WO2016156414A1 - Schutzvorrichtung für eine von einer strahlungsquelle erzeugte energiereiche strahlung - Google Patents

Schutzvorrichtung für eine von einer strahlungsquelle erzeugte energiereiche strahlung Download PDF

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Dirk MÜLLER
Wolfgang Paa
Jonathan Plentz
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    • F16P1/00—Safety devices independent of the control and operation of any machine
    • F16P1/06—Safety devices independent of the control and operation of any machine specially designed for welding
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
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    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/006—Safety devices

Definitions

  • the invention relates to a protective device for a high-energy radiation generated by a radiation source in particular a laser radiation and the use of such an arrangement for the controllable active protection of an object, a person, animals or plants from such radiation.
  • lasers For technical or medical procedures increasingly energetic radiation sources, especially lasers are used. For example, modern lasers can easily cut or penetrate stones, concrete, masonry or even steel. Such high-energy lasers are usually operated in a housing, which protects the environment from leaking laser light. However, it is always necessary to adapt the operating conditions of lasers to certain processes, including technical ones
  • laser protection devices such as laser protection curtains or laser protective clothing are used.
  • Protective devices for high-energy radiation are known per se and are widely used. So z. For example, especially passive protection devices conditions, such as lead aprons, used in particular for protection against X-radiation.
  • passive protection devices such as lead aprons
  • radiation protection devices such as
  • Radiation shields or clothing known.
  • laser safety goggles are commercially available which absorb or reflect a laser beam and thereby protect the human eye.
  • Typical laser protection arrangements generally have a passive protective layer, which reflects incident laser light or attenuates the transmitted light while absorbing the radiation energy.
  • passive laser protection materials include, for. As ceramic materials, which are destroyed or ablated upon the impact of laser light. However, the intensity of the radiation can also increase so much that the passive laser protection is destroyed or the radiation does not last long enough. The beam then breaks through the protective material, creating holes without affecting the working one
  • the laser protection device is
  • a sensor is arranged, which is connected via a threshold switch with the laser and in case of exceeding or falling below a threshold value by a received
  • Detector signal turns off the laser.
  • Sensor layer assembly has a predetermined electrical characteristic and which is designed such that changes in electrical energy by striking a laser radiation, the electrical parameter.
  • a laser protection device is also arranged behind a passive protective wall, which absorbs or reflects auftref ⁇ fende laser radiation. Only when it is broken by the laser light, light impinges on the sensor arrangement, which for
  • Such active protective layers include sensors, which are usually formed of wires which melt when laser light strikes, thereby interrupting a power line and shutting off the laser, but in doing so becomes the active layer
  • the invention therefore has the goal of an active
  • the invention therefore also aims to preserve the lifetime of the active layer as long as possible.
  • the invention proposes to arrange over the active protective layer or sensor layer another protective layer whose absorption ⁇ and / or reflection behavior is selectively or individually adjustable and which protects the underlying active sensor layer.
  • another protective layer whose absorption ⁇ and / or reflection behavior is selectively or individually adjustable and which protects the underlying active sensor layer.
  • fiction, ⁇ according to a variety of materials capable of such.
  • thermotropic substances ie glass whose light transmittance can be changed by the application of electrical voltage, light irradiation or heating
  • PDLC PDLC
  • SPD Suspended Particle Devices
  • Quartz glasses as well as the reversible or irreversible laser-induced formation of absorption centers with materials known per se are also suitable.
  • the active protective layer registers laser light which breaks through and generates a signal which can be used to control the selectively individually adjustable or controllable protective layer and thus increase the absorption or reflection of the incident radiation. In this way, premature triggering of an alarm is prevented and radiation energy striking the active sensor layer is greatly attenuated, so that its destruction can be avoided. Since such layers of the aforementioned materials react quite quickly, it is possible according to the invention, the active sensor layer before rapid destruction
  • Preserve protective layer In a particularly preferred embodiment, the absorption or
  • Controllable protective layer preset so that weak breakthroughs through the outer passive layer does not immediately lead to the destruction of the active sensor layer.
  • a photodiode or solar cell Since, in the case of a jet break, damage to the active sensor layer z. B. a photodiode or solar cell can come, it has proved to be useful to detect by means of an IR detector, the heat ⁇ te heat radiation, for example, from 50 to 150 °. Such a detector may be arranged before or after the controllable protective layer or the sensor layer with respect to the radiation direction.
  • a passive protective layer is arranged below the active sensor layer, which provides further protection when the radiation through the active sensor layer breaks through.
