¿Por qué hacer un blindaje de rayos X con titanio, cuando el plomo es 6 veces más liviano?

Las sondas que visitan Júpiter y sus lunas protegen su equipo de los rayos X con un blindaje de titanio. Juno tenía 180 kg del material. Se espera que Europa Clipper tenga eso también.

El blindaje terrestre, como el delantal que usa en el dentista, utiliza materiales más densos como el plomo. (¡Casi todo es más denso que el titanio!)

En comparación con el titanio, el plomo tiene 4 veces el peso atómico y 2,5 veces la densidad, por lo que esperaría que el plomo protegiera mejor por kg , porque 4/2,5 > 1.

Así lo confirma la Health Physics Society :

Un delantal de titanio [del paciente del dentista] pesaría alrededor de 6,6 veces uno de plomo.

Sus cálculos utilizan una tabla NIST de coeficientes de atenuación de masa y coeficientes de absorción de energía de masa en función de la energía del fotón, de 0,001 a 100 MeV. Ese rango cubre (creo) la mayor parte de lo que Júpiter arroja a sus lunas.

Si la masa baja es tan importante en una sonda espacial, ¿por qué se prefiere el titanio al plomo, que sería más ligero, más barato, más fácil de mecanizar, etc.?

Las formas de radiación atrapadas por los campos magnéticos de Júpiter serán partículas cargadas , no fotones. Dependiendo de los detalles, las partículas cargadas son detenidas por la densidad de electrones , no por la densidad de masa, y los electrones escalan con protones, no con protones + neutrones. El titanio tiene más electrones por kilogramo que el plomo porque los núcleos más pesados ​​tienen muchos más neutrones que protones. Es más complicado a alta energía (muchos MeV) donde los electrones y los fotones forman "lluvias" de electrones+fotones y escalas de producción de pares con Z 2 .
Hay datos de parada para electrones, incluida la capacidad de trazado, en la base de datos ESTAR: physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/method.html
El radio atómico del titanio también es ligeramente más pequeño que el del plomo, lo que significa que se acumulan más núcleos en el mismo espacio, y muchos núcleos más livianos son mejores que menos núcleos más pesados ​​al detener partículas grandes (por ejemplo, cosas más pesadas que los electrones).
Puede encontrar gráficos de densidad de electrones frente a protones en Júpiter aquí: lasp.colorado.edu/home/mop/files/2015/08/jupiter_ch27-1.pdf
@uhoh, lo aceptaría como respuesta porque corrige para qué sirve el blindaje: no para rayos X.
@CamilleGoudeseune, esas son solo algunas de las muchas consideraciones que deben analizarse. Los cálculos de protección contra la radiación son complicados y tediosos y deben tener en cuenta muchos procesos diferentes, y los modelos de espectros de energías de partículas en cada punto a lo largo de la trayectoria de Juno deben incluirse en una gran simulación de Monte Carlo para evaluar el tamaño, la forma , grosor y tipo de material de un escudo para medir su eficacia. Intentaré ver si hay algunos artículos académicos que describan los cálculos.
El tantalio (Z=73) es más rígido que el plomo (Z=82) y sería mucho más fácil trabajar con él. Entonces, el hecho de que eligieron titanio (Z = 22) sugiere que podría ser una combinación de electrones / kg y la Z más baja. la consiguiente ducha electromagnética 1 , 2 , 3 .
Entonces, incluso con electrones fuera del escudo, se deben considerar los fotones de bremsstrahlung y los electrones Compton posteriores que llegan a la electrónica. Es un gran lío, lo pones todo en una simulación y lo dejas funcionar durante mucho tiempo, cambias algo, lo vuelves a ejecutar, etc. En realidad, para fuentes de electrones intensas, el plomo a veces se evita explícitamente y se reemplaza con plástico Lucite , madera o agua. El titanio parece una opción probable entonces.

Respuestas (2)

Lo primero es lo primero:

Un delantal de titanio [del paciente del dentista] pesaría alrededor de 6,6 veces uno de plomo.

Esto es cierto en su ejemplo específico, porque el coeficiente de atenuación de masa del plomo es unas 6,6 veces mayor que el del titanio para rayos X de 60 keV. Suba la fuente de rayos X hasta 10 MeV y el plomo es 1,82 veces más efectivo que el titanio y sustancialmente menos sólido estructuralmente.

Como beneficio secundario, los materiales que son más transparentes a los rayos X de baja energía son más fáciles de inspeccionar a través de cámaras de rayos X después del ensamblaje, lo que ayudará un poco con el control de calidad.

