Konzept eines Verfahrens und einer Anlage zur Prüfung von passiven Laserabschirmungen

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojektes E-LAS-A (Effiziente Laserabschirmungen - Teil A) wurden Versuche zur Beständigkeit unterschiedlicher Abschirmmaterialien bei Bestrahlung mit Infrarotlaserstrahlung höherer Leistung durchgeführt. Auftraggeber der Studie, die von der Seibersdorf Labor GmbH in Kooperation mit der Technischen Universität Wien (Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik) im Zuge der vorliegenden Diplomarbeit durchgeführt wurde, war die Allgemeine Unfallversicherungsanstalt (AUVA, Österreich). Die Diplomarbeit beschreibt das Konzept des innerhalb des Forschungsprojektes approbierten Prüfverfahrens für passive Laserabschirmungen. Sie behandelt aber nur im geringen Maße die gewonnen Versuchsergebnisse der Studie E-LAS-A. Technisch und medizinisch relevante Infrarotlaser mit den Wellenlängen von 1060 nm (Faser- und Nd:YAG-Laser) und 10600 nm (CO2-Laser) weisen besonders hohe Absorption für Eisen (Stahl) aber auch menschliches Gewebe (Wasser) auf, und finden daher hohen Anwendungsbedarf in der Materialbearbeitung und in der Medizin. Die Unsichtbarkeit dieser Laserstrahlung, die hohen erreichbaren Strahlleistungen, die hohe Absorption für das menschliche Gewebe im Allgemeinen, sowie insbesonders die hohe Augenabsorption für die Wellenlänge des Faser- und Nd:YAG-Lasers stellen die primären Gefahrenpotentiale für den Menschen im Gefahrenbereich dieser Laser dar.<br />Laserdurchbrand einer Abschirmungsprobe dar. Die in den Experimenten gemessenen Temperaturverläufe und -verteilungen in den bestrahlten Proben lieferten wichtige Vergleichswerte zur computergestützten Modellierung. Auch die Werte hinsichtlich der zulässigen Gehäuse- Außentemperatur unter etwaiger Berücksichtigung der Maschinensicherheitsverordnung (MSV) wurden ermittelt. Nebenbei wurde die Brandgefahr des laserexponierten Materials abgeschätzt und mögliche (von außerhalb der Abschirmung) bemerkbare Frühwarnindikatoren für Abschirmungsbestrahlung (z.B.: Rauchentwicklung) dokumentiert und qualitativ beschrieben. Anfang Februar 2011 wurde die letzte von 423 Bestrahlungen des neu konzipierten Versuchsverfahrens durchgeführt. Die geprüften Materialen entstammen aus den drei großen Laseranwendungsbereichen (Industrie, Gewerbe und Medizin). Unter Prüfung standen dabei einerseits in der Praxis angewandte Laserabschirmungen, andererseits aber auch Materialien, die aufgrund von Reflexionen während einer Laseranwendung zufällig bestrahlt werden könnten (Fensterglas, Pressspan, Patientenabdeckungen, etc.). Im Hinblick auf Praxisrelevanz und Anwendungshäufigkeit wurden 66 unterschiedliche Proben (inkl. der Konfigurationen: Probenschwärzung, -benetzung, etc.) ausgewählt. Bei ca. einem Zehntel der Proben betrug die Bestrahlungszeit über 30 Minuten. Fallweise wurde auch bis zu 60 Minuten bestrahlt (Restriktion: Bandlaufzeit der Beobachtungskameras). Bei (selten auftretendem) Verdacht auf eine zu hohe Messunsicherheit, deren Ursache beinahe immer in der Inhomogenität des Probenmaterials zu finden war, wurden bis zu vier Wiederholungbestrahlungen durchgeführt. Drei Temperaturmessmethoden wurden teilweise gleichzeitig eingesetzt. Insgesamt wurden vier Laseranlagen modifiziert und in Betrieb genommen (CO2-Laser mit Wellenlänge 10600 mym: 225 W und 2000 W; Faserlaser mit Wellenlänge 1070 - 1090 mym: 120 W und 1500 W). Der Strahlengang jedes Lasers wurde - entgegen der Standardverwendung - auf horizontalen Strahlengang umgerüstet. Drei Laseranlagen wurden in einem geeigneten Versuchslabor der Seibersdorf Labor GmbH vollkommen neuinstalliert. Jeder Laser wurde durch Strahlleistungsprüfungen (Kalibrierung und Zeitkonstanz der optischen Leistung) sowie durch Strahlenanalysen umfassend für die Versuche charakterisiert. Zur praktischen Durchführung der Versuche wurde eine mobile Prüfanlage konstruiert und gebaut. Sie erfüllte alle Normanforderungen (EN 60825-4). Zudem bot sie Schutz und Widerstand bei den teilweise sehr harten Versuchsbedingungen (Laserstrahlung, Feuer, Rauch, etc.). In den folgenden Kapiteln werden die untersuchten Materialien beschrieben sowie der experimentelle Aufbau und die Versuchsdurchführung erklärt. Desweiteren wird auf die Multimedia- Dokumentation Bezug genommen und dargestellt, wie die Ergebnisse zu lesen bzw. zu interpretieren sind. Jeder Bestrahlungsversuch wurde gefilmt. Diese Videos sowie zahlreichende Fotos und Infrarotbilder stehen u.a. auf jeweils zwei externen USB-Festplatten (ANLAGE 1 - externe USB-Festplatte) bereit und bieten dem Interessenten - neben einer sehr hohen Transparenz der Ergebnisgenerierung - eine große multimediale Datenmenge, die z.B. (auszugsweise) vorzüglich als Schulungsmaterial für Lasersicherheitskurse geeignet ist. Die konkreten quantitativen und qualitativen Resultate der Bestrahlungsversuche sind innerhalb der Forschungsprojektdokumentation in einem eigenen Dokument (ANHANG 2 - Probenkatalog / Untersuchungsergebnisse) schriftlich zusammengefasst. Innerhalb der Diplomarbeit wird nur ein Probendatenblatt exemplarisch dargestellt (siehe Kapitel 9, S. 106). Diese Ergebnisse sind prinzipiell als Orientierungshilfe für eine erste Abschätzung zu lesen. Die Diversifikation der Proben zeigt, dass das Projekt E-LAS-A eher "umfassend" angelegt war. Weiterführende Vertiefungen für ein bestimmtes Material inklusive einer breiten statistischen Absicherung wären förderlich.<br />