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Abstand und Abschirmung

Beim Arzt soll eine Röntgenaufnahme gemacht werden - und die Arzthelferin klemmt einem gleich eine bleischwere Schürze um die Hüften. Klar: Röntgenstrahlung kann Zellen schädigen, deswegen soll sie nur in dem Körperteil landen, das geröntgt werden soll. Alles andere wird abgeschirmt.

Doch wie funktioniert dieses Abschirmen überhaupt? Wirkt Blei auch bei anderen Strahlungsarten? Welche Abschirmungsmaßnahmen gibt es noch? All das erklärt dieses Dossier. Viel Spaß dabei!

Dieses Bild zeigt die ersten Schuhe, die (an den Füßen von Neil Armstrong) den Mond betreten haben. Sie wurden - wie der ganze Anzug - vor dem Abflug geröntgt, um sicher zu stellen, dass keine Nadeln oder ähnliches darin vergessen wurden, die den Stoff durchstoßen hätten können. Ein undichter Anzug bedeutet Lebensgefahr für den Astronauten.

Röntgenaufnahmen sind Negative: Je mehr Röntgenlicht auf eine Stelle auf dem Film fällt, desto dunkler ist die Stelle. Auf diesem Röntgenbild sieht man zum Beispiel deutlich, dass die (hellen) Schnallen aus Metall viel weniger Röntgenlicht durchgelassen haben als der (dunklere) Spezialstoff: Das Metall hat das Röntgenlicht absorbiert, also verschluckt.

Strahlenschutzmaßnahmen

Was kann man tun, wenn die Großtante zu Besuch kommt, und man überhaupt keinen Bock auf ihren pappsüßen Kuchen hat? Da gibt's im Prinzip drei Möglichkeiten: Erstens: Man hält sich möglichst weit entfernt von Tante und Kuchen auf, am Besten drei Häuser weiter bei Freunden. Zweitens: Man macht sich in seinem Zimmer hinter geschlossener Türe unsichtbar. Drittens: Wenn es gar nicht anders geht, setzt man sich eine Viertelstunde an den Kaffeetisch, würgt ein halbes Stück Kuchen runter und verschwindet dann „zu den Hausaufgaben”.

Drei Möglichkeiten

Genau die gleichen Möglichkeiten - Entfernen, Abschirmen und Menge verringern - hat man auch bei ionisierender Strahlung. Allerdings wechselwirkt jede Strahlung anders mit der Materie in ihrer Umgebung und erfordert daher etwas andere Abschirmungen. Wie diese Wechselwirkungen aussehen, und wie man sie dazu ausnutzt, die Strahlendosis zu verringern, das steht in den folgenden Kapiteln.

Strahlenschutzmaßnahmen allgemein

Um die Strahlendosis zu verringern, hat man im Prinzip drei Möglichkeiten: Man kann den Abstand zur Strahlungsquelle möglichst groß halten oder man kann sich hinter einer Abschirmung verbergen. Wenn möglich kann man auch die Bestrahlungsdauer kurz halten und die Strahlungsmenge verringern.

Abstand vergrößern

Wenn man davon ausgeht, dass eine Strahlungsquelle punktförmig ist und nach allen Richtungen gleichmäßig Strahlung aussendet, dann nimmt die Organdosis quadratisch mit dem Abstand ab. Einfacher ausgedrückt:

  • 2fache Entfernung → 1/4 der ursprünglichen Dosis
  • 3fache Entfernung → 1/9 der ursprünglichen Dosis

und so weiter...

Warum ist das so? Auf  „Start” klicken und zuschauen, wie sich die Strahlung bei wachsendem Abstand auf eine immer größere Fläche verteilt.


Zu Anfang macht das markierte Kugelsegment noch einen gehörigen Teil der ganzen Kugelfläche aus. Am Ende ist es nur ein kleiner Teil der ganzen Kugelfläche.

Wie folgt daraus das quadratische Abstandsgesetz? 

Das quadratische Abstandsgesetz bei punktförmigen Quellen

Wer den Abschnitt über die Aktivitätsmessung mit dem Geiger-Müller-Zähler durchgearbeitet hat, der kennt auch die mathematische Idee schon, die jetzt zur Anwendung kommt.


Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz / Informationskreis Kernenergie

Man setzt einen kleinen Ausschnitt einer Kugelschale in Beziehung zur ganzen Kugelfläche. Die kleine Fläche (A) ist sozusagen eine Probefläche, die in einem bestimmten Abstand von der Strahlungsquelle Strahlung aufnimmt - die Öffnung eines Messgerätes oder ein Stück bestrahlte Haut zum Beispiel. Ihre Größe bleibt immer gleich. Der Rest der Kugelfläche dagegen sind alle Punkte, an denen im selben Abstand Strahlung einfallen könnte - rund um die punktförmige Strahlungsquelle. Diese gesamte Kugelfläche beträgt

und ist abhängig vom Abstand r. Der Anteil Strahlung, der durch die Probefläche A geht, ist also proportional zu

In dieser Formel findet sich im Nenner r² - also nimmt der Anteil der Strahlung mit zunehmendem r proportional zu 1/r² ab.

Nicht-punktförmige Quellen

Die 1/r²-Proportionalität gilt genau genommen nur bei punktförmigen Quellen, umgeben von Nichts - nur dabei verteilt sich die Gesamtdosis kugelsymmetrisch. Bei ausgedehnten Quellen kann man nur noch näherungsweise von einem 1/r²-Zusammenhang ausgehen, und zwar dann, wenn der Abstand von der Quelle etwa fünf bis zehn Mal größer als die Quelle selbst ist.

Schon die Luft oder Gegenstände im Raum ändern aber das einfache Abstandsgesetz: Sie absorbieren oder reflektieren einen Teil der Strahlung, so dass die Strahlung in der Regel mit dem Abstand schneller abnimmt. Die Gegenstände bilden eine Abschirmung.

Abschirmung


Bildquelle: DAtF

Wenn Strahlung in irgendwelche Stoffe eintritt - zum Beispiel in Gase wie Luft oder in Materie wie Betonplatten oder Blei –, dann passiert eine ganze Menge. Ganz grob kann man sagen: Die Teilchen und Wellen stoßen an die Elektronen in der Atomhülle oder an den Atomkern.

Dadurch werden die Atome angeregt oder auch ionisiert. Es können aber auch andere Effekte auftreten: Zum Beispiel kann die Strahlung sozusagen aus dem Nichts neue Teilchen erzeugen. Auf jeden Fall werden die in die Materie einfallenden Teilchen und Wellen nach und nach ihre Energie los.

Hinterher kann die Materie diese Energie dadurch weitergeben, dass sie ihrerseits - in anderen Wellenlängen als die der einfallenden Strahlung - zu strahlen beginnt: Sie kann zum Beispiel aufleuchten oder wird warm.

Bestrahlungszeit und Strahlungsmenge verringern

Die Strahlendosis ist proportional zur Bestrahlungszeit. Das ist genau wie im Urlaub: Wenn sich jemand eine Stunde lang sonnt, dann bekommt er oder sie die doppelte Dosis Sonne ab wie jemand, der nur eine halbe Stunde in der Sonne liegt.

Das ist bei jeder Strahlung so. Wo möglich, versucht man daher die Bestrahlungszeit und damit die Dosis zu verringern. Beispiel Medizin: Während die ersten Röntgenapparate noch ein wahres Feuerwerk an Röntgenstrahlung abgaben - die Fotoplatten waren recht unempfindlich - wird die zudem geringere Strahlung aus modernen medizinischen Röntgenröhren durch Spezialfilme mit fluoreszierenden Verstärkerfolien oder mit Halbleiterdetektoren aufgefangen, die empfindlicher als fotochemische Filme reagieren. Bei einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs wird man daher heute im bestrahlten Bereich (Organdosis) kaum mehr als 0,2 Millisievert abbekommen, bei einer Aufnahme der Lendenwirbelsäule können es aber durchaus 10 bis 20 Millisievert sein.

Auch in Kernkraftwerken verringert man die Bestrahlungsdauer und Strahlungsmenge. In dem man „Trocken-”Schulungsplätze einrichtet, an denen die Mitarbeiter Handgriffe üben können, so dass sie sie anschließend unter realen Arbeitsbedingungen mit geringer Bestrahlungszeit erledigen können.

