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Messtechnik für laserinduzierte ionisierende Strahlung, wie sie bei Ultrakurzpuls-Lasermaschinen nach dem Überschreiten bestimmter Anlagenparameter auftreten kann.

Authors:
  • Ingenieur Büro Prof. Dr.-Ing. Dittmar
Prof. Dr.-Ing. G. Dittmar, Albrecht-Erhardt-Str. 17. D - 73433 Aalen, Tel.: 07361 / 931129
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Messtechnik für laserinduzierte ionisierende
Strahlung,
wie sie bei Ultrakurzpuls-Lasermaschinen nach dem Überschreiten bestimmter
Anlagenparameter auftreten kann.
Verfasser: Günter Dittmar
Erweiterter Posterbeitrag von der 50. Jahrestagung des
Fachverbandes für Strahlenschutz e.V.,
3. bis 6. September Dresden
Anmerkung: Die nachfolgenden Informationen sind unter Nennung der Quelle frei für jede Benutzung. Der
Beitrag richtet sich an fachkundige Personen, die mit dem Themenkreis der Ultrakurzpulslaser und der
Strahlungsmesstechnik von ionisierender Strahlung vertraut sind.
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Wenn bestimmte Parameter der Ultrakurzpuls-Lasermaschine überschritten werden, kann es aus dem Plasma
heraus zur Emission von Photonen kommen, die dem Bereich der ionisierenden Strahlung zugeordnet werden.
Das Gesetz zum Schutz vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung (StrlSchG) vom 27.6.2017 ist
dann zwingend zu beachten.
Der nachfolgende Beitrag enthält Erfahrungen, Informationen und Schlussfolgerungen, die der Autor in selbst
durchgeführten Versuchen an mehreren Lasermaschinen erarbeitet hat.
Danksagung: Der Autor dankt der TRUMPF Laser GmbH und TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH,
insbesondere D. Heisenberg, K. Parey, M. Sailer, S. Russ, , T. Hesse und J. Döttling für die großzügige
Unterstützung bei der Vorbereitung und Durchführung der mehr als 400 Versuche und für die Diskussion der
Ergebnisse. Frau Dr. Giedl-Wagner gilt ebenfalls ein großes Dankeschön für die Unterstützung bei Experimenten
mit leistungsfähigen Ultrakurzpuls-Lasermaschinen.
Der Autor dankt auch den Mitarbeitern der BAM (Herbert Legall, Christoph Schwanke, Simone Pentzien, Jörn
Bonse, Jörg Krüger) und der PTB (R. Behrens, B. Pullner, A. Röttger, C. Fugh) für die konstruktive
Zusammenarbeit. Ein Dank gilt Herrn Dr. Schüler von der STEP Sensortechnik und
Elektronik Pockau GmbH und Herrn Dr. J. Henniger und Herrn M. Sommer von der TU Dresden, Institut für Kern-
und Teilchenphysik.
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Abbildung 1: Ionisierende Strahlung kann nur entstehen,
wenn der Laserstrahl extrem fokussiert ist!
Der Plasma-Ball emittiert Photonen mit Energien > 3 keV,
wenn beispielsweise die Bestrahlungsstärke im Laserfokus
Werte von > 2x1013 W/cm² überschreitet.
Abbildung 2: Der „Vollgas-Betrieb“ der Lasermaschine
erzeugt hohe Dosisleistungen und
führt zu schlechter Qualität bei der Materialbearbeitung.
Deshalb wird der „Vollgas-Betrieb“ vermieden.
Der Vollgasbetrieb ist an der Funkenbildung erkennbar. Der
kalte Abtrag des Werkstückes ist dann bereits in den „heißen
Abtrag“ übergegangen.
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Abbildung 3: Messaufbau vor dem Schutzfenster einer Ultrakurzpuls-Lasermaschine
Messgeräte: Spektrometer X-123 und Dosimeter OD-02, Messabstand 10 cm vor dem Schutzfenster (links
außen).
