Wie dick muss ein Schild sein, um besser zu sein als gar kein Schild?

Unter einer Antwort auf eine kürzlich gestellte Frage zum Schutz vor Strahlung auf einer Reise zum Mars gab es diesen Kommentar von dubu (Hervorhebung von mir):

[..] Für hochenergetische Teilchen, die in dichte Materie eintreten, kommt zur Bremsstrahlung Paarbildung hinzu , und beide zusammen erzeugen Teilchenschauer . [..] Ein bekanntes Problem bei der Strahlenabschirmung ( dünne Abschirmung könnte schlimmer sein als gar keine Abschirmung ).

Daher,

Wie dick muss ein Schild sein, um besser zu sein als gar kein Schild?

Angenommen, der Schild wird auf einer Reise zwischen Planeten unseres Sonnensystems verwendet und soll die menschliche Besatzung schützen.

Ich suche sowohl theoretische Arbeiten / Berechnungen als auch praktische Studien (falls vorhanden).

Ich würde mich über Hilfe beim Taggen freuen :)
Eigentlich würde Bremsstrahlung hauptsächlich elektromagnetische ( e + , e − , γ ) Schauer, wohingegen nukleare Kollisionen das machen würden π , μ , Neutronen, Protonen und leichtere Ionen in den Schauern, obwohl es für die höchsten Energien unordentlicher wird. Es wird viele Papiere und Berechnungen geben, aber sie können miteinander nicht einverstanden sein, es ist ein chaotisches Problem. @kimholder hat sich mit diesen Problemen befasst, und ich denke, es gibt hier einige Fragen und Antworten mit einigen Links zu einigen Artikeln. Wenn ich mich richtig erinnere, sind es die Spallationsprodukte, insbesondere Neutronen und Protonen, die Ihnen den Tag und Ihre DNA ruinieren.
Zusätzlich zu den Ionisationseffekten durch Strahlenbelastung können schnelle Neutronen und Protonen ein Proton (Wasserstoffatom) direkt aus Ihren DNA-Molekülen schlagen. Die Situation erinnert mich an Steve Martins Figur in dem Film The Jerk , wo er ausruft: „Es sind die Dosen! Bleib weg von den Dosen!“ Es ist eine schlechte Analogie, aber es gibt wahrscheinlich eine "schlimmste Materialdicke", die kosmische Strahlen in schädlichere Formen umwandelt, und Sie würden in der Tat entweder weniger oder mehr Dicke bevorzugen.

Antworten (1)

Lassen Sie uns zunächst definieren, was die Strahlung ist:

  1. Alpha (Heliumkern, dh zwei Protonen und zwei Neutronen)
  2. Beta (Elektronen)
  3. Gamma (hochenergetische Photonen)
  4. Neutronen
  5. Ionen (nackter abgestreifter Kern)
  6. andere Dinge wie sichtbares Licht, IR, UF. X-RAY wird hier nicht berücksichtigt, X-RAY ist Gamma.

Wichtig ist nur ein Kernquerschnitt, der für jeden Typ und jedes Schutzmaterial unterschiedlich ist.

Schutz:

