Commissioning characterization and exploitation of the CERN Shielding Benchmark Facility (CSBF)

Abstract

One of the main application of the FLUKA Monte Carlo simulation code, is in the design of new beam facilities. An indispensable part of the FLUKA code development process, is benchmarking of predictions of new features against experimental data, for example benchmarking the deep shielding penetration by the particles from high energy proton accelerator operations. For this reason, the CERN High energy AcceleRator Mixed field facility (CHARM) and the CERN Shielding Benchmark Facility (CSBF) were especially designed to obtain experimental data, for deep shielding penetration studies. The main goals of this thesis, are to design and to characterize the CSBF, both by means of FLUKA Monte Carlo simulations of the radiation spectra and their validation by activation experiments. The first prototype of the CSBF was installed, together with the entire shielding of the CHARM facility, during the Long Shut-down 1 (LS1) in 2013/2014. The CHARM facility, has been operating with 24 GeV/c proton beam, since September 2014. A first characterization of the CSBF facility was performed in July 2015, with the activation of bismuth and aluminium detectors in the CSBF. Monte Carlo simulations with the FLUKA code, have been performed to estimate the production yields of bismuth isotopes and sodium for these samples. The production yields estimated by FLUKA Monte Carlo simulations, are compared to the production yields obtained from γ-spectroscopy measurements of the samples taking the beam intensity profile into account. With the experience acquired during the activation campaign in 2015, the CSBF has been significantly upgraded during the extended year-end technical stop at the beginning of 2016. Consequently, in September 2016 there was a second activation campaign with activation of bismuth, aluminium and indium samples that were placed in the CSBF, to characterize the upgraded version of the CSBF. Monte Carlo simulations with the FLUKA code, have been performed to estimate the specific production yields of bismuth, sodium and indium isotopes, for these samples, in the new configuration, and have then been compared to the production yields obtained from γ-spectroscopy measurements of the samples taking the beam intensity profile into account. In parallel to the activation campaign in 2016, there was a series of measurements with a high-pressure ionisation chamber, filled with hydrogen gas at 20 bar, calibrated for measuring ambient dose equivalent rates, in the material test location. By comparing the dose rate measured at different positions, the neutron spectrum averaged attenuation lengths of the various commonly used shielding materials are estimated. The results obtained for the activation campaigns in 2015 and 2016, have shown that the radiation fields in the CSBF, are now well understood and well described by FLUKA. These results can be used as guidelines for similar studies at future proton accelerators and at medical facilities.

Μία από τις κύριες εφαρμογές του κώδικα προσομοιώσεων FLUKA Monte Carlo, είναι ο σχεδιασμός νέων εγκαταστάσεων ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Ένα αναπόσπαστο κομμάτι της διαδικασίας ανάπτυξης του κώδικα FLUKA, είναι η συγκριτική αξιολόγηση προγνωστικών για νέα χαρακτηριστικά έναντι πειραματικών δεδομένων, για παράδειγμα, συγκριτική αξιολόγηση της διείσδυσης σε βαθιά θωράκιση από σωματίδια που προέρχονται από επιταχυντή πρωτονίων υψηλής ενέργειας εν λειτουργία. Για το λόγο αυτό, το CERN High Energy Accelerator Mixed Field Facility (CHARM) και το CERN Shielding Benchmark Facility (CSBF) σχεδιάστηκαν ειδικά για την απόκτηση πειραματικών δεδομένων για μελέτες διείσδυσης σωματιδίων σε βαθιά θωράκιση. Οι κύριοι στόχοι αυτής της διατριβής, είναι ο σχεδιασμός και ο χαρακτηρισμός του CSBF, τόσο με προσομοιώσεις των φασμάτων ακτινοβολίας με FLUKA Monte Carlo, όσο και με την επικύρωση τους με πειράματα ενεργοποίησης. Το πρώτο πρωτότυπο του CSBF εγκαταστάθηκε, μαζί με ολόκληρη τη θωράκιση της εγκατάστασης CHARM, κατά τη διάρκεια του Long Shut-down 1 (LS1) το 2013/2014. Η εγκατάσταση CHARM λειτουργεί με δέσμη πρωτονίων 24GeV/c από τον Σεπτέμβριο του 2014. Ένας πρώτος χαρακτηρισμός της εγκατάστασης CSBF πραγματοποιήθηκε τον Ιούλιο του 2015, με την πραγματοποίηση πειραμάτων ενεργοποίησης ανιχνευτών βισμουθίου και αλουμινίου στο CSBF. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo με τον κώδικα FLUKA, πραγματοποιήθηκαν για την εκτίμηση των αποδόσεων παραγωγής ισοτόπων βισμουθίου και νατρίου, για αυτά τα δείγματα. Οι αποδόσεις παραγωγής που εκτιμήθηκαν από τις προσομοιώσεις FLUKA Monte Carlo, συγκρίθηκαν με τις αποδόσεις παραγωγής που λήφθηκαν από τις μετρήσεις της γ-φασματοσκοπίας των δειγμάτων, λαμβάνοντας υπόψη το προφίλ της έντασης δέσμης. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε κατά τη διάρκεια της εκστρατείας ενεργοποίησης το 2015, το CSBF αναβαθμίστηκε σημαντικά κατά τη διάρκεια της εκτεταμένης τεχνικής διακοπής στο τέλος του έτους 2016. Συνεπώς, τον Σεπτέμβριο του 2016 πραγματοποιήθηκε μια δεύτερη εκστρατεία πειραμάτων με ενεργοποίηση δειγμάτων βισμουθίου, αλουμινίου και ινδίου, που τοποθετήθηκαν στο CSBF, για να χαρακτηρίσουν την αναβαθμισμένη έκδοση του CSBF. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo με τον κώδικα FLUKA, πραγματοποιήθηκαν για την εκτίμηση των ειδικών αποδόσεων παραγωγής των ισοτόπων βισμουθίου, νατρίου και ινδίου, για τα δείγματα αυτά, στη νέα εγκατάσταση και έπειτα συγκρίθηκαν με τις αποδόσεις παραγωγής που λήφθηκαν από τις μετρήσεις γ-φασματοσκοπίας των δειγμάτων, λαμβάνοντας υπόψη το προφίλ της έντασης δέσμης. Παράλληλα με την εκστρατεία ενεργοποίησης το 2016, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μετρήσεων με θάλαμο ιονισμού υδρογόνου υπό υψηλή πίεση 20 bar, βαθμονομημένο για τη μέτρηση ρυθμού ισοδύναμης δόσης περιβάλλοντος, στo shielding material test location. Με τη σύγκριση του ρυθμού δόσης που μετρήθηκε σε διαφορετικές θέσεις, υπολογίζεται ο μέσος όρος του μήκους εξασθένησης φάσματος νετρονίων των διάφορων, συνήθως, χρησιμοποιούμενων υλικών θωράκισης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τις εκστρατείες ενεργοποίησης το 2015 και το 2016 έδειξαν ότι τα πεδία ακτινοβολίας στο CSBF είναι τώρα καλά κατανοητά και καλά περιγραφόμενα από την FLUKA. Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κατευθυντήριες γραμμές για παρόμοιες μελέτες σε μελλοντικούς επιταχυντές πρωτονίων και σε ιατρικές εγκαταστάσεις.