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Fluss der Neutronen aus kosmischerStrahlung und Gesteinen in ober- und
unterirdischen Messpositionen
Fluss der Neutronen aus kosmischerStrahlung und Gesteinen in ober- und
unterirdischen Messpositionen
Siegfried Niese
ehem. VKTA Rossendorf e.V.
21.Seminar Aktivierungsanalyse und GammaspektrometrieMainz 21. –23. März 2007
Niese-Mainz-2007
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Niese-Mainz-2007
Beiträge zum UntergrundBeiträge zum Untergrund
Auswahl von Standort undMaterialien oder/und selektiveAbschirmung
Neutronen
Antikoinzidenz oder/undUntertagelabor
Myonen
Auswahl der Materialien beimHersteller
Radioaktivität derMesseinrichtung
BleiabschirmungRadioaktivität desMauerwerkes
Maßnahmen zur VerringerungUrsache
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Gestein = Horn-blendemonzonit
TritiumlaborZuluft
Eingang zumUntertagemess-labor
Einfahrt zumRundstollnWeg zum Labor
Abschirmung von Myonen im UntertagemesslaborAbschirmung von Myonen im Untertagemesslabor
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Längsschnitt Untertagemesslabor „Felsenkeller“ DresdenLängsschnitt Untertagemesslabor „Felsenkeller“ Dresden
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Ziele und WegeZiele und Wege
Verbesserung der Nachweisgrenzen bei derNeutronenaktivierungsanalyse, insbesonderebei der Beta-Gamma-Koinzidenzspektrometriedurch Verringerung des Myonenflusses� Aufbau der Messkammer 1 mitSerpentinitabschirmung (1982)
Verbesserung der Nachweisgrenzen bei derNeutronenaktivierungsanalyse, insbesonderebei der Beta-Gamma-Koinzidenzspektrometriedurch Verringerung des Myonenflusses� Aufbau der Messkammer 1 mitSerpentinitabschirmung (1982)
Verbesserung der Nachweisgrenzen bei der Messung vonUmweltproben, Erweiterung der Kapazität und Verbesserungder Arbeitsbedingungen � Aufbau des Labors und derMesskammer 2 mit Stahlabschirmung (1995)
Verbesserung der Nachweisgrenzen bei der Messung vonUmweltproben, Erweiterung der Kapazität und Verbesserungder Arbeitsbedingungen � Aufbau des Labors und derMesskammer 2 mit Stahlabschirmung (1995)
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oberirdisch
Felsenkeller MK1
Nulleffektspektren:1, 3 = Mitte, 2, 4 = RandNulleffektspektren:1, 3 = Mitte, 2, 4 = RandDetektoren der Beta-Gamma-Koinzidenzspektrometrie
Detektoren der Beta-Gamma-Koinzidenzspektrometrie
Faktor 50
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15 bis 17 cm PbPb + AK
HPGeLSC
20cm Stahl +3cm Blei
2(1995)
15 cm Pb5 cm Pb
HPGeSi
70cm Serpentinit+ 2cm Stahl
1(1982)
AbschirmungDetek-toren
AbschirmungMK
Messkammern im Untertagemesslabor FelsenkellerMesskammern im Untertagemesslabor Felsenkeller
Gesteinsdecke 47 m = 125 mwe,Hornblendemonzonit, 45ppm Th, 10 ppm UMyonenfluss oberirdisch 180 m-2s-1, unterirdisch 3,6m-2 s-1
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Niese-Mainz-2007
Wenn ein hochwertiger HPGe - Detektorpassiv gegen die Radioaktivität derUmgebung und aktiv gegen die Myonenabgeschirmt worden ist, verursachen dieNeutronen den Hauptbeitrag zumUntergrund.
Es soll versucht werden, mit Hilfe einesempfindlichen NeutronendetektorsAussagen über den Neutronenfluss anverschiedenen Standorten zu erhalten.
Wenn ein hochwertiger HPGe - Detektorpassiv gegen die Radioaktivität derUmgebung und aktiv gegen die Myonenabgeschirmt worden ist, verursachen dieNeutronen den Hauptbeitrag zumUntergrund.