Bestrahlung mit Alphateilchen

Wenn Alphateilchen in Materie einfallen, dann geht es ein bisschen zu wie beim Kegeln: Die Kugel wirft die Kegel mit viel Gerumpel um, - doch sobald sie ihre Energie abgegeben hat, herrscht Ruhe. Und allzu weit kommt so eine Kegelkugel nicht.

Entsprechend sind Alphateilchen nur in sehr kurzem Abstand gefährlich, doch sobald sie ihre Energie abgegeben haben sind sie unschädlich.

Alphastrahlung: Schnell geschluckt

Luft schluckt Alpahstrahlung in einem Abstand von einigen Zentimetern (bis zu etwa 10 cm) vollständig weg; im biologischen Gewebe kommen sie nur bis zu 0,1 mm weit.

Entsprechend einfach ist die Abschirmung von Alphastrahlung.

Wechselwirkungen von Alphateilchen

Alphateilchen verlieren ihre Energie dadurch, dass sie die Atome der Materie, die sie durchqueren ionisieren oder anregen.

Das machen sie nicht ewig. In einer Nebelkammer, die ja im Prinzip die Spur der erzeugten Ionen zeigt, sieht ein aktiver Alphastrahler (der stets Alphateilchen in festen Energie-Stufen aussendet), wie ein „Rasierpinsel” aus. Wie lässt sich das erklären? Welche Erklärung erscheint am einleuchtendsten?

a) Die Alphateilchen stoßen alle im festen Abständen vom Strahler mit jeweils einem Gas-Molekül zusammen. Dann hört ihre Spur in der Nebelkammer auf.

Leider falsch!

Jedes Gas braucht für die Ionisation seiner Moleküle eine bestimmte Energie. Wenn das Alphateilchen diese Energie nicht mehr besitzt, dann kann es nicht mehr ionisieren. Weil jedes Teilchen etwa die gleiche Anzahl Gasmoleküle pro Wegstrecke trifft, legen alle Alphateilchen derselben Energie etwa die gleiche Wegstrecke zurück, bis keine Ionisation mehr möglich ist.

b) Die Alphateilchen können Gas-Moleküle nur so lange ionisieren, bis ihre Energie dazu nicht mehr ausreicht. In diesem Moment verliert sich ihre Spur in der Nebelkammer.

Richtig!

Jedes Gas braucht für die Ionisation seiner Moleküle eine bestimmte Energie. Wenn das Alphateilchen diese Energie nicht mehr besitzt, dann kann es nicht mehr ionisieren. Weil jedes Teilchen etwa die gleiche Anzahl Gasmoleküle pro Wegstrecke trifft, legen alle Alphateilchen derselben Energie etwa die gleiche Wegstrecke zurück, bis keine Ionisation mehr möglich ist.

c) Die Alphateilchen zerfallen nach bestimmten, festgelegten Zeiten. Dann endet ihre Nebelkammerspur.

Leider falsch!

Jedes Gas braucht für die Ionisation seiner Moleküle eine bestimmte Energie. Wenn das Alphateilchen diese Energie nicht mehr besitzt, dann kann es nicht mehr ionisieren. Weil jedes Teilchen etwa die gleiche Anzahl Gasmoleküle pro Wegstrecke trifft, legen alle Alphateilchen derselben Energie etwa die gleiche Wegstrecke zurück, bis keine Ionisation mehr möglich ist.

Und wie viele Ionen erzeugen Alphateilchen so?

Spezifischer Strahlenschutz

Alphateilchen erzeugen nicht bis zum Ende ihrer Flugbahn in jedem Streckenabschnitt die gleiche Menge Ionen. Die folgende Kurve zeigt, wie viele Ionen zurückbleiben. Durch Anklicken der entsprechenden Stellen mit der Maus lässt sich in Erfahrung bringen, warum diese Kurve so ungleichmäßig ansteigt.

Ionsierungsvermögen in Ionenpaare pro cm

Bildquelle: Radioaktivität und Strahlenschutz / Informationskreis Kernenergie

 

Weil Alphateilchen nicht tief eindringen, lassen sie sich im Prinzip bereits durch ein Blatt Papier abschirmen. Treffen sie auf unbekleidete Körperteile des Menschen, dann werden sie in den oberen Hautschichten abgefangen. Alphastrahlen sind daher ziemlich einfach zurückzuhalten. Für die Hersteller von Messgeräten stellt das aber ein Problem dar: Wer zum Beispiel mit einem Geiger-Müller-Zählrohr Alphateilchen nachweisen will, der darf das Rohr nur mit einem äußerst dünnen Material verschließen - sonst werden die Teilchen einfach weggefangen.

