Bestimmung von Strahlenschutzszenarien als Voraussetzung für eine nachhaltige Gewährleistung des Strahlenschutzes beim Umgang mit Ultrakurzpuls‐Lasern (UKP‐Laser) u. a. zur Unterstützung eines einheitlichen Vollzugs

Ultrakurzpulslaseranlage Quelle: Physikalisch-technische Bundesanstalt (PTB)

Bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen kann in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussgrößen ionisierende, also energiereiche Strahlung entstehen, die unter bestimmten Voraussetzungen die erlaubten Bestrahlungsgrenzwerte in einem strahlenschutzrelevanten Bereich deutlich überschreiten kann. Für die angemessene Berücksichtigung der während der Lasermaterialbearbeitung entstehenden ionisierenden Strahlung im Strahlenschutz wird eine wissenschaftlich fundierte Datenlage benötigt. Sie soll dazu dienen, um eine Aussage über das radiologische Gefährdungspotential verschiedener Bauarten von Ultrakurzpuls‐Lasersystemen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebsszenarien treffen zu können.

Zielsetzung

Zum Erreichen des Projektziels wurde zunächst der aktuelle Stand von Wissenschaft und Technik bzgl. des Auftretens ionisierender Strahlung beim Betrieb von UKP‐Lasern verschiedenster Bauarten ermittelt. Im nächsten Schritt wurden konservative und realistische Szenarien beim Betrieb dieser Laser dargestellt. Dabei waren sowohl Arbeitsabläufe beim Routinebetrieb als auch mögliche Unfallszenarien zu berücksichtigen. Abschließend wurden auf dieser Basis Berechnungen der Expositionen H*(10) und H‘(0,07) für die erarbeiteten Umgangsszenarien durchgeführt.

Methodik und Durchführung

Der Einfluss der Laser‐, Material‐ und Prozessparameter auf das Auftreten von Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpuls‐Lasermaterialbearbeitung wurde durch Literaturstudien, eigene Messungen und theoretische Abschätzungen ermittelt.

Erarbeitung von Umgangsszenarien

Die Auswahl und Definition der dargestellten Umgangsszenarien basiert auf der durchgeführten Recherche und den erarbeiteten Erkenntnissen über den Einfluss der Laserparameter, Materialparameter und Bearbeitungsprozesse auf die entstehende Dosisleistung und den spektralen Verlauf der laserinduzierten Strahlung. Um konservative wie auch realistische Umgangsszenarien evaluieren zu können, wurde eine Datenerhebung in Form einer Onlineumfrage bei Herstellern, Integratoren und Anwendern von Ultrakurzpuls-Lasersystemen in der Materialbearbeitung unter Wahrung des Datenschutzes vorgenommen. Der Inhalt der Umfrage teilte sich in vier Themenkomplexe auf: Laserparameter, Fertigungsprozesse, Gehäuse und Umgebung. Die Angaben der beteiligten Anwender und Hersteller decken ein breites Spektrum der im Markt befindlichen Lasermaschinen ab. Es wurde auch darauf geachtet, mit der Auswahl ein möglichst breites Spektrum an Anwendungen und Fertigungsprozessen sowie Materialien abzudecken, um unterschiedliche realistische Szenarien erfassen zu können.

In Epoxidharz eingebettetes Zahnmaterial Quelle: Dr. Krüger/Bundesanstalt für Materialforschung (BAM)

Berechnungen der Strahlenexpositionen

Die Strahlenexposition wurde ermittelt, indem zunächst aus dem gemessenen Röntgenspektrum der spektrale Photonenfluss in Einheiten (Photonen/Stunde/Quadratzentimeter/Bandbreite) errechnet wurde. Die spektrale Dosisleistung wurde für eine festgelegte Entfernung zum Bearbeitungspunkt aus dem spektralen Photonenfluss mit in der Literatur zur Verfügung stehenden Konversionskoeffizienten berechnet. Diese Berechnungen wurden für die Personendosen Hp (0,07) und Hp (10) durchgeführt. Die Integration der so gewonnenen spektralen Dosisleistungen über die Energie lieferte die in dem betrachteten Abstand zu erwartenden Personendosen.

Ergebnisse

Die Erzeugung von Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpuls‐Lasermaterialbearbeitung ist von einer Vielzahl von Laser‐, Prozess‐ und Materialparametern abhängig, die sich zum Teil gegenseitig beeinflussen. Die Röntgenemission im keV‐Bereich wird durch die Resonanzabsorption dominiert, wofür die Laser‐Bestrahlungsstärke, Laser‐Pulsdauer, der Laser‐Einfallswinkel und der Laser‐Polarisationszustand von wesentlicher Bedeutung sind. In Abhängigkeit von diesen Parametern und vom Werkstück kann die emittierte Röntgendosisleistung um mehrere Größenordnungen variieren. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden Strahlenschutzszenarien für den Routinebetrieb in der Lasermikromaterialbearbeitung sowie verschiedene Unfallszenarien entworfen. Bei den Unfallszenarien wurde von einem Betrieb der Lasermaterialbearbeitungsanlage mit Routineparametern ausgegangen. Die Berechnungen für den Routinebetrieb sowie für verschiedene Unfallszenarien unter Routinebearbeitungsbedingungen zeigten, dass Einhausungen aus Stahl für die Gewährleistung des Strahlenschutzes in der Lasermaterialbearbeitung ausreichend sind. Andere Abschirmmaterialien wie Aluminium sollten dagegen nicht oder nur bei Einhaltung eines ausreichenden Abstandes zum Bearbeitungspunkt eingesetzt werden.