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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlenschutzmaterial, das in der Lage Ist, die Umgebung einer, insbesondere elektromagnetischen Strahlenquelle In besonders wirksamer Weise vor dem Durchtritt gesundheitschädigender Strahlung zu schützen.
Eine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlungen, z. B. Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlen wird beim Arbeiten mit Röntgenapparaten, Radar- und anderen Mikrowellengeräten, Zyklotronen und anderen Teilchenbeschleunigern sowie Kernreaktoren benötigt.
Es sind verschiedene Strahlenschutzmaterialien bekannt geworden. Neben Blei wird z. B. auch Barytbeton zu diesem Zweck verwendet. So beschreibt die SU 834 772 A Abschirmungen für Röntgenapparate, die aus Barytsand und einem Binder aus Bariumhydroaluminat in einem Verhältnis 70-81 zu 19-30 hergestellt wurden. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit von 260-273 kg/cm2 aus, die deutlich über der von 50-80 kg/cm2 der bisher für denselben Zweck verwendeten Mischungen auf Basis von Zement, Kalk und Barytsand liegt. Der Abschirmungseffekt wird in diesem Dokument durch einen Stromfluss nach der Bestrahlung bestimmt Es wurden gemessen 19, 5 A nach 3 sec für eine 5 mm dicke Abschirmung, 6 A nach 5 sec für eine 10 mm dicke Abschirmung und 16 A nach 10 sec für eine 10mm dicke Abschirmung.
Die Materialien können in Schalen- oder Blockform vorliegen und mit einem dekorativen weissen Finish ausgestattet sein.
In der DE 3 607 190 A wird eine beidseits mit Karton abgedeckte Gipsstrahlenschutzplatte (gegen Röntgen- oder ähnliche Strahlen) beschrieben, die Baryt und gegebenenfalls Bleioxid enthält. Der Barytanteil kann zwischen 15 und 40% schwanken. Eventuell kann eine oder auch beide der Karton-Stützschichten noch mit eine Bleifolie kaschiert sein, um die Strahlenresorption zu verbessern.
Die DE 2 049 570 A beschreibt Abschirmelemente für Atomkernreaktoren, die nach Art von Setzsteinen mit prismatische Querschnitt ausgebildet sind und eine formstabile Aussenschicht von etwa 10 mm Dicke und eine sandartige Innenstruktur aus Bariumsulfatpulver aufweisen. Die Aussenschicht besteht ebenfalls aus mittels Wasserglas gebundenem Banumsulfatpulver. Diese Elemente werden zu Wänden von 2-3 m Höhe geschichtet und einer Strahlendosis von 20 000 bis 40. 000 rad pro Stunde ausgesetzt.
Die GB 2 004 406 A beschreibt ein strahlenabsorbierendes Matenal, das aus in einem härtbaren Binder, z. B. Zement, eingebettetem Aggregat aus Barium- oder Bleimineralien besteht. In besondere sind Baryt, Cerussite, Anglesit und Galenit genannt. Vorzugsweise enthält das Material bis zu 20 Gewichtsprozent an Aggregatpartikeln.
Die DE 4 131 274 A offenbart eine Kunststoffbahn, die in der Lage ist, Neutronenstrahlen zu absorbieren. Zur Moderierung der Neutronen wird ein geeignetes Polymeres, z. B. Polyisobutylen eingestzt.
Ein erster Zuschlagstoff aus Schwermetallverbindungen, bevorzugt Braunstein, dient zur Absorption und Streuung der Neutronen, ein zweiter Zuschlagstoff, z. B. Borcarbid, Gadoliniumoxid, Hafniumborid wirkt als breitbandiger Neutronenabsorber für thermische Neutronen. Gegebenenfalls kann ein Gammastrahlen absorbierender Zusatzstoff, wie Bariumsulfat, zugesetzt werden.
