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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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)

1

2

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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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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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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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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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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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cm

23

1511

80

Mode-rator

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Fa. Berthold, Bad Wildbad

Niese-Mainz-2007Neutronendetektor GBS-Elektronik in MK1 im FK(Serpentinit)Neutronendetektor GBS-Elektronik in MK1 im FK(Serpentinit)

Niese-Mainz-2007Neutronendetektor in der Werkstatt untertage (Ziegelwände)

Niese-Mainz-2007Messkammer 2, Stahl+Blei, HPGe-Det. + GanzkörperzählerMesskammer 2, Stahl+Blei, HPGe-Det. + Ganzkörperzähler

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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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