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Schutz vor ionisierender Strahlung bei Ultrakurzpuls-Laser-Maschinen Verfasser: Günter Dittmar

Authors:
  • Ingenieur Büro Prof. Dr.-Ing. Dittmar
Prof. Dr.-Ing. G. Dittmar, Albrecht-Erhardt-Str. 17. D - 73433 Aalen, Tel.: 07361 / 931129
ResearchGate_ Dittmar_Schutzgehäuse_3.9.2018.docx 1
Schutz vor ionisierender Strahlung
bei Ultrakurzpuls-Laser-Maschinen
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
vertraut sind.
Danksagung: Der Autor dankt der TRUMPF Laser GmbH und TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, insbesondere K. Parey, M. Sailer,
S. Russ, D. Heisenberg, T. Hesse, 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 Dankeschön für die Unterstützung bei zahlreichen
Experimenten.
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Untersuchte Materialien:
Wolfram, Titan, Hartmetalle, Stähle, Buntmetalle, Leichtmetalle,
Keramiken, Gläser, Kunststoffe, Diamant, Luft
Anzahl der durchgeführten Versuche: > 400 (2016 bis 2018)
Anzahl untersuchter Lasermaschinen: 9
Bisher nur senkrechte Bearbeitung ebener Flächen untersucht.
Benutzte Maschinenparameter für ebene Werkstücke:
Laserwellenlänge: 1030 nm und 515 nm
Strahldurchmesser im Laserfokus: 10 µm bis 46 µm
Pulswiederholfrequenz: 25 kHz bis 400 kHz,
Pulsdauer: 400 fs bis 925 fs
Pulsenergie: bis 200 µJ
benutzte Bestrahlungsstärke im Fokus: 106 W/cm² bis 6,7x1014 W/cm².
Ergebnis: Laserinduzierte ionisierende Strahlung ist ab E = 2x1013 W/cm² mit kommerziellen Dosimetern messbar.
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Ab einer Bestrahlungsstärke > 2x1013 W/cm² ist von einer Überschreitung der Grenzwerte nach dem StrlSchG (Gesetz
zum Schutz vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung, 27.6.2017) auszugehen. Achtung: Diese Aussage gilt
für ebene Werkstoff-Platten mit senkrechter Laserbestrahlung.
Abb. 1: Messgeräte:
Zwei Ionisationsdosimeter Typ OD-02 der STEP
Sensortechnik und Elektronik Pockau GmbH
zur Ermittlung von Ḣ‘(0,07) und Ḣ*(10)
Messabstand 200 mm
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Beispiel für den Worst Case1) im Maschinenraum:
verwendete Bestrahlungsstärke: 6,7x1014 W/cm² (weit über Normalparametern), Pulswiederholfrequenz 300 kHz,
Pulsdauer 921 fs, Laserwellenlänge = 1030 nm, Messabstand 200 mm,
Hinweis: Unter Normalbedingungen ist der Maschinenraum geschlossen und durch Sicherheitstechnik überwacht.
1) Worst Case aus allen Einzelversuchen:
Die größte Bestrahlungsstärke im Fokus des Laserstrahls betrug E= 6,7x1014 W/cm². Diese
Bestrahlungsstärke liegt weit über dem technologisch sinnvollen Bereich zum Abtragen von
Material. Die höchste Strahlungsexposition ist erreichbar mit Laserabtrag-Spuren, die parallel auf
der ebenen Oberfläche des Targets verlaufen und keine tiefen Gräben bilden. Die ionisierende
Strahlung muss sich ungehindert ausbreiten können. Der Laserfokus muss in einer bestimmten
Höhe über dem Target bzw. im Target liegen. Die Scanrichtung des Laserstrahl muss vom
Dosimeter wegbewegen. Das Dosimeter muss unter einem optimalen Winkel von ca. 30° zum
offenen Spurgraben geneigt sein. Die Laserparameter und die Strahlablenkung wurden so
optimiert (Zeilenabstand, Verfahrgeschwindigkeit, Abstand, Bewegungsrichtung des Laserstrahls
usw.), dass eine möglichst hohe Dosisleistung erzielt wurde. Bei der Anwendung der technologisch
richtigen Parameter zum Abtragen von Werkstoffen mit hoher Kantenqualität und hoher Abtragrate
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werden Bestrahlungsstärken benutzt, die im Bereich von 1012 W/cm² bis 1013 W/cm² liegen. Bei
derart geringen Bestrahlungsstärken konnte keine ionisierende Strahlung
Ergebnisse: Grenzwerte und Messwerte
Gesetzliche Grenzwerte
Max. Messwerte in der
Lasermaschine
bei Worst Case
Richtungs-Äquivalentdosisleistung Haut
H’(0,07)grenz = 50 mSv pro Jahr
Ohne Schutzgehäuse:
Ḣ‘(0,07) = 3.100 mSv/h
Umgebungs-Äquivalentdosisleistung für den Körper
H*(10)grenz = 1 mSv pro Jahr.
