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 - Vorhaben 3619S22370

Abstract

Der vorliegende Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben „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“ hat drei Themenschwerpunkte. Der erste Teil des Forschungsvorhabens beschäftigte sich mit der „Ermittlung des aktuellen Standes von Wissenschaft und Technik bezüglich des Auftretens ionisierender Strahlung beim Betrieb von UKP-Lasern verschiedener Bauarten“. Im Einzelnen wurden die physikalischen Mechanismen, die zu einer Röntgenerzeugung in der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung führen können, ermittelt und deren Abhängigkeit von den verschiedensten Einflussgrößen diskutiert. Weiterhin wurden die zurzeit genutzten Lasersysteme und aktuelle lasertechnologische Entwicklungen vorgestellt, die in naher Zukunft durch die Einführung von Pulsfolgefrequenzen im MHz- bis GHz-Bereich und Einzelpulsenergien im mJ-Bereich Laserleistungen im kW-Bereich in der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung ermöglichen. Zudem wurden die aktuell in der Lasermaterialbearbeitung genutzten Laserschutzgehäuse bezüglich der Strahlenschutztauglichkeit und die bereits von den Betreibern umgesetzten Strahlenschutzmaßnahmen dargestellt. Der zweite Teil des Forschungsvorhabens war der „Erarbeitung konservativer wie auch realistischer Szenarien beim Betrieb von UKP-Lasern“ gewidmet, in dem Strahlenschutzszenarien auf der Grundlage einer Datenerhebung erarbeitet wurden, die durch Vor-Ort-Messungen und Besichtigungen bei den Anwendern ergänzt wurden. Abschließend wurden im dritten Teil „Berechnungen der Expositionen H*(10) und H‘(0,07) für die erarbeiteten Umgangsszenarien“ auf der Grundlage vorhandener und erhobener Daten durchgeführt. Die im ersten Teil des Forschungsvorhabens gewonnen Erkenntnisse zeigen, dass die Erzeugung ionisierender Strahlung in der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung von einer Vielzahl sich zum Teil gegenseitig beeinflussender Parameter (Laser-, Plasma- und Bearbeitungsparameter) abhängen kann. So ist für den die Röntgenemission im keV-Bereich dominierenden Prozess der Resonanzabsorption die Laserpulsdauer, der Einfallswinkel auf einer durch den Bearbeitungsschritt vorgegebenen lokalen Oberflächentopographie und der Polarisationszustand von wesentlicher Bedeutung für die entstehende Röntgenemission. In Abhängigkeit von diesen Größen und vom Material kann die emittierte Röntgendosisleistung um mehrere Größenordnungen variieren. Zur spektralen Verteilung der Röntgenemission, deren Kenntnis für die Berechnung einer adäquaten Abschirmung erforderlich ist, konnten, bis auf die von der BAM und der PTB veröffentlichten Messungen, keine Datensätze aus der Lasermaterialbearbeitung ermittelt werden. Die in der Literatur veröffentlichten Spektren sind in der Regel bei deutlich höheren Laserintensitäten, viel geringeren Pulsfolgefrequenzen, ohne eine räumliche Überlappung der Laserpulse auf dem Werkstück und im Vakuum gemessen worden und daher nur bedingt auf die Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung übertragbar. In Vor-Ort-Messungen bei industriellen Anwendern mit den zurzeit verfügbaren leistungsstärksten Laseranlagen musste festgestellt werden, dass eine worst-case Strahlenexposition nicht durch die Einstellung einer Kombination von worst-case Laserparametern reproduziert werden kann, sofern die technischen Komponenten der Lasermaterialbearbeitungsmaschine (im Regelfall) für die Routine-Lasermaterialbearbeitung optimiert wurden. Infolgedessen konnten in den Vor-Ort-Messungen keine erhöhten Strahlenexpositionen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der vorhandenen Daten und gewonnenen Erkenntnisse wurden Strahlenschutzszenarien für den Routinebetrieb in der Lasermikromaterialbearbeitung sowie verschiedene Unfallszenarien entworfen. Bei den Unfallszenarien wurde von einem Betrieb der Lasermaterialbearbeitungsanlage mit Routineparametern ausgegangen. Bei den Berechnungen für den Routinebetrieb, sowie für verschiedene Unfallszenarien unter Routinebearbeitungsbedingungen, zeigte sich, dass Einhausungen aus Stahl für die Gewährleitung des Strahlenschutzes in der Lasermaterialbearbeitung ausreichend sind. Diese Aussage schließt allerdings nicht Bearbeitungsprozesse mit leistungsstärkeren Laseranlagen ein, bei denen die technischen Komponenten an die höheren Leistungen angepasst sind oder Materialbearbeitungsprozesse außerhalb der Lasermikromaterialbearbeitung. Andere Abschirmmaterialien sollten dagegen nicht oder nur bei Einhaltung eines ausreichenden Abstandes zum Bearbeitungspunkt eingesetzt werden. Letzteres trifft für Aluminium als Abschirmmaterial zu.