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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung
von Materialoberflächen mittels
einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Materialoberfläche gerichtet
ist, auf der die auftreffende Strahlung absorbiert wird, die einen
Aerosol-/Gasstrom aus Atomen, Molekülen, Partikeln und/oder elektrisch
geladenen Partikeln ausbildet.
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Die
Erfindung kann des Weiteren zur Dekontamination von radioaktiven
Bestandteilen auf Materialoberflächen,
zur Herstellung von sehr reinen Oberflächenbeschichtungen und zur
Herstellung von genau definierten Materialzusammensetzungen eingesetzt
werden.
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Es
ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reinigung von Metall-Oberflächen mittels
gepulster Laserstrahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen in
der Druckschrift
EP
1 340 556 A2 beschrieben. Dabei wird eine Basisfrequenz
und eine harmonische Frequenz eines Laserstrahlenbündels in
der Größenordnung
von 1 bis 40 ns in gleichzeitiger oder räumlicher Überlagerung von Impulsserien
und unterschiedlichen Energieintensitäts-Variationen genutzt. Das
Verfahren kann zur Beseitigung von radioaktiven Rückständen eingesetzt
werden.
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Ein
anderes Verfahren und eine zugehörige Einrichtung
zur Dekontamination von Metallobjekten ist in der Druckschrift
FR 2 673 389 beschrieben,
in der die Metallobjekte in einem Gehäuse angeordnet sind, die eine
energiegeringe Laserstrahlenerzeugungseinrichtung enthält und eine
Schale, die das Laserstrahlenbündel
aufnimmt, aufweist. Verwendet wird das Verfahren insbesondere zur
Dekontamination von Nadeln und Skalpellen in Krankenhäusern.
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Des
Weiteren ist ein Verfahren zur Behandlung von mit Radionukliden
kontaminierten Oberflächen
von Ausrüstungen
in der Druckschrift
RU 2 120 677 beschrieben.
Das Verfahren schließt
eine Überzugsausbildung
der kontaminierten Oberfläche
mittels eines Verschlussmaterials ein, wobei das Verfahren durch
Behandlung der Oberfläche
mit einer intensiven Wärmebehandlung
mittels einer Laserstrahlung durchgeführt wird.
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Das
Verschlussmaterial wird geschmolzen und es wird ein glasharter Überzug oben
auf der Oberfläche
durch die Wärmestrahlung
ausgebildet.
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Ein
Problem besteht darin, dass die Radionuklide innerhalb des ausgebildeten Überzugs
vorhanden und dort gebunden bleiben, wodurch aber nicht die Radioaktivität beseitigt
wird. Mit dem Verfahren können
im Wesentlichen Beton- und Metalloberflächen versiegelt werden.
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Auch
ist ein Verfahren zur Reinigung von Metalloberflächen mittels einer Laserstrahlung
in der Druckschrift
RU 2 104
846 beschrieben. Mit der Laserstrahlung kann die radioaktive
Dekontamination von Metallstrukturen und Rohren von Kernkraftwerken
während
des Betriebes entfernt werden.
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Das
Verfahren erfolgt mit der Laserstrahlung auf den Oberflächen, die
mit gepulster Leistung behandelt werden, wobei eine Energiedichte
auf der zu bearbeitenden Oberfläche
zur Verdampfung der schwer schmelzbaren Bindungen des Metalls des Oxidfilms
mit einer Abtragung der Produkte von der zu bearbeitenden Oberfläche weg
durch einen Gasstrom vorgesehen ist.
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Die
bei den thermischen Verfahren entstehenden radioaktiven Gase oder
Dämpfe
werden durch ein herkömmliches
Absaugsystem hindurch über
Filter geleitet. Dort werden die radioaktiven Bestandteile ausgefiltert.
Dabei kommt es zu einer Kontamination des gesamten Absaug- und Filtersystems mit
radioaktiven Aerosolen und damit zur Sekundärkontamination großer Volumina
weiterer Materialien.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass bei einem Eintreten eines Störfalles
der abgelagerte Staub wieder freigesetzt werden kann, so dass eine zusätzliche
Sekundärkontamination
der Räume
auftreten kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Bearbeitung von Materialoberflächen anzugeben, die derart
geeignet ausgebildet sind, dass in einfacher Weise die bei deren
thermischer Behandlung entstehenden Aerosole/gasförmigen Abprodukte
in unmittelbarer Nähe
des Entstehungsortes fixiert werden.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst.