Ein Spektrometer wird nur für wissenschaftlich-technische Untersuchungen benötigt, um den Energiebereich der
Photonen zu bestimmen.
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1 Anforderungen an die Messtechnik zur Bestimmung der Dosis H und Dosisleistung
Aus dem neuen Gesetz zum Schutz vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung (StrlSchG) vom
27.6.2017, den einschlägigen Verordnungen und gemessenen Photonenspektren und Dosisleistungen
ergeben sich folgende Anforderungen an die künftig einzusetzende Messtechnik:
Tabelle 1: Anzustrebende Eigenschaften der Strahlungsmessgeräte
Messbereiche:
untere Nachweisgrenze:
obere Nachweisgrenze:
Energiebereich der nachzuweisenden Photonen:
Eintrittsfenster des Messgerätes:
Messzeit:
Abmessungen, Höhe x Breite x Tiefe:
Ḣ‘(0,07), H‘(0,07), Ḣ*(10) und H*(10)
1 µSv/h
1 Sv/h
3 keV bis 30 keV
< 1 cm² (wichtig für Messungen an Spalten und Löchern
sowie zur Bestimmung der Dosisleistung der Haut
< 5 s bis 2 h
40 mm x 40 mm x 80 mm
2 Betriebssicherheit des Messgerätes
Anzeige und ständige Überwachung der Funktionsfähigkeit des Messgerätes, Selbstprüfung des Messgerätes
in kurzen Zeitabständen.
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3 Gewünschte Darstellung der Messergebnisse
grafischer Zeitverlauf der Dosisleistung,
Anzeige und Speicherung des Maximalwertes der Dosisleistung,
Anzeige und Speicherung der Dosis,
Anzeige und Speicherung der Messzeit und des Datums.
akustische Ausgabe der Signalamplitude als „Geiger Counter Sound“ (wichtig für die
Dichtheitsuntersuchungen)
optische und akustische Warnung beim Überschreiten einer gewählten Dosisleistungsgrenze.
4 Datenausgabe
Schnittstelle zur Steuerung der Lasermaschine bzw. zum Ansteuern von Warneinrichtungen.
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Anforderungen an das Ansprechvermögen der Messgeräte
(Messbereich der Photonenenergie)
Abbildung 4:
Photonenspektrum der
ionisierenden Strahlung bei
Bestrahlungsstärke 2x1014
W/cm² im Laserfokus,
Messgerät:
X-Ray Spectrometer, Typ X-
123, Amptek, Inc., USA.
Messabstand 200 mm,
Lochblenden aus Wolfram zur
Schwächung des
Photonenstroms benutzt.
Beachte:
Bei Bestrahlungsstärken <1014
W/cm² liegt das Maximum unter 5
keV.
Schlussfolgerung:
Zum Messen der Dosisleistungen muss die untere Energiegrenze der Messgeräte bei 3 keV liegen.
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Einfluss der Luft auf die Schwächung der Photonenstrahlung:
Der Schwächungskoeffizient der Luft nimmt mit abnehmender Photonenenergie drastisch zu, so dass Photonen
unterhalb einer Energie von 5 keV in einer Luftstrecke von >100 mm stark absorbiert werden, siehe [8, Tabelle
4].
Die Zahl der energiearmen Photonen (3 keV bis 5 keV) nimmt wesentlich stärker ab als die der energiereichen
Photonen (> 6 keV). Das Maximum der Kurve in Abb. 2 verschiebt sich bei einem langen Luftweg (> 50 cm) zu
größeren Energien. Die Amplitude wird aber insgesamt deutlich kleiner. Ausführliche Informationen zur
Schwächung von Photonen ionisierender Strahlung beim Durchgang durch Luft sind in [1], S. 407 und [6]
enthalten.