Ahora en la carne de la pregunta. La mayoría de los puntos críticos se mencionaron en los comentarios anteriores, pero los agregaré aquí:

Las formas más importantes de radiación que afectarán a las naves espaciales cercanas a Júpiter son partículas cargadas atrapadas en el prodigioso campo magnético de Júpiter... electrones y protones capturados y algunas partículas alfa del viento solar, pero también iones más pesados ​​producidos a partir de otras fuentes como el dióxido de azufre. escapando de Ío. En realidad, no hay ninguna fuente seria de rayos X de la que necesites proteger una nave espacial.

Resulta que el plomo es en realidad un material de protección peor que el titanio contra los electrones con una energía cinética de ⪅10MeV, y solo un poco mejor contra los electrones de mayor energía. Aquí hay un gráfico que muestra el rango de aproximación de desaceleración continua para electrones en plomo y titanio, utilizando valores tomados de la base de datos ESTAR . Los valores más altos del eje y implican que se requiere más protección.

ESTAR electron CSDA en plomo y titanio

Aquí hay un gráfico que muestra CSDA para protones en plomo y titanio, con datos tomados de la base de datos PSTAR . Puede ver en este que el plomo es ligeramente peor en cualquier energía.

PSTAR proton CSDA en plomo y titanio

También hay un problema secundario en la forma de lo que sucede con la energía cinética de la partícula cargada. Cuanto más rápido disminuya la velocidad de una partícula, mayor será la energía de los rayos X de bremmstrahlung resultantes. La liberación máxima de energía ocurrirá al final del recorrido de la partícula a través del blindaje . Esto significa que el blindaje de plomo denso que es lo suficientemente grueso producirá rayos X de alta energía desde la cara interior del blindaje. Un blindaje menos denso (como el titanio) producirá rayos X de mucha menor energía que son absorbidos más fácilmente por el resto del blindaje y menos destructivos para los objetos protegidos.

Finalmente, le queda un montón de compromisos estructurales, como qué tan fuerte debe ser su blindaje y qué tan grueso debe ser (el blindaje compuesto liviano es excelente, pero bastante voluminoso, por ejemplo) y compromisos financieros, como el costo de obtener y mecanizar enormes trozos de titanio, o el tiempo y el dinero adicionales necesarios para fabricar un blindaje multicapa.

El proyecto Europa Clipper tiene (creo) una bóveda de radiación hecha de aluminio y titanio para mantener bajos los costos y el peso (de alguna manera tuvieron que reducir un par de miles de millones de dólares del precio del boleto del Jupiter Europa Explorer) , y Encontré un documento sobre su blindaje (con paredes de pago, y no estoy gastando 30 dólares para leerlo) que también sugiere el uso de láminas de tantalio como blindaje secundario para usar en componentes sensibles dentro de la bóveda para compensar el bóveda menos eficaz.

En cualquier caso, nadie parece querer utilizar plomo para ningún tipo de blindaje. Genial para delantales de rayos X, un poco basura para naves espaciales.

Del sitio web de la NASA para Juno :

Si bien existen otros materiales que son buenos bloqueadores de la radiación, los ingenieros eligieron el titanio porque el plomo es demasiado blando para soportar las vibraciones del lanzamiento, y algunos otros materiales eran demasiado difíciles para trabajar.

Hay aleaciones de plomo más duras y más blandas, pero nada empieza a acercarse al titanio.

Más adelante en la misma página:

Cada pared de titanio mide casi un metro cuadrado (casi 9 pies cuadrados) de área, aproximadamente 1 centímetro (un tercio de pulgada) de espesor y 18 kilogramos (40 libras) de masa. Esta caja de titanio, del tamaño aproximado de la cajuela de un SUV, encierra la caja de manejo de datos y comando de Juno (el cerebro de la nave espacial), la unidad de distribución de datos y energía (su corazón) y alrededor de otros 20 ensamblajes electrónicos. Toda la bóveda pesa alrededor de 200 kilogramos (500 libras).

Los paneles tan grandes y delgados probablemente sean mucho más fáciles de construir con un material de mayor resistencia.

Entonces, ¿por qué no plomo en madera contrachapada? Vea el comentario de @uhoh.
Curiosamente, algunos de los procesos de prueba mencionados en ese enlace involucraron rayos gamma en lugar de electrones. Me pregunto si eso es un indicador de bremmstrahlung causado por los electrones que golpean el escudo.
Pero, ¿qué pasa con un sándwich hecho de capas de plomo entre capas de titanio?
Agregué algunos comentarios adicionales debajo de la pregunta que podrían ser útiles.
¿Por qué hacer un blindaje de rayos X con titanio, cuando el plomo es 6 veces más liviano?
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