  • a passive protective layer usually with less protection ⁇ class before the protective layer controllable in direction possibly by refracting the laser light as the lowest layer. Only when light passes through the first passive laser protection layer on the underlying active sensor layer, Then a signal (voltage, current or light) is generated.
  • the protective device according to the invention can be configured both as a wall, as a curtain or as clothing. It is preferably as flexible
  • the invention also relates to the use of the device for
  • Fig. 1 shows a structure of a protective device according to the prior art.
  • Fig. 2 shows a typical structure of a
  • an active protective layer 1. 2 is arranged on the passive protective layer 1. 1, which is more energy-rich on impact
  • Control unit 1.6 sends, which then the
  • the active sensor layer 1.2 is then covered again by a passive protective layer 1.3 in order to To avoid false alarms or premature destruction of the active sensor layer 1.2.
  • an active layer 2. 2 is arranged above the passive layer 2. 2, the novel controllable protective layer 2. 4 according to the invention is then arranged over this active layer 2. 2 as described in FIG outer passive protective layer 2.3 is protected.
  • Energy-rich radiation X now breaks through the outer passive
  • Protective layer 2.3 and the controllable protective layer 2.4 strikes the active layer 2.2, which conducts a signal via signal path 2.5 to the control unit 2.6.
  • the control unit 2.6 then regulates quickly via
  • This controllable protective layer 2.4 and the other layers can be configured independently of one another or else in several layers.
  • the active protective layer is, for example, a flexible solar cell or a photodiode. In principle, it is also possible to use the previously described fusion wires for this purpose. About this active layer is then arranged the adjustable protective layer according to the invention, which the light incidence on the
  • a photochromic protective layer which darkens by applying an electrical voltage, ie increases the absorption of transmitted light.
  • a further passive protection layer usually with less protection ⁇ class is arranged as the lowermost layer in front of the photochromic protective layer in the direction of possibly by refracting the laser light. If light now passes through the first passive laser protection layer onto the underlying active sensor layer, this generates a signal (voltage, current or light).
  • an alarm is triggered and / or the radiation source is switched off.
  • the generated signal can also be used to absorb, deflect and / or reflect the overlying one
  • adjustable protective layer or the adjustable protective layer system to increase and the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine von einer Strahlungsquelle erzeugte energiereiche Strahlung (X) sowie ihre Verwendung zum Schutz von empfindlichen Gegenständen. Sie umfasst mindestens eine in Richtung der einfallenden Strahlung weisende aktive Sensorschicht (2.2), die beim Auftreffen von energiereicher Strahlung ein Signal erzeugt, welches beim Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes die Strahlungsquelle abschaltet, wobei über der aktiven Sensorschicht (2.2) eine regelbare Schutzschicht (2.4) angeordnet ist, deren Strahlen- absorptions-, Ablenkungs- oder deren Reflexionsverhalten einstellbar ist.

Description

Schutzvorrichtung für eine von einer Strahlungsquelle erzeugte energiereiche Strahlung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine von einer Strahlungsquelle erzeugte energiereiche Strahlung insbesonders einer Laserstrahlung sowie die Verwendung einer solchen Anordnung zum regelbaren aktiven Schützen eines Gegenstandes, einer Person, von Tieren oder Pflanzen vor einer solchen Strahlung.
Für technische oder auch medizinische Verfahren werden immer energiereichere Strahlungsquellen, insbesonders Laser verwendet. So können beispielsweise moderne Laser problemlos Steine, Beton, Mauerwerke oder auch Stahl schneiden und durchdringen. Derartige energiereiche Laser werden üblicherweise in einer Einhausung betrieben, welche die Umgebung vor austretendem Laserlicht schützt. Dabei ist es jedoch immer wieder notwendig, die Betriebsbedingungen von Lasern an bestimmte Prozesse anzupassen, wozu technisches
Personal innerhalb dieser Einhausung am Laser Justie¬ rungen und Einstellungen oder auch andere Wartungsarbeiten durchführen muss. Hierzu werden entsprechende Laserschutzvorrichtungen wie Laserschutzvorhänge oder auch Laserschutzkleidung verwendet.
Schutzvorrichtungen für energiereiche Strahlung sind an sich bekannt und werden vielfach verwendet. So werden z. B. insbesonders passive Schutzvorrichtun- gen, wie Bleischürzen, insbesonders zum Schutz vor Röntgenstrahlung eingesetzt. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Strahlenschutzvorrichtungen, wie
Strahlenschutzschilde oder -bekleidung, bekannt. So sind beispielsweise kommerziell Laserschutzbrillen erhältlich, welche einen Laserstrahl absorbieren bzw. reflektieren und dabei das menschliche Auge schützen.
