2.9.3. Захист від лазерних випромінювань

Характеристика лазерного випромінювання. В даний час лазерна техніка знаходить дуже широке застосування. Зараз нараховується більше 200 галузей застосування ОКГ. Вони використовуються в дальнометрії, системах передачі інформації, телебаченні, спектроскопії, в електронній та обчислювальній техніці, при забезпеченні термоядерних процесів, біології, медицині, у металообробці, металургії, при обробці твердих і надтвердих матеріалів, при зварювальних роботах 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 випромінювання досягає 10¹¹-10¹⁴Вт/см²). Висока локальність нагрівання і відсутність механічних дій дозволяє використовувати лазери при збиранні мікросхем (зварювання металевих виводів і напівпровідникових матеріалів). За допомогою лазерного променю здійснюють проплав багатошарових матеріалів. Використовують ОКГ для приєднання резисторів, конденсаторів, виготовлення друкованих схем. Широко використовують 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 (спрямованість і величезна щільність енергії в промені) і перевагами перед іншим устаткуванням лазерні установки створюють певну небезпеку для здоров'я обслуговуючого персоналу.

Принцип дії лазерного випромінювання заснований на використанні змушеного (стимульованого) електромагнітного випромінювання, одержуваного від робочої речовини в результаті порушення його атомів електромагнітною енергією зовнішнього джерела. Стимульоване випромінювання має такі якості:

1 — когерентність (сталість різниці фаз між коливаннями і монохроматичність — практично ширина смуги випромінювання 2 Гц);

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

3 — висока щільність потужності (10¹⁴Вт/см²).

У залежності від характеру робочої речовини розрізняють ОКГ: твірдотільні (робоча речовина — рубін, скло з неодимом, пластмаси); напівпровідникові (Zn0, CaSe, Te, Pb і ін.); рідинні (з рідко земельними активаторами, органічними барвниками); газові (He-Ne, Ar, Xe, CO₂і ін.).

По режиму роботи лазери підрозділяються на безупинної дії й імпульсні. Зараз отримане 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 лазерів в області гамма-випромінювання (0.01-0.0005 нм). Лазерне випромінювання в цих діапазонах крім монохроматичності, когерентності, гострої спрямованості і високої щільності потужності буде мати і високу проникаючу здатність. Як ми вже говорили, лазерне випромінювання може бути сконцентрованим у вузько спрямованому промені з великою щільністю потужності. Щільність 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:

, (2.71)

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 P_s=310¹⁴Вт/см². Для порівняння щільність потужності випромінювання на поверхні Сонця 10⁸Вт/см².

Лазерне випромінювання з високою щільністю потужності супроводжується високою напруженістю електричного полю:

, (2.72)

де — магнітна проникність середовища (для повітряГн/м) ;

 — діелектрична проникність середовища (для повітря Ф/м).

Значення електричної напруженості у вакуумі при Р=1 МВт складає 2.7410⁶В/м.

Випромінювання лазера з величезною щільністю потужності руйнує і випаровує матеріали. Одночасно в області падіння лазерного випромінювання на поверхню матеріалу в ньому створюється світловий тиску сотні тисяч мегапаскалей (мільйони атмосфер) (лазерний промінь — потік фотонів, кожний з який 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).

При проходженні променю через неоднорідне середовище (повітря, деяке середовище) відбувається розбіжність і блукання тобто відбивання променя. Відрізняють дзеркальне і дифузне відбивання лазерного променя.

При оцінці дифузійного відображення випромінювання слід враховувати геометричні розміри поверхні, що відбиває (крапкова чи протяжна).

Густина енергії для прямого випромінювання визначається формулою

, (2.73)

де I₀— вихідна енергія ОКГ (Вт) Дж;

 — кут розбіжності випромінювання;

r — відстань ЭКГ до розрахункової точки;

 — коефіцієнт ослаблення випромінювання ОКГ повітряним середовищем (залежить від дальності видимості) =3.9/V, V — видимість.

