Abschirmung (Strahlung)

Zweck und Grundprinzip

Abschirmungen gegen ionisierende Strahlung verringern deren Intensität. Sie schützen Personen, andere Lebewesen, Gegenstände und Bauteile vor Strahlenschäden und senken den Hintergrund bei Strahlenmessungen. Das passende Material und die nötige Dicke hängen vor allem von der Strahlenart und ihrer Energie ab: Papier kann Alphastrahlung abschirmen, Aluminiumblech Betastrahlung und eine Massivwand, beispielsweise aus etwa 5 cm dickem Blei, Gammastrahlung.

Geladene Teilchen, elektromagnetische Strahlung und Neutronen werden auf unterschiedliche Weise abgeschirmt. Bei geladenen Teilchen ist eine endliche Reichweite entscheidend. Röntgen- und Gammastrahlung werden dagegen annähernd exponentiell geschwächt; für sie ist die Halbwertsdicke wichtig. Neutronen müssen meist zunächst gestreut und abgebremst und anschließend in Kernreaktionen absorbiert werden.

Geladene Teilchen und ihre Reichweite

Alpha- und Betastrahlung bestehen aus geladenen Teilchen. In Materie haben sie eine bestimmte Reichweite R, die von Teilchenart, Teilchenenergie und Material abhängt. Ist eine Abschirmung dicker als R, unterdrückt sie die einfallende Strahlung vollständig. Bei Atmosphärendruck beträgt die Reichweite in Luft für Elektronen mit 10 MeV etwa 3 m, für Alphastrahlung gleicher Energie nur 10 cm.

Die Teilchen geben ihre Energie schrittweise ab: hauptsächlich durch Anregung äußerer Hüll-Elektronen, in geringerem Maß durch das Herausschlagen innerer Elektronen. Dies wird als linearer Energietransfer (LET) bezeichnet. Elastische Streuung an der Elektronenhülle und Coulombstreuung an Atomkernen verlängern zusätzlich den Weg im Absorber.

Für nichtrelativistische Teilchen mit Masse m und Ladung z gilt für den inelastischen Energietransfer D_inel näherungsweise:

D_inel/ρ ~ (Z/A) · z² · (m/E).

Er hängt also unter anderem von Dichte ρ, Ordnungszahl Z, Massenzahl A und Energie E ab und nimmt bei sinkender Energie zu. Die Bragg-Kurve zeigt diesen Anstieg; ihr abrupter Abfall nach dem Bragg-Peak bestimmt die Reichweite. Für Alphateilchen in Luft gilt nach Geiger empirisch: R = 3,1 · E₀^(3/2), wobei E₀ in MeV und R in mm eingesetzt wird.

Bei hohen Energien und großer Kernladungszahl trägt Bremsstrahlung merklich zur Energiedissipation bei: D_Strahlung/ρ ~ ((z·e)/m)² · E · Z · (Z/A). Für Elektronen beginnt dies bei etwa 5 MeV, für Protonen erst im TeV-Bereich. Für Elektronen gilt näherungsweise D_Strahlung/D_inel ~ E·Z/800, mit E in MeV.

Röntgen- und Gammastrahlung

Hochenergetische elektromagnetische Strahlung wird in Materie annähernd exponentiell abgeschwächt und besitzt deshalb keine feste Reichweite. Maßgeblich ist die von Quantenenergie und Material abhängige Halbwertsdicke: Für Quanten mit 2 MeV beträgt sie in Blei etwa 1,3 cm. Bei hohen Quantenenergien kann die Strahlendosis beim Eintritt in Materie mit zunehmender Tiefe zunächst leicht steigen; dies heißt Aufbaueffekt.

Die Abschwächung wird durch den Massenschwächungskoeffizienten beschrieben. Drei Wechselwirkungen sind wesentlich: Bis etwa 1 MeV dominiert der Photoeffekt mit einer Abschwächung von ungefähr Z⁴/A. Zwischen etwa 1 und 5 MeV ist die Comptonstreuung wichtig; die Abschwächung ist ungefähr Z/A. Oberhalb von etwa 5 MeV dominiert die Paarbildung mit ungefähr Z²/A. Kernphotoeffekt und normale elastische Streuung sind für die Abschirmwirkung normalerweise vernachlässigbar.

Bei niedrigen und hohen Energien schirmen schwere Elemente mit hoher Kernladungszahl besonders gut ab. Deshalb werden meist Blei und für Sichtfenster bleihaltiges Glas verwendet. Im Bereich der Comptonstreuung unterscheiden sich Materialien weniger; neutronenarme leichte Nuklide sind bei gleicher Massenbelegung etwas wirksamer, benötigen aber größere Schichtdicken. Bei der Abschwächung entstehen Elektronen, bei sehr hohen Energien durch Kernphotoeffekt auch Protonen und Neutronen. Diese können weitere Gamma- und Tertiärstrahlung erzeugen. Gegen Hochenergiestrahlung werden daher schwere und leichte Materialien kombiniert, um Spallationsreaktionen schwerer Elemente zu vermeiden.