Bei den Versuchen benutzte Messtechnik
Es wurden mehr als 400 Versuche zur Erzeugung von laserinduzierter ionisierenden Strahlung im Zeitraum von
2016 bis 2018 durchgeführt, [5]. Dabei wurden unterschiedliche Messgeräte und Messanordnungen getestet und
optimiert. Kein kommerzielles Dosisleistungsmessgerät erfüllte die in Abschnitt 1 bis 4 aufgeführten Parameter.
Das Vorrangiges Ziel der bisherigen Versuche war die Bestimmung der Anlagenparameter und der Werkstoffe,
die bei senkrechtem Beschuss zum Worst Case führen. Als Worst Case wurde der Zustand definiert, bei dem im
Arbeitsraum der jeweiligen Lasermaschine die größte Dosisleistung unter Ausnutzung der maximalen
Maschinenparameter gemessen werden konnte.
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Die wichtigsten Versuche wurden nachträglich durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
(BAM) an einer anderen, aber ähnlich aufgebauten Lasermaschine wiederholt. Die gemessenen Dosisleistungen
und Spektren decken sich im Wesentlich mit den hier dargestellten Ergebnissen, siehe [2]. Die Physikalisch-
Technische Bundesanstalt (PTB) untersuchte Ende 2017 u.a. mit einen rückführbar kalibrierten
Wenigkanalspektrometer auf TLD-Basis unter den Bedingungen des Worst Case die gleiche Lasermaschine, die
zuvor vom Autor intensiv untersucht wurde. In den Berichten der PTB [3] und [4] werden die vom Autor zu einem
früheren Zeitpunkt an der gleichen Lasermaschine unter ähnlichen Bedingungen erhaltenen Messergebnisse im
Wesentlichen bestätigt. Im Gegensatz zur PTB benutzte der Autor transportable, kommerzielle Geräte, wie das
Spektrometer X-123, das Ortsdosimeter OD-02 und einen Prototyp des LIX-Meters. Auf Grund der
Vergleichbarkeit der Ergebnisse der BAM, der PTB und des Autors kann man davon ausgehen, dass die
Strahlenschutzmessgrößen im Wesentlichen richtig bestimmt wurden.
Bei der Diskussion der Messungen ist die relativ große Messunsicherheit von meistens 10 % und im Extremfall bis
zu 40 % zu beachten, die durch die zeitliche Instabilität des Plasmas verursacht wird.
Folgende Messtechnik wurde erprobt und nachfolgend bewertet.
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Tabelle 1: Vergleich der Messgeräte und Bewertung ihrer Eignung
Gerätetyp
Für den Einsatz bei UKP-Lasermaschinen
geeignet bzw. nicht geeignet
1
Ionisationsdosimeter OD-02
Sensortechnik und Elektronik Pockau
GmbH
Geeignet, wenn die Ionisationskammer homogen durchströmt wird,
Ionisationskammer zu groß für Messungen an Spalten und Löchern.
Für Photonenenergien unter 6 keV nicht definiert,
keine permanente Selbstüberwachung der Funktion. Nicht geeignet für die
Exposition der Haut, denn dann muss über eine Fläche von nur 1 cm²
gemittelt werden.
2
LIX-Meter
CalvaSens GmbH, Aalen
(Versuchsmuster getestet)
Sehr gut geeignet für Messungen an Spalten, Löchern und für Expositionen
der Haut, weil die Messöffnung ca. 1 cm² ist.
Energiemessbereich von 3 keV bis 50 keV, dadurch wird der gesamte
Energie-Bereich der laserinduzierten Photonenstrahlung erfasst;
Geräteabmessungen sind klein, Schnittstellen für Maschinensteuerung
vorhanden, bisher einziges Gerät zur zeitaufgelösten
Dosisleistungsmessung, grafische Datenausgabe,
Permanente Selbstüberwachung (in Entwicklung).