Typische Laserschutzanordnungen weisen in der Regel eine passive Schutzschicht auf, welche auftreffendes Laserlicht reflektiert oder auch unter Aufnahme der Strahlungsenergie das transmittierte Licht abschwächt. Derartige passive Laserschutzmaterialien umfassen z. B. keramische Werkstoffe, welche beim Auftreffen von Laserlicht zerstört bzw. abladiert werden. Die Intensität der Strahlung kann allerdings auch so weit ansteigen, dass der passive Laserschutz zerstört wird bzw. der Strahlung nicht ausreichend lange standhält. Der Strahl durchbricht dann das Schutzmaterial, wobei Löcher entstehen, ohne dass dies das arbeitende
Personal unmittelbar bemerken muss.
Es ist daher bereits versucht worden, nach dieser passiven Schicht eine aktive Schicht anzuordnen, welche beim Durchtritt eines Strahls durch die passive
Schicht und beim Auftreffen auf die aktive Schicht ein Signal auslöst, durch das der Laser abgeschaltet wird. Geschieht dies, ist die Laserschutzvorrichtung
üblicherweise irreversibel zerstört und kann nicht ohne weiteres wieder repariert werden. Um diese aktive
Schicht zu schützen, wird daher meist nochmals eine weitere passive Schutzschicht darüber angeordnet. Aktiver Laserschutz wird bislang noch nicht häufig eingesetzt. Bislang ist es nicht möglich, die
Auslöseschwelle für das Nachweis- bzw. Stoppsignal einzustellen. Jedoch wird häufig beim Auslösen eines
Signals die aktive Schicht zerstört. Eine selektive Anpassung des passiven Schutzes vor einem aktiven Schutz ist bislang nicht möglich und nicht bekannt. Eine typische Laserschutzvorrichtung mit Sicherheits¬ abschaltung ist beispielsweise in der
DE 10 2006 053 579 AI beschrieben. Dabei wird hinter einer passiven Laserschutzwand ein Sensor angeordnet, der über einen Schwellwert Schalter mit dem Laser verbunden ist und der bei Über- oder Unterschreitung eines Schwellwerts durch ein empfangenes
Detektorsignal den Laser abschaltet.
Aus der DE 10 2012 106 278 AI ist eine
Laserschutzvorrichtung bekannt, die ebenfalls eine
Sensorschichtanordnung aufweist, wobei die
Sensorschichtanordnung eine vorgegebene elektrische Kenngröße aufweist und die derart ausgebildet ist, dass sich bei Energieeintrag durch Auftreffen einer Laserstrahlung die elektrische Kenngröße ändert. Eine derartige Laserschutzvorrichtung ist ebenfalls hinter einer passiven Schutzwand angeordnet, welche auftref¬ fende Laserstrahlung absorbiert oder reflektiert. Erst wenn diese durch das Laserlicht durchbrochen wird, trifft Licht auf die Sensoranordnung auf, welches zum
Abschalten eines Lasers führt. Derartige aktive Schutzschichten enthalten Sensoren, die üblicherweise aus Drähten gebildet sind, welche beim Auftreffen von Laserlicht schmelzen, wodurch eine Stromleitung unterbrochen und der Laser abgeschaltet wird, allerdings wird dabei die aktive Schicht
irreversibel zerstört und die Schutzvorrichtung damit unbrauchbar .
Die Erfindung hat daher zum Ziel, eine aktive
Laserschutzvorrichtung bereitzustellen, bei der sich eine notwendige Schutzstufe an die jeweiligen
Betriebsbedingungen anpassen lässt. Dies ermöglicht beispielsweise, dass bei entsprechenden Wartungs-, Reparatur- bzw. Justierarbeiten nicht gleich die aktive Schicht irreversibel zerstört wird, wenn das Laserlicht die passive Schutzschicht durchbricht.
Die Erfindung hat daher auch das Ziel, die Lebensdauer der aktiven Schicht so lange als möglich zu erhalten.
Dieses Ziel wird nun erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, über der aktiven Schutzschicht bzw. Sensorschicht eine weitere Schutzschicht anzuordnen, deren Absorptions¬ und/oder Reflektionsverhalten selektiv bzw. individuell einstellbar ist und welche die darunterliegende aktive Sensorschicht schützt. Hierzu sind erfindungs¬ gemäß eine Vielzahl von Materialien geeignet, wie z. B. photochrome, elektrochrome, thermochrome
und/oder auch thermotrope Substanzen oder sogenanntes „intelligentes" Glas, d.h. Gläser, deren Lichtdurchlässigkeit durch das Anlegen von elektrischer Spannung, Lichteinstrahlung oder Erwärmung verändert werden kann. Ebenfalls eignen sich auch schaltbare
Spiegel, polymere disperse Flüssigkristallschichten
(PDLC) und sogenannte Suspended Particle Devices (SPD) . Mit Seltenen Erden dotiertes CaF2 oder
Quarzgläser, sowie die reversible oder irreversible laserinduzierte Bildung von Absorptionszentren mit an sich bekannten Materialien sind ebenso geeignet.