В умовах відбитого випромінювання щільність енергії в заданій точці можна визначити по формулі:

, (2.74)

де I_n— енергія, що падає на відбиту поверхню, Дж;

К — коефіцієнт відображення поверхні;

— кут між нормаллю до поверхні і напрямком візування;

К₁— коефіцієнт, що враховує розміри плями (наприклад, якщо R>30r (радіусів плям), то К₁=1 (точкове джерело)).

Біологічна дія лазерного випромінювання. Під біологічною ЛВ дією розуміють сукупність структурних, функціональних і біохімічних змін, що виникають у живому організмі. ЛВ впливають на весь організм – шкіру, внутрішні органи і особливо небезпечне для зору. Результат впливу лазерного випромінювання визначається як фізіологічними властивостями окремих тканин (відбиваючою і поглинаючою 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 розрізняють термічний та ударний ефекти.

Термічний ефект.Ураження ЛВ подібне до тепловогу опіку: відбувається 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 поглинає_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 (синьо-зелене забарвлення). Залежність ступеня ураження від потужності випромінювання близька до лінійного. Для ОКГ із=0.48-10.6 мкм гранична густина лазерної енергії для біологічної тканини дорівнює 50 Дж/см².

Прояв теплової дії: від опікових міхурів і випаровування поверхневих шарів до ураження внутрішніх органів. Ступінь ураження поверхні тіла залежить від того сфокусоване чи несфокусоване випромінювання. Для внутрішніх органів фокусування ЛВ має менше значення.

Тепловий ЛВ ефект характерний при безупинному режимі 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 приводить до руйнування внутрішніх органів без яких-небудь зовнішніх проявів. При взаємодії з біологічною тканиною ЛВ крім ударної хвилі приводить до появи УЗ хвиль (210⁴- 10¹³Гц), що викликають кавітаційні процеси і руйнування тканин.

Ударний ефект характерний для імпульсного режиму роботи ОКГ.

Вплив ЛВ невеликої інтенсивності приводить до різних функціональних зрушень у серцево-судинній системі, ендокринних залозах, центральній нервовій системі. З'являється стомлюваність, великі стрибки артеріального тиску, головні болі і т.ін.

З локальних дій найбільше небезпечне ЛВ для очей. При <0.4 мкм і>1.4 мкм ЛВ являє небезпеку для рогівки очей і шкіри, а при значеннях=0.4-1.4 мкм — сітківки ока. Кришталик ока діє, як додаткова фокусуюча оптика, що підвищує концентрацію енергії на сітківці. Це значно (у 5-10 разів) знижує максимально припустимий рівень опромінювання для зіниці ока.

Нормування лазерного випромінювання. Нормування лазерного випромінювання здійснюється згідно санітарних норм і правила СНиП 5804-91. За нормативами при проектуванні лазерної техніки має бути діючим принцип відсутності впливу на людину прямого, дзеркального та дифузного випромінювання.

При визначенні класу небезпеки лазерного випромінювання враховуються 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 d_а=1.1 мм (у спектральних діапазонах I і II) і d_а=7 мм (у діапазоні II); енергетична експозиція H і опромінення E, усереднені по обмежуючій апертурі:

H=W/S_a; E=P/S_a (2.75)

де S_a — 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 при дії колімірованим (прямим), тобто замкнутим у малому куті розповсюдження пучком; однак, дзеркальне або дифузне випромінювання таких лазерів 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 відбиваючої поверхні.

Згідно СНиП 5804-91 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 густина потоку нормується на шкірі, сітківці, рогівці. Наприклад, відповідно до санітарних норм, при роботі з ОКГ ГДР випромінювання для очейє енергія W (Дж), яка нормуєтьсяв залежності від довжини хвилі і тривалості впливу (таблиця 2.29).