Die DE 3 821 684 A beschreibt einen Baustoff zur Herstellung von Schutzraumbauten in Form von Mörtel oder Bausteinen, der Metallpartikel zur Abschirmung von Röntgen-und Gammastrahlen sowie Graphit zum Schutz gegen Neutronenstrahlung enthält. Durch Zugabe von Schwerspat (Bariumsulfat) und/oder Bor-Phosphorverbindungen kann die Strahlungsabsorption, im letzteren Fall besonders gegenüber Neutronen verbessert werden. Auch in D2 ist die Verwendung von Bornitrid als Neutronenabsorber weder erwähnt noch nahegelegt.
Die DD 103 081 A offenbart bitumenhaltige strahlenabsorbierende Dichtungsmassen, die Bariumsulfat und organische Stoffe, wie Epoxidharze oder ungesättigte Polyesterharze, enthalten. Die DD-A weist auch auf das Bekanntsein der Eignung von Borverbindungen als Neutronenabsorber hin.
Die FR 2 669 142 A offenbart ein hitzebeständiges Strahlenschutzmaterial, das Graphit als Neutronenbremsstoff, Gadoliniumoxid als Neutronenabsorber, Wolfram und/oder Wolframoxid als Gammastrahlenabsorber und Eisen als Bindemittel enthält. Die Inhaltsstoffe werden als Pulver gemischt und unter Druck über dem Schmelzpunkt des Eisens geformt. Diese FR-A weist auch auf die Schädigung von Borcarbid als Neutronenabsorber durch sein Aufblähen infolge der Entstehung von Helium hin.
Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Strahlenschutzmaterial bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und gegen alle Formen elektromagnetischer Strahlungen ausgezeichnet wirksam ist und insbesondere auch sehr guten Schutz gegen Neutronenstrahlen bietet.
Dabei soll das Material gut und einfach verarbeitbar, und daraus hergestellte Elemente sollen gut und ungefährlich handhabbar sein.
Es sollte auch ein Strahlenschutzmaterial bereitgestellt werden, das zur besonders effektiven Neutronenabsorption befähigt ist und diesbezüglich den Stand der Technik übertrifft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Strahlenschutzmaterial gelöst, das aus durch ein vorzugsweise anorganisches Bindemittel gebundenen strahlenabsorbierenden Inhaltsstoffen besteht und
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folgende Zusammensetzung enthält : a) 35-50 Gew.-% Bariumsulfat in Pulverform b) 10-45 Gew.-% Bornitrid c) 0-15 Gew.-% Aktivkohle d) 0-30 Gew.-% Graphit e) 0-10 Gew.-% Borcarbid B4C.
Durch diese Zusammensetzung wird gewährleistet, dass nicht nur eine gute Abschirmung gegen radioaktive Strahlen, insbesondere Gammastrahlen erzielt wird, sondern auch gegenüber Neutronenstrahlen.
Während zur Abschirmung gegen Gammastrahlen das spezifische Gewicht des Materials von grosser Bedeutung ist, weshalb Blei-und Bariumverbindungen sich hierzu besonders eignen, sind diese Materialien gegenüber Neutronen als Abschirmung nicht effektiv. Beispielsweise beträgt die (= die Probendicke, die erforderlich ist, um die Gammastrahlung von Cobatt-60 zu halbieren, wenn zylindrische Probekörper mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Dicke von 2-3 cm verwendet werden) : - für Blei (Gsp = 11,3 g/cm3): 1,01 cm; - für Eisen (Gsp = 7,8 g/cm3): 1,67cm; - für normalen Beton (Gsp = 2, 35 g/cm3) : 4, 1 cm.
Demgegenüber liegt d/z bei dem erfindungsgemässen Strahlenschutzmaterial, das vorzugsweise ein spezifisches Gewicht von 1, 5-2, 7 g/cm3 aufweist, zwischen 2, 5 und 4, 5, vorzugsweise zwischen 2, 5 und 4, insbesondere zwischen 3 und 3, 5 cm.
Zur Bestimmung der Neutronenabsorption wird eine Ra/Be-Nuklidquelle mit einer maximalen Energie von 11 MeV (grösste Energiedichte zwischen 3-7 MeV) verwendet. Solche Neutronenstrahlen gehen durch eine 60 cm dicke Bleiabschirmung ungebremst durch. Dasselbe gilt auch für Eisen.
