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Strahlenschutz bei Ultrakurzpulslasern

Die PTB begleitet Gesetzesänderungen mit Strahlenschutzmessungen an ihrer neuen Ultrakurzpuls-Laseranlage

PTBnews 3.2021
27.09.2021
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Materialbearbeitung

Strahlenschutz

Für die Materialbearbeitung werden immer häufiger Ultrakurzpulslaser eingesetzt, deren einzeln Pulse nur Pikosekunden dauern. Da diese Geräte unerwünschte Röntgenstrahlung abgeben können, schreibt das Strahlenschutzgesetz seit dem 20. Mai 2021 eine Genehmigungspflicht vor. Die PTB hat diese Gesetzesänderung mit umfangreichen Strahlenschutzmessungen an ihrer neuen Ultrakurzpuls-Laseranlage begleitet.

Beispielhafter Aufbau einer Messung mit einem Spektrometer und einem Ortsdosimeter an der UKP-Laseranlage der PTB. Als Material wurde ein Rundstab aus Wolfram verwendet.

Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) dienen beispielsweise zum Schneiden von Gorillaglas für Handydisplays oder zum Bohren von Einspritzdüsen für emissionsärmere Motoren. Dabei werden einzelne Laserpulse mit hohen Bestrahlungsstärken im Bereich von 1015 W/cm2 auf das Werkstück geschossen und erzeugen ein Plasma, durch das das Material abgetragen wird. Die Pulsdauern im Pikosekundenbereich ermöglichen einen genauen Materialabtrag, ohne das umgebende Material zu erhitzen.

Doch die durch Laser-Plasma-Wechselwirkungen beschleunigten Plasmaelektronen können auch gepulste Röntgenstrahlung mit Photonenenergien von mehr als 5 keV emittieren. Wegen dieser ungewollten Emission fallen UKP-Laseranlagen unter das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG). Die gesetzlichen Regelungen für UKP-Laseranlagen im Rahmen des StrlSchG sollen weiter spezifiziert werden. In einer ersten Gesetzesänderung wurde für das Betreiben einer UKP-Laseranlage ein Genehmigungsverfahren vorgeschrieben. Dabei muss der Grenzwert der Ortsdosisleistung von 10 μSv/h in 10 cm Abstand von der berührbaren Oberfläche eingehalten werden.

Die PTB hat die Gesetzesänderung mit umfangreichen Strahlenschutzmessungen begleitet, die sie im Rahmen des Genehmigungsantrages für ihre moderne UKP-Laseranlage durchführte. Dabei arbeiteten die PTB-Strahlenschutzexperten eng mit den beim Betrieb der Anlage erfahrenen Kollegen aus der Abteilung Fertigungsmesstechnik zusammen. Messungen der stark gepulsten Röntgenstrahlung sind aufgrund typischer Photonenenergien im Bereich zwischen weniger als 5 keV und etwa 30 keV anspruchsvoll. Der Energiebereich kommerzieller Messmittel beginnt erst ab etwa 20 keV; typische Röntgenvorrichtungen starten bei etwa 25 keV. Bei den Strahlungsmessungen wurden rückgeführte Messmittel verwendet und unterschiedliche Bearbeitungsprozesse, Materialien und Lasereinstellungen hinsichtlich der erzeugten Photonenenergie und Dosisleistung der Röntgenstrahlung untersucht. Diese detaillierten Untersuchungen waren aufgrund der Komplexität und Nichtlinearität der Laser-Plasma-Wechselwirkung notwendig.

Parallel ist die PTB gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) an zwei thematisch verwandten Ressortforschungsprojekten desBundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, vergeben über das Bundesamt für Strahlenschutz, beteiligt. Dabei sollen aus rückgeführten Messungen in diesen Strahlungsfeldern belastbare Daten gewonnen werden und Prüfkonzepte zur Gewährleistung des Strahlenschutzes an UKP-Laseranlagen entwickelt werden.

Auf Grundlage der ermittelten Daten berät die PTB das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, die Strahlenschutzkommission sowie den Bund-Länder-Ausschuss bei diesem neuen Thema und unterstützt damit die Entwicklung einer dringend benötigten einheitlichen Richtlinie zur Prüfung des ionisierenden Strahlenschutzes an UKP-Laseranlagen und die damit verbundenen Anpassungen des gesetzlichen und untergesetzlichen Regelwerks.

Ansprechpartner

Ulf Stolzenberg
Fachbereich 6.3
Strahlenschutzdosimetrie
Telefon: (0531) 592-6226
Opens local program for sending emailulf.stolzenberg(at)ptb.de

Das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG)

Opens external link in new windowhttps://www.gesetze-im-internet.de/strlschg/

Die Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)

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