6.3. Лазерное излучение

Лазерное излучение (ЛИ) – излучение огромной интенсивности оптического квантового генератора связано с широким распространением высокоэнергетических процессов. Благодаря уникальным свойствам излучения лазеры нашли широкое применение в науке и технике (машиностроение, авиация и космонавтика, судостроение, геодезия, строительство, измерительная техника, галография, исследование структуры вещества, вычислительная техника, микроэлектроника, создание различных оптических эффектов в театрально-зрелищных мероприятиях, разделение изотопов и т.д.). Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и водной поверхности, определять внутренние дефекты в различных механизмах. Исключительно большое применение лазеры нашли в медицине, в том числе для диагностики и лечении различных заболеваний. Такое широкое их применение возможно благодаря та­ким уникальным свойствам, как монохроматичность и высокая плотность излучаемых колебаний, а также благо­даря возможности формирования узких пучков излучения с высокой концентрацией в них электромагнитной энер­гии. Излучение может охватить весь оптический диапазон электромагнитной энергии. Это дает возможность концентрировать световую энергию в пространстве. Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют давать непрерывное излучение, позволяют создавать интенсивность порядка 10 ¹⁰ Вт/см ² , что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает 10 ¹⁵ Вт/см² и больше, что открывает возможность создания управляемого термоядерного синтеза.

Различают следующие режимы генерации ЛИ :

импульсный;

импульсно-периодический;

непрерывный.

Диапазон длин волн, излучаемых лазером, охватывает видимый спектр и распространяется на инфракрасную и ультрафиолетовую области. Чаще всего используются ла­зеры с длиной волн 0,49-0,51; 0,53-0,63; 0,694, 1,06 и 10,6 мкм. Видимая область лежит в пределах 0,4-0,86 мкм.

Параметрами воздействия ЛИ являются :

энергия одного импульса в Дж;

мощность непрерывного излучения в Вт;

расстояние до границы рабочей зоны (ГРЗ) в см.

По санитарным нормам источники излучения оптиче­ского диапазона в зависимости от спектрального состава излучения делятся на четыре диапазона.

Класс 1 (безопасное) – выходное излучение вредно, но не опасно для глаз.

Класс 2 (молоопасное) – опасно для глаз прямое или зеркально отраженное излучение.

Класс 3 (среднеопасное) – опасно для глаз прямое, зеркально или диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение.

Класс 4 (высокоопасное) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности. Это источники ЭМИ в диапазоне волн от 0,2 дм до 1000 мкм.

В качестве ведущих критериев по оценке степени опасности генерирующего ЛИ приняты величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиция излучения.

Предельно допустимые уровни, требования к устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров регламентированы «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров № 2392-81», которые позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с лазерами. Санитарные нормы и правила позволяют определить величины ПДУ для каждого режима работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам. Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей. Для лазерного излучения видимой области спектра для глаз учитывается также и угловой размер источника излучения.

Предельно допустимые уровни облучения дифференцированы с учетом режима работы лазеров - непрерывный режим, моноимпульсный, импульсно-периодический.

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения. Энергия излучения лазеров в биологических объектах (ткань, орган) может претерпевать различные превращения и вызывать органические изменения в облучаемых тканях (первичные эффекты) и неспецифические изменения функционального характера (вторичные эффекты), возникающие в организме в ответ на облучение.

Воздействие ЛИ на организм носит сложный характер и обусловлено как непосредственным воздействием ЛИ на облучаемые ткани, так и вторичными явлениями, выра­жающимися в различных изменениях, возникающих в организме. В оценку эффективности этих излучений поло­жено их взаимодействие с тканями организма человека, в частности, с роговицей глаза и кожей. Биологическое воз­действие ЛИ бывает термическим (ожог) — быстрый на­грев и мгновенное 'закипание жидкости, приводящее к ме­ханическому повреждению, и нетермическим, возникаю­щим в результате избирательного поглощения тканями ЭМ энергии. Первичный эффект проявляется в виде орга­нических изменений в облучаемых тканях (глаз, кожи). Сфокусированный на сетчатке хрусталиком глаза лазер­ный луч будет иметь вид малого пятна с еще более плот­ной концентрацией энергии, чем попадающее в глаз излу­чение. Энергия лазера адсорбируется пигментным эпите­лием и в течение очень короткого времени повышает в нем температуру до высоких уровней, вызывая термкоогуляцию прилегающих тканей – хореолетинальный ожог. Наибольшая проницаемость глаза, доходящая до 100%, лежит в области 0,5-0,9мкм. Влияние излучения лазера на орган зрения (от небольших функциональных нарушений до полной потери зрения) зависит в основном от длины волны и локализации воздействия. Длительное облучение глаз в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика. Воздействие на глаз сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает тепловой ожог глазного дна с необратимыми повреждениями сетчатки глаза. Облучение глаз сопровождается развитием дистрофических изменений в коре головного мозга.

Импульсное ЛИ представляет большую опасность, чем непрерывное, так как в этом случае повреждение глазного дна вызывается комбинированным действием – термическим и механическим.

При применении лазеров большой мощности и расширении их практического использования возросла опасность случайного повреждения не только органа зрения, но и кожных покровов и даже внутренних органов с дальнейшими изменениями в центральной нервной и эндокринной системах. Под воздействием непрерывного ЛИ происходит коогуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При мощности излучения в импульсе свыше 10⁷ Вт и высокой степени фокусирования лазерного луча возможно образование ионизирующего излучения.

Воздействие на кожу. Интенсивное лазерное облучение кожи может вызвать в ней различные повреждения от легких функциональных изменений, сопровождающихся покраснением (эритема) до тяжелых патологических, включая омертвление (некроз). Наибольшее биологическое воздействие оказывает ЛИ с длинами волн 0,28…0,32 мкм. Оно наиболее глубоко проникает в кожу и обладает выраженным канцерогенным действием.

Степень воздействия определяется интенсивностью ЛИ, степенью пигментации кожи и состоянием кровообращения. Темная кожа, особенно при наличии родимых пятен, поглощает большую часть энергии по сравнению со светлой, а при белой энергия излучения проникает под кожу и повреждает расположенные под ней сосуды и нервные окончания.

При большой интенсивности облучения возможны повреждения не только глаз и кожи, но и внутренних органов и тканей. Они имеют характер отеков, кровоизлияний, омертвления тканей. Одним из наиболее уязвимых внутренних органов для воздействия ЛИ является печень.

ЛИ благодаря высокой интенсивности (I = 109 Вт/см²) также может воздействовать на элементы радиоэлектронной аппаратуры, вызывая, в частности, значительный нагрев поверхности облучаемых полупроводников. Если плотность потока тока энергии лазерного импульса превышает определенный порог (W_пл). поверхностный слой полупроводникового элемента испытывает фазовый переход плавления. При этом имеет место диффузия материала (примесей) и поверхности полупроводника в расплавленный слой, а также нарушение стехнометрического состава этого соя за счет испарения одной наименее устойчивой к нагреву компоненты в полупроводниках сложного состава.

В условиях допороговых энергий лазерного импульса (W ≤ W_пл) возникают точечные дефекты (электронное возбуждение, деформация и тепло). Тепловыделение при лазерном воздействии вызывает термализацию неравновестных носителей и решетки кристалла, а вместе с электронным возбуждением – деформацию поверхностного слоя за счет увеличения или уменьшения межатомного расстояния в молекулах кристаллов.

Ударный эффект

Кроме термического эффекта при действии лазерного излучения на ткани организма имеет место ударный эффект. При облучении поверхности кожи происходит испарение частиц, вследствие чего поверхности передаётся импульс, направленный в противоположном направлении, т.е. по ходу лазерного излучения. Одновременно с этим в облучаемой зоне образуется тепловое объёмное расширение. Из-за быстроты протекания процесса тепло не успевает передаться от более нагретых участков к менее нагретым . В результате начинает распространяться механическая волна вглубь ткани. Каждая молекула ткани организма обладает строго определённым запасом энергии, которому соответствует определенная структура энергетических уровней. При изменении структуры электронных уровней начинаются пространственные изменения в расположении молекул различных соединений. Поглощение клеткой лазерного излучения приводит к образованию паров внутри клеток и их гибели. Тепловое расширение клеток порождает гораздо большее давление, чем давление, образующееся при испарении частиц с поверхности. Повышение давления распространяется со сверхзвуковой скоростью (по характеру напоминает ударную волну) и только по мере проникновения вглубь ткани замедляется.