Im Gegensatz dazu sind die erfindungsgemässen Strahlungsschutzmatenallen in der Lage, eine ganz erhebliche Neutronenabsorption zu erzielen. Die folgenden Expenmente wurden an Proben der angegebenen Dicke durchgeführt, die Neutronenabsorption wurde dann auf 10 cm Probendicke hochgerechnet. Als Mass der Neutronenabsorption wurde der Faktor 100x)/ ! o (%) bestimmt, der angibt, wieviel Prozent der auftreffenden Strahlung 10 die Probe mit der Intensität I passiert hat.
Beispiel 1 : a) 35 Gew. teile Bariumsulfat b) 40 Gew. teile Bornitrid c) 15 Gew. teile Aktivkohle
Als Binder werden 40 Gew. teile Aluminiumphosphat eingesetzt.
Die Ingredienzien werden gemischt, in eine Form gefüllt und die Mischung bei 100 atü gepresst, ausgetrocknet und bei 150. C 30 Minuten lang ausgehärtet.
An einem Probekörper wird das Verhältnis M. gemessen. Daraus ergab sich, abhängig von der Dicke des Probekörpers, folgende Reduktion der Neutronenstrahlung nach dem Durchgang durch den Probe-
EMI2.1
:Beispiel 2 : a) 35 Gew. teile Bariumsulfat b) 40 Gew. teile Bornitrid c) 15 Gew. teile Graphit
Als Binder werden 40 Gew. teile Aluminiumphosphat eingesetzt.
Bei einer Probekörperdicke von 2, 2 cm wurde eine Reduktion der Neutronenstrahlung auf 12, 0% gemessen (wie in Beispiel 1).
Beispiel 3 : a) 40 Gew. teile Bariumsulfat b) 40 Gew. teile Bornitrid c) 15 Gew. teile Aktivkohle d) 20 Gew. teile Borsäure
Als Binder werden 20 Gew. teile Natronwasserglas eingesetzt.
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Bel einer Probekörperdicke von 2, 9 cm wurde eine Reduktion der Neutronenstrahlung auf 26, 7% gemessen (wie in Beispiel 1).
Gute Ergebnisse bezüglich der Neutronenabsorption wurden auch mit bis zu 10 Gew.-% Bornitrid erzielt (Reduktion der Neutronenstrahlung auf unter etwa 30%).
Eine einfache und kostengünstige Verarbeitung des erfindungsgemässen Strahlenschutzmaterials ist möglich, wenn das/die Bindemittel anorganisch isVsind. Insbesondere können als anorganische Bindemittel ein Silikat- und/oder Silikat-Aluminat-Binder verwendet werden. Wasserglas, insbesondere Natronwasserglas zeichnet sich durch wirtschaftliche und verfahrensmässige Vorteile aus und ermöglicht auch gute mechanische und thermische Eigenschaften.
Gute Härtungseigenschaften werden erzielt, wenn dem Silikat- oder SilikaVAluminatbinder Polyphosphat als Härter zugesetzt wird.
Günstige Verarbeltungs- und Produkteigenschaften sind auch bei Verwendung eines AluminiumphosphatBinder erreichbar
Es ist jedoch auch möglich, organische Bindemittel, beispielsweise Harnstoff- oder Melaminharze einzusetzen.
Vorteilhaft auf das Ausmass der Neutronenabsoption wirkt sich auch die zusätzliche Zugabe von Borsäure, vorzugsweise in Kristallform aus.
Ein ausgewogenens Verhältnis der Absorption von Gamma- und Neutronenstrahlen kann erzielt werden, wenn das Strahlenschutzmaterial einen Bariumsulfatgehalt zwischen 40 und 47 Gew-%, vorzugsweise zwischen 43 und 45 Gew. % hat.