2
Survey Meter SM 8 D
Sensortechnik und Elektronik Pockau
Als kostengünstiges Übersichtsgerät, jedoch nicht als Sicherheitssensor
geeignet,
Messsensor zu groß, deshalb nicht für Messungen an Spalten u. Löchern
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GmbH
geeignet. Für Photonenenergien unter 10 keV nicht definiert, keine
permanente Selbstüberwachung der Funktion.
3
Dosimeter DIS-1
Mirion Technologies
Personen-Dosimeter: Nur für Dosismessungen geeignet, keine
Dosisleistungsanzeige, keine online-Anzeige, viele Daten unbekannt, keine
permanente Selbstüberwachung der Funktion, keine Schnittstelle zur
Maschinensteuerung.
4
TLD-N und TLD-NS
ProRad International GmbH
Thermolumineszenzdosimeter nicht geeignet, keine online-Anzeige, keine
permanente Selbstüberwachung der Funktion,
Für Photonenenergien unter 7 keV nicht definiert,
5
OSL
TU Dresden International GmbH
Optisch stimulierte Lumineszenzdosimeter nicht geeignet, weil keine online-
Anzeige, keine permanente Selbstüberwachung der Funktion
6
Spektrometer 100T
Amptek, USA
Kein Messgerät, nur zur Aufnahme des Energiespektrums geeignet,
Energiebereich von 4 keV bis 90 keV
7
Spektrometer X123,
Amptek, USA
Kein Messgerät, nur zur Aufnahme des Energiespektrums geeignet,
Energiebereich von 4 keV bis 90 keV
8
Spektrometer AXAS-D,
Ketek GmbH
Kein Messgerät, nur zur Aufnahme des Energiespektrums geeignet,
Energiebereich von 2 keV bis 14 keV
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Ionisationsdosimeters OD-02 von Fa. STEP, Pockau
Das Ionisationsdosimeter OD-02 ist zum Messen der laserinduzierten ionisierenden Strahlung sehr gut geeignet,
wenn es homogen durchströmt wird. Immer dann, wenn das Gerät zur Dosismessung an schmalen Spalten und
Löchern benutzt wird, zeigt es wegen der zu großen Ionisationskammer prinzipbedingt zu kleine Dosisleistungen
an.
Abbildung 5:
Ortsdosimeter OD-
02 bei der
Überprüfung mit
dem
Aktivitätsnormal Fe-
55 der PTB im
Probenhalter,
Volumen der
Ionisationskammer
600 cm³,
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Abbildung 6: Ansprechvermögen als Funktion der Photonenenergie (unter 6 keV nicht definiert)
Der Autor testete 3 Exemplare des Ionisationsdosimeters OD-02. Es wurden zusätzlich Vergleichsmessungen
zwischen dem jeweiligen Ionisationsdosimeters OD-02 von Fa. STEP und weiteren Messgeräten durchgeführt,
wie DIS-1 von Mirion, TLD von ProRad, OSL von TU Dresden.
Die Kalibrierung des Ionisationsdosimeters OD-02 wurde mit einem Cs-137-Kalibrierstrahler überprüft.
Vor und nach jedem Versuchstag wurden die Messgeräte mit einem Aktivitätsnormal Fe-55 der PTB getestet.
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LIX-Meter von Fa. CalvaSens GmbH, Aalen
Abbildung 7: Frontansicht des LIX-
Meters (hier Prototyp)
Das LIX-Meter ist geeignet zum Messen der
ionisierenden Strahlung in der
Lasermaschine, im Personenbereich, vor
Fenstern, Löchern, Spalten, Durchbrüchen,
Aussparungen, Kabeldurchführungen und
Punktschweißstellen. In der geplanten
Ausführung „Sicherheitssensor“ ist das LIX-
Meter für die permanenten Überwachung
des Laserprozesses, zur Steuerung der
Laserleistungsparameter und zur
Überwachung der Prozessparameter
vorgesehen. Die Ausführung
„Sicherheitssensor“ befindet sich noch in der Entwicklung.