Neutronen und Neutrinos

Neutronen wechselwirken nur mit Atomkernen, nicht mit Elektronenhüllen, und durchdringen Materie daher meist leicht. Ihre Abschirmung kombiniert in der Regel elastische oder unelastische Streuung mit Absorption in Kernreaktionen.

Thermische Neutronen lassen sich durch bor- oder cadmiumhaltige Materialien wirksam absorbieren, weil diese große Absorptions-Wirkungsquerschnitte besitzen. Ein 1 mm dickes Cadmiumblech senkt den durchgehenden thermischen Neutronenfluss auf etwa das 10⁻⁵-Fache, also auf 1 Hunderttausendstel. Rein thermische Neutronenstrahlung ist jedoch selten, da freie Neutronen bei ihrer Freisetzung deutlich energiereicher sind.

Für schnelle oder gemischte Neutronenstrahlung werden wasserstoffhaltige Stoffe wie Wasser, Paraffin oder Polyethylen als Moderator eingesetzt, meist zusammen mit einer Borverbindung. Für Neutronen im MeV-Bereich ist es oft material- und platzsparender, sie zuerst durch unelastische Streuung, beispielsweise in Eisen, zu verlangsamen und danach Moderator sowie Bor oder Cadmium anzuordnen.

Neutrinos können auf der Erde mit praktischen Mitteln nicht abgeschirmt werden, da sie ausschließlich schwach wechselwirken. Wegen ihrer extrem geringen Wechselwirkung auch mit lebendem Gewebe ist ein Schutz durch Abschirmung nicht nötig.

Sekundärstrahlung und strahlungsarme Schirme

Hochenergetische Strahlung kann beim Auftreffen auf Materie Sekundärstrahlung erzeugen, die teilweise schwieriger abzuschirmen ist als die ursprüngliche Strahlung. Beim Abbremsen geladener Teilchen entsteht Bremsstrahlung. Besonders bei Neutronen kann das Schirmmaterial aktiviert werden und danach selbst die entsprechende Strahlung abgeben. Spallation, also die Zertrümmerung von Atomkernen durch Stöße mit Energien der Größenordnung GeV, erzeugt Teilchenschauer verschiedener Zusammensetzung. Schwere Elemente bilden dabei neue mittelschwere Kerne und weitere Schauer; Bruchstücke leichter Elemente sind überwiegend Protonen.

Bei Strahlungsmessungen, etwa in der Gammaspektroskopie, sollen Abschirmungen möglichst keine eigene Gammastrahlung abgeben. Elektronen oder Alphateilchen aus dem Schirmmaterial können durch eine Innenauskleidung der Messkammer, beispielsweise mit Plastik, unterdrückt werden. Stahl und Blei besitzen jedoch gewöhnlich natürliche Radioaktivität: Bei Blei stammt sie von ²¹⁰Pb mit einer Halbwertszeit von 22 Jahren aus der Uran-Radium-Zerfallsreihe, bei Stahl von Radionukliden der Legierung. Verwendet werden deshalb strahlungsarmes Blei oder Stahl, das technisch gereinigt, aus besonderen Erzen hergestellt oder schon lange gelagert wurde, etwa Rumpfmaterial oder Bleiballast gesunkener Schiffe.

Kunststoffe und Wasser als Abschirmung

Wolfram-Kunststoffe werden insbesondere gegen hochenergetische Gammastrahlung eingesetzt. Diese thermoplastischen Compounds sind mit metallischen oder keramischen Pulvern, vor allem Wolfram, hochgefüllt. Bei mehr als 80 Volumenprozent Füllstoff können Dichten bis zu 15 g/cm³ erreicht werden, also Werte im Bereich von Blei oder darüber. Wolfram besitzt die Ordnungszahl Z = 74; seine hohe Ordnungszahl und Dichte bewirken die Strahlenabsorption, während die Kunststoffmatrix die thermoplastische Formgebung ermöglicht.

Gegenüber Bleikomponenten gelten diese Werkstoffe als ungiftig, mechanisch robuster und im Spritzguss zu komplexen, hochpräzisen Bauteilen formbar. Anwendungen sind medizinische Diagnostik, Nuklearmedizin und industrielle Strahlenschutzlösungen.

Schwimmbadreaktoren verwenden mehrere Meter Wasser als Kühlmittel und Abschirmung. Auch ausgebrannte Brennelemente aus Kernkraftwerken werden in ähnlichen Abklingbecken gelagert. Das Wasser bremst Betastrahlung ab und nimmt ihre Energie auf, schwächt Gammastrahlung und nimmt Zerfallswärme auf, die es weiterleitet.