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Strahlende Materialbearbeitung

Röntgendosismessungen an Laser-Materialbearbeitungsmaschinen

PTBnews 1.2019
07.02.2019
Besonders interessant für

Hersteller und Anwender von Lasern zur Materialbearbeitung Strahlenschutz

Bei der Laser-Materialbearbeitung von Werkstücken kann unerwünschte Röntgenstrahlung entstehen. Deren Dosisleistung und spektrale Verteilung wurde jetzt erstmals genau bestimmt.

Skizze des TLD-basierten Spektrometers. Grundprinzip: Je tiefer die Strahlung in das Spektrometer eindringt, desto höher ist ihre Energie.

Materialienbearbeitung mittels Laserstrahlung ist eine seit langem genutzte Technik. In jüngerer Zeit wird hierfür vermehrt ultrakurz gepulste Laserstrahlung eingesetzt. 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 Spektrometer genutzt. Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung im Spektrometer hängt von der Energie ab, sodass sich aus den Dosiswerten in den TLD Ebenen mittels mathematischer Verfahren (Bayes’scher 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 mSv/h bis 7300 mSv/h in der Strahlenschutzmessgröße '(0,07), 16 mSv/h bis 71 mSv/h in der Messgröße '(3) und 1 mSv/h bis 4 mSv/h in der Messgröße *(10), jeweils bezogen auf die Material-Bearbeitungszeit.

Durch derart hohe Dosisleistungen würden Grenzwerte für beruflich strahlenexponierte Personen innerhalb weniger Minuten bis einer Stunde (für die lokale Hautdosis, abgeschätzt durch '(0,07), und die Augenlinsendosis, abgeschätzt durch '(3)) bzw. innerhalb einiger Stunden (für die effektive Dosis des gesamten Körpers, abgeschätzt durch *(10)) überschritten. Die spektrale Verteilung lag im Bereich von wenigen keV bis 30 keV. Der Dosisbeitrag von Photonen oberhalb von 30 keV war vernachlässigbar.

Diese erstmals rückgeführten Messungen lieferten nicht nur Herstellern und Anwendern von Ultrakurzpulslasern wichtige Informationen zur Gestaltung der Maschinen bezüglich des Strahlenschutzes, sondern gingen bereits in das aktuell laufende Gesetzgebungsverfahren im Bereich des Strahlenschutzes ein. Parallel befinden sich bereits Maschinen mit noch höheren Laserintensitäten in der Entwicklung. Daher wird das dargestellte Messverfahren zukünftig noch wichtiger.

Ansprechpartner

Rolf Behrens
Fachbereich 6.3
Strahlenschutzdosimetrie
Telefon: (0531) 592-6340
Opens window for sending emailrolf.behrens(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

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