Halbwertsschicht

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Als Halbwertsschicht oder Halbwertsdicke bezeichnet man diejenige Dicke eines durchstrahlten Materials, die bei elektromagnetischer Strahlung wie etwa Gamma- oder Röntgenstrahlung die Strahlungsintensität – und damit insbesondere die Dosisleistung – um die Hälfte reduziert. Die Halbwertsdicke hängt, wie der Absorptionskoeffizient, von den spezifischen Eigenschaften des Materials und der Photonenenergie der auftreffenden Strahlung ab.

Die Halbwertsdicke kann nur zur überschlägigen Dimensionierung einfacher Abschirmungen dienen, da vielfältige physikalische Effekte (zum Beispiel Dosisaufbau, Streuung, Skyshine-Effekte) unberücksichtigt bleiben. Präzise Berechnungen werden zum Beispiel mit Monte-Carlo-Simulationen oder Transportrechnungen vorgenommen.

Der Begriff Zehntelwertsdicke ist analog zu betrachten; das Durchlaufen dieser Dicke senkt die Intensität auf ein Zehntel des ursprünglichen Werts.

Berechnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alphastrahlung wird durch ein Blatt Papier, Betastrahlung durch ein Metallblech von einigen Millimeter Dicke vollständig absorbiert; zur hinreichenden Schwächung von Gammastrahlung braucht man - je nach Energie dieser Strahlung - mehrere Zentimeter bis Dezimeter eines Materials möglichst hoher Dichte (siehe Abschirmung (Strahlung)).

Im Gegensatz zu α- und β-Strahlung besitzt γ-Strahlung keine maximale Reichweite. Die Intensität der γ-Strahlung wird beim Durchgang durch Materie kontinuierlich geschwächt.

Das Verhältnis aus der Dosisleistung \dot H_0, die ohne Abschirmung im Strahlengang ermittelt wird, und der Dosisleistung \dot H_\mathrm{u} der ungestreuten Strahlung am gleichen Ort mit Abschirmmaterial der Dicke d wird als (materieller) Schwächungsfaktor S_\mathrm{u} der ungestreuten Strahlung bezeichnet:

S_\mathrm{u} = \frac{\dot H_0}{\dot H_\mathrm{u}}

Für den reziproken Schwächungsfaktor gilt die Formel

\frac{1}{S_\mathrm{u}} = \frac{\dot H_\mathrm{u}}{\dot H_0} = {\mathrm{e}^{ - \mu \cdot d}}.

Hierbei bezeichnet \mu den Schwächungskoeffizienten. Für die Halbwertsschichtdicke d_\text{1/2} gilt definitionsgemäß

\frac{1}{S_\mathrm{u}} = \frac{\dot H_\mathrm{u}}{\dot H_0} = {\mathrm{e}^{ - \mu \cdot d_\text{1/2}}} = \frac{1}{2}.

Somit ergibt sich die Halbwertsschichtdicke d_\text{1/2} aus dem Schwächungskoeffizienten \mu nach

d_\text{1/2} = \frac{\ln 2}{\mu} \approx \frac{0{,}6931}{\mu}

oder umgekehrt

\mu = \frac{\ln 2}{d_\text{1/2}} \approx \frac{0{,}6931}{d_\text{1/2}}.

Für die Dosisleistung \dot H_\mathrm{u} hinter einer Abschirmung mit einer beliebigen Dicke d erhält man damit

\dot H_\mathrm{u} = \dot H_0 \cdot \frac{1}{S_\mathrm{u}} =  \dot H_0 \cdot {\mathrm{e}^{ - \mu \cdot d}} = \dot H_0 \cdot {\mathrm{e}^{ - \ln (2) \cdot \frac{d}{d_\text{1/2}}}}.

Halbwertsschichtdicke für γ-Strahlung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Halbwertsdicke verschiedener Materialien in Abhängigkeit der Energie von Gammastrahlung
Halbwertsschichtdicke d1/2 für γ-Strahlung[1][2]
Material Luft Blei Wasser Alu Eisen Graphit Beton Bleiglas Acryl
Eγ in MeV in Meter in Millimeter
0.1 35 0.107 41 15.2 2.4 20.3
0.2 44 0.62 51 21.1 6 25
0.3 50 1.56 58 24.8 8 28.8
0.4 56 2.65 65 27.8 9.4 32.4
0.5 62 3.85 72 30.5 10.5 35.4 33 13 70
0.6 67 4.92 77 33 11.5 38.3
0.8 76 6.9 88 37.7 13.2 44
1 84 8.7 108 42 14.7 48 50 24 90
1.5 101 11.7 121 51 18.1 59
2 121 13.4 141 60 20.8 69
3 145 14.6 175 73 24.4 87
4 174 14.7 204 83 26.7 101
5 196 14.4 230 91 28.1 115 100 45 200
6 213 14.1 251 97 28.9 125
8 242 13.4 286 106 29.7 144
10 265 12.6 315 112 29.7 158

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  •  Hans-Gerrit Vogt, Heinrich Schultz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes. 6. Auflage. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, München 2011, ISBN 978-3-446-42593-4.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Deutsch-Schweizerischer Fachverband für Strahlenschutz (FS) e. V.: Daten und Fakten zum Umgang mit Radionukliden und zur Dekontamination in Radionuklidlaboratorien, Loseblattsammlung, Teil 1.4 Abschirmung, Oktober 1997
  2. http://einrichtungen.ph.tum.de/E15b/lectures/mw/mw_v09.html