Strahlung abschatten

Im Kommentarbereich meines letzten Beitrags zur Streuung von Photonen, Elektronen und Neutronen wies mich ein Leser auf diesen Artikel zur Abbildung mit Neutronen hin, der einen weiteren Aspekt beleuchtet, den ich Ihnen nicht vorenthalten will: Abbildung mit Röntgenstrahlung verwendet sehr oft gar nicht die gestreute Strahlung. Das gute, alte Röntgenbild, mit dem Frau Doktor unseren Knochenbruch inspiziert, ist nichts anderes als ein Schattenwurf. Knochen sind für Röntgenstrahlung weit weniger durchsichtig als Haut und Muskeln und deshalb können wir im Röntgenbild einen Schattenwurf unseres Skeletts sehen. Mein letzer Artikel legt nahe, dass das bei Neutronen- oder Elektronenstrahlung anders sein könnte.

Tatsächlich zeigt der verlinkte englische Artikel, dass es bei Neutronen genau umgekehrt ist: Leichte Materie mit viel Wasserstoffatomen schirmt Neutronen ab, wirft also einen starken Schatten. Materie aus schweren Elementen ist dagegen weitgehend durchsichtig. Das scheint erstmal im Widerspruch dazu zu stehen, dass Neutronen über die starke Kernkraft mit Kernmaterie wechselwirkt. Schwere Atome enthalten mehr dieser Kernmaterie und sollten stärker mit Neutronen reagieren. Das stimmt; aber Wasserstoff hat eine Besonderheit:

Wasserstoff ist das Element, das aus einem einzelnen Kernteilchen (dem Proton) besteht, um das ein Elektron fliegt. Der Kern des Wasserstoff ist deshalb fast genau gleich schwer wie ein Neutron.

Spielen Sie Billard? Beim Billard sind die Kugeln alle gleich schwer. Das hat einen entscheidenden Vorteil: Die weiße Kugel kann ihre gesamte Energie und ihren gesamten Impuls an eine gestoßene farbige Kugel abgeben. Wäre die weiße Kugel dagegen viel leichter als die anderen Kugeln, so würde sie zwar an diesen abprallen, dabei aber nur wenig Energie übertragen. Die anderen Kugeln würden kaum bewegt werden, die weiße kaum abgebremst.

Diesen Effekt haben wir auch bei Streuung von Neutronen an schweren Atomkernen: Sie werden zwar abgelenkt, können aber kaum Energie abgeben. Beim leichten Wasserstoffkern haben wir es dagegen mit einem Billard-artigen Stoß zu tun. Das Neutron kann viel, unter günstigen Umständen die gesamte Energie an einen Wasserstoffkern abgeben. Der ist elektrisch geladen und wird daher von der umliegenden Materie schnell gebremst. Wasserstoffatome fangen Neutronen effektiv ein. Wasserstoffatome finden sich zahlreich in Wasser, aber auch in allen Kohlenwasserstoffen, also Kunststoffen und biologischem Gewebe. Damit gibt ein Schattenwurf mit Neutronen ein ergänzendes, komplementäres Bild des durchleuchteten Objektes. Nicht die harte Materie schattet Neutronen ab, sondern die weiche.

Strahlenschutz

Dieser Umstand hat Konsequenzen für Strahlenschutz. Welche Materialien wählen wir, um uns vor Radioaktivität zu schützen?

Für Röntgenstrahlen ist das Einfach: Die Absorption von Röntgenstrahlen geschieht an den Elektronenwolken und ist praktisch linear mit der Elektronendichte. Je mehr Eletronen, desto besser. Also nimmt man Materialien mit hoher Dichte. Blei zum Beispiel. Manchmal reicht Stahl, der schlechter Röntgenstrahlen absorbiert, dafür aber stabiler ist. Für Strahlen-geschützte Gebäude ist Schwerbeton das Material der Wahl.

Bei Elektronen findet die Abbremsung zwar auch an Elektronen statt und tatsächlich werden sie in Beil und Stahl effektiv eingefangen, allerdings hat das einen Haken: Bei der starken Abbremsung von Elektronen entsteht Röntgenstrahlung, so genannte Bremsstrahlung. Deshalb nimmt man zum Abschirmen von Elektronen besser leichte Materialien wie Aluminium oder Plexiglas. Letzteres hat auch den schönen Vorteil, durchsichtig zu sein. In der Forschung sehen wir gerne, was wir machen.

Haben wir es mit einer Kombination aus Photonen und Elektronen zu tun, haben sich Aluminium-Blei-Sandwich-Platten bewährt: Eine Bleiplatte wird auf beiden Seiten durch eine Aluminiumplatte ergänzt. Die Elektronen bleiben in der ersten Aluminiumplatte stecken, ohne all zu viel zusätzliche Röntgenstrahlung zu erzeugen, und die Röntgenstrahlung wird in der Bleiplatte absorbiert. Die zweite Aluminiumplatte ist ein Berührungs- und Abriebschutz für die Bleiplatte. Blei ist bekanntlich weich und giftig. (Außerdem verhindert Symmetrie, dass man die Platte falsch herum einbauen kann.)

Neutronen abzuschirmen ist nicht leicht. Am besten bringt man einen vollen Wassertank zwischen sich und die Neutronenquelle. Abklingbecken leisten da viel. Aber Abschirmen mit Wasser hat den Nachteil, dass es auslaufen kann . Feste Wasserstoff-reiche Materie hat meist keine große Dichte. Neutronen werden nicht ganz so effektiv auch von schweren Atomen aufgehalten. Viele schwere Atome können mehr bewirken als wenige leichte. Deshalb wird auch bei Neutronenstrahlen gern eine dicke Wand aus Schwerbeton gegossen. Die trägt dann auch gleich das Gebäude.

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www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

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  1. Für die Abschirmung von Neutronen im Labor nimmt man gern Polyethylenblöcke, wegen des vielen Wasserstoffs, was bei relativ geringen Wanddicken v.a. eine Moderation der Neutronen zur Folge hat. (Analog zu Wasser). Versetzt man das PE mit Bor, (hoher Einfangquerschnitt für ~thermische Neutronen), hat man eine gute Kombination aus Moderator und Absorber für den praktischen Strahlenschutz von Neutronenquellen.
    Auch Schwerbeton gibt es in einer borierten Variante.

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