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Strahlungsdämpfung oder Strahlungsabschirmung vor ionisierender Strahlung

    Die Abschirmung ionisierender Strahlung ist eine der wichtigsten Anwendungen von ANVILOY®-Wolframlegierungen (auch Schwermetalllegierung genannt) aufgrund der folgenden Eigenschaften:
  • Gute mechanische Eigenschaften oder Haltbarkeit mit einer Streckgrenze, die mit der von Vergütungsstählen vergleichbar ist.
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit für eine effiziente Ableitung der Zerfallswärme von hochaktiven Quellen
  • Hohe Abschwächung der photonischen Strahlung bei einer bestimmten Masse oder Dicke (spezifische Abschwächung)
  • Minimale Anfälligkeit für photonukleare Reaktionen
  • Geringe Toxizität, chemische Reaktivität und Korrosionsanfälligkeit
  • Einfache Bearbeitung

ANVILOY®-Wolframlegierungen eignen sich besonders zur Abschirmung hochenergetischer photonischer Strahlung, die von Radioisotopenquellen wie Co60 , vom Reaktorbetrieb und von Hochspannungs-Röntgengeneratoren ausgeht. Entscheidend für die Abschwächung hochenergetischer photonischer Strahlung sind die Atommasse sowie die Dichte des Abschirmmaterials. ANVILOY®-Wolframlegierungen bieten viele Vorteile gegenüber den weit verbreiteten Bleilegierungen. Dazu gehören eine höhere Festigkeit, eine höhere Wärmeleitfähigkeit, eine bessere thermische Stabilität, eine deutlich geringere Toxizität und eine bessere Abschirmwirkung (bis zu 36 % geringere Dicke für Co60 Strahlung).

ANVILOY®-Wolframlegierungen werden nicht zur Abschirmung von Alpha- oder anderer geladener Teilchenstrahlung benötigt, da hierfür wesentlich billigere Materiallösungen mit geringerer Atommasse, wie Kunststoffe oder Al-Legierungen, ausreichen. ANVILOY®-Wolframlegierungen werden auch nicht zur Abschwächung (Abschirmung) von Betastrahlung eingesetzt. Aufgrund der hohen Bremswirkung auf Betastrahlung durch die hohe Ordnungszahl (Z) von Wolfram könnte dies sogar kontraproduktiv sein, da die entstehende hochenergetische Röntgenstrahlung ein viel größeres Abschirmungsproblem darstellen könnte als die ursprüngliche Betastrahlung.

Diese und andere Vorteile der ANVILOY®-Abschirmung gegenüber anderen Materialien sind in der Tabelle aufgeführt. ANVILOY®-Wolframlegierungen bieten eine lineare Dämpfung, die der von reinem Wolfram nahekommt, die wiederum nur geringfügig niedriger ist als die von abgereichertem Uran (DU). ANVILOY®-Wolframlegierungen bieten deutliche Vorteile gegenüber DU und Pb, da sie nicht den OSHA-, EPA-, NRC- oder anderen Vorschriften für den Verkauf, die Handhabung und/oder die Verwendung unterliegen.

Rostfreier
Stahl
(Fe-19Cr-9Ni)
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
0,428
Z gemischt
Dichte(g/cm³) 8
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
1400
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) 16
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) 17
Festigkeit (MPa) 515
Cu
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
0,471
Z 29
Dichte(g/cm³) 8,96
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
1083
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) 390
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) 17
Festigkeit (MPa) <365
Blei
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
0,667
Z 82
Dichte(g/cm³) 11,35
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
328
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) 33
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) 29
Festigkeit (MPa) ~21
THA
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
0,953 -1,04
Z gemischt
Dichte(g/cm³) 17 - 18,5
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
~1450
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) ~70 – 100
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) ~5,8 – 4,8
Festigkeit (MPa) 870
W
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
1,076
Z 74
Dichte(g/cm³) 19,3
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
3420
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) 160
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) 4,2
Festigkeit (MPa) 980
U
µ (cm-1) für
1.25 MeV*
1,217
Z 92
Dichte(g/cm³) 19,1
Schmelztemperatur oder
Solidusbeginn (°C)
1132
Wärmeleitfähigkeit (W/mK) 27
Wärmeausdehnungskoeffizient10-6/K) 19
Festigkeit (MPa) 400

