Strahlenschutzmessungen an UKP-Laseranlagen
EIn Überblick zum Thema Sicherheit & Vorschriften beim Strahlenschutz an UKP-Laseranlagen
Esther Silberkuhl | 15. August 2024 ᛫ 15 Min.
Bei der Materialbearbeitung mit Ultrakurzpuls (UKP) Lasern kann es abhängig von der Intensität und der Art der Materialbearbeitung zur Entstehung von Röntgenstrahlung bzw. ionisierender Strahlung kommen. Dadurch unterliegen UKP Laseranlagen als “Anlagen zur Erzeugung ionisierender Strahlung” in Deutschland dem Strahlenschutzrecht und sind beim Überschreiten von definierten Schwellwerten anzeige- oder auch genehmigungspflichtig.
Röntgenstrahlung ist im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich und kann, abhängig von der Intensität, der Bestrahlungsdauer sowie der Eindringtiefe, gesundheitsschädlich für den Menschen sein. Gefahren, die durch Röntgenstrahlung für den Menschen ausgehen, sind u.a. vorübergehende oder dauerhafte Veränderungen der Blutzusammensetzung oder auch Schädigung von Organen und Gewebezellen.
Eine umfangreiche Überprüfung der Strahlenschutzthematik sollte somit jeder Betreiber einer UKP Laseranlage berücksichtigen. Dieser Beitrag bietet hierzu einen umfassenden Überblick zum Strahlenschutz speziell an UKP Laseranlagen. Pulsar Photonics unterstützt seine Kunden in der gesamten Kette, sodass ein sicherer & rechtsicherer Betrieb der Anlage gewährleistet werden kann.
Sicherheit und Vorschriften: Gewährleistung eines sicheren Betriebs von Laseranlagen
Röntgenstrahlung tritt nicht aus dem Lasergerät selbst aus, sondern entsteht bei der Bearbeitung am Bauteil. Die Höhe der Röntgenstrahlung ist dabei abhängig von der Wahl der Material- und Laserparameter. Sobald am Bauteil eine werkstoffabhängige Grenzbestrahlungsstärke durch den Energieeintrag des UKP Lasers überschritten wird, kann Röntgenstrahlung entstehen.
Der europäische Grenzwert der Ortsdosisleistung H*(10) liegt bei 1 µSv/h. Dieser wird bei der Grenzbestrahlungsstärke des Lasers von E=2,7*10^13 W/cm² erreicht. Die Dosisleistung hängt linear von der Pulsfolgefrequenz fp ab. Bei gegebener Pulsspitzenleistung steigt die Dosisleistung mit der Reduzierung des Fokusradius. Die Dosierung nimmt mindestens mit dem Quadrat der Entfernung von der Quelle ab. Das heißt: Bei doppelter Entfernung beträgt die Dosisleistung weniger als ein Viertel des Werts bei einfacher Entfernung.
In jedem Fall ist der Betreiber der Anlage verpflichtet, die für ihn gültigen regionalen Vorschriften zu recherchieren und gegebenenfalls zur Anwendung zu bringen. In Deutschland ist der Betrieb einer Röntgeneinrichtung der zuständigen Behörde vorzuzeigen bzw. zu genehmigen.
Wie PUlsar Photonics seine Kunden vor Röntgenstrahlung schützt
Pulsar Photonics hat umfassende Maßnahmen entwickelt, um seine Kunden vor der potentiell schädlichen Röntgenstrahlung bei der Nutzung von UKP Laseranlagen zu schützen. Die Maßnahmen umfassen technologische Innovationen, Sicherheitsvorkehrungen und Schulungsprogramme:
- Strahlungsabschirmung: Der Arbeitsbereich ist im Normalbetrieb vollständig abgekapselt. Mit Blechdicken der Maschinenumhausung von mehreren Millimetern Stahl und zusätzlichen Überlappkanten sowie Labyrinthverschachtelungen im Blechbau wird das Bedienpersonal und die Umgebung vor der Strahlenexposition geschützt.
- Röntgenschutzfenster: Neben unseren standardmäßig verbauten Laserschutzfenstern verbauen wir ein zusätzliches Röntgenschutzfenster, welches Röntgenstrahlung blockiert, aber dennoch die Sicht zum Bearbeitungsraum ermöglicht.
- Strahlenschutzmessung: Jede Laseranlage, mit der die Grenzbestrahlungsstärken überschritten werden können, wird vor der Auslieferung vermessen. Hierzu sind alle Mitarbeitenden, welche die Messungen durchführen, extern ausgebildet worden und haben die Fachkunde im Strahlenschutz erlangt. Die Messung wird entsprechend protokolliert.
- Sicherheitseinrichtungen: Die Laseranlagen verfügen im Normalbetrieb über verschiedene Sicherheitseinrichtungen. Diese ermöglichen keinen Zugang zum Bearbeitungsbereich während eines laufenden Prozesses.
