4. Лазерне випромінювання

Класифікація лазерів за ступенями небезпечності лазерного випромінювання. Широке застосування в промисловості, науці і медицині знаходять оптичні квантові генератори (ОКГ) – лазери. Лазери використовують при дефектоскопії матеріалів, в радіоелектронній промисловості, в будівництві, при обробці твердих і надтвердих матеріалів. За їх допомогою здійснюється багатоканальний зв'язок на великих відстанях, лазерна локація, дальнометрія, швидке опрацювання інформації.

Лазер - це генератор електромагнітних випромінювань оптичного діапазону, робота якого полягає у використанні вимушених випромінювань. Принцип дії лазера базується на властивості атома (складної квантової системи) випромінювати фотони при переході із збудженого стану в основний (з меншою'енергією).

Головною особливістю лазерного випромінювання є його чітка спрямованість, що дозволяє на великій відстані від джерела отримати точку світла майже незмінних розмірів з великою концентрацією енергії.

За характером генерації електромагнітних хвиль лазери поділяються на імпульсні (тривалість випромінювання до 0,25с) і лазери безперервної дії (тривалість випромінювання від 0,25с і більше).

У зв'язку з малою довжиною хвилі лазерне випромінювання може бути сфокусоване оптичними системами невеликих геометричних розмірів (розміри обмежені дифракцією), завдяки чому на малій площі досягається велика густина енергії випромінювання. Випромінювання лазера з величезною густиною потужності руйнує і випаровує матеріали. Одночасно в області падіння лазерного випромінювання на поверхню в матеріалі створюється світловий тиску сотні тисяч мегапаскалей (мільйони атмосфер) (лазерний промінь – потік фотонів, кожний з яких має енергію й імпульс сили) до 10⁶ МПа. При цьому виникає температура до декількох мільйонів градусів К. При фокусуванні лазерного променя в газі відбувається утворення високотемпературної плазми, що є джерелом легкого рентгенівського випромінювання (1 нм).

Вражаюча дія лазерного променя залежить від потужності, довжини хвилі випромінювання, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, часу взаємодії, біологічних та фізико-хімічних особливостей опромінюваних тканин та органів.

Термічна дія випромінювання лазерів безперервної дії має багато спільного із звичайним нагріванням. При помірній інтенсивності випромінювання на шкірі можуть з'явитися видимі зміни (порушення пігментації, почервоніння) з досить чіткими межами ураженої ділянки, а при інтенсивності випромінювання понад 100 Вт/с виникає кратероподібний отвір внаслідок руйнування та випарюван­ня клітинних структур.

Загалом, шкіряний покрив, який сприймає більшу частину енергії лазерного випромінювання, значною мірою захищає організм людини від серйозних внутрішніх ушкоджень. Але є відомості, що опромінення окремих ділянок шкіри викликає порушення у різних системах організму, особливо нервовій та серцево-судинній.

При великій інтенсивності і дуже малій тривалості імпульсів спостерігається біологічна дія лазерного випромінювання, обумовлена процесами, які виникають внаслідок вибіркового поглинання тканинами електромагнітної енергії, а також електричними і фотоелектричними ефектами. Тому, при відносно слабких ушкодженнях шкіри може виникати ураження внутрішніх тканин – набряки, крововиливи, змертвіння тканин, згортання крові. Результатом лазерного опромінення, навіть дуже малих доз, можуть бути такі явища, як нестійкість артеріального тиску, порушення серцевого ритму, втома, роздратування, головний біль, підвищена збудженість, порушення сну. Звичайно, такі порушення зворотні і зникають після відпочинку.

Особливо чутливі до дії лазерного випромінювання очі людини. Ураження очей виникає від влучення як прямого, так і відбитого променя лазера, навіть якщо поверхня відбиття не є дзеркальною. Характер ураження залежить від довжини хвилі. Найсерйознішу небезпеку становить випромінювання УФ діапазону, яке може призвести до зміни структури білка (коагуляція) рогівки та опіку слизової оболонки, що викликає повну сліпоту. Випромінювання видимого діапазону впливає на клітини сітківки, внаслідок чого настає тимчасова сліпота або втрата зору від опіку з наступною появою рубцевих ран. Випромінювання 14 діапазону, яке поглинається райдужною оболонкою, кришталиком та скловидним тілом, більш-менш безпечне, але також може спричинити сліпоту.

Внаслідок лазерного опромінення у біологічних тканинах організму можуть виникати вільні радикали, які активно взаємодіють з органічними молекулами та порушують нормальний хід процесів обміну на клітинному рівні. Наслідком цього є загальне погіршення стану здоров'я.

Під лазерною безпекою розуміється сукупність організаційних, технічних і санітарно-гігієнічних заходів', які забезпечують безпеку умов праці персоналу при використанні лазерів.

Прийняття тих або інших заходів лазерної безпеки залежить, перш за все, від класу лазера (табл. 5).

Клас небезпеки лазера встановлюється підприємством, яке його виготовляє. Усі лазери повинні бути марковані знаком лазерної небезпеки. Усі лазери повинні бути марковані знаком лазерної небезпеки.

