Dosimetrie an einer Ultrakurzpuls-Laserbearbeitungsmaschine zur Sicherstellung des Strahlenschutzes und zur Unterstützung des Genehmigungsverfahrens eines UKP-Lasers in der PTB

Große Innovationen im Bereich der Ultrakurzpuls (UKP)‑Laser führen zu einer wachsenden Zahl von UKP‑Laseranlagen, u.a. in der Materialbearbeitung. Zurzeit befinden sich die gesetzlichen Regelungen für den Strahlenschutz derartiger Anlagen in der Novellierung. Die Messergebnisse im Rahmen des Genehmigungsverfahrens der PTB UKP‑Laseranlage bilden auch die Datengrundlage für die Beratung des Gesetzgebers zur Überarbeitung und praktischen Umsetzung der Strahlenschutzgesetzgebung.

Aufgrund von großen Innovationen im Bereich der Ultrakurzpuls (UKP)‑Laser (Physik‑Nobelpreis 2018) verwendet die Industrie immer mehr UKP‑Laseranlagen in der Hochpräzisions‑Materialbearbeitung zum Strukturieren, Schneiden und Laserdrehen von Werkstücken. Beispiele sind das Schneiden von „Gorillaglas“ für Displays von Mobiltelefonen und Bohren von feinen Einspritzdüsen für emissionsarme Verbrennungsmotoren. Einzelne Laserpulse mit sehr hohen Bestrahlungsstärken im Bereich von 10¹⁵ W/cm² werden mit kHz bis MHz Wiederholungsraten auf das Werkstück geschossen. Der Vorteil bei dieser Bearbeitungsform liegt im genauen Abtragen des Materials, ohne die Umgebung aufzuschmelzen.

Zum Materialabtrag erzeugen die Laserpulse ein Plasma an der Werkstückoberfläche. Laser‑Plasma Wechselwirkungen produzieren hochenergetische Plasmaelektronen, die Röntgenstrahlung (oberhalb 5 keV) emittieren [1,2]. Diese ungewollte Emission von gepulster ionisierender Röntgenstrahlung führt dazu, dass UKP‑Laserbearbeitungsmaschinen zum Schutz des Bedienpersonals unter das Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) fallen. Allerdings gibt es zurzeit noch keine praktikable Umsetzung der gesetzlichen Regelung für diese Art von Anlagen. Dies liegt daran, dass die dafür notwendigen Messungen aufgrund der Eigenschaften der Strahlung und der starken Diversität der Laseranlagen kompliziert und sehr zeitaufwändig ist. Hier fehlen entsprechende Erfahrungen und Konzepte, um diese Prüfungen praxistauglich zu machen.

Seit November 2019 hat auch die PTB (AG 5.56, Fertigungstechnologie) eine UKP‑Laseranlage. Im Rahmen einer Erlangung der Betriebsgenehmigung der Anlage führt die AG 6.33 (Strahlenschutz an Röntgenstrahlenerzeugern) dosimetrische Messungen an der Anlage durch. Es wurden unterschiedliche Bearbeitungsprozesse, Materialien und Lasereinstellungen hinsichtlich der erzeugten Photonenenergie und Dosisleistung der Röntgenstrahlung und der Schutzwirkung des Gehäuses untersucht. Dabei wurde auf die international anerkannte Messkompetenz im Bereich der Strahlenschutzdosimetrie des FB 6.3 zurückgegriffen. Die an der PTB‑Anlage gemessenen Ergebnisse werden derzeit dokumentiert und anschließend an das Referat 6.71 (Betrieblicher Strahlenschutz) zur Vorbereitung des Genehmigungsverfahrens übergeben. Parallel arbeitet die AG 6.33 an zwei thematisch verwandten Projekten des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS). Auf Grundlage der gemessenen Daten berät die PTB das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) und die Strahlenschutzkommission (SSK) bei der Überarbeitung des Strahlenschutzgesetzes hinsichtlich UKP‑Laseranlagen.

Abb.: Eine Übersicht über die UKP‑Laseranlage der PTB. Der kleine Ausschnitt oben rechts zeigt den Innenraum der Maschine. Das Werkstück, in diesem Fall ein kurzer Wolframstab, befindet sich in der Mitte des Ausschnitts. Der Laserkopf mit der Fokussierungsoptik sind oben zu sehen. Die Absaugung zur Beseitigung der abgetragenen Materialreste und -partikel in der Luft ist im unteren Teil des Bildes sichtbar. Die Messgeräte sind links (Szintillationsdosimeter) und rechts (Spektrometer) um den Fokuspunkt am Werkstück angeordnet.

Literatur

[1] H. Legall, C. Schwanke, S. Pentzien, G. Dittmar, J. Bonse, J. Krüger, X-ray emission as a potential hazard during ultrashort pulse laser material processing, Applied Physics A 124 (2018) 407

[2] R. Behrens, B. Pullner, M. Reginatto, X-ray emission from materials processing lasers, Radiation Protection Dosimetry 183 (2019) 361–374

Ansprechpartner:

U. Stolzenberg, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.33

B. Pullner, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.33