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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

Inhalt

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SwissFELPrinzipAufbau

Strahlfänger

Dosisüberwachungssystem

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

Röntgenlaser weltweit

LCLS2009

Eu-XFEL2016

SwissFEL2016

PAL-XFEL2015

SACLA2011

LCLS II2020

PSI mit SwissFEL, Aare und Alpen

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 Gebäude Baufortschritt

2 May 2013 6 May 2016

Courtesy Markus HössliForstamt Würenlingen

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

Inhalt

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SwissFELPrinzipAufbau

Strahlfänger

Dosisüberwachungssystem

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

GUN-Strahlfänger

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StahlBlei

Injektor-Strahlfänger

Seite 13

Schwerbeton

Beton

BetonStahl

Dosisverteilung im Tunnel durch Neutronen

Seite 14mSvh-1

(Diagnose)-Strahlfänger Linac

Seite 15

PE

Beton

Pb

Linearbeschleuniger

Seite 16

(Diagnose-) Strahlfänger

Seite 17

(Diagnose-) Strahlfänger: Aufbau

Seite 18

Gewicht:• Total: 44 t• Beton: 20 t• Kupfer: 0.12 t• Blei: 7 t• Stahl: 17 t

Undulator- Strahllinie

Seite 19

ARAMIS Strahlfänger

Seite 20

Geometrisches Modell für die Dosisabschätzung

ARAMIS Strahlfänger - Realisierung

Seite 21

PSI-Schwebeton(83t)

CH-Eisen-Reserve (83t)

PSI-Schwerbeton(83t)

Inhalt

Seite 22

SwissFELPrinzipAufbau

Strahlfänger

Dosisüberwachungssystem

Dosisüberwachung - Herausforderungen

Seite 23

• 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

Seite 26

Seite 27

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