In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform registriert die aktive Schutzschicht (Sensorschicht) durchbrechendes Laserlicht und generiert ein Signal, welches zur Steuerung der selektiv individuell einstellbaren bzw. auch regelbaren Schutzschicht verwendet werden kann und so die Absorption oder Reflektion der auftreffenden Strahlung erhöht. Auf diese Weise wird eine vorzeitige Auslösung eines Alarms verhindert und auf die aktive Sensorschicht auftreffende Strahlungsenergie stark abgeschwächt, so dass ihre Zerstörung vermieden werden kann. Da solche Schichten aus den zuvor genannten Materialien recht schnell reagieren, ist es erfindungsgemäß möglich, die aktive Sensorschicht vor rascher Zerstörung zu
schützen .
Prinzipiell ist es auch möglich, die regelbare
Schutzschicht voreinzustellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Absorption oder
Reflektion der regelbaren Schutzschicht voreingestellt, so dass schwache Durchbrüche durch die äußere passive Schicht nicht sofort zur Zerstörung der aktiven Sensorschicht führen.
Da es bei einem Strahlendurchbruch auch zur Beschädi- gung der aktiven Sensorschicht z. B. einer Photodiode oder Solarzelle kommen kann, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mittels eines IR-Detektors die erzeug¬ te Wärmestrahlung z.B. von 50 - 150° nachzuweisen. Ein solcher Detektor kann bezogen auf die Strahlungsrich- tung vor oder auch nach der regelbaren Schutzschicht oder der Sensorschicht angeordnet sein.
Desweiteren hat es sich oft als zweckmäßig erwiesen, gegebenenfalls eine weitere Schicht zur passiven, ge- gebenenfalls auch zur aktiven Wärmeleitung anzuordnen.
Damit ist es möglich, die aktive Sensorschicht, sowie Gegenstände und Personen hinter der gesamten Strahlen- schut zanordnung noch besser zu schützen. Üblicherweise ist unterhalb der aktiven Sensorschicht eine passive Schutzschicht angeordnet, die bei einem Durchbruch der Strahlung durch die aktive Sensorschicht einen weiteren Schutz bietet. Darüber hinaus hat es sich als zweckmäßig erwiesen, vor der regelbaren Schutzschicht in Richtung eventuell durchbrechenden Laserlichtes eine weitere passive Schutzschicht mit üblicherweise geringerer Schutz¬ klasse als der untersten Schicht anzubringen. Erst wenn Licht durch die erste passive Laserschutzschicht auf die darunterliegende aktive Sensorschicht tritt, wird dann ein Signal (Spannung, Strom oder Licht) erzeugt .
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung kann sowohl als Wand, als Vorhang oder auch als Kleidung ausgestaltet werden. Sie ist vorzugsweise als flexibles
Flächengebilde ausgestaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung auch die Verwendung der Vorrichtung zum
Schutz von empfindlichen Gegenständen, Menschen, Tieren und/oder Pflanzen vor energiereicher Strahlung.
Die Erfindung soll im Folgenden an einem Beispiel näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Aufbau einer Schutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Fig. 2 zeigt einen typischen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Schutzanordnung .
Beim Stand der Technik gemäß Fig. 1 ist auf der passiven Schutzschicht 1.1 eine aktive Schutzschicht 1.2 angeordnet, welche beim Auftreffen energiereicher
Strahlung X ein Signal via Signalweg 1.5 (üblicherwei¬ se eine elektrisch leitende Verbindung) an eine
Steuereinheit 1.6 sendet, die daraufhin die
energiereiche Strahlung X bzw. ihre Quelle abschaltet. Die aktive Sensorschicht 1.2 wird dann nochmals von einer passiven Schutzschicht 1.3 abgedeckt, um Fehlalarme oder eine vorzeitige Zerstörung der aktiven Sensorschicht 1.2 zu vermeiden.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 2 ist wie bei Fig. 1 über der passiven Schicht 2.1 eine aktive Schicht 2.2 angeordnet, über dieser aktiven Schicht 2.2 wird dann die neue erfindungsgemäße regelbare Schutzschicht 2.4 angeordnet, die wie in Fig. 1 beschrieben durch eine weitere äußere passive Schutzschicht 2.3 geschützt wird. Durchbricht nun energiereiche Strahlung X die äußere passive
Schutzschicht 2.3 und die regelbare Schutzschicht 2.4 trifft sie auf die aktive Schicht 2.2, welche ein Signal via Signalweg 2.5 zur Steuereinheit 2.6 leitet. Die Steuereinheit 2.6 regelt daraufhin rasch via
Leitung 2.7 die Absorption bzw. Reflexion der
regelbaren Schutzschicht hoch und vermindert so die Zerstörung der passiven Schutzschicht 2.1. Prinzipiell ist es mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auch möglich, die Absorption bzw.
