Bestrahlungsanlagen
Die Spaltung von Uran liefert zunächst schnelle, d.h. sehr energiereiche Neutronen. Die meisten Experimente und die eigentliche Kettenreaktion zur Erzeugung der Neutronen verlangen jedoch die energieärmeren thermischen Neutronen (< 0,6 eV). Um diese zu gewinnen, werden die Neutronen durch Stöße mit dem umgebenden Schwerwasser abgebremst.
Der FRM II verfügt über folgende Bestrahlungseinrichtungen, die eine große Bandbreite von Anwendungen ermöglichen:
- die Rohrpost-Bestrahlungsanlagen (RPA),
- die Kapselbestrahlungsanlage (KBA),
- die Mechanische Bestrahlungsanlage,
- die Siliziumdotierungsanlage (SDA),
- die Bestrahlungsposition im Regelstab,
- die Bestrahlung mit schnellen Neutronen an den Instrumenten MEDAPP und NECTAR
- die Bestrahlung mit kalten Neutronen am Instrument PGAA.
Darüber hinaus verfolgt ein laufendes Projekt das Ziel, den FRM II mit einer Einrichtung zur Bestrahlung von Urantargets auszurüsten, die die Basis für die Produktion des nuklearmedizinisch wichtigen Isotops Mo-99/Tc-99m sind.
Bis auf die Strahlrohrinstallationen MEDAPP, NECTAR und PGAA haben alle Bestrahlungseinrichtungen einen fest im Moderatortank montierten Bestrahlungseinsatz, der bei laufendem Reaktor mit Proben beschickt und entladen werden kann.
Anwendungen
Materialien werden zu verschiedenen Zwecken bestrahlt: Am FRM II wird unter anderem Silizium für die Hochleistungselektronik dotiert. Hierfür werden die einkristallinen Siliziumstäbe zwischen einigen Minuten bis einen Tag lang in einer speziellen Vorrichtung in die Bestrahlungsposition im Moderatortank gebracht. Die Neutronen wandeln dabei einzelne Siliziumatome in Phosphor um. Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials Silizium wird auf diese Weise definiert erhöht und kann auf Grund des bei dieser Dotiertechnik erzielbaren besonders homogenen Dotierprofils für Hochleistungselektronik, z.B. in Gleichstromrichtern verwendet werden.
In anderen Bestrahlungsanlagen des FRM II werden auch Radioisotope für Industrie und Medizin hergestellt. Ein besonders wichtiges Beispiel ist Lutetium-177 für die Pharmaindustrie, das in der Therapie von Tumoren bereits routinemäßig in Krankenhäusern bundesweit eingesetzt wird.
Eine andere Anwendung der Neutronenbestrahlung ist die Herstellung von Proben für die Neutronenaktivierungsanlayse (NAA) . Diese bietet die Möglichkeit, die Elementzusammensetzung einer geeigneten Probe sehr genau zu bestimmen. Die NAA kann bei einigen Elementen ein Atom unter einer Billion anderer nachweisen.
Technische Daten der Bestrahlungsanlagen
| Bestrah-lungs-anlage | Posi- tionen | Thermische Neutronen-flussdichte | Verhältnis thermische /schnelle Neutronen-flussdichte | Max. Proben- größe | Bestrah-lungs- zeit | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rohpost-bestrahlung | 6 | 5 · 1012 bis 4 · 1013 cm-2s-1 | 1300 – 60000 | 12 cm3 | Sekunden - Stunden | Produktion von Radioisotopen, Neutronen-aktivierungsanalyse |
| Kapsel-bestrahlung | 2 x 3 | bis 1.3 · 1014 cm-2s-1 | 330 – 770 | 30 cm3 | Minuten - Wochen | Produktion von Radioisotopen, Neutronen-aktivierungsanalyse |
| Mechanische Bestrahlung | 1 | 1.1·1013 cm-2s-1 | ~1200 | 2.5 l | max. 2h | z.B. Geochronologie |
| Bestrahlung im Regelstab | 1 | 2·1014cm-2s-1 | - | ≈ 2 cm³ | 60 Tage | Radioisotopen-produktion |
| Silizium-dotierung | 1 | 1.7 ·1013 cm-2s-1 | - | Höhe bis zu 500 mm, Durch-messer bis zu 200 mm | Siliziumdotierung | |
| Gamma-bestrahlung | meh- rere | 1 kGy/h bis 100 kGy/h | - | Durchmesser bis 85 mm, Höhe bis 1 m | Minuten - Wochen | Material-wissenschaften, Geologische Untersuchungen |
| Bestrahlung mit schnellen Neutronen an MEDAPP | 1 | bis 5·109 cm-2s-1 schnelle Neutronen | - | Muss von Fall zu Fall bestimmt werden | Materialtests unter schneller Neutronenbestrahlung | |
| Bestrahlung am Instrument PGAA | 1 | bis 1.6 · 1010 cm-2s-1 | - | 40 × 40 x 40 mm3 | Analytische Untersuchungen |