Tabelle 1 Vergleich von metallischen Gamma-Abschirmungsmaterialien in der Reihenfolge ihrer Dämpfungseffizienz* Berechnet mit dem NIST XCOM Photonenstreuungsprogramm.
Wenn die Abschirmung erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, z. B. durch Abklingwärme von sehr aktiven Quellen, bei der sich Bleilegierungen verformen oder schmelzen würden, sollten Wolframlegierungen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Solidustemperatur verwendet werden. Ihre Gamma-Abschirmleistung für die jeweilige Photonenenergie wird durch den linearen Schwächungskoeffizienten (µ) der verschiedenen Materialien beschrieben. Die Strahlungstransmission (T) durch eine plattenförmige Abschirmung ist gegeben durch T = e- (µ ∙ x)

wobei µ in cm-1 und die Abschirmungsdicke x in cm angegeben ist. Es kann sein, dass diese einfache Schätzung der Abschirmungseffektivität eines bestimmten Materials für bestimmte Quellen-, Abschirmungs- und Sensorgeometrien die tatsächliche Dicke der Abschirmung, die für ein bestimmtes Schutzniveau erforderlich ist, unterschätzt. Die Abschirmung einer durchschnittlichen Co60 Strahlenquelle mit einer Gammaenergie von 1,25 MeV unter Verwendung einer typischen Wolframlegierung der Klasse 1 (mit einem µ = 0,953 cm-1) zu einem Zehntel (Zehntelwertdicke ZWD oder 10 % Durchlässigkeit) würde wie folgt berechnet werden: ln (0,1) = -0,953 ∙ x
x = 2,42 cm


Die nachstehende Tabelle enthält die ungefähren Zehntelwertdicken verschiedener Anviloy®-Wolframlegierungen für die wichtigsten Photonenenergien. Die Addition der Zehntelwertdicken entspricht einer Multiplikation der Abschwächung. Dementsprechend würde ein Verhältnis von 104 : 1 für die Abschwächung der einfallenden Strahlung eine Abschirmung von 4 Zehntelwertstärken erfordern.

