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Abschirmung II – Wie schütze ich etwas vor Neutronen? [Nucular]

Die meisten Leser hier werden selten in die Verlegenheit kommen etwas vor Neutronen schützen zu müssen, solange sie keine Atombombe verstecken wollen, aber es ist halt die Abschirmmethode, mit der ich mich am besten auskenne.

Grundsätzlich besteht Abschirmung von Neutronen immer aus zwei Komponenten, Moderation und Absorption. Da Neutronen ungeladen sind und nur an Atomkernen streuen gehen schnelle Neutronen durch Materie durch, wie ein heißes Messer durch Butter und eine Bleiplatte ist für eine schnelles Neutron kaum ein nennenswertes Hindernis, so dass man eigentlich direkt ein Blatt Papier nehmen könnte. Um ehrlich zu sein ist ein Blatt Papier (mit der gleichen Dicke wie die Bleiplatte) sogar besser um Neutronen abzuschirmen, denn ich muss die Neutronen erst mal langsamer machen, um sie aufzuhalten. Langsamer mache ich sie durch inelastische Streuung an einzelnen Atomen, denn dadurch, dass ein Neutron “an einen Atomkern titscht” überträgt es kinetische Energie und wird dadurch langsamer. Diesen Vorgang nennt man Moderation und in der Regel moderiere ich die Neutronen dann soweit herunter, bis ihre Energieen so niedrig sind, dass sie von einem Atom absorbiert werden können.

Zum Moderieren sind am besten leichte Atome geeignet, denn es wird am meisten kinetische Energie übertragen, wenn die stoßenden Teilchen gleich schwer sind. Wasserstoff und Neutronen bestehen jeweils aus einem Kernteilchen und haben somit beide (annähernd) das gleiche Gewicht, nämlich 1 U und somit sind wasserstoffreiche Materialien bestens geeignet um schnelle Neutronen herunterzumoderieren… wie z.B. leichtes Wasser, Plastik (in seinen verschiedensten Formen) und menschliche Körper.

Wenn ich nun die Neutronen verlangsamt habe brauche ich noch ein Material, dass sie absorbiert. Wasserstoff ist da auch ein recht guter Kandidat aber das eigentliche Material der Wahl ist das Bor Isotop B10. B10 hat einen Absorptionsquerschnitt von 3835 barn (für 2200m/s Neutronen), während Wasserstoff “nur” 0,3 barn und Deuterium sogar nur 0,0005 barn hat. Wenn das Bor ein Neutron eingefangen hat, zerfällt es zu Lithium und gibt dabei Alpha-Strahlung ab, die im Plastik stecken bleibt. Wenn das Neutron absorbiert worden ist, dann ist es “weg” und wir brauchen uns keine Sorgen mehr darum zu machen. Aber leider ist das noch nicht das Ende der Geschichte. Denn durch den Absorbtionsprozess werden die absorbierenden Atome stark angeregt und müssen diese Energie dann in Form von Gamma-Strahlung wieder abgeben.

Diese Gamma Strahlung, die durch den Neutroneneinfang induziert worden ist, geht jetzt aber leider durch das Plastik durch, wie nichts. Gamma Strahlung ist halt eine elektromagnetische Welle und diese werden von den Elektronen eines

Wirkungsquerschnitt für Photonen (links) und Neutronen (rechts) für verschiedene Elemente.

Wirkungsquerschnitt für Photonen (links) und Neutronen (rechts) für verschiedene Elemente.

Atom abgelenkt und sie werden eben umso stärker abgelenkt, je mehr Elektronen so ein Atom hat. Da die meisten Atome genauso viele Protonen, wie Elektronen haben sind also gerade die Atome, die besonders gute Neutronen-Moderatoren sind, extrem schlecht darin mit Photonen klar zu kommen. Dazu brauche ich ein möglichst schweres Atom, wie z.B. Blei, oder Uran. Damit sind wir aber leider auch noch nicht am Ende, denn ein sehr hartes (hochenergetisches) Gamma, kann in einem Bleikern z.B. wiederum durch den Kernphotoeffekt eine ~(gamma, n)-Reaktion auslösen und wiederum ein Neutron produzieren, was wiederum durch das umgebende Blei nicht aufgehalten wird. Da drehen wir uns im Kreis… irgendwie.

Langes Gerede, einfache Lösung: Um Neutronen abzuschirmen benutzt man eine Kombination aus Bor-Plastik und Blei in einer Sandwichbauweise. Die Anzahl und Dicke der Sandwitchschichten hängt von der Energie der ankommenden Neutronen ab und muss relativ aufwendig (z.B. mit MCNP) simuliert werden. Dabei können Berechnungen zur Abschirmung von einem Neutronenexperiment schon teilweise sehr komplex werden und viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nehmen. Alternativ kann man auch einfach viel viel Beton und Wasser benutzen. Braucht das jemand, der keinen Forschungsreaktor oder Teilchenbeschleuniger hat? Ja, falls dieser Jemand einen Supercomputer oder sehr sensible Elektronik sein Eigen nennt. Denn Neutronen kommen nicht nur aus Spallationsquellen, sondern auch von der kosmischen Höhenstrahlung, von der auf dem Erboden ca. 20 Neutronen pro cm² pro Stunde ankommen(1).

Diese Neutronen beschädigen Prozessoren, RAMs und ähnliche sensible Elektronik, dadurch, dass sie oben beschriebenen Effekte eben auf einer Platine verursachen. Da dieser Effekt mit zunehmender Miniaturisierung immer deutlicher wird, werden wir davon in Zukunft wohl noch eine Menge hören.

(1) https://agenda.infn.it/getFile.py/access?contribId=65&sessionId=17&resId=0&materialId=slides&confId=8734

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