Ohne Schutzgehäuse:
*(10) = 159 mSv/h
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Abb. 2:
Ortsdosisleistung
*(10) als Funktion
der
Bestrahlungsstärke
im Laserfokus bei
maximaler Ausbeute
an ionisierender
Strahlung.
Achtung:
Eine Verdopplung der Bestrahlungsstärke bewirkt eine Steigerung der Ortsdosisleistung um den Faktor 10!
technologisch sinnvoller Bereich für
den Materialabtrag mit UKP-Lasern
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Messung im Personenbereich vor der Lasermaschine
Das Schutzgehäuse der Lasermaschine ist geschlossen. Der Laser-Schutz entspricht der Laserklasse 1.
Abb. 3: Messaufbau im Personenbereich
Neuer Sensor für
laserinduzierte ionisierende
Strahlung: LIX-Meter
Referenz-
Dosimeter
OD-02
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Prüfung auf laserinduzierte ionisierende Strahlung im Personenbereich:
Versuchsbedingung: Worst Case bei maximaler Bestrahlungsstärke 6,7x1014 W/cm², Pulswiederholfrequenz 300 kHz,
Pulsdauer 921 fs. Messung im Abstand von 10 cm vor der Lasermaschine, im Personenbereich.
Material: Schutzfenster bzw. Schutzwand
Max. Messwerte der
ionisierenden Strahlung
unter Worst Case
Doppelfenster in der Schutzumhausung:
Röntgenschutzglas und Laserschutzfenster aus PMMA (3 mm)
Anmerkung: Die ionisierende Strahlung wird beim Durchgang durch das
Doppelfenster „aufgehärtet“, d.h. nur die energiereichen (harten) Photonen
gelangen in den Personenbereich.
Mit Doppelfenster:
Ḣ‘(0,07) = 0,47 µSv/h
*(10) = 0,53 µSv/h
Einfache Blechwand der Schutzumhausung:
Aluminium AlMg3, Dicke: 3,0 mm
Einfache Blechwand:
Ḣ‘(0,07) = 9,3 µSv/h
Doppelwand der Schutzumhausung:
Bleifolie 1,5 mm dick und Aluminium-Blech AlMg3, 3,0 mm dick
Doppelwand:
Ḣ‘(0,07) = 0 µSv/h
Die Dosisleistung der natürlichen Strahlung wurde vom Messwert abgezogen. Der Nulleffekt der Umgebung betrug ca.
0,2 µSv/h, (12 Tonnen Granit in der Maschine).
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Abb. 4: Notwendige Wandstärke
der Blechwand der
Laserschutzkabine als Funktion
der Bestrahlungsstärke
Die Blechwände bestehen aus
unlegiertem Stahlblech Typ
S235JR.
Bedingung für dieses Diagramm: Der Abstand zwischen dem Laserfokus und der Blechwand muss mindestens 200 mm
betragen. Die Blechwand ist für Pulswiederholfrequenz bis 400 kHz dimensioniert. Größere Pulswiederholfrequenzen
erzeugen höhere Dosisleistungen und erfordern dickere Schutzwände. Blaue Fläche: Sichere Abschirmung mit Stahl-
Blechen der genormten Dicke 0,5 mm, 1 mm, 2 mm und 6 mm, Quelle: [7].