Es soll versucht werden, mit Hilfe einesempfindlichen NeutronendetektorsAussagen über den Neutronenfluss anverschiedenen Standorten zu erhalten.
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Natürliche NeutronenquellenNatürliche Neutronenquellen
Moderation in Luft und Gesteinen � thermischeNeutronen
(alpha,n) –Reaktionen in GesteinenSpontanspaltung von 238U � SpaltspektrumEinfang von und Reaktion mit Myonen
Verdampfung aus angeregten Kernen insbes. Pb; �0,5 – 15 MeV. Max. 2 MeV
Stöße mit primären und sekundären kosm. Strahlungund Kaskaden � 50 – 300 MeV, Max. 80 MeV
Entstehungsart
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Kosmisches Neutronenspektrum nach Goldhagen bei N.N.
Thermische N. Verdampfungs-N. Stoßneutronen
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Niese-Mainz-2007
Natürliche Neutronenflüsse bei N.N.Natürliche Neutronenflüsse bei N.N.
Mittlerer Gesamtfluss: 75 m-2 s-1Energie über 10 MeV: ca. 250,5 – 10 MeV: ca. 30epithermisch: ca. 5thermisch: ca.15
Mittlerer Gesamtfluss: 75 m-2 s-1Energie über 10 MeV: ca. 250,5 – 10 MeV: ca. 30epithermisch: ca. 5thermisch: ca.15
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Niese-Mainz-2007
r = Φ(E) P(E) dE∫Die Detektoreffektivität wird durch die ResponsefunktionP(E) in der Dimension m2 ausgedrückt. Sind die
Energieverteilungen der Neutronen Φ(E) bei derKalibrierung und der Messung gleich, so kann man stattder o.g. Gleichung für die gemessene Zählrate r
r = Φ P
schreiben.
Die Detektoreffektivität wird durch die ResponsefunktionP(E) in der Dimension m2 ausgedrückt. Sind die
Energieverteilungen der Neutronen Φ(E) bei derKalibrierung und der Messung gleich, so kann man stattder o.g. Gleichung für die gemessene Zählrate r
r = Φ P
schreiben.
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Niese-Mainz-2007
Die Responsfaktoren P wurden mit 252Cf - Quellenbestimmt.
P wird durch Division der Zählrate rK (in cps) durch denFluss ФK (in Neutronen m-2 s-1) der Kalibrierquelle erhalten:
P = rK / ФK
P(GBS) = 0.0155 m2, P(Berthold) = 0,00264 m2
Mit dem Pu-Monitor werden Neutronen in einem demSpaltspektrum ähnlichen Energiebereich gemessen. DieserBereich ist auch ähnlich den Neutronen, die durch (α,n) -Reaktionen in Gesteinen und Baumaterialien gebildeten undden durch kosmische Strahlung gebildeten„Verdampfungsneutronen“.
Die Responsfaktoren P wurden mit 252Cf - Quellenbestimmt.
P wird durch Division der Zählrate rK (in cps) durch denFluss ФK (in Neutronen m-2 s-1) der Kalibrierquelle erhalten:
P = rK / ФK
P(GBS) = 0.0155 m2, P(Berthold) = 0,00264 m2
Mit dem Pu-Monitor werden Neutronen in einem demSpaltspektrum ähnlichen Energiebereich gemessen. DieserBereich ist auch ähnlich den Neutronen, die durch (α,n) -Reaktionen in Gesteinen und Baumaterialien gebildeten undden durch kosmische Strahlung gebildeten„Verdampfungsneutronen“.
