Збірник 04

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

mdj m

j m2 j 13 Z j 1 , m

j

,

m j -

поздовжня та поперечна складова тензора ефективної маси для

електронів,

які

знаходяться

в еліпсоїді

j

-

типу;

Z j

- число

еквівалентних еліпсоїдів зони

провідності

j

-

типу;

j

-

константа

міждолинного

деформаційного потенціалу;

- густина

кристалу;

TCj

- температура

j

-ого міждолинного фонона;

x

- зведена енергія електрона;

kT

(x;

TCj

)

T

- ступінчаста функція.

Одним із важливих параметрів, який характеризує розсіяння носіїв заряду в анізотропних

напівпровідниках, є параметр анізотропії часів релаксації [8]:

K

,

(2)

де

,

- поздовжня та поперечна складова тензора часів релаксації відповідно.

Тоді в умовах змішаного розсіяння

1

1

1

1

1

1

1

1

a

i

j

a

i

де

a

a

i

i

;

j ,

(3)

,

,

,

- поздовжні та поперечні складові

тензора часів релаксації при розсіянні на

акустичних фононах (внутрідолинне розсіяння) та іонах домішки відповідно; j - час релаксації для міждолинного розсіяння.

На основі теорії анізотропного розсіяння [13]:

																									a													a																		a								a														i					0i						i								0i
																																																																																		Ô0i														Ô1i
																																	T kT x																		,										T kT x												;												,																		.	(4)
	a										C 4																					1							a																	C 4													1
														11																																												11
								k 2							2m m2															0a																				k 2										2m m2									1a
де											d									||																,																				d							||												,
							a|| 0i																														a 1i																																																3
b																								b																																			0i kT														2m 2 kT
																																																																																						2
0									3																1																		3
																																																																									Ne4
																																																																																			m||
					kT				2			0i		(kT)								,													kT								2		0i			(kT)										,																														,
									1 β 2																			3								3 1 β 2																							Ξ	u				1 β 2											Ξ			2																15										3
Φ 1																				2																																		α																								u		1 β 2								1																			5	3β 2 α
													2																	2														3																							4											2																					2							3
	1a
											β																β																β													Ξd								β											Ξd																		4β												4β
	C		11														15									3 1 β 2
							13																																					5		β 2 α
																		β		2												β		3
	4C44
									2 1 β 2																							3											3									Ξ			u								1 β 2 Ξ												2																	6												3							15α
Φ		1																						1																						α																													u				1 β 2 1
	0a																																																																																																							2 1 β 2
													β 2																		β 2								β3													Ξ												β 4								Ξ			2																	β 2								2β											2β3
																																																							d
																																																																											d
	C	11										15												3
							2																							5 3β 2 α
	C											2β				2							2β			3
		44																																																																																																						2 1
							3																																																																										2							2 1
0i																										ln 2 ln 1 2 2L a
																								2																																																																		2
					2				3					1																																																																			2											1
																																																																				11

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

			3																																								2
	1i				1 2		ln 2					2 2 1 L a 2 2																		2 1 ln 1 2														1 3 2 3 4								2 2 1
				3
			4																																								2
									m m												2e2 N
									||
		arctg																			2m|| 0 kT
де						,			m				,															,
			L(a) ln cos d										функція Лобачевського,																	N- концентрація домішки.
						0
			Тоді остаточно вирази для компонент тензора часів релаксації для випадку невиродженого
електронного газу матимуть вигляд:
																4					3													4							3
																				dxx		2	e x																dxx		2	e x
													3							0								,			3								0					(5)
			Враховуючи значення										констант акустичного																	потенціалу деформації та компонент тензора
																													1,7										12					m					1,65m0		m 0,32m
ефективної маси для ∆1- мінімуму [6, 9] (																									d						еВ,						u				еВ,											0 ),
температури TC1=320 K, TC2=430 K і TC3=100 K міждолинних фононів та відповідні їм константи
																																				3,27 108								åÂ							7,89 107		åÂ
																												j
міждолинного							потенціалу									деформації															(		320											ñì ,						100		ñì ,
			1,57 108				åÂ
	430
							ñì ) [7], на							основі							виразів						(1-5)			отримано										температурні										залежності		параметра

анізотропії часів релаксації (2) для різних вище вказаних моделей Δ1зони провідності кристалів германію (рис. 1).