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Notwendige Dicke der Schutzscheibe der Lasermaschine:
Wenn die Laserschutzscheibe bisher nur eine Kunststoffscheibe war, ist eine Aufdopplung mit einer
zusätzlichen Scheibe aus Mineralglas (Borosilikatglas oder Aluminosilikatglas) notwendig. Ein
Röntgenschutzglas ist erst ab Bestrahlungsstärken > 3x1014 W/cm² sinnvoll. Die Mineralglasscheiben
kosten nur etwa 10% von einem Röntgenschutzglas.
Bestrahlungsstärke im
Laserfokus
Wandstärke der Mineralglas-Scheibe
Zusätzlichen zur 3 mm dicken Laserschutzscheibe (PMMA)
Abstand der Scheiben vom Laserfokus: mindestens 200 mm
bis 1x1014 W/cm²
1 mm
bis 1,8x1014 W/cm²
3 mm
bis 3x1014 W/cm²
10 mm
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Schlussfolgerungen
1) Das Schutzgehäuse der Lasermaschine sollte für Bestrahlungsstärken bis 1x1015 W/cm² aus
Stahlblech, jedoch nicht aus Aluminiumblech, gefertigt werden.
2) Ein Laserschutz-Fenster aus Kunststoff ist mit einem zusätzlichen Mineralglas-Fenster zu
verstärken. Ab Bestrahlungsstärken von 3x1014 W/cm² sind Blei-haltige Schutzfenster
(Röntgenschutzgläser) sinnvoll.
3) Das Schutzgehäuse sollte vor der Serienfertigung gemäß StrlSchG geprüft werden. Insbesondere
sollte auf Spalte, Löcher, Durchführungen, Schweißnähte usw. geachtet werden.
4) Vor der Inbetriebnahme einer UKP-Lasermaschine:
Eine Gefährdungsbeurteilung ist anfertigen, der Autor kann dabei als Dienstleister helfen, eventuell
sind Messungen notwendig.
5) Bei technologisch sinnvollen Parametern (Bestrahlungsstärke E < 1013 W/cm²) konnte keine
ionisierende Strahlung nachgewiesen werden.
6) LIX-Meter zur Überwachung und zur Maschinensteuerung einsetzen.
LIX-Meter
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Weitere Arbeiten zur Erzeugung und Bewertung von laserinduzierter
ionisierender Strahlung:
[1]
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
[2]
B. Pullner, R. Behrens; Röntgenstrahlung an Ultrakurzpuls-Lasermaschinen, Bericht: # 1W-63010, 4.4.2018, Physikalisch-
Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
[3]
R. Behrens, B. Pullner, M. Reginatto; X-Ray Emission from Materials Processing Lasers; Radiation Protection Dosimetry (2018),
pp.1-14.
[4]
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
[5]
Ergänzung zur Betriebsanleitung, Röntgen- und UV-Strahlung, Ultrakurzpulslaser Tru Micro, TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder
Straße 39, 78713 Schramberg, Ausgabe 2017-09
[6]
Dittmar, G.; Messtechnik für laserinduzierte ionisierende Strahlung, wie sie bei Ultrakurzpuls-Lasermaschinen nach dem
Überschreiten bestimmter Anlagenparameter auftreten kann., Erweiterter Posterbeitrag von der 50. Jahrestagung des
Fachverbandes für Strahlenschutz e.V., 3. bis 6. September Dresden.
[7]
Ergänzung zur Betriebsanleitung, Röntgen- und UV-Strahlung, Ultrakurzpulslaser Tru Micro,
TRUMPF Laser GmbH, Aichhalder Straße 39, 78713 Schramberg, Ausgabe 2017-09
Prof. Dr.-Ing. G. Dittmar, Albrecht-Erhardt-Str. 17. D - 73433 Aalen, Tel.: 07361 / 931129
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Poster
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.
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.
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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.
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