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In
dem Verfahren zur Bearbeitung von Materialoberflächen mittels einer Strahlung,
die auf die zu bearbeitende Materialoberfläche gerichtet ist, auf der die
auftreffende Strahlung absorbiert wird, die einen Aerosol-/Gasstrom
aus Atomen, Molekülen,
Partikeln und/oder elektrisch geladenen Partikeln ausbildet, werden
gemäß Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 1
die sich innerhalb des Aerosol-/Gasstromes
bewegenden Atome, Moleküle
und/oder Partikel durch mindestens eine vorgegebene Wellenlänge zu Ionen und/oder
elektrisch geladene Partikel verändert,
die
Ionen/elektrisch geladenen Partikel von mindestens einem zum Aerosol-/Gasstrom
richtungsverschieden ausgebildeten elektrostatischen Feld abgelenkt
sowie
die Ionen/elektrisch geladenen Partikel an mindestens
einer gekühlten,
jeweils zu den Ionen/elektrisch geladenen Partikeln entgegengesetzt
gepolten Elektrode entladen und kondensieren dort.
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Das
Verfahren weist somit folgende Schritte auf
- – Absorption
von Strahlung auf der zu behandelnden Materialoberfläche,
- – Erzeugung
eines Aerosol-/Gasstromes auf Atomen, Molekülen, Partikeln und/oder elektrisch
geladenen Partikeln,
- – Umwandlung
der strömenden
Atome, Moleküle und/oder
Partikel durch die durch mindestens eine vorgegebene Wellenlänge und
Energiedichte definierte Strahlung in Ionen und/oder elektrisch geladene
Partikel,
- – Zuschaltung
eines elektrostatischen Feldes,
- – Ablenkung
und Strömung
der Ionen und/oder elektrisch geladenen Partikel zu mindestens einer gekühlten und
zur Ladung der Ionen und/oder elektrisch geladenen Partikel entgegengesetzt gepolten
Elektrode des elektrostatischen Feldes und
- – Entladung
und Ablagerung der Ionen/elektrisch geladenen Partikel im Bereich
der jeweiligen gekühlten
Elektrode als feststoff- und gasbeladenes Kondensat.
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Im
Vorgang der Ionisierung und Ladungsveränderungen der Atome, Moleküle und/oder
Partikel können
unterschiedlich anteilig sowohl positive als auch negativ geladene
Teilchen – Ionen
und elektrisch geladenen Partikel – entstehen, die gemäß ihrer
Ladung zu entsprechend entgegengesetzt gepolten Elektroden abgelenkt
werden und dort bei Vorhandensein einer zutreffenden Kühlung jeweils
die Kondensate bilden können.
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Nach
ausreichender Ausbildung des jeweiligen Kondensats an zumindest
einem Elektrodenteil der zugehörigen
gekühlten
Elek trode kann das Elektrodenteil oder die betreffende Elektrode
ausgewechselt und entsorgt werden.
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Insbesondere
bei einer Abstimmung der Bindungsenergie/Ionisierungsenergie der
Atome/Moleküle
der Gasphase mit der Photonenenergie der Strahlung werden die Molekülbindungen
aufgebrochen und die Atome in elektrisch geladene Ionen umgewandelt.
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Um
bestimmte Atome, z.B. Cäsiumatome aus
der Materialoberfläche
abzutragen, wird die zutreffende ionisierende Wellenlänge in der
Strahlung eingesetzt, um die Cäsiumionen
auf dem Aerosol-/Gasstrom abzulenken und später zu entsorgen.
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In
der Einrichtung zur Bearbeitung von Materialoberflächen mittels
einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Materialoberfläche gerichtet
ist, auf der die auftreffende Strahlung absorbiert wird, die einen Aerosol-/Gasstrom
aus Atomen, Molekülen,
Partikeln und/oder elektronisch geladenen Partikeln ausbildet, sind
gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 5 in dem durch mindestens eine Wellenlänge und
eine Leistungsdichte vorgegebene Strahlung ausgebildeten Aerosol-/Gasstrom
erzeugte Ionen/elektrisch geladenen Partikel vorhanden und es befinden
sich im Bereich oberhalb der Bearbeitungsstelle mindestens zwei
an die Strahlung angrenzende, entgegengesetzt gepolte Elektroden
zur Erzeugung eines elektrostatischen Feldes innerhalb der Strahlung,
wobei mindestens eine der Elektroden mit einer Kühlung derart in Verbindung
steht, dass die Ionen/elektrisch geladenen Partikel sich auf einer Oberfläche der
jeweiligen gekühlten,
zu den Ionen/elektrisch geladenen Partikeln entgegengesetzt gepolten
Elektrode als feststoff- und
gasbeladenes Kondensat niederschlagen, wobei zumindest das das Kondensat
aufweisende Elektrodenteil der Elektrode oder die Elektrode selbst
austauschbar ausgebildet ist.