Таблиця 5

Небезпека випромінювань лазерів в залежності від їх класу

Клас лазера	Небезпека вихідного випромінювання лазера
І	Не є небезпечним для очей та шкіри
2	Становить небезпеку при опроміненні очей прямим або віддзеркаленим випромінюванням
3	Становить небезпеку при опроміненні очей прямим, віддзеркаленим, а також дифузно віддзеркаленим видимим випромінюванням на відстані 10 см від дифузно віддзеркалюючої поверхні та при опроміненні шкіри прямим або віддзеркаленим випромінюванням
4	Становить небезпеку при опроміненні шкіри найбільш потужними дифузно віддзеркаленим випромінюванням на відстані 10 см від цієї поверхні

Специфіка захисту від лазерного випромінювання. Нормування лазерного випромінювання здійснюється згідно санітарних, норм і правила СНиП 5804-91. За нормативами для проектування лазерної техніки має бути діючим принцип відсутності впливу на людину прямого, дзеркального та дифузного випромінювання. Регламентуються гранично допустимі рівні (ГДР) для кожного режиму роботи лазера і його спектрального діапазону і встановлюється для двох умов – одночасного та хронічного (того, що систематично повторюється) опромінювання. Граничні значення щільність потоку нормується на шкірі, сітківці, рогівці. Наприклад, відповідно до санітарних норм, під час роботи з ОКГ ГДР випромінювання для очей є енергія, яка нормується в залежності від довжини хвилі і тривалості впливу.

Вимоги безпеки під час роботи з ОКГ повинні враховувати крім дії лазерного променя (прямого, дзеркально та дифузно відбитого) комплекс інших шкідливих та небезпечних факторів, якими супроводжується експлуатація ОКГ:

- висока напруга зарядних пристроїв, що живлять батарею конденсаторів великої ємності;

- забруднення повітряного середовища хімічними речовинами, що утворюються під час накачування (озон, оксид азоту) та під час випаровування матеріалу мішені (оксид вуглецю, оксиди металів і ін.);

- УФ випромінювання імпульсних ламп і газорозрядних трубок (супутнє випромінювання);

- світлове випромінювання під час роботи ламп розжарювання;

- рентгенівське випромінювання (супутнє вторинне);

- утворення часток високих енергій під час опромінення мішені ЛВ;

- іонізуюче випромінювання, використовуване для накачування;

- ЕМП. що утворюються під час роботи генераторів ВЧ, УВЧ;

- шуми при роботі механічних затворів, насосів, шум ударних хвиль;

- токсичні рідини (робоче тіло в рідинних ОКГ), наприклад, оксиди хлору, фосфору та ін.

Таким чином, експлуатація лазерів потребує впровадження комплексу різноманітним захисних заходів. Діючі ОКГ слід розміщати в окремих, спеціально виділених приміщеннях, які не повинні мати дзеркальних поверхонь. Поверхні примі­щень повинні мати коефіцієнт відбивання не більш 0,4. Стіни, стеля і підлога повинні мати матову поверхню. У приміщенні повинна бути висока освітленість (КПО > 1,5%, Е_заг > 150 лк). Приміщення повинне обладнуватись загальнообмінною вентиляцією і місцевими відсмоктувачами. Забороняється проводити орієнтацію промення на вікна та двері. Суворо обмежується доступ осіб до ОКГ. Установлюються попереджувальні знаки і система сигналізації про роботу ОКГ. По можливості доцільно екранувати промінь (поміщувати у світлонепроникному екрані). Застосовують різні типи екранів для запобігання виходу променя (металеві, пластмасові). Вивішують знаки безпечної (небезпечної) зони (ГОСТ 12.4.026-76).

Для запобігання ураженню органів зору застосовують спеціальні окуляри зі світлофільтрами. Як матеріали для протилазерних окулярів використовують: поглинаючі стекла і пластмаси; відбиваючі діелектричні тонкоплівочні, що відбивають 90-95% падаючої світлової енергії (оксиди титану та ін.); комбіновані, що складаються з поглинаючих і відбиваючих матеріалів.

Важливі характеристики фільтрів: висока вибірковість положення і відбивання, а також значна термостійкість. У цьому плані найкращі показники мають багатошарові фільтри. Для багатошарових фільтрів граничне значення пробою може досягати 10¹⁵ Вт/м². Для кожної довжини хвилі підбираються окуляри з відповідними характеристиками.

Поряд із захисними окулярами в лабораторіях з використанням ОКГ необхідно виключити попадання лазерного випромінювання на відкриті ділянки шкіри. При густині 50 Дж/см² у людини спостерігаються значні необоротні ушкодження відкритої шкіри. Для захисту шкіри застосовують фетровий одяг, шкіряні рукавички.

Для зменшення густини відбитої (дифузійної) енергії необхідно підбирати колір фарбування стін. Таж, темносиня олійна фарба відбиває тільки 16% хвиль довжиною 1,06 мкм і 12% хвиль 0,69 мкм. Низьке відбиття для хвиль довжиною 0,69 мкм має темнозелене фарбування (15%). Для створення екрануючих штор рекомендують чорні густі тканини, які не пропускають хвилі завдовжки 1,06-0,69 мкм.