Рис. 1. Температурні залежності параметра анізотропії часів релаксації для концентрації домішки

Nd 1013 см 3 для різних ∆1- моделей зони провідності кристалів германію, утворених: 1 - одновісним тиском X //[100] ; 2 - одновісним тиском X //[110] ; 3 – гідростатичним тиском.

Отже на основі проведених розрахунків можна зробити висновки, що розсіяння електронів для Δ1 – мінімуму є анізотропним, також в Δ1 – моделі зони провідності кристалів германію в температурному інтервалі 77 – 300 К суттєвим стає міждолинне розсіяння і лише для Δ1 – моделі,

утвореної одновісним тиском X // J //[100], розсіяння електронів на міждолинних фононах, що відповідають g – переходам, є другорядним по відношенню до розсіяння на акустичних фононах (внутрідолинне розсіяння) та іонах домішки. Аналіз температурних залежностей параметра анізотропії часів релаксації показує, що ефективність міждолинного розсіяння в Δ1 – моделі залежить також від самої структури Δ1 – зони, тобто числа еквівалентних еліпсоїдів, які її утворюють.

Інформаційні джерела

1.C. Jacoboni, F. Nava, C. Canali, and G. Ottaviani. Electron drift velocity and diffusivity in germanium // Phys. Rev. B 24, 1014–1026 (1981)

2.Murphy-Armando F. and Fahy S., Giant enhancement of n-type carrier mobility in highly strained germanium nanostructures // Journal of Applied Physics. – 2011. – Volume 109, Issue 11, p. 113703 – 113703-5.

12

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

3.Benjamin Lemkea, Rajashree Baskaranb, Oliver Paula. Piezoresistive CMOS sensor for out-of-plane normal stress // Sensors and Actuators A: Physical, Volume 176, April 2012, Pages 10–18.

4.Kobayashi, Masaharu, Irisawa, Toshifumi, Magyari-Köpe, Blanka, Saraswat, Krishna C., Wong, Hon-Sum -S Philip, Nishi, Yo-shio. Uniaxial Stress Engineering for High-Performance Ge NMOSFETs // Electron Devices, 2010, Volume: 57 , Issue 5, Page(s): 1037 – 1046.

5.В. В. Филиппов, А. Н. Власов, Е. Н. Бормонтов. Моделирование деформаций и зонной диаграммы гетероструктуры кремний – германий // конденсированные среды и межфазные границы, Том 12, № 3, С. 282—287.

6.С.В. Луньов, П.Ф. Назарчук, О.В. Бурбан. Деформаційні потенціали ∆1 – мінімуму зони провідності кристалів n-Ge // Релаксаційні, нелінійні й акустооптичні процеси та матеріали РНАОПМ′2012 : матер. 6-ої Міжнар. наук. конф., 25–29 травня 2012 р., м. Луцьк. – c. 42–45.

7.Fawcett W., E.G.S. Paigc Negative differential mobility of electrons in germanium // J. Phys. C: Solid St. Phys. -1971. -Vo1.4. -P. 1801-1821.

8.Herring C. and Vogt E. Transport and deformation – potential theory for many-valley semiconductors with anisotropic scattering // Phys. Rev.-1956.–Vol.101, № 3. – P.944 - 961.

9.Луньов С.В., Назарчук П.Ф., Панасюк Л.І. Про параметри 1 – мінімумів в n Ge // Тези доповідей V Української наукової конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-5), 9 – 15 жовтня 2011 р., м. Ужгород.– с. 249.