Folgende Zusammensetzungen haben sich hinsichtlich der gestellten Aufgabe als zweckmässige Kompromisse bewährt : Zusammensetzung A : a) 35-50 Gew.-% Bariumsulfat in Pulverform b) 15-30 Gew.-% Bornitrid in Pulverform c) 5-15 Gew.-% Aktivkohle d) 5-30 Gew.-% Graphit in Pulverform e) 5-10 Gew-% Borcarbid B4 C in Pulverform.
Zusammensetzung B : a) 40-45 Gew. -% Bariumsulfat In Pulverform b) 15-20 Gew.-% Bornitrid in Pulverform c) 8-12 Gew.-% Aktivkohle d) 10-25 Gew.-% Graphit in Pulverform e) 5-8 Gew.-% Borcarbid B4C in Pulverform.
Zusammensetzung C : a) 40-50 Gew.-% Bariumsulfat in Pulverform b) 10-15 Gew.-% Bornitrid in Pulverform c) 5-10 Gew.-% Aktivkohle d) 40-50 Gew.-% Borsäure crist.
Wenn das spezifisches Gewicht Gsp des gehärteten Strahlenschutzmaterials zwischen 1, 5-2, 7 g/cm3 liegt, können neben der guten Strahlenabsorption auch gute bauphysikalische Eigenschaften erzielt werden.
Um eine flexible Gestaltungsmöglichkeit für Abschirmungswände zu gewährleisten, ist es zweckmässig, wenn das Strahlenschutzmaterial in Form von überlappenden Elementen vorliegt. Dabei werden diese
Elemente (oder Ziegel) nach der zu erwartenden Strahlenenergie in der Stärke von 10 bis 30 cm aufgebaut.
Bei einer Dicke von 30 cm pro Stück wird ein Gewicht von etwa 10 kg erreicht (abhängig von Mauerdicke und spezifischem Gewicht). Die Länge des Elements ist variabel und kann z. B. von 20 cm (bei Wandstärke
30 cm) bis 50 cm (bei einer Wandstärke von 10 cm) betragen. Es ist auch möglich für sehr starte
Strahlungsenergien zwei oder mehrere Wände nebeneinender aufzubauen, eventuell mit einer Barytfüllung zwischen den Wänden.
Die Elemente können lose verlegt oder zusammengeklebt werden. Als Kleber wird vorzugsweise Mörtel auf
Barytbasis oder auch ein Kunsstoffadhesiv verwendet.
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Die bevorzugt dachartige Form der Elemente kann den Figuren 1 bis 4 entnommen werden. Das dort dargestellte Element hat eine Länge zwischen 27-30 cm und eine Breite (gemessen am Grundriss) von 30 cm. Die Dicke der Wandung beträgt etwa 5 cm. Am Grundriss gemessen schliessen die zwei am Giebel verbundenen Wandteile miteinander einen stumpfen Winkel von 150'-160'ein.
Aus Figur 1 ist erkennbar, dass der Neigungswinkel (a) der den dachartigen Giebel bildenden Flächen gegenüber einer horizontalen Grundfläche etwa 20'beträgt. Figur 2 stellt einen Blick auf zwei einander teilweise überlappende Elemente von vorne oben dar. Die Figuren 3 und 4 zeigen die versetzte Anordnung dreier Elemente, wobei aus Figur 4 erkennbar ist, dass die Stirnseiten der betden"Dachhätften"des Giebets nicht fluchtend ausgebildet sind, sondern einen Winkel miteinander einschliessen. Dabei entsteht an der einen Seite des Elements gleichsam eine Spitze, die in die dazu komplementär ausgebildete pfeilförmige Ausnehmung des Folgeelements ragen kann.
Für den Wandaufbau wird die unterste und oberste Ziegelreihe mit Hilfe von Zlegel-Einlegekeilen aufgebaut, die universell verwendet werden und nach Bedarf, z. B. mit einer Winkelschleifmaschine (Steinscheibe) zurechtgeschnitten werden. Diese Keile können die in den Figuren 5 (unterer Keil) und 6 (oberer Keil) gezeigte Gestaltung aufweisen.
Die Elemente können zur strahlendichten Verlegung auch mit randseitigen Abstufungen zur Überlappung mit den Nachbarelementen versehen sein.