- Schulungen: Pulsar Photonics bietet seinen Kunden umfassende Schulungsprogramme an. Die Schulungen beinhalten neben Anlagenbedienungs- und wartungswissen auch zu beachtende Arbeitssicherheitsaspekte bei der UKP Bearbeitung. Nähere Informationen zur Schulungsplattform Pulsar Academy erhalten Sie hier.
- Wartungen: Pulsar Photonics empfiehlt seinen Kunden mindestens eine jährliche Wartung seiner Anlagen. Diese dient neben der Überprüfung der Anlage und ihren Komponenten auch der Sicherstellung, dass alle Sicherheitskomponenten ordnungsgemäß funktionieren und den aktuellen Strahlenschutzstandards entsprechen.
- Reduzierte Laserleistung im Servicebetrieb: Softwareseitig wird die max. emittierbare Laserleistung im Servicebetrieb (möglicher Betrieb bei geöffneter Maschinentür) limitiert, sodass die Grenzwerte, welche zur Erzeugung von Röntgenstrahlung notwendig sind, nicht überschritten werden. Somit kann keine Röntgenstrahlung im Servicemode entstehen. Dies erhöht zudem die Lasersicherheit im Servicebetrieb.
Durch diese weitreichenden Maßnahmen gewährleistet Pulsar Photonics einen hohen Schutz vor Röntgenstrahlung für seine Kunden, wodurch die sichere Nutzung von Ultrakurzpuls-Lasereinrichtungen ermöglicht wird.
Schritt für Schritt zur angemeldeten bzw. genehmigten UKP Laseranlage
Pulsar Photonics verfügt über einen eigenen Maschinenpark. Jede Maschine wird individuell dahingehend geprüft, ob die entsprechenden Grenzwerte überschritten werden. Bei Überschreitung dieser Grenzwerte hat Pulsar für seinen Maschinenpark folgendes Vorgehen etabliert:
Im ersten Schritt wird die Anlage vermessen. Neben der Statuserfassung werden verschiedene Messungen wie eine Durchstrahlprüfung an der Anlage durchgeführt. Das Messprotokoll hat Pulsar Photonics in Zusammenarbeit mit der zuständigen Bezirksregierung entwickelt. Die Messungen dürfen nur Personen durchführen, die einen entsprechenden Fachkundenachweis haben. Zusätzlich muss diese Messung von einer weiteren Person betreut werden. Es werden entsprechende aus dem Fachbereich empfohlene und zugelassene Messgeräte verwendet. Wir lassen die Messgeräte in regelmäßigen Abständen durch den Hersteller kalibrieren, um fehlerhafte Messungen auszuschließen.
Im zweiten Schritt reichen wir bei der zuständigen Bezirksregierung den entsprechenden Antrag ein. Neben dem Messprotokoll werden weitere Dokumente wie der Nachweis der Fachkunde vorgelegt.
Sicherstellung einer geeigneten Umgebung für die Laseranlage und den Bedienenden
Im Bedarfsfall kann der Anlagenbetreiber noch weitere Maßnahmen zum Schutz seiner Mitarbeitenden ergreifen. So könnte beispielsweise ein Mindestabstand definiert werden, der zum Werkstück eingehalten werden muss. Da die Ortsdosis mindestens quadratisch mit dem Abstand abnimmt, würde ein doppelter Abstand die Ortsdosis auf ein Viertel oder weniger des ursprünglichen Wertes senken.
Eine weitere Maßnahme kann sein, auf Arbeiten im Servicemodus bei geöffneter Schiebetür und/oder Serviceklappe zu verzichten. So bleibt die Abschirmung durch die Gehäusebleche lückenlos gegeben. Muss dennoch bei geöffneter Türe oder Klappe gearbeitet werden, sollte der Laserstrahl defokussiert eingesetzt werden. Eine Verdoppelung des Fokusradius bewirkt eine Reduzierung der Bestrahlungsstärke Epk auf ein Viertel des Ursprungswertes.
Die Bestrahlungsstärke ändert sich für jeden Betriebspunkt und kann daher je nach Wahl der Parameter oberhalb oder unterhalb der jeweiligen Grenzwerte liegen. Besteht für einen geplanten Prozess das Risiko, Strahlenbelastungen jenseits des Grenzwertes zu erzeugen, müssen alle notwendigen und vorgesehenen Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
Regelmäßige Sicherheitsunterweisungen für Mitarbeiter bietet die Pulsar Academy
Fazit
Bei UKP Laseranlagen kann unter bestimmten Bedingungen Röntgenstrahlung entstehen. Eine individuelle Prüfung der Gegebenheiten und regionalen Vorschriften sind unbedingt erforderlich. Dies ist nicht nur zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen unabdingbar, sondern vor allem auch zum Schutz der Anlagenbedienenden.
Einen weiterführenden Beitrag zu Wartungsarbeiten an Laseranlagen finden Sie hier.
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Mehr über die Autorin:
Esther Silberkuhl, M. Sc.
Esther Silberkuhl ist Leiterin des Servicebereiches bei Pulsar Photonics. Sie hat ihr Ingenieursstudium an der RWTH Aachen mit dem Master in Produktionstechnik abgeschlossen und den Bereich Service bei Pulsar Photonics aufgebaut.