Abschirmung (Strahlung)

Abschirmungen gegen ionisierende Strahlung dienen zum Schutz von Personen (siehe Strahlenschutz), anderen Lebewesen, Gegenständen oder Bauteilen gegen Strahlenschaden, sowie zur Reduktion des Hintergrunds bei Strahlenmessungen.

Hochenergetische elektromagnetische Strahlung, das ist Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung, wird bei der Durchstrahlung von Materie exponentiell abeschwächt. Ein Maß für die Absorption ist der Massenschwächungskoeffizient. Die Dämpfung beruht im Wesentlichen auf drei Wechselwirkungsprozessen, deren Dämpfungsstärke vom Verhältnis der Kernladungszahl Z und der Massezahl A abhängt. Zwei weitere Mechanismen, Kernphotoeffekt und normale Streuung, sind üblicherweise vernachlässigbar:

Energien bis ca. 1MeV

Photoeffekt; Dämpfung ~ Z⁴/A

Energien zwischen ca. 1MeV und 5MeV

Comptonstreuung; Dämpfung ~ Z/A

Energien oberhalb ca. 5MeV

Paarbildung; Dämpfung ~ Z^2//A

Bei niedrigen und hohen Energien und bei gleicher Massenbelegung absorbieren schwere Elemente mit hoher Kernladungszahl besonders gut. Im mittleren Energiebereich sind es neutronenarme, also leichte Elemente. Deshalb ist beispielsweise Wasser für Strahlung von 2MeV ein besserer Absorber als Blei, wobei die Schichtdicke bei gleicher Massenbelegung ca 10-Mal so groß ist.

Durch die Abschwächung der Strahlung entstehen als Sekundärteilchen Elektronen und bei sehr hohen Energien durch Kernphotoeffekt auch Protonen und Neutronen. Wegen ihrer starken Wechselwirkung werden sie schnell absorbiert und sind ihrerseits neue Quellen für Gammastrahlung und Tertiärteilchen. Um Spallationsreaktionen mit schweren Elementen zu vermeiden, bestehen Abschirmungen gegen Hochenergiestrahlung aus einer Kombindation aus schweren und leichten Materialien.

Geladene Teilchen, beispielsweise Elektronen oder Heliumkerne, wechselwirken intensiv mit Materie. Bereits Luft begrenzt die Reichweite von 10 MeV Elektronen auf 3m, von Alphateilchen auf 10cm.

Geladene Teilchen übertragen ihre Energie in kleinen Stufen auf den Absorber (Linearer Energietransfer, LET) durch die Anregung von äußeren Hüll-Elektronen und, in geringem Maße, durch Herausschlagen innerer Elektronen aus dem Atom. Elastische Streuprozesse an der Elektronenhülle und die Coulombstreuung am Kern tragen zur Absorption insofern bei, als dass sie den Weg der geladenen Teilchen im Absorber verlängern.

Für nichtrelativistische Teilchen der Masse m und Ladung z ist der lineare Energietransfer D_inel umgekehrt proportional zur Energie E und von der Dichte ρ und dem Verhältnis von Ordnungszahl und Massezahl Z/A abhängig:

D_inel/ρ ~ (Z/A) * z^2 * m/E

Wasser dämpft bei gleicher Massebelegung stärker als Blei.

Die inverse Abhängigkeit von der Energie spiegelt sich in der Bragg-Kurve wider. Ihr abrupter Abfall (Bragg-Peak) definiert eine Reichweite R, die das empirische nichtrelativistische Reichweitengesetz von Johannes Geiger für Alphateilchen in Luft beschreibt:

R = 3.1 * E^(3/2); E in MeV, R in mm

Erst bei hohen Energien E und großer Absorber-Kernladungszahl liefert die Bremsstrahlung einen Beitrag zur Energiedissipation D:

D_Strahlung/ρ ~ (z*e/m)^2 * E * Z * (Z/A)

Für Elektronen beginnt der Bereich bei 5 MeV, bei Protonen erst im TeV Bereich (~ (m_p/m_e)^2):