Bestrahlung mit Betateilchen

Betateilchen sind Elektronen. Sie dringen weiter als Alphateilchen in die Materie vor und können dabei eine ganze Reihe von Effekten auslösen: Ionisation, Anregung von Atomen, Streuung - und sie können Bremsstrahlung erzeugen. Wie vielleicht schon bekannt ist, stellt die Betastrahlung eine locker ionisierende Strahlung dar. Das liegt daran, dass die Betastrahlungs-Elektronen auf Hüllenelektronen eines Atoms treffen müssen, wenn das Atom ionisiert werden soll.

Ein wenig wahrscheinliches Zusammentreffen

Das ist im Grunde ebenso wahrscheinlich, als sollten sich zwei Stecknadelspitzen so aufeinander zubewegen, dass sie sich treffen. Nur die Tatsache, dass im Material jede Menge Atome - also „Nadelspitzen” - vorhanden sind, führt dazu, dass ein Betateilchen doch mal auf ein anderes Elektron trifft.

Als Faustregel gilt: Bei gleicher Energie und Ladung ionisieren geladene Teilchen umso stärker, je größer die Masse ist.

Betastrahlung hinterlässt daher beim Fliegen durch Materie eine Spur von relativ weit auseinanderliegenden Ionen, und Materialien, deren Atomhülle viele Elektronen beinhaltet, erhöhen diese Wahrscheinlichkeit beträchtlich. Je höher daher die Kernladungszahl ist, desto besser schirmt ein Material Betastrahlung ab.

Eine Wechselwirkung von Betateilchen mit Materie: Bremsstrahlung

Im Gegensatz zu Alphateilchen erzeugen Betateilchen (Elektronen) 100 bis 1000 mal weniger Ionen pro gleicher Wegstrecke. Sie fliegen daher viel weiter als Alphateilchen, bis sie ihre Energie losgeworden sind.

Zudem werden die Elektronen von der elektrischen Ladung der Atome in der Materie, in die sie eindringen, abgelenkt - sie werden „gestreut”. Elektronen auf gekrümmten Bahnen beginnen dabei ihrerseits eine Art Licht abzustrahlen, die so genannte „Bremsstrahlung”.


So etwas ist manchmal sogar erwünscht - Röntgenlicht aus medizinischen Röntgenröhren ist zum Beispiel nichts anderes als Bremsstrahlung von Elektronen. Das können wir oben sehen: In der Röhre werden Elektronen einer bestimmten Energie gezielt auf ein Stück Metall geschossen. An den Metall-Atomen werden sie abgelenkt und abgebremst; dabei geben sie Röntgenstrahlung ab.

Spezifischer Strahlenschutz II

Beim Bau von Abschirmungen gegen Betastrahlung allerdings will man die Erzeugung von Bremsstrahlung möglichst vermeiden.

Wie das geht, zeigt die folgende Animation.

Und welche Materialstärke ist erforderlich um Betastrahlung abzuschirmen?

 

Bestrahlung mit Gammateilchen
Gamma- oder Röntgenstrahlung sind beides Formen von Licht. Tritt Licht in Materie ein, dann wird ein Teil der Lichtteilchen seitlich weggestreut oder absorbiert.
Daraus ergibt sich ein Absorptionsgesetz, das einen exponentiellen Abfall der Intensität der Strahlung entlang der Wegstrecke vorhersagt. Dieses Gesetz gilt übrigens nicht nur für Gammastrahlung, die in ein Metall einfällt, sondern auch – mit einem anderen Absorptionsfaktor µ' – zum Beispiel für Licht, das Meerwasser durchstrahlt.
 

Three ways to loose your energy

Die Energie der Röntgen- und Gammastrahlung wird in der Materie durch mehrere Effekte geschluckt: Die Quanten können (auch innere) Elektronen aus dem Atom herauslösen – der Photoeffekt, eine Art besonders starke Ionisation. Die Lichtquanten können auch an Elektronen oder Atomen gestreut werden und erfahren dabei inelastische Stöße - der Compton-Effekt. Und ab einer gewissen Grenzenergie ist es Gammastrahlung außerdem möglich, bei der Paarbildung Elektronen-Positronen-Paare zu erzeugen.