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Die
Strahlung wird vom elektrostatischen Feld in einer vorgegebenen
Richtung durchdrungen.
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Die
Strahlung kann vorzugsweise von einem Laser emittiert werden.
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Von
der Hochspannungsquelle auf ist eine Hochspannung im Bereich von
etwa 4000 Volt an die Elektroden angelegt. Dabei können sowohl
eine der Elektroden als auch beide Elektroden eines elektrostatischen
Feldes gekühlt
sein.
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Als
Material kann z.B. silikatisches Material wie Beton, Glas, Halbleiterstrukturen,
reines Metall, Legierungen, Metalle mit nichtmetallischen Anteilen sowie
Metalle mit Überzügen und
Oberflächenschichten,
die z.B. mit radioaktiven Bestandteile kontaminierte und mit dem
Beton wahlweise verbundene Materialoberflächen darstellen, ausgewiesen
sein.
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Es
wird in vorteilhafter Weise in einem Arbeitsschritt, z.B. unter
Einsatz eines Lasers auf der zu bearbeitenden Materialoberfläche eine
Schmelze erzeugt und daraus abdampfende Atome, z.B. Cäsium, oder
Moleküle
durch eine eingestellte Laserwellenlänge ionisiert, so dass die
Ionen und/oder die elektrisch geladenen Partikel durch das elektrostatisches
Feld hindurch jeweils an die zugeordnete gekühlte Elektrode geleitet werden
können,
an der sich die Ionen/elektrisch geladenen Partikel nach der Entladung
abscheiden, wobei der Abscheidungsprozess nahe dem Bereich des Entstehungsortes
erfolgt.
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Die
Elektroden können
z.B. Kondensatorplatten darstellen. Sie können auch aus mehreren Teilen
bestehen.
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Bei
Einsatz von mehrteiligen Elektroden können insbesondere bei großen zu bearbeitenden
Materialoberflächen
die Elektroden auch derart ausgebildet sein, dass sie jeweils eine
Anordnung einer elektrischen Linse und einen der Linse nachgeordneten
Kondensatbehälter
darstellen, in den die Ionen/elektrisch geladenen Partikel durch
die elektrische Linse hindurch abgeleitet, entladen werden und sich
an den Innenwänden
des als Kühlfalle
dienenden Kondensatbehälters
als Kondensat niederschlagen.
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Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren
Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels einer Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der erfinderischen Einrichtung mit einem
aus einer mittels eines Laserstrahls erzeugten Schmelze austretenden
Aerosol-/Gasstrom
mit darin befindlichen Ionen/elektrisch geladenen Partikeln in einem
elektrostatischen Feld mit einer Kühlfalle zur Kondensatbildung
am Beispiel eines Materials – eines
Betonbauteils – und
einer darauf befindlichen radioaktiv kontaminierten Materialoberfläche.
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In 1 ist
in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung 1 zur
Bearbeitung einer Materialoberfläche 5 mittels
eines eine Strahlung erzeugenden Lasers 3 gezeigt, wobei
der La serstrahl 4 auf die Materialoberfläche 5 gerichtet
ist, wobei die auf der Materialoberfläche 5 absorbierte
Strahlung eine Schmelze 6 erzeugt, die verdampft und einen
Aerosol-/Gasstrom 19 aus neutral geladenen Atomen, Molekülen, Partikeln 14 und/oder
elektrisch geladenen Partikeln ausbildet.
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Erfindungsgemäß werden
in dem durch Wellenlänge
und Leistungsdichte definierten Laserstrahl 4 ausgebildeten
Aerosol-/Gasstrom 19 Atome
und Moleküle
ionisiert. Die Ionen 15 befinden sich im Bereich oberhalb
der Schmelze 6. Mindestens zwei am Laserstrahl 4 angrenzende,
entgegengesetzt gepolte Elektroden 7, 8 in Form
von Kondensatorplatten – mit einem
Katodenanschluss 9 und einem Anodenanschluss 10 – zur Erzeugung
eines elektrostatischen Feldes 18 innerhalb des Laserstrahls 4,
wobei zumindest die eine Kondensatorplatte 7 mit einer
Kühlung 13 in
Verbindung steht, führen
dazu, dass sich die aus der Schmelze 6 entweichenden und
danach mit einer positiven Ladung versehenen Ionen 15 auf
der Oberfläche 16 der
gekühlten
Kondensatorplatte 7 mit der entgegengesetzten Polung – mit dem
Katodenanschluss 9 – als
Kondensat 17 niederschlagen, wobei die das Kondensat 17 aufweisende
Kondensatorplatte 7 austauschbar ausgebildet ist.