УДК 681.325 Н. Б. Ващук, В.Т. Михалевич

Луцький національний технічний університет

ОСОБЛИВОСТІ ВИБОРУ ТА ЗАСТОСУВАННЯ П’ЄЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ВІБРАЦІЙНИХ ПРИСКОРЕНЬ

Для вимірювання параметрів вібрацій широко використовуються п’єзоелектричні вимірювальні перетворювачі. Стабільність їх метрологічних характеристик можна забезпечити на етапі виготовлення шляхом експериментальних досліджень

Ключові слова: кристал, поляризація, прискорення, чутливість, вимірювання

Для измерения параметров вибраций широко используются пьезоэлектрические измерительные преобразователи. Стабильность их метрологических характеристик можно обеспечить на этапе изготовления путем экспериментальных исследований

For measuring the parameters of vibrations piezoelectric measuring converters widely are used. The stability of their metrological characteristics can provide a stage production by experimental research

У сучасних умовах для вимірювання параметрів вібрації використовується електронна апаратура з п’єзоелектричними перетворювачами. П’єзоелектричні давачі дозволяють безпосередньо отримувати електричні сигнали, пропорційні діючим вібраційним прискоренням. Суть прямого п’єзоелектричного ефекту полягає у поляризації певного класу діелектриків від механічних напружень у їх кристалах.

Фізична природа п’єзоефекту пояснюється на прикладі кристалу кварцу SiO2. На рис. 1 показана форма елементарної комірки кристалічної структури кварцу.

Рис. 1. Кристал кварцу а) і спрощена модель b) кристалічної ґратки

Комірка в цілому електрично нейтральна, але в ній можна виділити три кристалографічні осі (рис. 1,а): поздовжню або оптичну вісь z, електричні осі х, які проходять через ребра шестигранної

13

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

призми кристалу перпендикулярно до оптичної осі та з’єднують різнополярні іони, і механічні, або нейтральні осі у, перпендикулярні до граней кристалу.

У ненапруженому стані всі заряди скомпенсовані і кристал кварцу є електрично нейтральним, тобто в ньому не спостерігається зовнішньої поляризації. Якщо до кристалу прикладена сила F1 у напрямку осі х (рис.1,b), то баланс порушується. Кристалічна ґратка стає поляризованою і на її гранях у – у, паралельних до механічної осі, генерується заряд:

q11 d11F1	(1)
поверхнева густина якого

			q11	d	F1	d
			S
	11			11 S		11 11	(2)
		1			1	.

де d11 – п’єзоелектричний модуль кварцу; σ1 – механічне напруження; S1 – площа поверхні, на яку діє сила F1.

Прецизійні п’єзоелектричні давачі, які використовуються для вимірювання параметрів вібрації повинні мати характеристики, що висуваються технічними вимогами:

-спектр робочих частот – від 4 до 10000 Гц;

-чутливість – не менше 30-40 мВ/g;

-границі вимірювання прискорень – 0,01-100 g;

-відхилення чутливості у діапазоні від 0,01 до 20 g – не більше 3%;

-максимальна відносна поперечна паразитна чутливість – не більше 3%;

-максимальне відхилення поперечної чутливості від – 60 до +60 °С відносно осьової – не більше 5%;

-максимальна відносна ротаційна паразитна чутливість – не більше 3%.

Вібрації механізмів за своєю природою проявляються у вигляді коливних рухів. Довільний рух твердого тіла визначається трьома лінійними зміщеннями Sx(t), Sy(t), Sz(t); трьома кутовими зміщеннями βх(t), βy(t), βz(t) та вибраною точкою вимірювання. П’єзоелектричний давач, призначений для вимірювання одного лінійного компоненту, наприклад Sz(t), сприймає дію неінформативних решти п’яти компонент. Дія цих компонент негативно проявляється на точності вимірювання компоненти Sz(t).

Отже, прецизійні п’єзоелектричні давачі повинні мати достатню чутливість по осі вимірювання і незначну чутливість до неінформативних компонент як лінійних, так і ротаційних коливань. Паразитна чутливість до лінійних компонент Sx(t) і Sy(t) названа поперечною (боковою), до компонент βх(t) і βy(t) – екваторіальною ротаційною та до компоненти βz(t) – полярною ротаційною. Ця проблема є актуальною у зв’язку з тим, що у деяких конструкціях давачів паразитна чутливість може досягати 25-40% корисного сигналу.

