Studies of high level dosimetry systems in mixed radiation fields occurring at CERN

Abstract

Die präzise Messung von hohen Energiedosen in den Streustrahlungsfeldern von Hochenergiebeschleunigern, wie zum Beispiel dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, ist eine herausfordernde Aufgabe. Einerseits, ist dieses hochenergetische gemischte Strahlungsfeld, welches in der Nähe der Strahlrohre auftritt, aus unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt (Photonen, Hadronen, Neutronen, Myonen...), und andererseits erstreckt sich die zu messende Energiedosis von Gy bis zu MGy. Materialien, wie Kabelisolierungen oder Magnetspulenisolierungen, erfahren durch die Einwirkung dieser hochenergetischen Streustrahlung eine beschleunigte Materialermüdung und müssen wenn nötig ersetzt werden. Ein wichtiges Entscheidungskriterium, welches für die Planung des Austauschzeitpunktes herangezogen wird, ist die gemessene Energiedosis am betreffenden Ort die mittels Festkörperdosimeter bestimmt wird. Am CERN werden für diesen Zweck Alanindosimeter und Silber aktivierte Metaphosphatglassdosimeter verwendet.<br />Bis jetzt, wurde die Response von diesen Dosimetern in diesen speziellen Streustrahlungsfeldern nur mittels vergleichender Studien untersucht.<br />Eine eingehende Untersuchung über die Übereinstimmung von gemessener Energiedosis und der tatsächlichen Energiedosis am Messort fehlt allerdings noch. Darüber hinaus, haben die Metaphosphatglassdosimeter den Nachteil, dass der Zusammenhang zwischen dem Auslesesignal und der Energiedosis im Bereich von 200 Gy bis 2 kGy ein Maximum aufweist und daher die Bestimmung der Energiedosis in diesem Bereich mit einem sehr hohen Fehler behaftet ist. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist die Verifizierung der Eignung dieser Festkörperdosimeter für den zukünftigen Betrieb des LHCs. Um dies zu erreichen wurde ein neues Auslesegerät für die Metaphosphatglassdosimeter entwickelt. Außerdem wurden Experimente mit den Dosimetern in hochenergetischen Strahlungsfeldern durchgeführt, welche mittels Simulationen mit dem Monte Carlo Code FLUKA analysiert wurden.<br />

High dose measurements at high-energy particle accelerators, such as the future Large Hadron Collider (LHC) at CERN, are a challenging task. On the one hand, the high energy mixed radiation fields encountered in the vicinity of the beam lines are composed of various radiation components (photons, hadrons, neutrons, muons ...) and, on the other hand, the absorbed dose range to measure spans up to MGy. Organic materials, such as insulation of cables and magnet coils, uffer from radiation-induced degradation and may have to be replaced in high radiation areas during the accelerator's lifetime. The exchange of these materials is scheduled, inter alia, on the basis of absorbed dose measurement with solid state dosimeters (SSD). At CERN for routine high dose dosimetry, alanine and metaphosphate glass dosimeters are used. Up to now, the response of these dosimeters in such a particular radiation environment was investigated only in terms of comparative studies. The investigation of the numerical agreement between the measured and the real absorbed dose at the point of interest, on the other hand, is still missing. Moreover, a drawback of the metaphosphate glass dosimeter is the ambiguous relation between absorbed dose and response between 200 Gy and 2 kGy.<br />The objective of this thesis is to verify the suitability of these SSDs for future LHC operation. In order to achieve this goal a new RPL reader was developed to analyze the metaphosphate glass dosimeters, experiments were conducted in radiation fields similar to that encountered at the LHC and simulations with the Monte Carlo particle transport code FLUKA of the experiments were performed.