Strahlenschäden und Erholung

Ein großes Problem beim Langzeitbetrieb von szintillierenden und klaren Fasern sind Strahlenschäden. Besonders die Projektgruppen der Experimente, bei denen für Spurkammersysteme oder Sampling- Kalorimeter szintillierende und klare Fasern vorgesehen sind und die aufgrund der hohen Teilchenflüsse eine hohe Strahlenbelastung erwarten, berichten in mannigfaltiger Weise über ihre Beobachtungen, so z. B. die D0-Kollaboration am Fermilab und die Solenoid Detector Collaboration (SDC) beim damals noch geplanten Superconducting Super Collider (SSC).

Bei einem System aus szintillierenden und klaren Fasern äußern sich diese Strahlenschäden im wesentlichen durch eine Abnahme der mit dem optischen Empfänger gemessenen Lichtmenge. Diese Abnahme der Lichtmenge kann jedoch verschiedene Ursachen haben:

• Durch die Strahlenbelastung kann es zu einer teilweisen Zerstörung der szintillierenden Stoffe kommen, so daß sich die primäre Lichtausbeute verringert.
  Dieser Effekt scheint bei Teilchenbestrahlung jedoch nicht sehr ausgeprägt zu sein. Dagegen sind die Farbstoffe, die im grünen Wellenlängenbereich emittieren (z. B. 3HF) extrem UV-empfindlich. Deshalb dürfen der Bau der Detektoren und die weitere Handhabung nur bei "Rotlicht stattfinden.
• Eine Abnahme der Abschwächungslängen hat ebenfalls eine Verringerung der Lichtausbeute zur Folge. Die gilt natürlich gleichermaßen für szintillierende wie auch klare Fasern, bei denen die Abnahme der Abschwächungslängen sehr stark ist.
  Die Abnahme der Abschwächungslänge ist stark wellenlängenabhängig und dabei deutlich ausgeprägter im blauen Wellenlängenbereich.

Sehr häufig wurde jedoch auch beobachtet, daß die Lichtmenge nach der Bestrahlung wieder zunimmt. Dieses Phänomen der Erholung ( recovery) ist stark abhängig von

• der akkumulierten Dosis,
• der Zeit, in der diese Dosis verabreicht wurde, also der Dosisleistung, und
• der Atmosphäre, die die Fasern während und nach der Bestrahlung umgeben hat. Eine wichtige Rolle wird dabei dem Sauerstoff zugesprochen. Während er bei Bestrahlung zu stärkeren Schäden führen soll, wurde dagegen beobachtet, daß sich nach Beendigung der Bestrahlung Strahlenschäden bei Sauerstoffzufuhr besser erholen.

Eine ausführliche Darstellung der unterschiedlichen Messungen und vielfältigen Phänomene ist unter anderem zu finden in [Mar95], [Chu95], [RD195], [Jah95], [Wal95].

Die Auswertung dieser Veröffentlichungen läßt klar den Schluß zu, daß bei der erwarteten Strahlenbelastung bei HERA-B für einen Detektor aus szintillierenden und klaren Fasern mit einer deutlichen Abnahme der Lichtausbeute als Folge von Strahlenschäden zu rechnen ist. Es ist also ein weiteres Ziel dieser Arbeit, herauszufinden, ob mit einem solchen Detektor eine Betriebszeit von 2-3 Jahren realisiert werden kann.

Für die Erzeugung der Strahlenschäden wurden im Rahmen dieser Arbeit sowohl szintillierende als auch klare Fasern mit Photonen einer $\rm Co^{60}$-Quelle der Firma BASF [IsoLab] bestrahlt. Diese Quelle erlaubt eine Bestrahlungsdosis von 50 krad/h (500 Gy/h) in einem Abstand von 5 cm. Um die Quelle herum ist genügend Platz vorhanden, um die 3 m klaren Fasern so zu positionieren, daß die relative Dosis dem erwarteten Bestrahlungsprofil bei HERA-B entspricht (siehe auch Abschnitt 3.8.4).

Es stellt sich hier die Frage, ob die Strahlenschäden, die durch $\gamma$-Bestrahlung verursacht werden, den erwarteten Strahlenschäden bei HERA-B entsprechen, denn hier findet eine Bestrahlung mit Hadronen und Neutronen statt.

Um diese Frage zu untersuchen, haben die Kollegen vom Institut für Hochenergiephysik DESY-Zeuthen Bestrahlungen von Fasern mit Protonen und Elektronen beim Hahn-Meitner-Institut Berlin durchgeführt. Es hat sich im Laufe der Untersuchungen gezeigt, daß die Schäden nach Langzeitbestrahlung identisch sind (siehe dazu [Dre98a] und [Asc98]). Die $\gamma$-Bestrahlung ist also repräsentativ für die bei Hadron-Bestrahlung verursachten Strahlenschäden.