MZB Wert für Praktikumsversuch

[eRo]

Hallo,

Im Rahmen einer Studienarbeit habe ich einen Diodengepumpten Faserverstärker als Praktikumsversuch aufgebaut. Dazu soll ich nun die MZB-Werte berechnen. Ich habe auf https://www.vbg.de/apl/uvv/93/anh2.htm versucht die Berechnung nachzuvollziehen bis jetzt jedoch erfolglos. Die Norm ist ziemlich schwere Kost und nicht wirklich nachvollziehbar.

Vielleicht könnt ihr mir ein paar Anmerkungen geben.

Der Pumplaser (Yb-Faser wird wegen Messaufgaben freistrahlgepumpt):
- 976 nm
- cw-Betrieb
- 5 W max. Leistung
- Strahldurchmesser (kollimiert) 7 mm

Der verstärkte Seeder:
- 1064 nm
- Pulszeit 30 ps (30*10^-12 s)
- Pulsspitzenleistung 16 kW
- Repetitionsrate 1 MHz
- Starhldurchmesser 3 mm

Das größte Problem für mich stellt der gepulste Laser dar. Den Pumplaser bezieh ich einfach auf die bestrahlte Fläche (Leistungsdichte bezogen auf Strahldurchmesser).

Viele Grüße

[LaserAkademie]

Hallo eRo,
sicher, doch zunächst: Wofür benötigst Du die MZB-Werte? Warum sollst Du sie berechnen?
Grüße!
Viele Grüße, Ilka.

[adminoli]

MZB-Werte? Warum sollst Du sie berechnen?

Die MZB steht doch fest, man kann nur berechnen ob man darüber oder darunter liegt oder irre ich mich?

[eRo]

Hallo Ilka,

Die MZB-Werte gehören zur Sicherheitsbetrachtung dazu. Ich soll das ganze ja auch in einem kleinen Bericht abrechnen. Versuchsanleitung etc ist kein Problem gewesen. Nur diese MZB-Werte. Die Norm ist auch sehr verwirrend gehalten. Besonders wenn man darüber nachdenkt.
Was passiert eigentlich wenn man die MZB-Grenzwerte massiv übersteigt???

[LaserAkademie]

Hallo, MZB-Werte sind Größengleichungen. Daher gibt es je nach Wellenlänge und Bestrahlungsdauer auch unterschiedliche MZB-Werte. In manchen Gleichungen findet man Korrekturfaktoren, die in bestimmten Fällen anzuwenden sind. Zum Beispiel für die Wellenlänge. In anderen findet man die Expositionsdauer t, die um den MZB-Wert zu ermitteln eingesetzt werden muss. In beiden Fällen muss man den MZB-Wert ausrechnen. Andere Werte sind über eine bestimmte Zeit kostant. Da muss man dann nicht rechnen, weil in der Tabelle zum Beispiel 10 W^m^-2 steht.

Der MZB-Wert ist unabhängig von dem verwendeten Lasersystem. Das kommt erst in Spiel, wenn es darum geht festzustellen, ob man den Grenzwert über- oder unterschreitet (also wenn man feststellen möchte, ob man drüber oder drunter liegt). Da vergleicht man dann die tatsächliche Exposition mit dem Expositionsgrenzwert.

[eRo]

Ok, ich hab den Nachmittag genutzt um mich da etwas einzulesen. Ich denke ich bin auf vernünftige Ergebnisse gekommen. Nur der ps-Laser bereitet mir noch etwas Kopfzerbrechen. Ich bin eigentlich auch gleich davon ausgegangen die Grenzwerte mit den vorhandenen Lasern abzugleichen. Ansonsten wäre das ja ziemlich sinnlos.

Noch ein kleine Verständnisfrage: Was bedeutet das überschreiten des MZB-Wertes? Bedeutet es nur, dass ich eine Laserschutzbrille etc. tragen muss, oder steckt da mehr dahinter. Brille ist ja sowieso Pflicht im Labor.

