Korrektionfaktor K(E) für hochenergetische Neutronen aus Fluka Berechnungen3.) Schwächungsfaktor nicht targetabhängig. Werteaus unseren Fluka Berechnungen 4.) HA wird bestimmt aus unseren Fluka Resultaten5.) Targeteffizienz wird entsprechend Landolt- Börnstein berücksichtigt

Für einen Beobachtungswinkel von 90° ergibt sich:

Dosen hinter 1 m BetonGrün: Landolt-BörnsteinSchwarz: Tes79 + Tes88Rote Quadrate: Neue Formel Rote Kreise: Unsere Fluka Resultate Blau: DinL2000

SandcmgBetoncmg

SandundBetoncmg

Aa

SandcmgBetoncmg

Aa

eEaEKeEaHr

h

gg

dd hgg

;/6.1;;/35.2

)(/45.96

453.4

)(/90.23)(/25.30

24.0

)(²

33

2

3/22

22

3/21

/1.12

/1

==

=

⋅=

==

⋅⋅=

⋅⋅⋅+⋅⋅=

−

⋅−⋅−

ρρ

λ

λλ

η

λρλρ

pSv/e-

Targeteffizienz Faktor 1 at 10 r.l.

Änderung der Steigung durchschnelle Neutronen

Neue Formel: Übereinstimmung Fluka Berechnungen am besten und ist einen Faktor 10 kleiner als LanB,Tes @ E < 200 MeV

5858

Methoden die Abschirmung zu reduzierenMethoden die Abschirmung zu reduzieren

Am effektivsten: Energiereduktion um die Produktion von hochenergetischen Neutronen zu vermeiden

50 MeV: Halbierung der Abschirmung ist möglich

Beton 20 cm Sand 560 cm

100 MeV

200 MeV

Grün: Riesenresonanz NeutronenSchwarz: hochenergetische NeutronenRot 0.5 µSv/h (2000 h/a = 1 mSv )

5959

•• FLUKA Berechnungen und FLUKA Berechnungen und ProgrammiearbeitenProgrammiearbeiten ffüür r Sicherheitsbericht. Sicherheitsbericht. DetailierteDetailierte Modellierung von Modellierung von BERLinProBERLinPro..

•• Aktivierungsberechnungen: Al Aktivierungsberechnungen: Al –– Legierung (97%) Legierung (97%) ist eine Grist eine Größößenordnung weniger aktiviert als Stahl enordnung weniger aktiviert als Stahl oror Cu (Wichtigste Nuklide Na22 and Na24). Cu (Wichtigste Nuklide Na22 and Na24). Einbeziehung der Luftaktivierungen des Einbeziehung der Luftaktivierungen des EuroPetEuroPet Zyklotron (200 m) Zyklotron (200 m)

•• Untersuchungen von StrahlenschUntersuchungen von Strahlenschääden, Machine den, Machine protectionprotection shieldingshielding

•• Berechnung von Energie Dosen im Beam DumpBerechnung von Energie Dosen im Beam Dump•• Planung Instrumentierung (Planung Instrumentierung (OrtsdosimetrieOrtsdosimetrie, ,

Personendosimetrie, UmgebungsPersonendosimetrie, Umgebungsüüberwachung, berwachung, DosimetrieDosimetrie Luftaktivierung, Definition Luftaktivierung, Definition Interlockfunktion) Interlockfunktion)

Aktuelle AktivitAktuelle Aktivitäätenten

6060

•• FFüür erster Spatenstich (Tag X Mitte 2012) nr erster Spatenstich (Tag X Mitte 2012) nöötig :tig :ErrichtungsgenehmigungErrichtungsgenehmigungBaugenehmigung Baugenehmigung

•• X X –– 3 Monate 3 Monate

Sicherheitsbericht fertig (Sicherheitsbericht fertig (ShieldingShielding Design, Design, InstrumentationInstrumentation))

Beantragung ErrichtungsgenehmigungBeantragung Errichtungsgenehmigung

•• X X –– 6 Monate 6 Monate

Maschinendesign fertig (Energy, Layout, VakuumMaschinendesign fertig (Energy, Layout, Vakuum-- systemsystem, Magnete, HF Systeme, 1 MW Beam Dump), Magnete, HF Systeme, 1 MW Beam Dump)

NNäächste Meilensteinechste Meilensteine

6161

•• Gammastrahlung in VorwGammastrahlung in Vorwäärtsrichtung >> transversale rtsrichtung >> transversale NeutronenNeutronen-- ndnd Gammastrahlung. Unterirdische Konstruktion Gammastrahlung. Unterirdische Konstruktion vorteilhaftvorteilhaft

•• Neutronendosis bestimmt durch hochenergetische Neutronen Neutronendosis bestimmt durch hochenergetische Neutronen

•• Neue Abschirmformeln waren erforderlich (Rechenzeit). Im 100 Neue Abschirmformeln waren erforderlich (Rechenzeit). Im 100 –– 200 MeV Bereich keine Formeln verf200 MeV Bereich keine Formeln verfüügbar.gbar.

•• Neue GammaNeue Gamma-- und und NeutroneformulenNeutroneformulen wurden hergeleitet. Beide wurden hergeleitet. Beide neuen Formeln reprneuen Formeln reprääsentieren unsere sentieren unsere FlukaFluka Berechnungen sehr Berechnungen sehr gutgut

•• Abschirmung 40 cm Beton + 560 cm Sand Abschirmung 40 cm Beton + 560 cm Sand

•• Halbierung der Abschirmung mHalbierung der Abschirmung mööglich wenn glich wenn maxmax Energie = 50 Energie = 50 MeV (wegen hochenergetischen Neutronen)MeV (wegen hochenergetischen Neutronen)

Zusammenfassung Teil 2Zusammenfassung Teil 2

6262

Safety Safety firstfirst (Pohang Light Source)(Pohang Light Source)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit