Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Підручник №1.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
3.37 Mб
Скачать

2.9.3. Захист від лазерних випромінювань

Характеристика лазерного випромінювання (ЛВ). В даний час

лазерна техніка знаходить дуже широке застосування. Зараз нарахову1

ється більше 200 галузей застосування ОКГ. Вони використовуються в

дальнометрії, системах передачі інформації, телебаченні, спектроскопії,

в електронній та обчислювальній техніці, для забезпечення термоядер1

них процесів, біології, медицині, у металообробці, металургії, під час

обробки твердих і надтвердих матеріалів, під час зварювальних робіт і ін.

Мала кутова розбіжність ЛВ дозволяє здійснити його фокусування на

площах малих розмірів (порівняних з довжиною хвилі) і одержувати

щільність потужності світлового потоку, достатнью для інтенсивного

розігрівання і випаровування матеріалів (густина потужності випромі1

нювання досягає 1011–1014 Вт/см2). Висока локальність нагрівання і від1

сутність механічних дій дозволяє використовувати лазери для збирання

мікросхем (зварювання металевих виводів і напівпровідникових матері1

алів). За допомогою лазерного променя здійснюють проплав багатоша1

рових матеріалів. Використовують ОКГ для приєднання резисторів,

конденсаторів, виготовлення друкованих схем. Широко використову1

ють ОКГ для одержання мікроотворів у надтвердих матеріалах.

Розширене застосування лазерних установок у різних галузях

діяльності людини сприяє залученню великої кількості працівників

для їх обслуговування. Поряд з унікальними властивостями (спрямо1

ваність і величезна густина енергії в промені) і перевагами перед

іншим устаткуванням лазерні установки створюють певну небезпеку

для здоров’я обслуговуючого персоналу.

Принцип дії лазерного випромінювання заснований на викорис1

танні змушеного (стимульованого) електромагнітного випромінюван1

ня, одержуваного від робочої речовини в результаті порушення його

атомів електромагнітною енергією зовнішнього джерела. Стимульо1

ване випромінювання має такі якості:

1 – когерентність (сталість різниці фаз між коливаннями і монох1

роматичність – практично ширина смуги випромінювання 2 Гц);

2 – мала розбіжність променя (22" – теоретична, 2' – практична);

3 – висока густина потужності (1014 Вт/см2).

У залежності від характеру робочої речовини розрізняють ОКГ: твер1

дотілі (робоча речовина – рубін, скло з неодимом, пластмаси); напівпро1

відникові (Zn0, CaSe, Te, Pb і ін.); рідинні (з рідко земельними активато1

рами, органічними барвниками); газові (He1Ne, Ar, Xe, CO2 та ін.).

За режимом роботи лазери підрозділяються на безупинної дії й

імпульсні. Зараз отримано лазерне випромінювання в діапазоні від

0,6 Мм (субміліметрові) до 1 мкм, що входить в області іч, видиму

УФ. Уже з'явилися повідомлення про створення лазерів у діапазоні

рентгенівського (6 нм – 0,01 нм) і ведуться роботи зі створення лазе1

рів в області гамма1випромінювання (0,01–0,0005 нм). Лазерне

випромінювання в цих діапазонах крім монохроматичності, когерент1

ності, гострої спрямованості і високої густини потужності буде мати і

високу проникаючу здатність. Як ми вже говорили, лазерне випромі1

нювання може бути сконцентрованим у вузько спрямованому проме1

ні з великою густиною потужності. Густина потужності в промені

лазера досягає великих величин внаслідок додавання енергії безлічі

когерентних променів окремих атомів, що приходять в обрану точку

простору в однаковій фазі.

Густина потужності лазерного випромінювання на малій площині

об'єкта визначається формулою:

250

2 2 ,

2

f

P D

Ps

=

(2.74)

де Р – вихідна потужність випромінювання лазера;

D – діаметр об’єкта оптичної системи;

– довжина хвилі;

f – фокусна відстань оптичної системи.

Наприклад: Р = 1 МВт, = 0,69 мкм, D/f = 1,2, тоді Ps = 3 · 1014 Вт/см2.

Для порівняння густина потужності випромінювання на поверхні Сонця

108 Вт/см2.

Лазерне випромінювання з високою густиною потужності супро1

воджується високою напруженістю електричного полю:

2 / , 0 En =  s = s μ (2.75)

де – магнітна проникність середовища (для повітря 0 = 4· 1017 Гн/м);

– діелектрична проникність середовища (для повітря 0 = 8,85 · 10112 Ф/м).

Значення електричної напруженості у вакуумі, якщо Р = 1 МВт,

складає 2.74 · 106 В/м.

Випромінювання лазера з величезною густиною потужності руй1

нує і випаровує матеріали. Одночасно в області падіння ЛВ на

поверхню в матеріалі створюється світловий тиску сотні тисяч

251

мегапаскалей (мільйони атмосфер) (лазерний промінь – потік фото1

нів, 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 високо1

температурної плазми, що є джерелом легкого рентгенівського випро1

мінювання (1 нм).

При проходженні променю через неоднорідне середовище (пові1

тря, (деяке середовище) відбувається розбіжність і блукання, тобто

відбивання променя. Відрізняють дзеркальне і дифузне відбивання

лазерного променя.

Для оцінки дифузного відображення випромінювання слід врахо1

вувати геометричні розміри поверхні, що відбиває (крапкова чи про1

тяжна).

Густина енергії для прямого випромінювання визначається фор1

мулою

,

( )

4 0 e R

R

I

Å ⋅-

⋅⋅

=

ϕ

(2.76)

де I0 – вихідна енергія ОКГ, (Вт) Дж;

ϕ– кут розбіжності випромінювання;

R – відстань ОКГ до розрахункової точки, м;

– коефіцієнт ослаблення випромінювання ОКГ повітряним середовищем

(залежить від дальності видимості) = 3,9/V, V – видимість.

В умовах відбитого випромінювання густина енергії в заданій

точці можна визначити за формулою:

,

cos

1

R2 K

I K

Å n

⋅⋅

⋅⋅

=

(2.77)

де In – енергія, що падає на відбиваючу поверхню, Дж;

К – коефіцієнт відбиття поверхні;

– кут між нормаллю до поверхні і напрямком візування;

К1 – коефіцієнт, що враховує розміри плями (наприклад, якщо R > 30r (раді1

усів плям), то К1 = 1 (точкове джерело).

Біологічна дія лазерного випромінювання. Під біологічною дією розумі1

ють сукупність структурних, функціональних і біохімічних змін, що виника1

ють у живому організмі. ЛВ впливають на весь організм – шкіру, внутрішні

органи, але особливо небезпечне для зору. Результат впливу ЛВ визначається

як фізіологічними властивостями окремих тканин (відбиваючою і поглинаю1

чою здатністю, теплоємністю, акустичними і механічними властивостями), так

і характеристиками ЛВ (енергія в імпульсі, щільність потужності, довжина

хвилі, тривалість дії, площа опромінювання). Тому що біологічні тканини

мають різні характеристики поглинання, ЛВ діє вибірково на різні органи.

При дії лазерного випромінювання на біологічні об’єкті розрізня1

ють термічний та ударний ефекти.

Термічний ефект. Ураження ЛВ подібне до тепловогу опіку: відбу1

вається омертвляння тканин у результаті опіку. Для ЛВ характерні

різкі границі уражених ділянок і можливість концентрації енергії в

глибоких шарах тканини. На характер ушкодження сильно впливає

ступінь природного пофарбування (пігментації), мікроструктура і

щільність тканин. Максимальному ураженню піддаються тканини, що

містять безбарвну речовину – меланин (пігмент шкіри), який погли1

нає max = 0,5 – 0,55 мкм, тобто в діапазоні випромінювань найбільш

розповсюджених ОКГ. Специфічне фарбування печінки і селезінки

призводить до того, що їх max = 0,48 і 0,51 мкм – характерні частоти

аргонових ОКГ (синьо1зелене забарвлення). Залежність ступеня ура1

ження від потужності випромінювання близька до лінійного. Для

ОКГ із = 0,48–10,6 мкм гранична щільність лазерної енергії для біо1

логічної тканини дорівнює 50 Дж/см2.

Прояв теплової дії: від опікових міхурів і випаровування поверхне1

вих шарів до ураження внутрішніх органів. Ступінь ураження поверх1

ні тіла залежить від того, сфокусоване чи несфокусоване випроміню1

вання. Для внутрішніх органів фокусування ЛВ має менше значення.

Тепловий ЛВ ефект характерний у випадку безупинного режиму

роботи ОКГ.

Ударний ефект. Причиною багатьох видів ураження ЛВ є ударні

хвилі. Різке підвищення тиску поширюється спочатку з надзвуковою

швидкістю, а потім сповільнюється. Ударна хвиля може виникнути як

на поверхні тіла, так і у внутрішніх органах. Поширення ударної хвилі

в організмі призводить до руйнування внутрішніх органів без будь1

яких зовнішніх проявів. Взаємодія ЛВ з біологічною тканиною, крім

ударної хвилі, призводить до появи УЗ хвиль (2 · 104 – 1013 Гц), що

викликають кавітаційні процеси і руйнування тканин.

Ударний ефект характерний для імпульсного режиму роботи ОКГ.

Вплив ЛВ невеликої інтенсивності призводить до різних функціо1

нальних зрушень у серцево1судинній системі, ендокринних залозах,

центральній нервовій системі. З’являється стомлюваність, великі

стрибки артеріального тиску, головні болі та ін.

З локальних дій найбільше небезпечне ЛВ для очей. Для < 0,4 мкм

і > 1,4 мкм ЛВ являє небезпеку для рогівки очей і шкіри, а у значен1

252

253

нях = 0,4 – 1,4 мкм – для сітківки ока. Кришталик ока діє, як додатко1

ва фокусуюча оптика, що підвищує концентрацію енергії на сітківці. Це

значно (у 5–10 разів) знижує максимально припустимий рівень опромі1

нювання для зіниці ока.

Нормування лазерного випромінювання. Нормування лазерного випро1

мінювання здійснюється згідно санітарних норм і правила СНиП 5804191. За

нормативами для проектування лазерної техніки має бути діючим принцип

відсутності впливу на людину прямого, дзеркального та дифузного випромі1

нювання.

Визначаючи клас небезпеки лазерного випромінювання врахо1

вують три спектральних діапазони (нм): I – 180 < ≤380,

II – 380 < ≤1400, III – 1400 < ≤105.

Нормованими параметрами ЛВ з погляду небезпеки є енергія W

(Дж) і потужність P (Вт) випромінювання, що пройшло обмежуючу

апертуру діаметрами dа = 1,1 мм (у спектральних діапазонах I і II) і

dа = 7 мм (у діапазоні III); енергетична експозиція H і опромінення E,

усереднені по обмежуючій апертурі:

H = W/Sa; E = P/Sa, (2.78)

де Sa — площа обмежуючої апертури.

Згідно нормативам лазерне устаткування за ступенем небезпеки

розділяється на 4 класи:

1 клас – повністю безпечні лазери, які не мають шкідливої дії на очі

та шкіру;

2 клас – мають небезпеку для очей та шкіри у випадку дії коліміро1

ваним (прямим), тобто замкнутим у малому куті розповсюдження

пучком; однак, дзеркальне або дифузне випромінювання таких лазе1

рів безпечне для людини;

3 клас – це лазери, які діють у видимій межі спектру і являють

небезпеку як для очей (прямим і дзеркальним випромінюванням на

відстані 10 см від відбиваючої поверхні), так і шкіри (тільки прямий

пучок);

4 клас – найбільш потужні лазери, які небезпечні при дифузному

випромінюванні для очей і шкіри на відстані 10 см від дифузно відби1

ваючої поверхні.

Згідно СНиП 5804191 регламентуються гранично допустимі рівні

(ГДР) для кожного режиму роботи лазера і його спектрального діапа1

зону і встановлюється для двох умов – одночасного та хронічного

(того, що систематично повторюється) опромінювання. Граничні зна1

чення щільність потоку нормується на шкірі, сітківці, рогівці. Напри1

клад, відповідно до санітарних норм, під час роботи з ОКГ ГДР випро1

мінювання для очей є енергія W (Дж), яка нормується в залежності

від довжини хвилі і тривалості впливу (таблиця 2.27). Гранично допу1

стимі рівні лазерного випромінювання у діапазоні 1400 < ≤105 нм

наведені у таблиці 2.28.

254

Таблиця 2.27

Гранично допустимі дози у випадку однократного впливу

на очі колімірованого (прямого) лазерного випромінювання

Довжина хвилі , нм Тривалість впливу t, с WГДР, Дж

380<≤600

t2,3·10-11 t2

2,3·10-11<t5·10-5 8·10-8

5·10-5<t1 5,9·10-5 t2

600<≤750

t 6,5·10-11 t2

6,5·10-11<t5·10-5 1,6·10-7

5·10-5<t1 1,2·10-4 t2

3

3

3

3

750<≤1000

t2,5·10-10 t2

2,5·10-10<t5·10-5 4·10-7

5·10-5<t1 3·10-4 t2

1000<≤1400

t 10-9 t2

10-9<t5·10-5 10-6

5·10-5<t1 7,4·10-4 t2

3

3

3

3

Примітки: 1. Тривалість впливу менше 1 с.