[LaserAkademie]

Hallo eRo,
da inzwischen die OStrV gilt und die TROS Laserstrahlung berechnest Du das besser danach. Du findest alles dazu im Teil 2 Messen und Berechnen der TROS Laserstrahlung.
Welchen Expositionsgrenzwert hast Du denn angesetzt? Und welche Zeitbasis?
Das gepulste System ist nur unwesentlich komplizierter. Du musst bei gepulsten Systemen drei Bedingungen abprüfen. Einzelpuls, Impusfolge und mittlere Leistung.
a) Berechnung des Expositionsgrenzwertes für den Einzelimpuls
b) Berechnung des Expositionsgrenzwertes der Impulsfolge = EGW Einzelimpuls x Korrekturfaktor CP
c) Berechnung des Expositionsgrenzwetes für die mittlere Leistung
Der kleinste Grenzwert muss eingehalten werden.

Du hast es hier mit einem System aus zwei Lasern zu tun. Also prüfst Du am Ende noch nach Kapitel 4.2 der TROS Laserstrahlung das Additiv-Kriterium für mehrer Wellenlängen (Gleichung 4.1).

Brille ist im Labor nur Pflicht, wenn alle anderen Massnahmen, die vorher zu treffen sind, nicht zu einer Reduktion der Exposition unterhalb der Grenzwerte ( und hier auf das erreichbare Minimum) geführt haben.
Schutzmassnahmen sind beim Überschreiten der Grenzwerte in der Reihenfolge S-T-O-P zu treffen. Vor dem Aufbau Deines Systems hätte geprüft werden müssen, ob man das ganze auch mit einem System geringerer Leistung hinbekäme. Es hätte zu Beginn Deiner Arbeit eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden müssen, nach der dann technische Massnahmen getroffen werden und organisatorische Massnahmen und erst wenn das alles nicht dazu führt, dass die Grenzwerte eingehalten werden, ist persönliche Schutzausrüstung das letzte Mittel der Wahl. Im Zuge der Gefährdungsbeurteilung hätte auch eine Bewertung der Exposition stattfinden müssen. Deshalb wunderte mich Deine Frage, denn offenbar arbeitest Du schon mit dem System.
Grüsse, Ilka.

[Dr. Burne]

Die Laser an sich sind Klasse 4, also direkte Strahlung und auch diffuse Reflektionen können gefährlich sein.

Bei IR Lasern sollte man besser eine Schutzbrille tragen, wenn man im Strahlengang arbeitet oder nicht sicher ist, ob die MZB eingehslten wird.

[eRo]

Hallo Ilka,

Die Gefahrenlage war von Anfang an klar, ich würde darüber aufgeklärt und belehrt. Die Aufagbe bestand ja darin einen Leistungsverstärker zu entwickeln. Brillen sind bei uns im Labor generell Pflicht für alle. Ohne Brille fliegt man raus. Ohne geschultes Personal kommt man auch nicht ins Labor rein. Es wird einem also permanten auf die Finger geschaut. Das ist auch gut so. Wir arbeiten halt nicht mit kommerziellen Systemen sondern mit experimentellen Aufbauten. Laser Klasse 1 gibt es bei uns eigentlich nicht.

Ich sollte mir nur der wirklichen Gefahrenlage klar werden. Laser sind kein Spielzeug und ein verantwortungsvoller Umgang, speziell mit diesem System ist sehr wichtig.

[LaserAkademie]

Hallo eRo,

bestens. Dann nur noch eine Ergänzung: Genau genommen entspricht der eine Laser einem Laser der Klasse 3B, der andere einem Laser der Klasse 4. Beide Laser zusammen bilden ein System, das einer Lasereinrichtung der Klasse 4 entspricht. Da hier die Norm DIN EN 60825-1 nicht eingehalten wird, handelt es sich um ein nicht klassifizierbares System, für das Schutzmaßnahmen wie bei einem Laser der Klasse 4 zu treffen sind. Um eine Schutzbrille wird man hier nicht herumkommen, das war glaube ich aber auch nicht Deine Frage? Daher hatte ich die Frage im Hinblick auf das "mehr" das dahinter steckt mit dem mehr an Information zu den übrigen Schutzmaßnahmen beantwortet.

Die Expositionsgrenzwertberechnung ist auch noch für die Haut durchzuführen.

Viel Erfolg! Grüße, Ilka

[ekkard]

Im Rahmen einer Studienarbeit habe ich einen Diodengepumpten Faserverstärker als Praktikumsversuch aufgebaut. Dazu soll ich nun die MZB-Werte berechnen.

