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WIR SCHAFFEN WISSEN – HEUTE FÜR MORGEN
Strahlenschutzherausforderungen bei SwissFEL, der neuen Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts
Sabine Mayer , Eike Hohmann, Albert Fuchs, Roland Lüscher :: Abteilung Strahlenschutz und Sicherheit :: Paul Scherrer Institut
27. September 2016
Röntgenquellen Auflösung kleinster Strukturen Durchleuchten von MaterieSelektive Messung der Dichte chemischer Elemente
Prinzip von SwissFEL
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LaserExtrem kurze Pulse &Extrem hohe IntensitätEinfarbiges LichtKohärenz
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
Untersuchung von Strukturen
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Geordnete Strukturen Komplexe, ungeordnete
Strukturen
1900 2000 ZukunftSwissFELRoentgen SLS
Aufnahme vonStatischen Bildern Dynamische Bilder
Integration in ein Naherholungsgebiet
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Technische Galerie
Wildübergänge
Beschleuniger Tunnel
Injektor
Linearbeschleuniger(Linac)
ARAMIS UndulatorenStrahllinie
Experimentier-areale und
Labore
Allgemeine Daten:
Gesamtläge: 740 m Erdaushub: 95’000 m3
Beton: 21’000 m3
50’000 t
SwissFEL - Beschleuniger und Experimente
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Zwei Experimentierstrahlinien:
ARAMIS: Hard X-ray FEL, λ=0.1-0.7 nmErste Experimente: 2017
ATHOS: Soft X-ray FEL, λ=0.7-7.0 nmErste Experimente: 2021
Strahlparameter:e- -Energie 5.8 GeVe- Pulse Ladung 10 - 200 pCWiederholrate < 100 HzPulslänge 1 fs - 20 fs
Athos Undulators12 x 4 m; gap 24 - 6.5 mm
λu = 40 mm; K= 1 - 3.2; LU= 58 m
BC 2Linac 1 Linac 2
Linac 3
Aramis Undulators
Switch
Yard
C band (36 x 2 m)
26.5 MV/m, 19.3 º
C band (16 x 2 m)
27.5 MV/m, 0 ºGun
Lase
r
Hea
ter
Booster 1 Booster 2BC 1
Energy tuning
C band (8 x 2 m)
max 28.5 MV/m, 0 º
Deflector
Deflector
Collimation
Athos Linac
466 m
Deflector
ATHOS
ARAMIS
Strahlfänger Designtypen
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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
(Diagnose-) Strahlfänger: Aufbau
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Gewicht:• Total: 44 t• Beton: 20 t• Kupfer: 0.12 t• Blei: 7 t• Stahl: 17 t
ARAMIS Strahlfänger - Realisierung
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PSI-Schwebeton(83t)
CH-Eisen-Reserve (83t)
PSI-Schwerbeton(83t)
Dosisüberwachung - Herausforderungen
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• 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 verwendbarTotaler Strahlverlust @ SwissFEL
• 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)
Dosisüberwachung - Konzept
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Cd
PbBF3 Zählrohr
Pe
Elektrostatische Abschirmung Neutronendetektor
LUPIN BF3
Kalibrierung des Überwachungssystem
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„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
SimulierterStrahlverlust
Referenz Detektor
Relevante Positionen
• 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
Ausblick – das Wettrennen um die Einweihung
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