Reflexion der regelbaren Schutzschicht 2.4 auch via Leitung 2.7 voreinzustellen, um ein vorzeitiges
Auslösen eines Alarms zu verhindern.
Diese regelbare Schutzschicht 2.4 sowie die anderen Schichten können unabhängig voneinander ein- oder auch mehrlagig ausgestaltet sein. Im Beispiel ist die aktive Schutzschicht beispielsweise eine flexible Solarzelle oder eine Photodiode. Prinzipiell ist es auch möglich, die bislang beschriebenen Schmelzdrähte hierfür einzusetzen. Über diese aktive Schicht wird dann die erfindungsgemäße einstellbare Schutzschicht angeordnet, welche den Lichteinfall auf die
darunterliegende aktive Sensorschicht regelt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist dies zweckmäßigerweise eine photochrome Schutzschicht, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung abdunkelt, d. h. die Absorption von durchtretendem Licht erhöht. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vor der photochromen Schutzschicht in Richtung eventuell durchbrechenden Laserlichtes eine weitere passive Schutzschicht mit üblicherweise geringerer Schutz¬ klasse als der untersten Schicht angeordnet. Tritt nun Licht durch die erste passive Laserschutzschicht auf die darunterliegende aktive Sensorschicht, so erzeugt diese ein Signal (Spannung, Strom oder Licht) .
Übersteigt nun das Messsignal einen zuvor
einstellbaren Schwellwert, wird ein Alarm ausgelöst und/oder die Strahlungsquelle abgeschaltet.
Gleichzeitig kann das erzeugte Signal auch dazu verwendet werden, die Absorption, die Ablenkung und/oder Reflexion der darüber liegenden
einstellbaren Schutzschicht bzw. des einstellbaren Schutzschichtsystems zu erhöhen und den
Strahlungsfluss auf der darunterliegenden aktiven Sensorschicht begrenzen. Darüber hinaus kann durch Anlegen einer Spannung an die photochrome Schicht der Lichtfluss für Justier- und Wartungsarbeiten
voreingestellt bzw. begrenzt werden.
* * *

Claims

Schutzvorrichtung für eine von einer Strahlungsquelle erzeugte energiereiche Strahlung (X) , umfassend mindestens eine in Richtung der einfallenden Strahlung weisende aktive Sensorschicht (2.2), die beim
Auftreffen von energiereicher Strahlung ein Signal erzeugt, welches beim Überschreiten oder
Unterschreiten eines Grenzwertes die Strahlungsquelle abschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass über der aktiven Sensorschicht (2.2) eine regelbare
Schutzschicht (2.4) angeordnet ist, deren Strahlen- absorptions- , Ablenkungs- oder deren Reflexions¬ verhalten einstellbar ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die energiereiche Strahlung eine Laserstrahlung ist.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter der aktiven Sensorschicht (2.2) eine passive Schicht (2.1) angeordnet ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über und/oder unter der regelbaren Schutzschicht (2.4) eine weitere passive Schutzschicht (2.3) angeordnet ist, die die darunterliegenden Schichten schützt.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Sensorschicht (2.2) eine Photovoltaikeinheit , eine Gaszelle, eine Photodiode, ein Schmelzdraht und/oder ein IR-Detektor ist.
6. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Schutzschicht (2.4) eine elektrochrome, thermochrome, photochrome, eine PDLC- oder SPD-Schicht oder ein schaltbarer Spiegel ist.
7. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Spiegel ein Metallhybrid enthält.
8. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens eine Schicht zur passiven Wärmeableitung aufweist .
9. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens eine Fasern enthaltende Schicht aufweist, welche auftretendes Licht ablenken und/oder streuen.
10. Verwendung einer Schutzvorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zum Schützen von
empfindlichen Gegenständen, Menschen, Tieren und/oder Pflanzen .
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