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Vera Chetvertkova

• With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
• Die Aktivierung von Beschleunigerkomponenten durch Strahlverluste ist einer der wichtigsten Faktoren der Intensitätsbegrenzung für hochenergetische und hochintensive Hadronenbeschleuniger. Erhöhte Dosisleistungen in der Nähe von bestrahlten Materialien erschweren die Hands-On-Wartung der Maschine. Deshalb ist die Aktivierung von Beschleunigerkomponenten von großem Belang für die “Facility for Antiproton and Ion Research“ (FAIR). Dies führt zur Notwendigkeit einer Messung der Restaktivität in den Tiefenschichten von bestrahlten Festkörpern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Grenzen für Strahlverluste von Schwerionenstrahlen ermittelt, welche bzgl. der Zugänglichkeit einer Beschleunigeranlage zu Wartungszwecken etc. einzuhalten sind. Der Schwerpunkt der vorliegenden Studie war die Messung der Restaktivität im Material, hervorgerufen durch Ionenstrahlen verschiedener Spezies: Stickstoff (Z = 7), Argon (Z = 18) und Uran (Z = 92). Als zu bestrahlende Materialien wurden Aluminium und Kupfer ausgewählt – als Repräsentanten für den niedrigen und mittleren Z-Bereich. Im Hinblick auf Beschleunigeranwendungen sollten Aluminiumkomponenten in den Bereichen mit hohen Strahlverlusten bevorzugt werden, da dieses Material offenbar weniger aktiviert wird als Hoch-Z-Materialien, andererseits ist Kupfer ein übliches Material für viele Beschleunigerkomponenten wie z.b. für Spulen der Magnete. Deshalb ist der Vergleich von Aluminium und Kupfer vom besonderen Interesse. Zwei Arten von Targets wurden bestrahlt: gestapelte Folien- und Einzelfolien-Targets. Die dicken Aluminium-Targets wurden mit 498 AMeV Stickstoff 14N7+, 496 AMeV Argon 40Ar18+ und 483 AMeV Uran 238U73+, die dicken Kupfer-Targets wurden mit 498 AMeV Stickstoff und 496 AMeV Argon bestrahlt. Die dünnen Aluminium-Folien wurden mit 426 AMeV Argon und mit 85, 174, 279, 325, 381, 483, 584, 684, 785, 935 AMeV Uran bestrahlt. Insgesamt fünf dicke und zehn Einzelfolientargets wurden für die vorliegende Doktorarbeit bestrahlt. Mehr als 5000 Spektren wurden gemessen und analysiert, 45 Tiefenprofile verschiedener Nuklide in den durchgeführten Experimenten erhalten. Für das Design von Beamdumps und Strahlabschirmungen (und für vielfältige andere Anwendungen) verwendet man die Monte Carlo Transportcodes, welche die Bewegung und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie berechnen. Die Schwerionen-Versionen der Monte Carlo Transportcodes wurden etwa vor fünfzehn Jahren eingeführt und sind noch nicht in allen Energie- und Z-Bereichen bestätigt. Es gibt nur wenige Daten für die Aktivierung der Materialien durch Schwerionenstrahlen. Die Verifikation der Monte-Carlo-Codes durch Aktivierungsexperimente ermöglicht die Überprüfung von Transport und nuklearer Erzeugung explizit durch den Vergleich der Typen, der Häufigkeit und der Tiefenprofile der Radionuklide, die im bestrahlten Material erzeugt oder gestoppt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die Codes FLUKA, MARS und SHIELD für die Verifizierung gewählt. Das Stoppen der Ionen mit Energien von bis zu 500 AMeV wird von allen drei Codes gut beschrieben. Gemäß den durchgeführten Experimenten und Simulationen wird die Gesamtzahl der erkannten Nuklide im gesamten Targetvolumen von FLUKA mit durchschnittlich ~ 5% Abweichung, durch MARS mit einer ~ 15%-igen Abweichung angegeben, und SHIELD unterscheidet sich um ca. 50% vom Experiment. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse erlauben nicht nur eine Bestätigung dieser Monte-Carlo-Transportcodes, sondern auch deren weitere Entwicklung. Andere Ziele waren, die Grenzen der Anwendbarkeit der Schwerionenstrahlverlust- Kriterien zu erforschen und herauszufinden, welches Material in Beschleunigeranwendungen bezüglich des Strahlenschutzes zu bevorzugen ist. Folgende Grenzen für erlaubte Strahlleistungsdepositionen entlang eines Beschleunigers wurden ermittelt: Fall A: Nach 100 Tagen Strahlzeit soll die Maschine nach einer Wartezeit von 4 Stunden zugänglich sein. Für 50 AMeV Uranstrahlen auf Eisen wurde ein Grenzwert von 200 W/m bestimmt. Bei Verdopplung der Strahlenergie auf 100 AMeV sinkt die zulässige Strahlverlustleistung auf 60 W/m in Eisen. Tauscht man das Eisentarget gegen ein Kupfertarget aus, so sind die entsperechenden Grenzwerte 120 W/m bzw. 80 W/m. Fall B: Nach 20 Jahren Strahlbetrieb soll die Maschine nach einer Wartezeit von wiederum 4 Stunden zugänglich sein. In diesem Fall sinken die erlaubten Strahlverlustleistugen auf 120 W/m bzw. 40 W/m in Eisen und auf 85 W/m bzw. 50 W/m in Kupfer. Die Aktivierung derjenigen Materialien, die am häufigsten in Beschleunigern verwendet werden, wurde mit FLUKA durchgeführt. Die Dosisleistungen im Abstand von 30 cm von der Targetfläche sind am höchsten für Ni, Nb und Mo, sodass der Anteil dieser Materialien in den Beschleunigerkomponenten minimiert werden muss. Die Dosisleistungen in der Nähe der Targets aus C, Al, Ti, Cr, Mn, Fe, Cu und Pb waren mindestens zweimal niedriger; deshalb können aus Sicht der Hands-On-Wartung diese Materialien eher verwendet werden. Bei langer Bestrahlung und langer Kühlzeit zeigten Al, Ti, Mn, Ni und Cu die höchsten Dosisleistungen. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn lange Bestrahlungszeiten vorgesehen sind und ferner eine nachfolgende Lagerung der bestrahlten Materialien erforderlich ist.