Die maximal zulässige Bestrahlung (MZB) sind Grenzwerte für Auge und Haut. Ist das Auge betroffen und wird dessen zulässiger Grenzwert eingehalten, gilt das für die Haut automatisch. Nur, wenn die Augen ausgenommen sind z. B. durch persönliche Schutzausrüstungen (PSA) dann muss man sich über die MZB für die Haut Gedanken machen.
Die Ermittlung der MZB läuft in mehreren Schritten.

Erstes Beispiel: Pumplaser, dessen Strahlung wahrscheinliche gar nicht austritt, aber sei's drum!
1. Wellenlänge = 976 nm Laser.
2. Wahl der Zeitbasis: Diese hängt vom Anwendungsfall ab und beträgt im IR mindestens 100 s. Ist die direkte Beobachtung bewusst länger, so werden 30000 s gewählt (Dauerbestrahlung).
3. Impulse? Einzelne Impulse treten nicht auf (nochmals: Dauerbestrahlung)
4. C4 berechnen: c4 = 10^(0,002(λ - 700nm)) = 3,56
5. C7 berechnen: c7(976nm) = 1
6. MZB = 10 * C4 * C7 W/m² = 35,6 W/m² (Tabelle A.1 der DIN EN 60825-1(2008))

Zum Vergleich muss die Ausgangsleistung auf die maßgebliche Strahlquerschnittsfläche bezogen werden. Wenn sie der 7mm-Pupille im Wesentlichen entspricht, wird 5W durch 3,84E-05m² dividiert = 130 000 W/m² (!).

Zweites Beispiel, ein Impulslaser:

Der verstärkte Seeder:
- 1064 nm
- Pulszeit 30 ps (30*10^-12 s)
- Pulsspitzenleistung 16 kW
- Repetitionsrate 1 MHz
- Strahldurchmesser 3 mm

1. 1064 nm
2. Zeitbasis: 30000 s (unbekannte Anwendung, Bestrahlung dauernd wiederholt)
3. Impulse? Ja, 30 ps. Hierzu die Norm, Tabelle 3, Ti(1064nm)=50E-6 s (50µs)
Bei 1 MHz ist die Periodendauer = 1 µs, also werden je 50 Impulse zu einem zusammen gezogen.
Der so genannte (zusammen gefasste) Einzelimpuls hat also eine Energie von 50 x 16000 W x 30ps = 2,4E-05 J (24 µJ), was noch auf die 7mm-Blende zu beziehen ist! (Bitte beachten, dass die Strahlquerschnittsfläche zwar kleiner ist, die Berechnungen aber immer von der Normblende ausgehen. Es sei denn, die Strahlquerschnittsfläche ist definitiv größer.

4. C4 berechnen: C4 = (1064nm) = 5
5. C7 = 1

Für diesen (zusammen gefassten) Einzelimpuls gilt:
6. MZB = 18 t^0,75 * C4 J/m² (Tabelle A.1 der DIN EN 60825-1(2008) für 5E-05s) = 0,003 J/m²
7. Mittelwertkriterium
Die mittlere Leistung beträgt Einzelenergie/Periode = 16000W * 30ps * 1MHz = 0,48W, bezogen auf die 7mm-Blende = 12500W/m²
Hierfür gilt der für die Dauerbestrahlung geltende Grenzwert

MZB = 10 * C4 * C7 W/m² = 50 W/m² (uups!)

8. Reduziertes Einzelimpulskriterium
Im vorliegenden Fall werden die Impulse so zusammen gefasst, dass vernachlässigbare Impulspausen entstehen. Dies macht das Gefährdungspotential nicht nennenswert größer als das Mittelwertkriterium. Das gilt aber nur in diesen Fällen. Anderenfalls müsste man wie folgt rechnen:

N = Anzahl der in T2 ~ 10 s auftretenden (zusammen gefasste) Impulse = 1 MHz / 50 = 20000;
C5 = 1/N^0,25 = 0,084
MZB = MZB (1 Impuls) * 0,084 = 0,25 mJ/m²
Bei einzelnen, isoliert stehenden, kräftigen Impulsen wird durch Mittelung das Risiko nicht korrekt abgebildet, so dass diese Betrachtungsweise durchaus angemessen wäre.