Таблиця 2.29

Гранично допустимі дози при однократному впливі на очі

колімірованого (прямого) лазерного випромінювання

Довжина хвилі , нм	Тривалість впливу t, с	WГДР, Дж
380600	t2.310-11
	2.310-11 t510-5	810-8
	510-5 t1
600750	t  6.510-11
	6.510-11 t  510-5	1.610-7
	510-5  t 1
7501000	t  2.510-10
	2.510-10 t  510-5	410-7
	510-5 t  1
10001400	t  10-9
	10-9  t 510-5	10-6
	510-5  t 1

Примітки: 1. Тривалість впливу менше 1 с.

2. Діаметр обмежуючої апертури 710^-3м.

Гранично допустимі рівні лазерного випромінювання у діапазоні 1400 <   10⁵нм наведені у таблиці 2.30

Таблица 2.30

Граничні дози при однократному впливі на очі і шкіру

прямого чи розсіяного лазерного випромінювання

Довжина хвилі , нм	Тривалість опромінення t, с	HГДР, Джм-2; EГДР, Втм-2
14001800	10-10t1	HГДР=
	1t102	EГДР=
	t>102	EГДР=5102
18002500	10-10t3	HГДР=
	3t102	EГДР=
	t>102	EГДР=5102
250105	10-10t10-1	HГДР=
	10-1t1	HГДР=
	1t102	EГДР=
	t>102	EГДР=5102

Примітка. Діаметр обмежуючої апертури 1,110^-3м.

Вимоги безпеки при роботі з ОКГ. Крім дії лазерного променю (прямого, дзеркально та дифузно відбитого) експлуатація ОКГ супроводжується комплексом інших шкідливих та небезпечних факторів:

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

2 — забруднення повітряного середовища хімічними речовинами, що утворюються при накачуванні (озон, оксид азоту) та при випаровуванні матеріалу мішені (оксид вуглецю, оксиди металів і ін.);

3 — УФ випромінювання імпульсних ламп і газорозрядних трубок (супутнє випромінювання);

4 — світлове випромінювання при роботі ламп накачування;

5 — рентгенівське випромінювання (супутнє вторинне);

6 — утворення часток високих енергій при опроміненні мішені ЛВ;

7 — іонізуюче випромінювання, використовуване для накачування;

8 — ЭМП, що утворюються при роботі генераторів ВЧ, УВЧ;

9 — шуми при роботі механічних затворів, насосів, шум ударних хвиль;

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

Таким чином, експлуатація лазерів потребує впровадження комплексу різноманітних 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 (КЕО 1.5%, Е_заг 150 лк). Приміщення повинне обладнуватись загальнообмінною вентиляцією і місцевими відсмоктувачами. Забороняється проводити орієнтацію променю на вікна та двері. Строго 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 ураження органів зору застосовують спеціальні окуляри зі світлофільтрами. Як матеріали для протилазерних окулярів використовують:

1 — поглинаючі стекла і пластмаси;

2 — відбиваючі діелектричні тонкоплівочні, що відбивають 90-95% падаючої світлової енергії (оксиди титану та ін.);

3 — 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 у багатошарових фільтрів. Для багатошарових фільтрів граничне значення пробою може досягати 10¹⁵ Вт/м². Для кожної довжини хвилі підбираються окуляри з відповідними характеристиками. Наприклад, окуляри типу C3С-22 (максимальна ефективність у діапазоні=0.69-1.6 нм). Поряд із захисними окулярами в лабораторіях з використання ОКГ необхідно виключити попадання лазерного випромінювання на відкриті ділянки шкіри. При щільності 50 Дж/см²у людини спостерігаються значні необоротні ушкодження відкритої шкіри. Для захисту шкіри застосовують фетровий одяг, шкіряні рукавички.

Для зменшення щільності відбитої (дифузійної) енергії необхідно підбирати колір фарбування стін. Так, 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 темно-зелене фарбування (15%). Для створення екрануючих штор рекомендують чорні щільні тканини, які не пропускають хвилі довжиною 1,06-0,69 мкм.

    