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Dosis- und Spektren-Messungen an Laser-Materialbearbeitungsmaschinen

21.12.2018

Materialienbearbeitung mittels Laserstrahlung ist eine seit langem genutzte Technik. In jüngerer Zeit wird hierfür vermehrt ultrakurz gepulste Laserstrahlung eingesetzt1. Durch die Nutzung der hohen Spitzenintensitäten von bis über 1014 W/cm2 im Laserfokus entsteht ungewollt Röntgenstrahlung, welche erstmals in einer Anwendungsumgebung der industriellen Laser-Materialienbearbeitung vermessen wurde. Hierfür wurde ein auf Thermolumineszenzdetektion (TLD) basierendes Wenig-Kanal-Spektrometer genutzt, wie in der Abbildung schematisch dargestellt. Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung im Spektrometer hängt von der Energie ab, so dass sich aus den Dosiswerten in den TLD-Ebenen mittels mathematischer Verfahren (Bayessche Entfaltung) das energieaufgelöste Spektrum der Strahlung berechnen lässt.

Es ergab sich eine Dosisleistung in Abhängigkeit vom bearbeiteten Material und dessen Beschaffenheit in der Größenordnung von 1600 bis 7300, 16 bis 71 bzw. 1 bis 4 mSv/h in den Strahlenschutzmessgrößen '(0,07), '(3) bzw. *(10), jeweils bezogen auf die Material-Bearbeitungszeit. Die spektrale Verteilung lag im Bereich weniger keV bis 30 keV. Der Dosisbeitrag von Photonen oberhalb 30 keV war vernachlässigbar.

Diese erstmals rückgeführten Messungen lieferten nicht nur Herstellern und Anwendern von Ultrakurzpulslasern wichtige Informationen, sondern gingen bereits in das aktuell laufende Gesetzgebungsverfahren im Bereich des Strahlenschutzes ein.

Messaufbaumit dem Laserfokus, Mitte, und zwei Spektrometern, welche die Röntgenstrahlung in unterschiedliche Richtungen gleichzeitig detektierten

Abb.1: Messaufbau mit dem Laserfokus, Mitte, und zwei Spektrometern, welche die Röntgenstrahlung in unterschiedliche Richtungen gleichzeitig detektierten.

Thermolumineszenz-Detektor (TLD) basiertes Wenig-Kanal-Spektrometer zur Messung an industriell eingesetzten Lasermaschinen zur Materialbearbeitung

Abb. 2: Thermolumineszenz-Detektor (TLD) basiertes Wenig-Kanal-Spektrometer zur Messung an industriell eingesetzten Lasermaschinen zur Materialbearbeitung, bei der als Nebeneffekt ungewollt extrem kurz gepulste Röntgenstrahlung entsteht.

Literatur

  1. R. Behrens, B. Pullner, M. Reginatto:
    X-ray emission from materials processing lasers.
    Radiat. Prot. Dosim. (2018) DOI: 10.1093/rpd/ncy126

Ansprechpartner
Opens window for sending emailR. Behrens, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.34,
Opens window for sending emailB. Pullner, Fachbereich 6.3, Arbeitsgruppe 6.35

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1 für entscheidende Technologieentwicklung im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Laserpulse wurde der Physiknobelpreis in diesem Jahr vergeben.