В результаті проведення багатьох досліджень напрацьовано практичні рекомендації щодо зниження поперечної паразитної чутливості. Це дає можливість зробити наступні висновки:

-наклеєні давачі, як правило, мають більшу поперечну чутливість у порівнянні з давачами з пружним елементом;

-із центрованих давачів з пружним елементом слід надати перевагу давачам типу тандем з двома кільцевими п’єзоелементами;

-у всіх випадках висота інерційного елементу не повинна перевищувати десятикратної товщини п’єзоелементу;

-прецизійні п’єзоелектричні елементи можуть бути отримані лише шляхом відбору із значної партії (50 – 100 шт.) виробів.

Ротаційна чутливість може бути досить значною і її величина за певних умов є співрозмірною з поперечною чутливістю.

Для кількісної оцінки ротаційної чутливості важливо не її абсолютне значення, а відношення до чутливості по осі вимірювання давача. Але таке значення отримати проблематично, бо ці чутливості мають різну розмірність. Як показують дослідження, за відносну ротаційну чутливість доцільно прийняти величину

			eef	100%
	rot
			ez
					,	(3)

14

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

де еef – ефективне значення напруги, яка знімається з давача від прикладеного прискорення

s sa sin t на плечі стандартної довжини, рівної 100 мм (рис.2); ez – ефективне значення напруги,

що знімається з давача від прикладення того ж прискорення s sa sin t вздовж осі вимірювання z. Довжина плеча у 100 мм вибрана не випадково. За такої довжини плеча величина ротаційної

чутливості має той же порядок, що й поперечна чутливість у преважної більшості конструкцій давачів.

Для дослідження ротаційної чутливості необхідні спеціальні випробувальні стенди. Ці стенди повинні відповідати наступним основним вимогам:

-мати частотний діапазон від 1-3 Гц до 15-20 кГц;

-рухомі з’єднання стенду повинні бути безлюфтовими;

-каретка для закріплення давачів повинна переміщуватись на різну віддаль від осі обертання і надійно фіксуватись;

-стенд повинен оснащуватись контрольним давачем віброприскорень і апаратурою для вимірювання амплітуди вібраційних зміщень;

-електродинамічна система стенду повинна розвивати вібраційне прискорення не менше 1g;

-на стенді повинно бути передбачено вимірювання як екваторіальної, так і полярної ротаційної чутливості;

-у стенді повинно бути передбачено можливість максимально точного суміщення "точки вимірювання" давача з віссю обертання;

-для виключення ефекту "віддачі" від вібрації основи, вона повинна бути масивною.

Згідно цих вимог розроблені та досліджені дві конструкції електродинамічних стендів. Ці конструкції відрізняються тим, що перший стенд (рис. 3) – консольного типу, а другий має дві опори

(рис.4).

У якості магнітної системи стендів використовується потужний електромагніт. Для зниження жорсткості конструкції більшість деталей виготовлено з немагнітних міцних металів – алюмінієвих та титанових сплавів.

Рис. 2. Схема установки для визначення ротаційної чутливості і знаходження його точки вимірювання: 1 – рама; 2 – каретка для кріплення давача; 3 – вісь обертання; 4 – виносне плече; 5 – гвинт-фіксатор

Рис. 3. Схема стенду консольного типу: 1 – каретка; 2 – силова обмотка; 3 – пластична прокладка; 4 – постійний магніт; 5 – контрольний давач; 6 – конусна ковзна опора; 7 – напрямна; 8 – мікрометричний гвинт; 9 – давач, що випробовується; 10 – основа

Дослідження показали, що резонансна частота стенду консольного типу складає 260 – 270 Гц, а для стенду з двома опорами – 300 – 310 Гц. Якщо живлення силової обмотки стендів здійснюється від

15

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

генератора низької частоти, то на давачах, що випробовуються, (вагою до 50 Г) виникають вібраційні прискорення до 1,2g.