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Niese-Mainz-2007
cm
23
1511
80
Mode-rator
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Niese-Mainz-2007
Fa. Berthold, Bad Wildbad
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Niese-Mainz-2007Neutronendetektor GBS-Elektronik in MK1 im FK(Serpentinit)Neutronendetektor GBS-Elektronik in MK1 im FK(Serpentinit)
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Niese-Mainz-2007Neutronendetektor in der Werkstatt untertage (Ziegelwände)
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Niese-Mainz-2007Messkammer 2, Stahl+Blei, HPGe-Det. + GanzkörperzählerMesskammer 2, Stahl+Blei, HPGe-Det. + Ganzkörperzähler
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Niese-Mainz-2007
1,0Ziegel2,7Fe,Pb3,9Spt+5cm Pb0,26Serpentinit2,6Hb-Monzonit28oberirdischm-2s-1Material
Fluss schneller Neutronen im Untertagemesslabor
Ziegel Fe+PbSerpentinit
Hornblendemonzonit
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Niese-Mainz-2007
1,0 natürl. RA + MyonenZiegel2,7 Myonen20cm Fe + 3cm Pb3,9 MyonenSpt. + 5cm Pb0,26 Myonen + BlindwertSerpentinit2,6 natürliche RadioaktivitätHb-Monzonit28 High-energy Hadronenoberirdischm-2s-1 HauptquelleMaterial
Fluss schneller Neutronen im Untertagemesslabor
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Niese-Mainz-2007
Flüsse an „Spaltneutronen“ in verschiedenenoberirdischen Stockwerken in m-2 s-1 *)
92FZD H 8 Erdgeschoss (D1)122FZD H 13 Keller (D2a)290,5UBG 1. Stockwerk (D2a)270,5FZD H 8 2.Stockwerk (D1)
Flussmwe **)Ort
*) Messung mit zwei verschiedenen Detektoren D1 undD2a mit sicherlich verschiedenen P(E)**) geschätzt
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Niese-Mainz-2007
0,03000,030,05
125
20cm Fe,20cm Pb
30%
Felsenkeller*)
0,09000,050,03
FK/H13
0,33Ge74*596,60,74Ge71m198,40,32Ge77m159,70,65Ge75m139,51,7Ge73m66,7
2,5mwe Decke
15cm Pb,0,2cm Cu
Abschirmung31%Effektivität
Rossendorf,H13
ZustandE/keV
*) Streuung ca. 2 SD, Einzelwerte ungenau, nur mittleres Verhältnis relevant
Reaktionen von Neutronen mit Germanium,Impulse pro 1000 s in GermaniumpeaksReaktionen von Neutronen mit Germanium,Impulse pro 1000 s in Germaniumpeaks
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Niese-Mainz-2007
ZusammenfassungZusammenfassung
- Im einem Untertagelabor wird der von hochenergetischenHadronen verursachte Neutronenfluss drastisch verringert.- Mit dem Myonenfluss wird auch der von ihnen verursachteFluss an Neutronen verringert. Dieser wächst mitwachsender Kernladungszahl des Materials.- Je dicker die Gesteinsbedeckung, um so mehr tritt dienatürliche Radioaktivität als Neutronenquelle in denVordergrund.- In oberirdischen Gebäuden ist der Fluss in niedrigenStockwerken gegenüber den höheren Stockwerken bereitsmessbar verringert.
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Niese-Mainz-2007
Hevesy über die Bildung von Neutronen in GesteinenHevesy über die Bildung von Neutronen in Gesteinen
„Many of the rare earth minerals, because they are products ofresidual magmatic crystallisation, contain rare earth elementsthorium and uranium, along with beryllium and other lightelements. The last mentioned element is far the most effectiveneutron source under bombardment with alpha particles or withthe gamma rays by uranium, thorium, and their disintegrationproducts; the nuclei of other elements, such as lithium, boron,magnesium, aluminium etc. are much less effective.“
G. Hevesy and Hilde Levi; The action of neutrons on the rare earth elements, inHevesy G., Adventures in Radioisotpe Research (1962) S. 46 - 62, aus: Kgl. DanskeVidenskabernes Selskab. Mathematisk-fysiske Meddelser, 14 (1936) 5.
