Röntgenemission bei der Lasermaterialbearbeitung mittels hochfrequenter ultrakurzer Pulse

28.07.2021 - Kategorie: Forschung & Entwicklung

Röntgenstrahlendosis in Abhängigkeit von der Anzahl an Pulsen im MHz-Burst, GHz-Burst bzw. BiBurst bei einer Gesamtintensität von 3·1014 W/cm2.

Die Nutzung von Ultrakurzpuls (UKP)-Lasern mit Pulsdauern im Pikosekunden- bis Femtosekundenbereich zur Materialbearbeitung bietet eine Vielzahl an Vorteilen, beispielsweise eine sehr hohe Präzision bei der Bearbeitung im Mikrometerbereich. Zusätzlich zu den allgemeinen Vorteilen dieser konventionellen ultrakurzen Pulse, d. h. bei Pulswiederholfrequenzen im Kiloherz-Bereich, wurden anhand früherer Studien bei der Verwendung hochfrequenter Pulsgruppen, auch Burst-Modus genannt, weitere Alleinstellungsmerkmale entdeckt.

Aufgrund der kurzen Pulsdauern werden im Fokus Intensitäten über 1013 W/cm2 erreicht, sodass bei der Materialbearbeitung Röntgenstrahlung entstehen kann. Da diese Sekundärstrahlung ein gesundheitsgefährdendes Potential für das operative Personal besitzt, muss ein ausreichender Schutz gewährleistet werden. Durch die am 31. Dezember 2018 in Kraft getretene Strahlenschutzverordnung wurden Messgrößen der äußeren Strahlung für die Personendosis definiert. Eine dieser Messgrößen ist die Oberflächen-Personendosis HP(0,07) und bezieht sich auf die Äquivalentdosis in 0,07 Millimeter Tiefe im Körper an der Tragestelle des für die Messung vorgesehenen Dosis-Messgerätes. Diese Messgröße wurde unter der Annahme deklariert, dass 0,07 mm die dünnste Dicke der Hornhaut ist. Bezieht man diese Dosiswerte auf die Zeit, ergeben sich die Dosisleistungen.

Untersuchungen zur Emission von Röntgenstrahlung bei der UKP-Lasermaterialbearbeitung werden bereits seit den 1980ern durchgeführt und nehmen in den letzten Jahren durch die Weiterentwicklung von UKP-Lasern und der Zunahme der verfügbaren mittleren Laserleistung stark zu. Nach aktuellem Stand der Forschung skaliert die Röntgen-Dosisleistung bei konventionellen ultrakurzen Pulsen linear mit der mittleren Laserleistung, sodass die Röntgenstrahlung insbesondere bei der Nutzung hoher mittlerer Leistungen eine Gefahr darstellen kann. Die emittierte Röntgenstrahlung und schlussfolgernd die entstehende Strahlendosis bei der Verwendung des Burst Modus war bisher unerforscht.

Die Forschungsgruppe Laserpulsabscheidung dünner Schichten & Lasermikrostrukturierung besitzt auf dem Gebiet der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen im Burst-Modus über sieben Jahre Erfahrung und präsentiert zusammen mit der Forschungsgruppe Dynamik ultraschneller selektiver Laserprozesse in der Publikation "X-ray generation by laser ablation using MHz to GHz pulse bursts" im Journal of Laser Applications erstmalig Dosisleistungen, die bei Pulsgruppen mit Pulswiederholfrequenzen im MHz- und GHz-Bereich bei einer Flächenbestrahlung entstehen. Anhand dieser ersten Ergebnisse wird deutlich, dass im Vergleich zum Stand der Forschung, wo die Dosisleistung linear zur mittleren Leistung skaliert, sich bei der Verwendung hochfrequenter ultrakurzer Pulse die Dosisleistung potenziert und bei gleichen Prozessparametern gegenüber konventionellen ultrakurzen Pulsen über den Faktor 100 höher sein kann.
"Der Burst Modus hat sich durch seine innovativen Bearbeitungsverfahren in vielen Anwendungsgebieten etabliert. Diese Ergebnisse verpflichten uns als Kompetenzzentrum für Lasertechnik zu weiteren Untersuchungen, um die Entstehung dieser hohen Strahlendosen zu verstehen und deren Abschirmung realisieren zu können", erklärt Professor Steffen Weißmantel, Leiter der Forschungsgruppe Laserpulsabscheidung dünner Schichten & Lasermikrostrukturierung.

Über die Wirkung von ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper kann sich auf den Seiten des Bundesamts für Strahlenschutz informiert werden.