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Zündung durch Laserbestrahlung

In zwei internationalen Projekten, an denen auch die PTB beteiligt war, wurden zum ersten Mal Grenzwerte für Laserstrahlung in explosionsgefährdeter Umgebung ermittelt.

Entzündung eines Ethen/Luft-Gemisches durch Beschuss eines Absorbers mit einem Laserpuls (Absorber ist gelb markiert)

Wegen der vielfältigen Anwendungen von Lasern in Forschung und Industrie - beispielsweise bei der Materialbearbeitung oder der Datenübertragung - ist es zu einer wichtigen Aufgabe des Explosionsschutzes geworden, Empfehlungen für den eigensicheren Gebrauch optischer Strahlung in explosionsgefährdeten Bereichen auszuarbeiten. In einer solchen Umgebung kann optische Strahlung zur Zündquelle werden, wenn die Bestrahlungsstärke einen kritischen Wert überschreitet. Die PTB hat sich deshalb im Rahmen zweier Projekte der Europäischen Gemeinschaft an der Ermittlung von Grenzwerten optischer Strahlung beteiligt.

Dabei wurde in verschiedenen Gas-Luft-Gemischen jeweils die niedrigste zündfähige Leistung naher Infrarotstrahlung bestimmt. Für gepulste und kontinuierliche Strahlung müssen verschiedene Grenzwerte angesetzt werden, weil es dabei verschiedene Zündmechanismen gibt. Im ersten Fall wurden Nanosekundenpulse und modulierte Mikrosekundenpulse aus Lasern im Einsatz mit und ohne festen Absorber verglichen. Es zeigte sich, dass beim Einsatz eines festen Absorbers die zur Zündung notwendigen Pulsenergien deutlich geringer sind. Beim Vergleich verschiedener Absorbermaterialien wurden mit einem brennbaren Material niedrigste zündfähige Energien gefunden, die im Bereich der elektrischen Mindestzündenergie der untersuchten Gase liegen, diese aber in keinem Falle unterschreiten. Unbrennbares Material zündet bei deutlich höheren Temperaturen, wurde aber als optimaler Absorber für die Zündung bei kontinuierlicher Bestrahlung ermittelt.

Mit allen untersuchten Brennstoffen und Gasgemischzusammensetzungen konnte keine Entzündung unterhalb einer Grenze von 50 mW kontinuierlicher Strahlungsleistung erreicht werden. Unter Einhaltung eines adäquaten Sicherheitsabstandes ergibt sich damit ein empfohlener Grenzwert von 35 mW Strahlungsleistung, der nicht überschritten werden sollte. Dieser Wert gilt für den Einsatz von nicht brennbaren oder normal brennbaren Absorbern und für den Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot bis zum sichtbaren Licht. Bei Lasern mit großem Strahldurchmesser (> 7 mm2) kann er auf einen weniger restriktiven Wert, und zwar eine Bestrahlungsstärke von 5 mW/mm2, angehoben werden.

Im Einzelfall kann anhand der erzielten Ergebnisse für eine bestimmte Strahl/Absorber-Kombination ein weniger restriktiver Grenzwert ermittelt werden. Anstelle der Eigensicherheitsbetrachtung ist in manchen Fällen auch der Einschluss der Strahlung durch entsprechende Kapselungsmaßnahmen sinnvoll. Die Ergebnisse dieser Arbeit gehen in die internationale Normung ein, beispielsweise in eine Norm für den Einsatz von Geräten im Bergbau.