µ (cm-1)
Anviloy® 170C 0,951
Anviloy® 175C 0,980
Anviloy® 180C 1,010
Anviloy® 185C 1,037
Anviloy® 170F 0,955
Anviloy® 175F 0,984
Anviloy® 180F 1,010
Anviloy® 185F 1,037
W ref. 1,076
Pb ref. 0,665
U ref. 1,206
Anviloy® 180F
/ Blei
0.12
Anviloy® 170C 0,053
Anviloy® 175C 0,051
Anviloy® 180C 0,048
Anviloy® 185C 0,046
Anviloy® 170F 0,053
Anviloy® 175F 0,050
Anviloy® 180F 0,048
Anviloy® 185F 0,046
W ref. 0,043
Pb ref. 0,058
U ref. 0,028
Anviloy® 180F
/ Blei
0,79
0.14 99mTc
Anviloy® 170C 0,078
Anviloy® 175C 0,074
Anviloy® 180C 0,071
Anviloy® 185C 0,068
Anviloy® 170F 0,079
Anviloy® 175F 0,074
Anviloy® 180F 0,071
Anviloy® 185F 0,068
W ref. 0,064
Pb ref. 0,085
U ref. 0,040
Anviloy® 180F
/ Blei
0,80
0.20
Anviloy® 170C 0,186
Anviloy® 175C 0,178
Anviloy® 180C 0,169
Anviloy® 185C 0,163
Anviloy® 170F 0,186
Anviloy® 175F 0,178
Anviloy® 180F 0,169
Anviloy® 185F 0,163
W ref. 0,153
Pb ref. 0,204
U ref. 0,094
Anviloy® 180F
/ Blei
0,80
0.36 131I
Anviloy® 170C 0,619
Anviloy® 175C 0,591
Anviloy® 180C 0,566
Anviloy® 185C 0,549
Anviloy® 170F 0,618
Anviloy® 175F 0,589
Anviloy® 180F 0,565
Anviloy® 185F 0,549
W ref. 0,519
Pb ref. 0,722
U ref. 0,340
Anviloy® 180F
/ Blei
0,76
0.47 192Ir
Anviloy® 170C 0,933
Anviloy® 175C 0,893
Anviloy® 180C 0,863
Anviloy® 185C 0,838
Anviloy® 170F 0,933
Anviloy® 175F 0,893
Anviloy® 180F 0,861
Anviloy® 185F 0,838
W ref. 0,795
Pb ref. 1,140
U ref. 0,509
Anviloy® 180F
/ Blei
0,74
0.51 from β+
Anviloy® 170C 1,050
Anviloy® 175C 1,010
Anviloy® 180C 0,960
Anviloy® 185C 0,933
Anviloy® 170F 1,040
Anviloy® 175F 0,993
Anviloy® 180F 0,960
Anviloy® 185F 0,933
W ref. 0,890
Pb ref. 1,300
U ref. 0,637
Anviloy® 180F
/ Blei
0,72
0.66 137Cs
Anviloy® 170C 1,410
Anviloy® 175C 1,360
Anviloy® 180C 1,310
Anviloy® 185C 1,280
Anviloy® 170F 1,400
Anviloy® 175F 1,350
Anviloy® 180F 1,310
Anviloy® 185F 1,280
W ref. 1,220
Pb ref. 1,830
U ref. 1,540
Anviloy® 180F
/ Blei
0,70
1.00
Anviloy® 170C 2,100
Anviloy® 175C 1,990
Anviloy® 180C 1,920
Anviloy® 185C 1,880
Anviloy® 170F 2,040
Anviloy® 175F 1,980
Anviloy® 180F 1,920
Anviloy® 185F 1,880
W ref. 1,800
Pb ref. 2,860
U ref. 1,540
Anviloy® 180F
/ Blei
0,66
1.25 60Co
Anviloy® 170C 2,420
Anviloy® 175C 2,350
Anviloy® 180C 2,280
Anviloy® 185C 2,220
Anviloy® 170F 2,410
Anviloy® 175F 2,340
Anviloy® 180F 2,280
Anviloy® 185F 2,220
W ref. 2,140
Pb ref. 3,460
U ref. 1,910
Anviloy® 180F
/ Blei
0,64
2.22 H(n,γ)
Anviloy® 170C 3,130
Anviloy® 175C 3,050
Anviloy® 180C 2,950
Anviloy® 185C 2,880
Anviloy® 170F 3,120
Anviloy® 175F 3,040
Anviloy® 180F 2,950
Anviloy® 185F 2,880
W ref. 2,780
Pb ref. 4,540
U ref. 2,580
Anviloy® 180F
/ Blei
0,63
6.00
Anviloy® 170C 3,270
Anviloy® 175C 3,160
Anviloy® 180C 3,050
Anviloy® 185C 2,960
Anviloy® 170F 3,270
Anviloy® 175F 3,150
Anviloy® 180F 3,050
Anviloy® 185F 2,960
W ref. 2,840
Pb ref. 4,630
U ref. 2,660
Anviloy® 180F
/ Blei
0,64
10.0
Anviloy® 170C 2,930
Anviloy® 175C 2,820
Anviloy® 180C 2,720
Anviloy® 185C 2,640
Anviloy® 170F 2,920
Anviloy® 175F 2,820
Anviloy® 180F 2,710
Anviloy® 185F 2,640
W ref. 2,520
Pb ref. 4,090
U ref. 2,340
Anviloy® 180F
/ Blei
0,65
20.0
Anviloy® 170C 2,390
Anviloy® 175C 2,280
Anviloy® 180C 2,200
Anviloy® 185C 2,140
Anviloy® 170F 2,380
Anviloy® 175F 2,280
Anviloy® 180F 2,200
Anviloy® 185F 2,140
W ref. 2,020
Pb ref. 3,270
U ref. 1,880
Anviloy® 180F
/ Blei
0,65

