Abschirmung von Strahlung


 
Bei der Abschirmung ionisierender Strahlen finden Wechselwirkungen der Strahlungsteilchen und Quanten mit dem Abschirmmaterial statt. Dabei können Energie und Bewegungsrichtung der Teilchen und Quanten geändert werden, andere Strahlungsteilchen oder Quanten entstehen oder die Strahlung kann völlig verschwinden.


Abschirmung von Alphastrahlen

Alphateilchen geben ihre Energie im Wesentlichen dadurch ab, dass sie Atome oder Moleküle der durchstrahlten Materie ionisieren oder anregen. Da die Ionen in sehr großer Dichte erzeugt werden, verlieren Alphateilchen ihre Energie auf sehr kurzer Strecke. In Luft beträgt die Reichweite deshalb nur wenige Zentimeter, im Gewebe weniger als 0,1 mm. Im Prinzip lassen sich Alphastrahlen also bereits durch ein Blatt Papier vollständig abschirmen.

Die geringe Reichweite von Alphateilchen in Luft bewirkt, dass in etwa 10 cm Entfernung von der Strahlenquelle keine Belastung des Menschen durch Alphateilchen auftreten kann.

Treffen Alphateilchen auf unbekleidete Körperteile des Menschen, werden sie bereits durch die oberen Hautschichten vollständig abgeschirmt. Die Haut selbst kann aber u. U. geschädigt werden.

Abschirmung von Betastrahlen

Treffen Betateilchen auf Materie, verlieren sie ihre Energie durch Ionisationen, Anregung, Streuung und Erzeugung von Bremsstrahlung. Ionisation und Erzeugung von Bremsstrahlung sind die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse.

Die Betateilchen treten im Wesentlichen mit den Hüllelektronen der Atome in Wechselwirkung. Daraus folgt, dass sie ihre Energie auf desto kürzeren Strecken verlieren, je größer Dichte und Ordnungszahl des Abschirmmaterials sind.

In der Praxis werden zur Abschirmung von Betastrahlen jedoch keine Materialien höherer Ordnungszahl verwendet, weil die Energie der auftretenden Bremsstrahlung mit der Ordnungszahl wächst. Die "härtere" Bremsstrahlung müsste dann ihrerseits durch zusätzliche Materialschichten abgeschirmt werden.

Zur optimalen Abschirmung von Betastrahlen wird eine Kombination zweier verschiedener Materialien verwendet. Der Strahlenquelle zugewandt ist ein Absorbermaterial niedriger Ordnungszahl, wobei die Materialdicke etwas größer gewählt wird als die Reichweite der Betastrahlen in diesem Material. Dadurch wird die Betastrahlung vollständig absorbiert und es entsteht nur wenig Bremsstrahlung geringerer Energie. Ein zusätzliches Material hoher Ordnungszahl (z. B. Blei) schwächt dann die Bremsstrahlung. Es kann bei Strahlenquellen geringer Stärke entfallen.

Die maximale Energie von Betateilchen, die die meisten Radionuklide aussenden, ist nicht größer als 1 bis 2 MeV. Zur vollständigen Abschirmung sind also 4 mm Aluminium ausreichend. Neben Aluminium werden auch Kunststoffe zur Abschirmung von Betastrahlen eingesetzt.

Betateilchen, die von außen auf den menschlichen Körper treffen, dringen nur wenige Millimeter ein. Es können also nur die obersten Hautschichten geschädigt werden. Eine Ausnahme bildet das Auge. Durch Betastrahlen kann es zur Trübung der Augenlinse kommen.

Abschirmung von Gammastrahlen

Durchdringt Gammastrahlung Materie, wird sie durch eine Reihe von Wechselwirkungsprozessen, die mit den Hüllelektronen oder den Atomkernen stattfinden, geschwächt. Es lässt sich aber immer nur ein bestimmter Anteil der Strahlung abschirmen, also nicht die gesamte Strahlung. Einzelne Gammaquanten können beliebig dicke Materieschichten durchdringen, wobei die Wahrscheinlichkeit dafür mit wachsender Schichtdicke immer geringer wird. Die Abschirmung der Gammastrahlung ist somit schwieriger als die der Alpha- oder Betastrahlung.

Für Gammastrahlung lässt sich keine maximale Reichweite angeben. Durch Absorbermaterialien erreicht man lediglich eine Schwächung der Strahlungsintensität auf einen bestimmten Bruchteil. Dabei hängt die Stärke der Schwächung von der Energie der Strahlung und dem verwendeten Abschirmmaterial ab. Höhere Energie der Gammaquanten bedeutet ein größeres Durchdringungsvermögen, und eine höhere Ordnungszahl des Wechselwirkungsmaterials führt zu einer größeren Abschirmung.

Zur Abschätzung der Materialdicken, die für die Strahlenabschirmung benötigt werden, hat man für die Strahlenschutzpraxis die Halbwertsschicht und die Zehntelwertsschicht definiert. Durch diese Schichten wird die Intensität der Strahlung auf die Hälfte bzw. ein Zehntel reduziert.


Für den Schutz vor Gammastrahlung ist Blei (z. B. in Form von Bleiziegeln) ein geeignetes Abschirmmaterial. In besonderen Fällen wird wegen der höheren Dichte Wolfram oder abgereichertes Uran verwendet, da sie zu einer noch stärkeren Schwächung der Strahlung führen. Da sie aber nicht immer verfügbar sind und ihre Bereitstellung hohe Kosten verursacht, spielen sie in der Strahlenschutzpraxis keine bedeutsame Rolle. Steht für den Strahlenschutz genügend Raum zur Verfügung, können auch andere, billigere Materialien verwendet werden, z. B. Eisen, Beton oder auch Wasser. Es ist dann eine dem Blei äquivalente, dickere Materialschicht zu wählen.

Abschirmung von Neutronenstrahlen

Bei Neutronenstrahlen ist die Dosisleistung desto höher, je größer die Energie der Neutronen ist. In einem ersten Schritt muss deshalb ihre Geschwindigkeit herabgesetzt werden. Dazu eignen sich am besten wasserstoffhaltige Materialien (z. B. Polyäthylen, Paraffin, Wasser), da die Masse von Neutron und Wasserstoffkern (Proton) praktisch gleich groß ist und bei Stößen besonders hohe Energiebeträge übertragen werden können.

Auch Neutronen mit thermischen Geschwindigkeiten sind für Menschen noch gefährlich. Sie können von Atomkernen eingefangen werden und dabei Strahlung aussenden oder zuvor nicht radioaktive Kerne in radioaktive Kerne umwandeln. In einem zweiten Schritt müssen deshalb die thermischen Neutronen eingefangen werden. Dafür eignen sich z. B. Bor oder Cadmium. Eine 6,5 mm dicke Boralschicht (Aluminium + B4C-Zusatz) schwächt den Fluss thermischer Neutronen um den Faktor 1010.

Beim Einfang der Neutronen wird eine Sekundärstrahlung ausgesandt. Zur Abschirmung dieser Sekundärstrahlung müssen Materialien großer Ordnungszahl eingesetzt werden, damit die Gammastrahlung sicher absorbiert wird. Ein klassischer Neutronenschild besteht also aus drei Schichten.

Statt eines relativ teuren mehrschichtigen Neutronenschildes können auch dickere Betonwände eingesetzt werden. Es wird Spezialbeton mit bestimmten Zuschlägen verwendet, sodass Neutronenabbremsung, Neutroneneinfang und Gammaabschirmung sicher gewährleistet sind. In einem Kernkraftwerk übernimmt ein 2 m dicker Schild aus Spezialbeton diese Aufgabe.