1936
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Niese-Mainz-2007
DanksagungDanksagung
Ich danke Dr. A. Klett von der Fa.BertholdGmbH &Co, KG, Bad Wildbad und Dr. J.Brutscher von GBS-Elektronik, Rossendorf, diemir für die Messungen die Neutronendetektorengeliehen haben, Dr. T. Heinrich von derUmweltbetriebsgesellschaft Radebeul, der mirdie Nulleffektmessung von seinem Detektorübergab, und dem VKTA Rossendorf e.V., dermir die Messungen in den Laboratorienermöglichte.
Ich danke Dr. A. Klett von der Fa.BertholdGmbH &Co, KG, Bad Wildbad und Dr. J.Brutscher von GBS-Elektronik, Rossendorf, diemir für die Messungen die Neutronendetektorengeliehen haben, Dr. T. Heinrich von derUmweltbetriebsgesellschaft Radebeul, der mirdie Nulleffektmessung von seinem Detektorübergab, und dem VKTA Rossendorf e.V., dermir die Messungen in den Laboratorienermöglichte.
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Niese-Mainz-2007
Untergrund von HPGe - DetektorenUntergrund von HPGe - Detektoren
0,045125DresdenVKTA0.0100,0835MonacoIAEA-MEL0,0230,2315HeidelbergMPI IfK0,0100,261RichlandPNNL*)0,0140,371RichlandPNNL0,0950,581SeibersdorfARC
r, mitAK
r, ohneAK
mweOrtLaboratorium
*) persönl. Mitt. R.Brodzinski ((2005)
(1kg Ge, Zählraten r in s-1kg-1 zwischen 40 und 2500 keV)
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Niese-Mainz-2007
100 Jahre zurück100 Jahre zurück
1898: 1. Messung der Radioaktivität untertage durch JuliusElster und Hans Geitel aus Wolfsburg:Messung der Radiumaktivität oberirdisch, bei 690 und bei1840 mwe (Harz). Die Strahlungsintensität blieb konstant,d.h die Radioaktivität kommt aus der Probe und wird nichtdurch „atmosphärische“ Strahlung angeregt.
7. August 1912: Viktor Hess fliegt mit Ballon von Aussignach Pieskow und erreicht am Schwielochsee 5500mHöhe. Sein Elektrometer zeigt in großen Höhen höhereStrahlungsintensitäten an und er entdeckte damit dieHöhenstrahlung.
1898: 1. Messung der Radioaktivität untertage durch JuliusElster und Hans Geitel aus Wolfsburg:Messung der Radiumaktivität oberirdisch, bei 690 und bei1840 mwe (Harz). Die Strahlungsintensität blieb konstant,d.h die Radioaktivität kommt aus der Probe und wird nichtdurch „atmosphärische“ Strahlung angeregt.
7. August 1912: Viktor Hess fliegt mit Ballon von Aussignach Pieskow und erreicht am Schwielochsee 5500mHöhe. Sein Elektrometer zeigt in großen Höhen höhereStrahlungsintensitäten an und er entdeckte damit dieHöhenstrahlung.
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Niese-Mainz-2007
Dr. Ronald Lee Brodzinski. February 14,1941 - October 31, 2006Ron war ein Laboratory Fellow in der RadiationDetection and Nuclear Sciences Group des PacificNorthwest National Laboratory. Ron hat sein Lebenwichtigen Problemen der angewandten undGrundlagenforschung gewidmet. Er war 40 Jahre imPNNL und leistete wichtige Beiträge zur Kern-chemie und -physik:
Wechselwirkung schneller Neutronen mit Materialiendes thermonuklearen Reaktors, Untersuchungen fürdie NASA bei den Apollo Missionen zum Mond,Kalibrierung von Ganzkörperzählern undradiochemische Nuklidtrennungen in biologischen
Proben von zurückgekehrten Astronauten und von Strahlendosen der Hiroshima -Bombe, Entwicklung von szintillierenden Glasfasern für die Neutronenmessung, undMethoden und Geräte zur Untergrundreduktion um sechs Größenordnungen bei Ge-Gammaspektrometern zur Messung des doppelten Betazerfalls von 76Ge und 100Mo,Einführung der Pulsformanalyse.
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Niese-Mainz-2007