Tabelle 2 Berechnete zehntel Dicke (cm) bei verschiedenen Photonenenergien.(Dicke eines gestrahlten Materials, bei der die elektromagnetische Strahlung in ihrer Strahlungsintensität auf ein Zehntel reduziert wird.)

ANVILOY®-Wolframlegierungen dehnen sich bei Temperaturerhöhung nur sehr gering aus und bieten daher eine gute Formstabilität. Bei Abschirmkonstruktionen aus mehreren Materialien dehnt sich die innere Wolframkomponente bei gleicher Temperaturänderung weniger aus als eine umgebende Edelstahlkonstruktion. Bei Bleiabschirmungen besteht aufgrund der größeren thermischen Ausdehnung die Gefahr einer dauerhaften Verformung. ANVILOY®-Wolframlegierungen leiten die Wärme 4-6-mal besser ab als austenitischer Edelstahl. Dank dieser verbesserten Eigenschaften wird die Wärme aus dem Inneren schnell über größere Wärmeabgabeflächen verteilt. Dies wirkt sich sehr positiv auf das Wärmemanagement aus.


Wenn große Abschirmungen erforderlich sind, können sie aus einzelnen kleineren Bauteilen zusammengesetzt werden. In diesem Fall sollten immer Versatzstücke oder Strahlungsunterbrechungen verwendet werden. Auf diese Weise wird jede geradlinige Strahlung aus dem Inneren verhindert. Zylindrische Abschirmungen können aus gestapelten Ringen mit axialem Versatz zusammengesetzt werden (männliche und weibliche Stufen). Der Versatz der Strahlungsfugen sollte so groß wie möglich sein.

B
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 760
W
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 18
Ni
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 4.5
Fe
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 2.6
Al
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 0.23
Pb
Absorptionsquerschnitt Neutronen (10-28 m2) 0.172

Tabelle 3 Neutronenabsorptionsquerschnitt unterschiedlicher Materialien
Neutronen werden meist mit Wasser, wasserstoffreichen Polymeren wie PE oder Materialien wie Borbeton abgeschirmt. Bei der Neutronenabschirmung werden in der Regel nicht ausschließlich ANVILOY®-Wolframlegierungen verwendet. Dennoch bietet der hohe Wolframanteil eine bessere Neutronenabsorption als viele andere Metalle (siehe Tabelle 3). Wolfram hat einen mehr als 100-mal höheren Neutroneneinfangquerschnitt als Blei und einen fast siebenmal höheren als reines Eisen. Obwohl ANVILOY®-Wolframlegierungen aufgrund ihres Gewichts und ihrer Kosten nie für den Einsatz in einem primären Neutronenschutzschild ausgewählt wurden, können sie in gemischten Strahlungsumgebungen dennoch eine wichtige sekundäre Abschirmfunktion erfüllen. Eine typische sekundäre Abschirmaufgabe wäre die Abschwächung von 2,2 MeV Gammastrahlung aus dem H-Einfang von Neutronen in PE oder ähnlichen H-reichen primären Abschirmschichten, zusätzlich zu einem vorhandenen Gammastrahlungsfluss.

Der Begriff "Strahlungsabschirmung" wird auch im Zusammenhang mit der Abschirmung elektromagnetischer Störungen (EMI) oder Hochfrequenzstörungen (RFI) verwendet. ANVILOY®-Wolframlegierungen sind jedoch aufgrund der Kosten, der Dichte und der geringen magnetischen Permeabilität nicht für die Abschirmung von Hochfrequenzstrahlung geeignet.

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