Strahlenschutzherausforderungen bei SwissFEL, der neuen Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts
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WIR SCHAFFEN WISSEN – HEUTE FÜR MORGEN Sabine Mayer , Eike Hohmann, Albert Fuchs, Roland Lüscher :: Abteilung Strahlenschutz und Sicherheit :: Paul Scherrer Institut Strahlenschutzherausforderungen bei SwissFEL, der neuen Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts 27. September 2016
Inhalt
SwissFEL
Prinzip
Aufbau
Strahlfänger
Dosisüberwachungssystem
Seite 2
Prinzip von SwissFEL
Laser Röntgenquellen
Extrem kurze Pulse & Auflösung kleinster Strukturen
Extrem hohe Intensität Durchleuchten von Materie
Einfarbiges Licht Selektive Messung der Dichte
Kohärenz chemischer Elemente
Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL: X-ray free electron laser)
Extrem kurze und
intensive Röntgenpulse
„Filmen wie die Nanowelt im
Femtosekunden-Takt funktioniert“
1 fs= 1/1.000.000.000.000.000 Sekunden Seite 3
Untersuchung von Strukturen
Aufnahme von
Statischen Bildern Dynamische Bilder
Komplexe, ungeordnete
Geordnete Strukturen
Strukturen
1900 2000 Zukunft
Roentgen SLS SwissFEL
Seite 4
Röntgenlaser weltweit
Eu-XFEL
2016
LCLS
2009
SwissFEL
LCLS II 2016
2020
SACLA
PAL-XFEL 2011
2015
PSI mit SwissFEL, Aare und Alpen
Integration in ein Naherholungsgebiet
Wildübergänge
Technische Galerie
Beschleuniger Tunnel
Experimentier-
areale und
Labore
ARAMIS Undulatoren
Strahllinie
Linearbeschleuniger Allgemeine Daten:
(Linac)
Gesamtläge: 740 m
Erdaushub: 95’000 m3
Injektor Beton: 21’000 m3
50’000 t
Seite 7
SwissFEL Gebäude Baufortschritt
2 May 2013 6 May 2016
Courtesy Markus Hössli
Forstamt Würenlingen
SwissFEL - Beschleuniger und Experimente
466 m
Energy tuning
Athos Undulators
C band (8 x 2 m)
12 x 4 m; gap 24 - 6.5 mm
max 28.5 MV/m,
Athos Linac 0 º
ATHOS
λu = 40 mm; K= 1 - 3.2; LU= 58 m
Switch
Heater
Deflector
Laser
Linac 1 Linac 2 Yard
BC 1 BC 2
Gun Booster 1 Booster 2 C band (36 x 2 m) C band (16 x 2 m) Linac 3
Deflector
26.5 MV/m, 19.3 º 27.5 MV/m, 0 º
Collimation Aramis Undulators
ARAMIS
Deflector
Strahlparameter: Zwei Experimentierstrahlinien:
e- -Energie 5.8 GeV ARAMIS: Hard X-ray FEL, λ=0.1-0.7 nm
e- Pulse Ladung 10 - 200 pC Erste Experimente: 2017
Wiederholrate < 100 Hz
Pulslänge 1 fs - 20 fs ATHOS: Soft X-ray FEL, λ=0.7-7.0 nm
Erste Experimente: 2021 Seite 9
Inhalt
SwissFEL
Prinzip
Aufbau
Strahlfänger
Dosisüberwachungssystem
Seite 10Strahlfänger Designtypen
1. Konventioneller Strahlfänger (Beam dump)
• Strahl wird auf den Strahlfänger durch einen Dipolmgnet abgelenkt
• Hier werden auch spektrometrische Messungen für das Experiment
durchgeführt
2. Strahlfänger im Kollimator Design
• Strahl wird direkt durch die Abschirmung geführt
• bei limitierten Platzverhältnissen (Transport- und Infrastrukturkorridor)
• Keine magnetischen Materialien näher als 30 cm an der Strahllinie
• Einfacher Unterhalt - Keine mechanischen Teile in der Abschirmung
Seite 11GUN-Strahlfänger
Stahl
Blei
Seite 12Injektor-Strahlfänger
Schwerbeton
Stahl
Beton
Beton
Seite 13Dosisverteilung im Tunnel durch Neutronen
mSvh-1
Seite 14(Diagnose)-Strahlfänger Linac
PE Pb
Beton
Seite 15Linearbeschleuniger
Seite 16(Diagnose-) Strahlfänger
Seite 17(Diagnose-) Strahlfänger: Aufbau
Gewicht:
• Total: 44 t
• Beton: 20 t
• Kupfer: 0.12 t
• Blei: 7 t
• Stahl: 17 t
Seite 18Undulator- Strahllinie
Seite 19ARAMIS Strahlfänger
Geometrisches Modell für die Dosisabschätzung
Seite 20ARAMIS Strahlfänger - Realisierung
CH-Eisen-
Reserve (83t)
PSI-Schwebeton
(83t)
PSI-Schwerbeton
(83t)
Seite 21Inhalt
SwissFEL
Prinzip
Aufbau
Strahlfänger
Dosisüberwachungssystem
Seite 22Dosisüberwachung - Herausforderungen
• An den Beschleuniger angrenzende Areale
sind zum Teil frei zugänglich
• Dosisleistung begrenzt auf 0.1 µSvh-1
• Gepulste Zeitstruktur mit Pulslängen von
einigen ps und Wiederholraten bis zu 100 Hz
• Gemischte Strahlungsfelder
mit Neutronen E > 20 MeV
• PSI-Standarddosisüberwachung nicht für SwissFEL verwendbar
Totaler Strahlverlust @ SwissFEL
Seite 23Dosisüberwachung - Konzept
• Überwachung der Dosisleistung für Neutronen innerhalb
des Beschleunigertunnels mit Kalibrierung auf Positionen
ausserhalb
• Erwartete spektrale Neutronenverteilung quasi
unabhängig von der Elektronenenergie
• Verwendung von für gepulste Strahlung geeigneten
Detektoren
• Einstellung der Alarmschwelle für den „schlimmsten Fall“
(Verlustpunkt nicht direkt in Detektornähe)
Elektrostatische Cd
Abschirmung Neutronendetektor
Pb
BF3 Zählrohr
LUPIN BF3
Pe
Seite 24Kalibrierung des Überwachungssystem
„in-field“ Kalibrierung
• 40 Detektoren, positioniert nach Klassifizierung der Nachbarzonen und
Abschirmwirkung, die davor ist
• Bestimmung eines Kalibrierfaktors durch Monte Carlo Simulationen (Schlechteste
Abschirmung relativ zur Detektorposition)
• Verifikation durch Messungen an einen Referenzpunkt mit unabhängigem Detektor
Relevante
Positionen
Referenz
Detektor
Simulierter
Strahlverlust
Seite 25Ausblick – das Wettrennen um die Einweihung
• Feierliche Einweihung am 5. Dezember 2016 - Bundesrat drückt Knopf
• «freundliche Konkurrenz» hatte bereits ein Medienevent im Juni zur Einweihung
des Hauptgebäudes von XFEL in Schenefeld, Schleswig-Holstein
Seite 26Wir schaffen Wissen – heute für morgen
Vielen Dank !
Seite 27Sie können auch lesen