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Abbildung 8: Nachweis der Linearität zwischen der
Anzeige der Dosisleistung Ḣ‘(0,07) des
Ionisationsdosimeters OD-02 und den Counts des
LIX-Meters (Bezeichnung des Prototypen: Sensor S-
DIGI)
Ein viertes Exemplar von Ionisationsdosimeter
OD-02 wurde auf Linearität an der BAM
untersucht, siehe [2, Fig. 2]. Es zeigte sich bei
den Versuchen der BAM eine sehr gute
Übereinstimmung in der Linearität und der
gemessenen Dosiswerte bei dem OD-02 der
BAM und einem DIS-1 sowie TLD’s.
Durch die beiden widerspruchsfreien
Ergebnisse (Abb. 8 und Literatur [2, Fig. 2]) mit
anderen Messgeräten kann angenommen
werden, dass die angezeigten Dosisleistungen
bzw. Dosen für sicherheitsrelevante Aussagen
herangezogen werden können. Zusätzlich konnten durch die Berichte der PTB [3] und [4] nachträglich die hier
dargestellten Ergebnisse bestätigt werden.
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Messaufbau für die Überprüfung der Schwächung der ionisierenden Strahlung durch ein
Laserschutzfenster einer UKP-Lasermaschine:
Abbildung 9:
Ortsdosimeter OD-02 im Modus H‘(0,07)
im Mess-Abstand von 10 cm vor dem
Laserschutzfenster,
LIX-Meter: Abstand ca. 15 cm
LIX-Meter
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Messeinrichtung für wissenschaftliche Untersuchungen
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Weitere Arbeiten zur Erzeugung und Bewertung von laserinduzierter
ionisierender Strahlung:
[1]
Dittmar, G.; Schutz vor ionisierender Strahlung bei Ultrakurzpuls-Laser-Maschinen, Erweiterter Posterbeitrag von der 50.
Jahrestagung des Fachverbandes für Strahlenschutz e.V.,
3. bis 6. September Dresden.
[2]
Herbert Legall1,*, Christoph Schwanke1, Simone Pentzien1, Günter Dittmar2, Jörn Bonse1, Jörg Krüger1
1: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin, Germany
2: Steinbeis - Transferzentrum Technische Beratung und Entwicklung Aalen, Albrecht-Erhardt-Str. 17,
D-73433 Aalen, Germany; X-ray emission as a potential hazard during ultrashort pulse laser material processing, Applied Physics
A (2018) 124:407
[3]
B. Pullner, R. Behrens; Röntgenstrahlung an Ultrakurzpuls-Lasermaschinen, Bericht: # 1W-63010, 4.4.2018, Physikalisch-
Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
[4]
R. Behrens, B. Pullner, M. Reginatto; X-Ray Emission from Materials Processing Lasers; Radiation Protection Dosimetry (2018),
pp.1-14.
[5]
G. Dittmar, M. Sailer, S. Russ, D. Heisenberg, T. Hesse, J. Döttling; 18 Berichte für die TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder Straße
39, 78713 Schramberg und TRUMPF GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, 2016 bis 2017
[6]
Ergänzung zur Betriebsanleitung, Röntgen- und UV-Strahlung, Ultrakurzpulslaser Tru Micro, TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder
Straße 39, 78713 Schramberg, Ausgabe 2017-09
[7]
Behrens, R.; The Influence of the Air Density on the Spectral Properties of X-Ray Radiation Qualities with Mean Energies from 6
Prof. Dr.-Ing. G. Dittmar, Albrecht-Erhardt-Str. 17. D - 73433 Aalen, Tel.: 07361 / 931129
______________________________________________________________________________R
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keV to 90 keV, Radiation Protection Dosimetry Vol 86, No. 2, pp. 123-128 (1999) Nuclear Technology Publishing.