Таким образом при лазерном облучении разрушению могут подвергаться не только покровные ткани, но и внутренние органы без видимых наружных поражений.

В результате воздействия лазерного излучения на вещество возникают дополнительные колебания молекул с частотой 2-10⁴-10¹³ Гц. Они также являются причиной повреждения облучаемых участков тканей. Белки, находящиеся во всех клетках живого организма, являются основным классом соединений, который определяет понятие «жизнь». Попадание лазерного излучения на ткань приводит к свёртыванию белков и образованию периодически повторяющихся зон уплотнённого вещества - коогулята или свернувшегося белка. Возникают колебания коогулята. Они приводят к образованию стоячей волны (наложение основной и отражённой волн) на различных по плотности веществ. В результате погибает большое количество клеток.

Кроме того, при действии ЛИ могут возникать сопутствующие опасные факторы:

сохранение электрического заряда после разряда конденсатора в накопительных батареях, системах управления и других узлах;

акустический шум до 120 ДБ на частоте 1000-250 Гц, возникающий в момент настройки лазера и в процессе взаимодействия ЛИ с мишенью. При работе мощных твердотельных лазеров импульсного действия дополнительным источником шума является блок накачки. Наиболее характерным типом интенсивного шума лазерных установок является импульсный шум. Вся энергия импульса беспрепятственно проходит во внутреннее ухо, обладая значительной интенсивностью, вызывая серьезные изменения в чувствительных клетках;

вредные химические примеси в воздухе рабочих помещений, образующиеся при разряде импульсных ламп накачки (озон, окислы азота), при действии его излучения на обрабатываемые материалы и в результате испарения материала мишени (оксид углерода, свинец, ртуть и др.). В жидкостных лазерах активная среда представляет собой раствор красителей или редкоземельных элементов в ацетоне, диметилформальдегиде, спиртах, кислотах и др. Особой токсичностью отличается семинил в присутствии четыреххлористого олова и оксихлорид фосфора.

В газовых лазерах активной средой является или смесь газов с парами металлов, брома, шестифтористой серы и др. В химических лазерах для создания активной среды используют смеси водорода и дейтерия с галогенами. При увеличении мощности излучения лазера в воздушную среду могут поступать пары нитробензола, сероуглерода, бензола и др;

воздействие ЭМ поля ВЧ и СВЧ на организм в целом заключается в том, что рентгеновское излучение при фокусировании ЛИ в газе в режиме модулирования добротности приводит к образованию сгустка высоко ионизированной плазмы с плотностью электронов 1045-1020 на см³. Этот вид ЛИ генерируется при использовании источников питания с напряжением свыше 15 кВ (вакуумные выпрямительные кенотроны и тиратроны, генераторные лампы).

Основным нормирующим фактором ЛИ является энергетическая экспозиция Н и облученность Е облучаемых тканей. Ее предельно допустимый уровень нормируется в спектральном диапазоне от180 до 10⁵ нм. Величина ПДУ зависит от длины волны, длительности импульса, частоты повторений импульсов, продолжительности воздействия импульсов, а в видимой части спектра – дополнительно от освещенности роговицы глаза. Необходимо учитывать, что на ряд параметров ЛИ не разработаны их значения. Существуют лишь расчетные.

Любое лазерное изделие должно иметь пояснительный знак с надписью. Рамки текста и обозначения должны быть черными на желтом фоне.

Таким образом, ЛИ может представляет опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также воздействует на внутренние органы, такие как печень, спинной мозг и др. При эксплуатации лазерных установок (изделий) необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании ЛИ на горючие материалы.

Основным документом, регламентирующим требования безопасности при эксплуатации лазерных установок являются «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» № 5804 -91 (СанПиН-лазер), методические рекомендации "Гигиена труда при работе с лазерами", утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.; ГОСТ 24713-81 "Методы измерений параметров лазерного излучения. Классификация", ГОСТ 24714-81 "Лазеры. Методы измерения параметров излучения. Общие положения"; ГОСТ 12.1.040-83 "Лазерная безопасность. Общие положения"; ГОСТ 12.1.031 -81 "Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения".

Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, организационного, санитарно-гигиенического характера. При использовании лазеров II—III классов в целях исключения облучения персонала необходимо либо ограждение лазерной зоны, либо экранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны изготавливаться из материалов с наименьшим коэффициентом отражения, быть огнестойкими и не выделять токсических веществ при воздействии на них лазерного излучения. Лазеры IV класса опасности размещаются в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением их работой.

При размещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможность взаимного облучения операторов, работающих на различных установках. Не допускаются в помещения, где размещены лазеры, лица, не имеющие отношения к их эксплуатации. Запрещается визуальная юстировка лазеров без средств защиты.

Для удаления возможных токсических газов, паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Для защиты от шума принимаются соответствующие меры звукоизоляции установок, звукопоглощения и др.

К индивидуальным средствам защиты, обеспечивающим безопасные условия труда при работе с лазерами, относятся специальные очки, щитки, маски, обеспечивающие снижение облучения глаз до ПДУ. Защитные очки бывают открытые и закрытые с бесцветным стеклами и стеклами-светофильтрами, селикатными или пластмассовыми. Лицевые щитки применяются в тех случаях, когда ЛИ представляет опасность не только для глаз, но и для кожи лица.

Лазерный бронежилет, состоящий из отдельных уголковых отражателей, предназначен для активной защиты от ЛИ, которая заключается в отражении падающего луча, попадающего на ячеистую структуру бронежилет в строго противоположном направлении.

ОСВЕЩЕНИЕ

Свет является естественным условием жизнедеятельности человека, необходимым для сохранения здоровья и высокой производительности труда. С точки зрения безопасности жизнедеятельности чрезвычайно важна зрительная способность человека и зрительный комфорт. Много несчастных случаев происходит из-за неудовлетворительного освещения или из-за ошибок, сделанных по причине трудности распознавания того или иного предмета, связанных с управлением транспортных средств, оборудованием и др. Неудовлетворительная освещенность на рабочем месте является причиной снижения производительности и качества труда, получения травм.

Свет представляет собой видимые глазом электромагнитные волны оптического диапазона длиной 380-760 нм, воспринимаемые сетчатой оболочкой зрительного анализатора.

Для того, чтобы обеспечить условия для зрительного комфорта, к системе освещения предъявляются следующие требования :

равномерное освещение;

оптимальная яркость;

отсутствие бликов и ослепленности;

правильная цветовая гамма;

отсутствие пульсации света.

Свет должен включать компоненты как прямого, так и рассеянного излучения. Результатом этой комбинации станет тенеобразование, которое позволит правильно воспринимать форму и положение предметов на рабочем месте.

Освещение подразделяется на естественное, искусственное и совмещенное. Естественное освещение создается природными источниками света : прямыми солнечными лучами и диффузным светом небосвода (от солнечных лучей, рассеянных атмосферой). Естественное освещение является биологически наиболее ценным видом освещения, к которому максимально приспособлен глаз человека.

При недостатке освещенности естественного света используют искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света.

По своему конструктивному исполнению искусственное освещение бывает общим, общим локализованным и комбинированным. При общем освещении все места в помещении получают свет от общей осветительной установки. В этой системе источники света распределены равномерно без учета расположения рабочих мест Средний уровень освещенности должен быть равен уровню освещенности, требуемому для выполнения предстоящей работы. При этом часть света должна быть направлена на потолок или на верхнюю часть стен. Источники света должны быть установлены как можно выше, чтобы свести ослепление до минимума и сделать освещение как можно более равномерным.

Общая локализованная система освещения предназначена для увеличения освещения посредством размещения ламп ближе к рабочим местам. Чтобы светильники источник света из прямого поля зрения, их направляют вверх.

Комбинированное освещение наряду с общим включает местное освещение (например, торшер, настольная лампа…), сосредотачивающее световой поток непосредственно на рабочем месте. Использование местного освещения совместно с общим рекомендуется применять при высоких требованиях к освещенности.

Применение одного местного освещения недопустимо, т.к. возникает необходимость частой переадаптации зрения, создаются глубокие и резкие тени и другие неблагоприятные факторы. Поэтому доля общего освещения должна быть не менее 10%.

ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов – лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. ЛН наиболее широко распространены в быту из-за своей простоты, надежности и удобства в эксплуатации. ЛН дают теплый красновато-желтый цвет, способствующий отдыху, особенно вечером. Рекомендуются для жилых помещений. Однако в настоящее время их применение в значительной степени уменьшается из-за их низкой светоотдачи, небольшого срока службы и преобладанием в спектре желтых и красных лучей, что сильно отличает спектральный состав света от солнечного.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. ГЛ называют люминисцентными, т.к. изнутри колбы покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, издаваемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

ГЛ получили наибольшее распространение на производстве, в организациях и учреждениях. Для освещения в помещении наибольшее распространение получили ГЛ дневного света, колба которых заполнена парами ртути. Свет, излучаемый такими лампами, близок по своему спектру к солнечному.

Газоразрядные люминисцентные лампы низкого давления бывают с разным распределением светового потока по спектру : лампы белого света (ЛБ), холодно-белого света (ЛХБ), с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), тепло- белого цвета (ЛТБ), близкие по спектру к солнечному свету (ЛЕ), холодно-белого света с улучшенной цветопередачей (ЛХБЦ). Лампы ЛЕ и ЛДЦ применяются в случаях, когда предъявляются высокие требования к определению цвета. В остальных случаях – лампы ЛБ как наиболее экономичные.

В общем ЛЛ создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу, т.е. рекомендуется для освещения рабочих мест. ЛЛ наиболее целесообразно применять для освещения кухонь, ванных, прихожих, а также в комнатах с преобладанием холодных тонов в отделке интерьера, особенно в районах с жарким климатом. Их рекомендуется применять для местного освещения на рабочих местах, т.к. ЛЛ дают меньше тепловое излучение, лучшую цветопередачу и при той же электрической мощности более высокий уровень освещенности.

Недостатком газораспределительных ламп является пульсация светового потока, которая искажает зрительное восприятие и воздействует на зрение. Может возникать стробоскопический эффект, заключающийся в неправильном восприятии скорости движения предметов. Кроме того, к недостаткам относится длительность разгорания ламп, зависимость их работоспособности от температуры окружающей среды, создания радиопомех.

Светильники. Когда в поле зрения находится яркий источник света, происходит ослепление, результатом которого является уменьшение способности различать предметы. Человек страдает от глазного напряжения, а также от функциональных расстройств, часто не осознавая того. Во избежание этого целесообразно устанавливать источники света так, чтобы они были вне угла зрения. Этому требованию в большей степени отвечают светильники. По распределению света они подразделяются на светильники прямого, рассеянного и отраженного света.

Организация рабочего места для создания комфортных зрительных условий.

Освещенность рабочего места должна быть равномерной без значительной разницы в освещенности различных участков рабочего места, чтобы избегать частой переадаптации зрения. Переадаптация зрения приводит к быстрому зрительному утомлению, снижению работоспособности, общему утомлению, психическому перенапряжению.

Письменный стол должен располагаться в хорошо освещенном месте, желательно у окна. Человек за письменным столом должен располагаться лицом или левым боком к окну для того, чтобы избегать образования тени от тела или руки. Аналогичным образом должен располагаться светильник.

Светильники должны располагаться над рабочим местом вне запретного угла, равного 45⁰. Кроме того, конструкция светильника должна исключать ослепление лучами, отраженными от рабочей поверхности. Особенное внимание должно быть уделено освещению рабочего места пользователя компьютером, ибо работа за монитором – это очень напряженная и вредная зрительная работа.

Таблица 5

Рекомендуемые уровни наименьшей освещенности для различных зон и видов работы в помещении

Виды помещения и выполняемой работы в помещении	Наименьшая освещенность рабочей поверхности * в лк
Прием пищи	200/100
Приготовление пищи	200-100
Занятия, работа за письменным столом	300/150
Чтение в кресле	200-100
Ориентирование ночью	5/5
Отдых, чтение	200-100
Рукоделие	100-50
Прием гостей, беседы, игры	100/50
Туалет и косметика	200-100
Туалет в ванной, умывание, бритье	150-100
Мытье, стирка	150-100
Хозяйственные работы	400-200

* В числителе – освещенность при пользовании ЛЛ, в знаменателе – при ЛН

Аварийное освещение устраивается в производственных помещениях и на открытой территории для временного продолжения работ в случае аварийного отключения рабочего освещения. Оно должно обеспечивать не менее 50% освещенности от нормируемой при системе общего освещения.