Wechselwirkungen von Gamma- und Röntgenlicht mit Materie

Man kann für die Absorption eine Differentialgleichung formulieren, deren vereinfachte Lösung eine Exponentialfunktion ergibt - dabei kommt das so genannte "Lambert-Beer-Gesetz für Strahlungsabsorption" heraus:

Wer den Abschnitt über die Exponentialfunktion schon durchgearbeitet hat, der weiß sicher, was diese Formel besagt: Die Intensität des Lichtes, das in die Materie einfällt, fällt schon in einer relativ kurzen Wegstrecke (x) praktisch auf Null ab.

Wie schnell das passiert, regelt der Faktor µ. Der hängt von der Ladungszahl und von der Dichte der Materie ab, die durchstrahlt wird - und von der Energie der Strahlung. In ihm verbergen sich im Wesentlichen drei Effekte, die passieren, wenn energiereiches Licht in Materie eingestrahlt wird: Der Photoeffekt, der Compton-Effekt und die Paarbildung.

Der Photoeffekt

Röntgen- oder Gammaquanten können Ihre Energie an Elektronen auf einer der inneren Schalen der Atome in der durchstrahlten Materie abgeben und dabei Elektronen aus den Atomen herausgeschlagen. Das nennt man "Photoeffekt".

Und wie viel Energie wird dabei dem Gammalicht entzogen? Wie viel Energie das Material aus der einfallenden Röntgen- oder Gammastrahlung aufnimmt, hängt davon ab, welche Energie die Strahlung besitzt. Unten steht eine entsprechende Kurve - hier wurde errechnet, wie viel Röntgenstrahlung durch 0,2 Mikrometer Blei durchkommt. Auf der X-Achse ist die Energie der Photonen aufgetragen (Achtung: Die Achse ist logarithmisch!). Wie wir sehen, nehmen die Atome im Blei bei ansteigender Energie mal mehr, mal weniger Energie auf. Und wir sehen auch: Der Photoeffekt spielt typischerweise nur bei niedrigeren Einfallsenergien eine Rolle - bei höheren Energien beruhigt sich die Kurve.

Wie lassen sich die Schwankungen erklären? Welche Begründung erscheint einleuchtend?

a) Die Photonen im Röntgenlicht ändern ihre Größe mit der Energie und passen bei bestimmten Energien einfach nicht mehr zwischen die Atome. Dann werden sie aufgehalten.

Leider falsch!

Die Kurve sieht bei jeder Messung so aus und von einer echten Ausdehnung kann man bei Photonen auch nicht sprechen. Tatsächlich kann man aber an den Tälern der Kurve ablesen, welche Energie man braucht, um die verschiedenen Elektronen aus der Hülle der Bleiatome herauszuschaffen.

b) Um die Elektronen aus den Atomen beim Photoeffekt herauszulösen, braucht man einen bestimmten Energiebetrag. Wenn die einfallende Strahlung diese Energie erreicht, wird sie besonders gut geschluckt.

Richtig!

Die Kurve sieht bei jeder Messung so aus und von einer echten Ausdehnung kann man bei Photonen auch nicht sprechen. Tatsächlich kann man aber an den Tälern der Kurve ablesen, welche Energie man braucht, um die verschiedenen Elektronen aus der Hülle der Bleiatome herauszuschaffen.

c) Die Kurve ist zufällig so gewellt, je nachdem, wie die Photonen auf die Blei-Atome treffen. Wird das Experiment nochmal wiederholt, ist die Kurve wieder gewellt - allerdings anders.

Leider falsch!

Die Kurve sieht bei jeder Messung so aus und von einer echten Ausdehnung kann man bei Photonen auch nicht sprechen. Tatsächlich kann man aber an den Tälern der Kurve ablesen, welche Energie man braucht, um die verschiedenen Elektronen aus der Hülle der Bleiatome herauszuschaffen.