[8]
Bundesamt für Strahlenschutz, Ionisierende Strahlung, Grenzwerte im Strahlenschutz, Wichtige Grenzwerte und typische
Dosiswerte im Vergleich, Wichtige Schwellenwerte für deterministische Strahlenwirkungen, Abruf am 5.10.2018,
Quelle: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/strahlenschutz/grenzwerte/grenzwerte.html
[9]
NIST Standard Reference Database 126 | Customer Support | Online: May 1996 | Last update: July 2004
Radiation and Reference data, X-Ray Mass Attenuation Coefficients
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4.html
[10]
Ergänzung zur Betriebsanleitung, Röntgen- und UV-Strahlung, Ultrakurzpulslaser Tru Micro,
TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder Straße 39, 78713 Schramberg, Ausgabe 2017-09
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Full-text available
Ultra Short Pulse Laser, X-Ray Protection, , Thickness of Shielding Material as Function of Irradiance
Article
Full-text available
The emission of laser induced X-rays from materials processing ultra-short pulsed laser systems was measured. The absolute spectral photon fluence was determined using a thermoluminescence detector based few-channel spectrometer. The spectra at 10 cm from the laser focus were in the energy region between 2 and 25 keV with mean energies of ~4-6 keV (when weighted by fluence or directional dose equivalent) and up to 13 keV (when weighted by ambient dose equivalent). The operational quantities, H·'(0.07), H·'(3) and H·*(10), were determined to be in the order of 1600-7300, 16-71 and 1-4 mSv per hour processing time, respectively, depending on the material and condition of the workpiece. The dose contribution due to photons above 30 keV was for all quantities negligible, i.e. below 10-3.
Article
The use of X ray facilities for precise irradiations requires exact knowledge of the radiation held. The effect of different ambient conditions on the radiation field is investigated. To correct the effect which different air densities exert on the characteristic spectrum properties of the radiation, such as the conventional true value of the air kerma, conversion coefficients from air karma to personal (or ambient) dose equivalent, the mean energy or the half-value layer, calculations were performed for a large number of different spectrum properties for all radiation qualities defined in the ISO 4037-1 standard and in the German standard DIN 6818-1 at a high voltage of up to 120 kV. The calculations were checked by comparing some of the data with experimental results.
D-73433 Aalen, Germany; X-ray emission as a potential hazard during ultrashort pulse laser material processing
Herbert Legall 1,*, Christoph Schwanke 1, Simone Pentzien 1, Günter Dittmar 2, Jörn Bonse 1, Jörg Krüger 1 1: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin, Germany 2: Steinbeis -Transferzentrum Technische Beratung und Entwicklung Aalen, Albrecht-Erhardt-Str. 17, D-73433 Aalen, Germany; X-ray emission as a potential hazard during ultrashort pulse laser material processing, Applied Physics A (2018) 124:407
Berichte für die TRUMPF Laser GmbH
  • G Dittmar
  • M Sailer
  • S Russ
  • D Heisenberg
  • T Hesse
  • J Döttling
G. Dittmar, M. Sailer, S. Russ, D. Heisenberg, T. Hesse, J. Döttling; 18 Berichte für die TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder Straße 39, 78713 Schramberg und TRUMPF GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, 2016 bis 2017
Grenzwerte im Strahlenschutz, Wichtige Grenzwerte und typische Dosiswerte im Vergleich, Wichtige Schwellenwerte für deterministische Strahlenwirkungen, Abruf am 5.10
  • Ionisierende Bundesamt Für Strahlenschutz
  • Strahlung
Bundesamt für Strahlenschutz, Ionisierende Strahlung, Grenzwerte im Strahlenschutz, Wichtige Grenzwerte und typische Dosiswerte im Vergleich, Wichtige Schwellenwerte für deterministische Strahlenwirkungen, Abruf am 5.10.2018, Quelle: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/strahlenschutz/grenzwerte/grenzwerte.html
Customer Support | Online: May 1996 | Last update
NIST Standard Reference Database 126 | Customer Support | Online: May 1996 | Last update: July 2004