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Die
aus der Schmelze unmittelbar entweichenden elektrisch geladenen
Partikel können
in wesentlicher Minderzahl vorhanden sein.
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Durch
die Einwirkung der Strahlung 4 auf die Partikel 14 kann
auch aus der Minderzahl eine größere Anzahl
von elektrisch geladenen Partikeln 15 entstehen.
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Im
Wesentlichen betrifft aber die im Laserstrahl 4 auftretende
Ladungsveränderung
die vorhandenen und aus den Molekülen entstehenden Atome 14 zu
Ionen 15, so dass der tragende Teil des ablenkbaren Aerosol-/Gasstromes 19 die
Ionen 15 sind.
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Von
der Hochspannungsquelle 12 aus ist über Anschlüsse 11 eine Hochspannung
in dem Bereich von etwa wahlweise 4000 Volt an die Kondensatorplatten 7, 8 angelegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bearbeitung von Materialoberflächen 5 erfolgt mittels
eines Laserstrahls 4, wobei auf der Materialoberfläche 5 durch
die entstehende Wärme
eine Schmelze 6 erzeugt wird, die verdampft und einen Aerosol-/Gasstrom 19 aus
neutral geladenen Atomen und Molekülen 14 ausbildet,
wobei die Atome und Moleküle 14 sich
innerhalb des Laserstrahls 4 bewegen und erst durch den
durch Wellenlänge
und Leistungsdichte definierten Laserstrahl 4 zu Ionen 15 ionisiert
werden und wobei die Ionen 15 von einem richtungsverschieden
zum Aerosol-/Gasstrom 19 ausgebildeten elektrostatischen
Feld 18 abgelenkt werden sowie an der gekühlten Elektrode 7 des
elektrostatischen Feldes 18 entladen werden und dort kondensieren.
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Als
Material 2 kann in der Erfindung silikatisches Material
wie Beton, Glas, Halbleiterstrukturen sowie reines Metall, Legierungen,
Metalle mit nichtmetallischen Anteilen sowie Metalle mit Überzügen und
Oberflächenschichten
einbezogen werden, die z.B. mit radioaktiven Bestandteilen belegte
und mit dem Beton verbundene Materialoberflächen 5 darstellen
können.
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Das
Verfahren weist unter Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 folgende
Schritte auf:
- – Erwärmung der zu behandelnden Materialoberfläche 5 und
Erzeugung einer Schmelze 6 auf der zu bearbeitenden Materialoberfläche 5 durch
Absorption eines Laserstrahls 4,
- – Erzeugung
eines Aerosol-/Gasstromes 19 aus neutral geladenen Atomen
und Molekülen 14,
- – Aufbrechen
der Molekülbindungen
und Ionisierung der strömenden
neutral geladenen Atome 14 durch einen durch mindestens
eine Wellenlänge und
Leistungsdichte bestimmten Laserstrahl 4 zu Ionen 15,
- – Zuschaltung
eines elektrostatischen Feldes 18,
- – Ablenkung
und Strömung
der Ionen 15 zu der gekühlten
und zu den Ionen entgegengesetzt geladenen Kondensatorplatte 7 und
- – Entladung
und Ablagerung der Ionen 15 an der Oberfläche 16 der
gekühlten
Kondensatorplatte 7 als Kondensat 17.
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Nach
der Ausbildung ausreichenden Kondensats 17 an der gekühlten Kondensatorplatte 7 kann
die Kondensatorplatte 7 problemlos ausgewechselt und entsorgt
werden.
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Das
Verfahren stellt im Wesentlichen eine selektive Abscheidung von
in einem Aerosol-/Gasstrom 19 befindlichen Ionen 15 mittels
eines elektrostatischen Feldes 18 und einer Kühlfalle 13 dar.
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Die
Funktionsweise der Einrichtung 1 wird im Folgenden anhand
der 1 beispielsweise mit einer kontaminierten Materialoberfläche 5 auf
einem Betonbauteil erläutert.