 

Der Compton-Effekt

Die einfallenden Photonen der Röntgen- oder Gammastrahlung können auch inelastisch mit den Elektronen in den Atomen der durchstrahlten Materie zusammenstoßen. Dadurch ändern sie ihre Richtung und geben einen Teil ihrer Energie an die Elektronen ab. Die Energie wird allerdings nicht vollständig geschluckt wie beim Photoeffekt oder bei der Paarbildung. Diese Reaktion wird Compton-Effekt genannt.

Das Elektron bekommt durch den Stoß genug Energie ab, um von „seinem” Atom abgetrennt zu werden - es wird zum so genannten „Compton-Elektron”.

In folgender Animation können wir uns das mal genauer ansehen.


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Ein Photon aus der Strahlung stößt mit einem Elektron in der Elektronenhülle des Atoms zusammen.

Das Elektron wird aus dem Atom herausgeschlagen, und gleichzeitig...

...wird das Photon von seinem Weg abgelenkt.

Die Paarbildung

Bestrahlung mit Neutronen

Neutronen können nicht nur eine Menge Energie transportieren - sie sind obendrein auch noch elektrisch neutral. Daher ist es nicht so einfach, Neutronen abzuschirmen.

Moderieren, wegfangen, Gammastrahlung absorbieren

Neutronenstrahlung wird deshalb in drei Schritten unschädlich gemacht. Erstens: Man bremst die Neutronen ab, indem man sie - wie beim Billard - mit Teilchen möglichst gleicher Masse zusammenstoßen lässt. Dabei verlieren sie Energie und werden langsamer. Diese energiearmen Neutronen reagieren mit geeigneten Materialien, die sie "einfangen". Und weil dabei unter Umständen Gammastrahlung entsteht, muss man die in einem dritten Schritt abschirmen.

Wechselwirkungen von Neutronen

So genannte „Coulomb-Wechselwirkungen“ – also elektromagnetische Wechselwirkungen, wie sie zum Beispiel bei Alpha- oder Betastrahlung auftritt, die auf Elektronen in Materie trifft – können Neutronenstrahlung nicht aufhalten, weil die Neutronen nicht elektrisch geladen sind. Sie werden ihre Energie daher zunächst in erster Linie durch Stöße gegen Atomkerne los. Der Energieübertrag beim Stoß ist dann am Größten, wenn die beiden Stoßpartner gleich schwer sind.

Daher sind solche Stoffe gut zum Bremsen geeignet, die viele einzelne Protonen enthalten: Protonen haben fast genau die gleiche Masse wie Neutronen. Man braucht also wasserstoffhaltige Verbindungen. Wie das aussieht zeigt uns die folgende Animation.

Wenn die Neutronen hinterher langsam genug sind, können sie von bestimmten Materialien eingefangen werden.

 
Abschirmung- Zusammenfassung

Nun wissen wir, dass die verschiedenen Strahlungsarten beim Einfall in Materie ganz unterschiedlich reagieren, und man sie daher ganz unterschiedlich abschirmen muss.

Alphastrahlung dringt nicht tief ein, weil sie ihre Energie recht schnell durch Ionisation los wird. Daher reicht hier zur Abschirmung im Prinzip ein Blatt Papier. Betastrahlung ionisiert dagegen lockerer und dringt daher tiefer ein. Als Abschirmung gegen diese Strahlung kann man Metalle mit niedriger Ordnungszahl - z. B. Aluminium - nehmen, da dabei Bremsstrahlung entsteht. Gamma- oder Röntgenstrahlung lässt sich zum Beispiel durch dicke Betonschichten oder mit Blei abschirmen. Und energiereiche Neutronenstrahlung erfordert im Prinzip mehrere Absorberschichten, die zuerst Neutronen bremsen, dann einfangen und die dabei entstehende Gammastrahlung wegfangen (oder dicke Betonwände).

Wie lange strahlt eine Strahlungsquelle?

Doch wie lange muss man eine Quelle eigentlich abschirmen? Wie lange strahlt ein Alphastrahler oder eine Gammastrahlenquelle? Das können wir im nächsten Modul lernen.


Bildquelle: DAtF

Kein Durchkommen für Strahlung: Eine einfache, dünne Mauer wie diese reicht unter Umständen noch nicht zur Abschirmung von Strahlung, besonders wenn es sich um energiereiche Gamma- oder Neutronenstrahlung handelt.

Im Kernkraftwerk halten daher dicke Betonmauern Strahlung zurück.

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