  1. Alpha ist einfach, es ist ein schweres und gut geladenes Teilchen. Und es gibt nicht viele von ihnen im Raum. Die Energie derjenigen aus dem Weltraum ist gering. 1 mm Küchen-Alufolie ist ein guter Schutz.
  2. Beta. Es gibt viele Elektronen im Raum und sie können eine wilde Energie haben, die von 10 bis 10 ^ 20 reicht, und das ist enorm. Beispielsweise kann der Large Hadron Collider am CERN nur 10^13 Spitzen produzieren. Es gibt nichts auf der Welt, was ein so energiereiches Zeug aufhalten kann. Die gute Nachricht ist jedoch, dass der nukleare Wirkungsquerschnitt solch hochenergetischer Teilchen relativ klein ist. 3mm der Küchenfolie reichen gerade als Placeboschutz und um einige Niedrigenergien zu stoppen.
  3. Gamma. das ist einfach. Je schwerer das Zeug, desto besser. Die Erde ist durch 10 km Luft geschützt, die das gleiche Schutzniveau hat wie 10 m Wasser oder 1,4 m Stahl oder 0,9 m Blei oder 0,1 m abgereichertes Uran. Klingt beängstigend, aber 0,1 m U-238 können die beste Option zum Schutz vor dieser Art von Strahlung sein.
  4. Neutron. das ist das schwierigste. Die beste Abschirmung ist das leichte Material - Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff, Graphit usw. Idealerweise - durch andere Neutronen. Allerdings steigt der Kernwirkungsquerschnitt mit sinkender Energie! Je langsamer Neutron ist, desto gefährlicher ist es! Auch wenn ein Neutron durch einige Materialien wie Cadmium gestoppt wird, wird die Neutronenabsorption von einer starken Emission von Gamma begleitet, die einen stärkeren Gammaschutz erfordert. Sie können leicht nach Neutronenschutzartikeln wie diesem googeln , aber insgesamt entweder gar nicht schützen oder ein erdähnliches Schutzniveau herstellen. Die Erde wird von etwa 10 km Luft geschützt, die etwa 25 % Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser enthält. Ich würde schätzen, dass 3 m Wasser ein guter erdähnlicher Schutz vor Neutronen sind. Wasser ist besser als andere Materialien - es ist reich an Wasserstoff.
  5. Ionen, UF, IR - das gleiche Zeug wie Alpha

Insgesamt reichen 3 mm Alufolie + 3 m Wasser + 0,1 m U-238 und die Mars-Astronauten aus.

Hier ist ein Scan von einem Werk, es ist auf Russisch, aber Sie sollten sich ein Bild machen, die Legende hier ist:

  • X ist die Dicke der Aluminiumabschirmung in Gramm/cm^2
  • Y ist die absorbierte Strahlungsdosis in mRad/24 Stunden
  • 1: Gesamtdosis
  • 2: primäre Protonen
  • 3: Kaskadenprotonen
  • 4: Kaskadenneutronen
  • 5: Verdampfungsneutronen
  • 6: Verdampfungsprotonen

