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 ein 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 Energien 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, das 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 Sandwichschichten 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

Kommentare (11)

  1. #1 rolak
    10. Juli 2015

    Da dieser Effekt mit zunehmender Miniaturisierung immer deutlicher wird

    Eher ‘da dieser Effekt mit zunehmender Miniaturisierung auch auf Erden wesentlich wird’ – für deutlich höher hinauf Sollendes ists ja schon so. Ob nun kleinere Strukturen oder höhere Belastung, das Ergebnis ist ähnlich.

  2. #2 Tobias Cronert
    11. Juli 2015

    In der Raumfahrt ist das wohl offensichtlich ein verbreitetes Problem.
    Ich habe letztens auf einer Konferenz beim Mittagessen mit einer Gruppe Leute zusammengesessen, die die Auswirkungen von kosmischer Strahlung auf Elektronik in Satelliten etc. untersuchten… aber so ganz verstanden habe ich das immer noch nicht. Ich mein, es ist ja nicht so, dass wir nicht auch regelmäßig unsere Elektronik teilweise recht beachtlicher Strahlung aussetzen würden… hat wohl viel mit Energien zu tun, die man terrestrisch kaum erzeugen kann.

  3. #3 rolak
    11. Juli 2015

    Was genau den Unterschied ausmacht, ist mir ebenfalls unbekannt, Tobias, doch klar, Teilchen-Energie und -Stromdichte werden sich auswirken. Standard im fernen All sind Strukturen einige Entwicklungsstufen hinter terrestrisch zurück, wie es bei Satelliten aussieht ist mir unklar – könnte sein, daß dort wg kleinerer GesamtLebensdauer anders kalkuliert wird.

  4. #4 PDDOW
    11. Juli 2015

    Da fällt mir folgender Artikel von Florian Freistetter wieder zu ein:
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/06/02/vom-universum-neu-gestartet-lightsail-1-ist-wieder-aktiv-und-bereit-fuer-den-ersten-wichtigen-test/

    Danke für die interessanten Artikel!

  5. #5 Tobias Cronert
    11. Juli 2015

    Sher gerne.

    Der Artikel von Florian ist toll. Einene Rechner durch Strahelnschäden neu starten… ich glaube das muss ich mal ausprobieren.

  6. #6 rolak
    11. Juli 2015

    durch Strahelnschäden neu starten

    Das gilt für Bitfehler im Speicher durch Strahlung. Parallele identische Prozesse, bei Abweichung des Zustandes an Kontroll(zeit)punkten erfolgt Neustart. Dann noch einen WatchDog für den Vergleicher und nen Failsafe, jeweils in unabhängiger Hardware – wie Florian schon andeutete, es ist ein arg weiter Weg, um alternativ das (typischerweise nicht vorhandene) Knöpfchen zu drücken, da wird gerne eine Handvoll Silizium mehr verbaut..

  7. #7 UMa
    13. Juli 2015

    Ich habe eine Frage zur ungeladener Strahlung.
    Wie würde sich Wasserstoffstrahlung verhalten? Also die Strahlung bestehend aus neutralen Wasserstoffatomen oder Molekülen.
    So, wie Protonen- und Elektronenstrahlung getrennt, z.B. weil der Wasserstoff beim Auftreffen auf Materie sofort ionisiert?
    Oder eher wie Neutronenstrahlung?
    Oder hängt das von der Energie ab, wenn ja wie?

  8. #8 Tobias Cronert
    13. Juli 2015

    @rolak: Danke, echt interessant.

    @UMa: Also erst mal ist es recht schwer überhaupt ungeladenen Wasserstoffstrahlung zu bekommen. Mit einem Teilchenbeschleuniger geht es z.B. schon mal nicht, denn der kann eben nur geladenen Teilchen beschleunigen.
    Falls du sie doch hättest würden sie sich je nach Energie verhalten, wie Protonen und Elektronenstrahlung getrennt und sofort ionisieren oder bei niedrigen Energien halt, wie ein Strahl aus flüssigem/gasförmigen Wasserstoff, den du auf eine Oberfläche schüttest.

    Aber auf keinen Fall wie Neutronenstrahlung, weil die “Elektronenwolke” des Wasserstoffs in der “Elektronenwolke” des Ziel hängen bleibt. Immer an den Größenvergleich denken: Wenn ein Atom so groß ist, wie der Kölner Dom, dann ist der Kern so groß, wie ein Kirschkern und die Coulomb-WW ist langreichweitig im Gegensatz zur starken/schwachen WW.

  9. #9 UMa
    13. Juli 2015

    Danke. Gut, dann war meine Intuition richtig, es ist egal ob der Wasserstoff ionisiert ist oder nicht.
    Man kann ihn wie getrennte Protonen und Elektronenstrahlung behandeln.
    Müsste dann aber nicht die Ladungstrennung, Elektronen bleiben an der Oberfläche, Protonen dringen tiefer ein, für ein starkes elektrisches Feld sorgen, was die Eindringtiefe beeinflussen könnte?

  10. #10 Tobias Cronert
    13. Juli 2015

    So starke Felder hast du bei geladenen Strahlen und Ionisierung immer und sie beeinflussen auch deutlich die Eindringtiefe.
    Geladenen Strahlen haben z.B. in Materialien mit hoher Kernladungszahl eine geringere frei Weglänge, was auch meist eine geringeren Eindringtiefe bedeutet.

    Laserbeschleunigung arbeitet z.B. gezielt damit, indem mit einem Laser die Elektronenhülle “weggeschossen” wird und durch das entstehende Feld die Protonen dann beschleunigt werden. Das nennt sich laser break-out afterburner (kurz BOA) oder ‘Coulomb explosion’