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Die
zu bearbeitende, mit radioaktiven Bestandteilen kontaminierte Materialoberfläche 5 des Betonbauteils 2 wird
durch Ab sorption eines Laserstrahls 4 aufgeschmolzen. Bei
der dazu notwendigen Temperatur gehen einzelne, auch radioaktive
Elemente und Verbindungen 14 in die gasförmige Phase über. Bei
einer Abstimmung der Bindungsenergie/Ionisierungsenergie der neutral
geladenen Atome und Moleküle 14 des
Aerosol-/Gasstromes 19 mit
der Photonenenergie des Laserstrahls 4 können Molekülbindungen
aufgebrochen und die Atome ionisiert werden.
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Nach
der Zuschaltung des Hochspannungsfeldes 18 wird der mit
den so erzeugten Ionen 15 versehene, zum weitgehend senkrecht
auf die Materialoberfläche
gerichteten Laserstrahl 4 etwa annähernd gleichgerichtete, schlauchartig
aufsteigende Aerosol-/Gasstrom 19 aus
seiner vorhergehenden Richtung schlagartig abgelenkt.
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Dabei
werden die Ionen 15 durch das elektrostatische Feld 18 in
Richtung zu der mit der entgegengesetzten Ladung/Polung versehenen
Kondensatorplatte 7 abgelenkt und der schlauchartige Aerosol-/Gasstrom 19 weist
zur Kondensatorplatte 7 gerichtet eine Krümmung auf.
Die Ionen 15 treffen dann auf eine gekühlte Oberfläche 16 der Kondensatorplatte 7 auf,
werden dort entladen, kondensieren an der Oberfläche 16 der gekühlten Kondensatorplatte 7 und
werden somit dem Aerosol-/Gasstrom 19 entzogen. Aufgrund
der Turbulenzen in der Schmelze 6 kann sichergestellt werden,
dass die radioaktiven Bestandteile der Materialoberfläche 5 effektiv
entfernt werden.
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In
einem einzigen technologischen Arbeitsschritt kann somit sowohl
eine radioaktive Materialoberfläche 5 abgetragen
als auch das Abprodukt derart konditioniert werden, dass es – die kondensatbehaftete
Kondensatorplatte 7 – weitgehend
endlagerfähig
ist.
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Wenn
größere Materialoberflächen bearbeitet
bzw. abgetragen werden, dann sind einfache Kondensatorplatten zu
klein. Vorzugsweise können
dann je nach Bedarf als Elektroden jeweils eine Anordnung aus einer
elektrischen Linse und mindestens einem der Linse nachgeordnetem
Kondensatbehälter
vorgesehen sein, in den die Ionen und/oder elektrisch geladenen
Partikel 15 durch die elektrische Linse hindurch abgeleitet,
dort entladen und an den Innenwänden
des als Kühlfalle
dienenden Kondensatbehälters als
Kondensat niedergeschlagen werden. Die größeren Kondensatbehälter sind
dann weniger zeitaufwendig entsorgbar.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann eine laserinduzierte Dekontamination ohne großvolumige
Freisetzung von radioaktiven Bestandteilen ermöglicht werden. Durch Wahl mindestens
einer vorgegebenen Wellenlänge
und Leistungsdichte des Laserstrahls 4 erfolgt somit ein
selektives Abscheiden von Ionen und/oder elektrisch geladenen Partikeln 15 auf
dem Bereich des Laserstrahls 4 heraus.
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Das
Verfahren kann auch zur Herstellung von sehr reinen Oberflächenbeschichtungen
und zur Herstellung von genau definierten Materialzusammensetzungen
eingesetzt werden.
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Durch
die Erfindung werden übergreifende Stäube vermieden.
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- 1
- Einrichtung
- 2
- Material
- 3
- Laser
- 9
- Strahlung
- 5
- Materialoberfläche
- 6
- Schmelze
- 7
- erste
Elektrode
- 8
- zweite
Elektrode
- 9
- Katodenanschluss
- 10
- Anodenanschluss
- 11
- Anschlüsse
- 12
- Hochspannungsquelle
- 13
- Kühlfalle
- 14
- neutral
geladene Atome, Moleküle,
Partikel
- 15
- Ionen
und/oder elektrisch geladene Partikel
- 16
- Oberfläche der
gekühlten
Elektrode
- 17
- Kondensat
- 18
- elektrostatisches
Feld
- 19
- Aerosol-/Gasstrom
- 20
- Kühleinrichtung