Abhängigkeit zwischen kosmischer Strahlungsleistung und Schilddicke

Das sieht nach einer wirklich tollen Antwort aus, danke! Stellt das Diagramm die anfängliche Strahlungsverteilung im Weltraum weit von der Sonne dar? Würde es bei hoher Sonnenaktivität ganz anders aussehen?
Das Diagramm stellt eine Art Durchschnittsbetrag dar. Während der hohen Sonnenaktivität ist es kompliziert. Einige Partikel bleiben gleich, die Intensität anderer Partikel kann bis zu 10-, 100- und sogar 1000-mal höher sein als der Durchschnitt.
Ist es hauptsächlich Nahbereichsmaterial? ein paar MeV-Protonen und Röntgenstrahlen, ich vermute, dass es nicht mehr viel ausmacht, wenn die Dicke größer als ein paar Zentimeter ist?
Das GOES-Programm untersucht diese Art von Solarmaterial. Für Protonen schützt Zinnfolie vor allem, aber Gamma kann manchmal um das 100-fache ansteigen, was einen log2 von 100 ~ 7-mal dickerem Schild erfordert, was nicht möglich ist. Die Jungs werden also gut leiden.
Sie lehnen Ionen als Alpha ab, die von einem sehr dünnen Schild gestoppt werden. Das Problem sind Sachen, die mit extremen Energien hereinkommen, wo man Sekundärteilchen von der Kollision bekommt. Das wird nicht durch die Alufolie aufgehalten.
@LorenPechtel und ilyakharlamov OK, verstehe, danke! Vielleicht ist es eine gute Idee, der Antwort einen Satz in der Nähe des Diagramms hinzuzufügen, in dem nur erwähnt wird, dass das Diagramm für eine Art durchschnittliche Strahlungssituation gilt und im Falle eines großen Sonnenereignisses nicht gelten würde.
@uhoh Es ist nicht nur ein Sonnenereignis, sondern die kosmische Strahlung. Das Problem ist, dass Sie die Strahlungsdosis tatsächlich erhöhen, indem Sie eine unzureichende Abschirmung hinzufügen - während Sie das leichte Zeug stoppen, verwandeln Sie einzelne hochenergetische Teilchen in Schauer.
@LorenPechtel du missverstehst meinen Kommentar. Ich bin mit dem Inhalt der Frage, der Antwort und Fragen des Strahlenschutzes im Allgemeinen vertraut. In meinen Kommentaren versuche ich jedoch festzustellen, wie anwendbar die hier gezeigte Handlung auf die Weltraumumgebung zutrifft. Da es auf Russisch geschrieben ist und ich die Quelle dieser Handlung nicht kenne, bitte ich Ilyakharlamov, dem Hauptteil der Antwort ein wenig mehr Erklärung zu dieser Handlung hinzuzufügen, damit zukünftige Leser der Antwort dies verstehen werden selbst bei einer großen Solaranlage würde diese Handlung nicht zutreffen.
Ich bin mir nicht wirklich sicher, warum Sie vorschlagen , einem Wasser-Neutronenschild mit voller Dicke einen Gammastrahlenschild mit voller Dicke aus abgereichertem Uran hinzuzufügen . Die Wassermasse würde eine doppelte Aufgabe erfüllen, da Gammastrahlen fast vollständig durch Masse gestoppt werden. (Eine größere Dichte ist aus anderen Gründen praktisch, da es geometrisch effizienter ist, einen dreidimensionalen Raum mit einer dünneren Hülle zu schützen, aber es hat fast keine Auswirkung auf die lineare Photonenabsorption: ein Photon geht durch 1 Tonne/m² Wasserstoff wird genauso gut absorbiert wie 1 Tonne/m^2 Wolfram.)
@NathanTuggy Ich frage mich, ob ein hohes Atomgewicht tatsächlich ein kleiner Nachteil für elektromagnetische Duschen sein kann? Während Dinge aus Elementen wie Wasser und Paraffin etwa 0,5 Elektronen pro AMU haben, fällt Uran aufgrund des Neutronenüberschusses unter 0,4. Reiner Wasserstoff wäre ein Ausnahmefall, da er fast ein Elektron pro AMU hat. Für die Photonen und Elektronen mit niedrigerer Energie in einem Schauer macht die hohe Bindungsenergie der inneren Elektronen für schwere Elemente (zig keV bis zu 100 keV) sie auch weniger für Streuung verfügbar. Wasser und Paraffin sind auch attraktiv für die schnelle Neutronenverlangsamung aus Wasserstoff.
Dieser Scan ... stammen die Daten von einer Simulation oder von Experimenten? Wenn ich das richtig verstehe, sinkt die Gesamtstrahlungsdosis unter den Wert ohne Abschirmung irgendwo zwischen 100 g/cm^2 und 200 g/cm^2 .... bei einer Dichte von 2,71 g/cm^3 würde dies eine erfordern Aluschirm zwischen ca. 37 cm und 74 cm? (Hinweis: Um die Gesamtstrahlung zu reduzieren, anstatt sie zu erhöhen, nicht, um sie hinter diesem Schild "sicher" zu machen)
Diese Antwort scheint eine gute Erklärung dafür zu liefern, was "gute" Abschirmung wäre, aber sie scheint nicht die eigentliche Frage zu beantworten, wo der Übergang zwischen Helfen / Verletzen liegt? Ich sehe überhaupt keine Diskussion über die Sekundärteilchen, um die es in der Frage geht.
@mbrig Stimmt. Wenn ich das Diagramm verstehe, fällt die Gesamtdosis (obere Kurve) erst unter ihre Asymptote ohne Abschirmung (linke Seite), sobald die Dicke der Aluminiumabschirmung etwa 160 g/cm^2 oder 60 cm überschreitet. Die Antwort muss dringend eine Diskussion darüber beinhalten.
Wie dick muss ein Schild sein, um besser zu sein als gar kein Schild?
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