D_Strahlung / D_inel ~ E * Z / 800; für Elektronen, E in MeV

Für thermische, also langsame Neutronen werden Bor- oder Cadmium-haltige Abschirmungen verwendet, da diese Elemente große Wirkungsquerschnitte für die Absorption thermischer Neutronen haben. Für schnelle oder gemischte Neutronenstrahlung eignet sich ein wasserstoffhaltiges Material wie Wasser, Paraffin oder Polyethylen, das als Moderator wirkt, in Mischung mit einer Borverbindung. Je nach Energiespektrum der Neutronen kann es auch material- und platzsparender sein, die schnellen Neutronen zunächst durch (unelastische) Streuung in einer Schicht aus beispielsweise Eisen zu verlangsamen und erst dahinter Moderator und Bor oder Cadmium anzuordnen.

Wegen der ausschließlich schwachen Wechselwirkung der Neutrinos ist eine Abschirmung gegen diese Teilchen mit praktischen Mitteln auf der Erde nicht möglich, aber auch nicht notwendig.

Wechselwirkungen von Strahlung hoher Teilchen- oder Quantenenergie mit Materie erzeugen Sekundärstrahlungen, die in vielen Fällen schwieriger abzuschirmen sind als die Primärstrahlung.

• Die Abbremsung von geladenen Teilchen in Materie erzeugt Bremsstrahlung.
• Aktivierung des Schirmmaterials – besonders wichtig im Fall von Neutronen – führt zur Abgabe der entsprechenden Strahlung.
• Spallation (die Zertrümmerung von Atomkernen durch Stöße mit Energien der Größenordnung GeV) erzeugt Teilchenschauer unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Spallation schwerer Elemente erzeugt neue mittelschwere Atomkerne, die weitere Schauer hervorrufen. Hingegen sind die Bruchstücke leichter Elemente vorwiegend Protonen.

Bei Strahlungsmessungen, z. B. in der Gammaspektroskopie, sind meistens Abschirmungen nötig, um andere als die zu untersuchende Strahlung vom Messgerät fernzuhalten. Bei Messungen schwacher Quellen müssen dafür Materialien verwendet werden, die möglichst keine oder sehr wenig eigene Gammastrahlung abgeben. ^[1] Eventuell auftretende Elektronen oder Alpha-Teilchen aus dem Abschirmmaterial können durch eine zusätzliche Innenauskleidung der Messkammer mit beispielsweise Plastik unterdrückt werden. Zwei sehr häufig verwendete Materialien, Stahl und Blei, weisen jedoch normalerweise eine gewisse natürliche Radioaktivität auf, die auch Gammastrahlung erzeugt. Bei Blei wird diese durch das Bleiisotop ²¹⁰Pb (Halbwertszeit 22 Jahre) verursacht, das als Produkt der Uran-Radium-Zerfallsreihe im Bleierz enthalten ist^[2] , bei Stahl durch verschiedene in der Legierung enthaltene Radionuklide. Daher wird für die genannten Anwendungen auf strahlungsarmes Blei oder Stahl zurückgegriffen, das entweder durch aufwändige technische Verfahren gereinigt wurde, aus besonderen Erzen hergestellt wurde oder dessen Herstellung schon lange (d. h. viele Halbwertszeiten) zurückliegt, wie beispielsweise Rumpfmaterial oder Bleiballast von gesunkenen Schiffen. ^[3]

1. ↑ http://www.ptb.de/de/org/6/nachrichten6/2006/61606_de.htm
2. ↑ http://books.google.com/books?id=TG6fypCTGN4C&lpg=PA158&ots=iXv_8FWNl8&dq=%22low%20activity%22%20lead&pg=PA158#v=onepage&q=%22low%20activity%22%20lead&f=false
3. ↑ http://www.welt.de/print-welt/article648493/Warum_versunkene_Schlachtschiffe_aus_Stahl_bei_Physikern_so_beliebt_sind.html

• Krieger, H. (2004): Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes. 628 S., ISBN 3-519-00487-9
• Shultis, K., Faw, R.E. (2000): Radiation shielding. American Nuclear Society, XVI, 537 S.. ISBN 0-89448-456-7

• Absorption (Physik)
• Massenschwächungskoeffizient

• Strahlenschutz
• Kernphysik