Development of a Phoswich Detector for Neutron Dose Rate Measurements in the Earth's Atmosphere

Dönsdorf, Esther Miriam

The Earth is constantly exposed to a stream of energetic particles from outer space. Through the interaction of this radiation with the Earth's magnetosphere and atmosphere a complex radiation eld is formed which varies with the location inside the Earth's atmosphere. This radiation eld consists of charged and uncharged particles leading to the constant exposure of human beings to radiation. As this ionizing radiation can be harmful for humans, it is necessary to perform dose rate measurements in dierent altitudes in the Earth's atmosphere. Due to their higher biological eectiveness the exposure to neutrons is more harmful than the exposure to gamma-rays and charged particles, which is why the determination of neutron dose rates is the focus of this work. In this work the prototype of a Phoswich detector called PING (Phoswich Instrument for Neutrons and Gammas) is developed to determine dose rates caused by neutrons in the Earth's atmosphere and to distinguish these from gamma-rays. The instrument is composed of two dierent scintillators optically coupled to each other and read out by one common photomultiplier tube. The scintillator package consists of an inner plastic scintillator made of the material BC-412 and a surrounding anti-coincidence made of sodium doped caesium iodide (CsI(Na)). In this work the instrument is calibrated, tested and flown and a procedure for a pulse shape analysis for this instrument is developed. With this analysis it is possible to distinguish pulses from the plastic scintillator and pulses from the CsI(Na). The pulses from the plastic scintillator are mainly due to the interaction of neutrons but there is an energy-dependent contribution of gamma-rays to these events. Measurements performed on board an airplane show that the dose rates measured with the developed detector are in the same order of magnitude as results of other instruments. During measurements on board stratospheric balloons the altitude dependence of count rates and dose rates is determined. The count rates show a maximum which corresponds to the location of the Pfotzer maximum (Pfotzer, 1936). In the dose rates a maximum is found as well, which has been mentioned in Bartlett (2004).

Die Erde ist einem konstanten Strom energiereicher Teilchen ausgesetzt. Durch die Wechselwirkung dieser Strahlung mit der Magnetosphäre und Atmosphäre entsteht ein komplexes Strahlungsfeld, welches sich mit der Position innerhalb der Erdatmosphäre ändert. Es besteht aus geladenen und ungeladenen Teilchen und führt zu der permanenten Strahlenexposition des Menschen. Da diese ionisierende Strahlung für Menschen gefährlich sein kann, ist es notwendig Dosisraten in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu messen. Aufgrund ihrer hoheren biologischen Wirksamkeit ist die Exposition durch Neutronen gefährlicher als die durch gamma-Strahlung oder geladene Teilchen, deshalb steht die Messung von Neutronendosisraten im Fokus dieser Arbeit. In dieser Arbeit wurde der Prototyp eines Phoswich- Detektors namens PING (Phoswich Instrument for Neutrons and Gammas) entwickelt, um Neutronendosisraten in der Erdatmosphäre zu messen und von gamma-Strahlung zu unterscheiden. Das Instrument besteht aus zwei verschiedenen Szintillatoren die optisch mit einander gekoppelt sind und von einem gemeinsamen Photomultiplier ausgelesen werden. Das Szintillatorpaket besteht aus einem inneren Plastikszintillator des Materials BC-412 und der umgebenden Antikoinzidenz aus natriumdotierten Cäsiumjodid (CsI(Na)). In dieser Arbeit wird das Instrument kalibriert, getestet und geflogen und es wird ein Verfahren zur Pulsformanalyse für dieses Instrument entwickelt, mit der es möglich ist Pulse vom Plastikszintillator und vom CsI(Na) zu unterscheiden. Die Pulse vom Plastikszintillator entstehen hauptsächlich durch Wechselwirkung mit Neutronen, aber es gibt eine energieabhängige Beimischung durch gamma-Strahlung in diesen Ereignissen. Messungen der Dosisraten an Bord eines Flugzeuges zeigen, dass die mit dem entwickelten Detektor gemessenen Dosisraten in der gleichen Größenordnung liegen wie Ergebnisse anderer Instrumente. Bei Messungen an Bord von Stratosphärenballonen wird die Höhenabhängigkeit der Zähl- und Dosisraten bestimmt. Die Zählraten zeigen ein Maximum, welches sich mit der Position des Pfotzer-Maximums (Pfotzer, 1936) deckt. In den Dosisraten wurde ebenfalls ein Maximum gefunden, welches auch in Bartlett (2004) genannt wird.

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Dönsdorf, Esther: Development of a Phoswich Detector for Neutron Dose Rate Measurements in the Earth's Atmosphere. 2014.

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