Рис. 4. Схема стенду з двома опорами портального типу: 1 – каретка; 2 – давач, що випробовується; 3

– силова обмотка; 4 – пластична прокладка; 5 – постійний магніт; 6 – контрольний давач; 7 – напрямна; 8 – підшипник кочення; 9 – основа

Давачі, які випробовуються, закріпляються на стенді за допомогою спеціального шарнірного перехідника. Це забезпечує необхідну юстировку "вимірювальної" точки давача з віссю обертання. Для виявлення ефекту подвоєння частот гармонічних коливань до комплекту вимірювальної апаратури повинен входити аналізатор спектру частот.

В результаті експериментальних досліджень встановлено, що:

1)за стандартної довжини коливного плеча 100 мм у не центрованих п’єзоелектричних перетворювачах відносна ротаційна чутливість приблизно має ту ж величину, що й поперечна чутливість;

2)у центрованих давачах ротаційна чутливість у 2-4 рази менша, ніж у не центрованих.

Інформаційні джерела

1.Поліщук С.С., Дорожовець М.М., Яцук В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка: Підручник.

– Львів: Видавництво "Бескид Біт", 2003. – 544 с.

2.Осипович Л.А. Датчики физических величин. – М.: Машиностроение, 1979. – 159 с.

УДК 621.385

Вісин О.О.

Луцький національний технічний університет

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ ПРИ ЗАСТОСУВАННІ ЛАЗЕРІВ В ПРИЛАДОБУДУВАННІ

Встатті висвітлено основні питання безпечної експлуатації лазерних установок в приладобудуванні. Проведена гігієнічна оцінка лазерного випромінювання та розглянуто його вплив на органи зору. Для забезпечення безпеки робіт необхідно, перш за все, визначити всі необхідні захисні заходи, враховуючи специфіку лазерного устаткування та аналіз можливих потенційних небезпек. Ступінь потенційної небезпеки лазерів пов’язаний з дією лазерного випромінювання та інших несприятливих чинників.

Ключові слова: лазери, лазерне випромінювання, техніка безпеки, лазерні установки, безпечні умови праці.

Встатье представлены основные вопросы безопасной эксплуатации лазерных установок в приборостроении. Проведена гигиеническая оценка лазерного излучения и рассмотрено его влияние на органы зрения. Для обеспечения безопасности работ необходимо, прежде всего, определить все нужные защитные меры, учитывая специфику лазерного оборудования и анализ возможных потенциальных опасностей. Степень потенциальной опасности лазеров связан с действием лазерного излучения и других неблагоприятных факторов.

Ключевые слова: лазеры, лазерное излучение, техника безопасности, лазерные установки, безопасные условия труда.

16

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

The paper highlights the key issues of safe operation of laser systems in the instrument. The hygienic assessment of laser and examined its effect on the organs of vision. To ensure the safety of work is necessary, above all, to define the necessary protective measures, given the specificity of laser equipment and analysis of possible potential hazards. The degree of potential hazards associated with the operation of lasers laser and other adverse factors.

Keywords: laser, laser radiation safety, laser equipment, safe work environment.

Постановка проблеми у загальному вигляді. Останні 10 років спостерігається тенденція до значного збільшення застосування лазерних установок. Галузь приладобудування одна із тих галузей де використання лазерів є досить значним. Тому питання безпечності набуває більш важливого значення. Під лазерною безпекою розуміють низку технічних, санітарно-гігієнічних і організаційних заходів, які гарантують безпечні умови праці персоналу при використанні лазерів.

Аналіз останніх досліджень. Перші авторські роботи щодо застосування лазерів були описані

авторами	В. П. Тичинським,	К. І. Криловим,	В. Т. Прокопенком,	О. С. Митрофановим,
Л. В. Тарасовим [1-3]. Питання		безпечного застосування лазерів були частково описані

Є.О. Гевриком [4]. Досить змістовною, щодо гігієнічної оцінки лазерних випромінювань є глава у навчальному посібнику В.В. Березуцького [5]. Автор також звертає увагу на шкідливий вплив лазерів на органи зору. В.М. Москальова більш детально наводить методи захисту від шкідливого впливу лазерного випромінювання [6].

Постановка завдання. Ступінь потенційної небезпеки від застосування лазерів залежить від потужності джерела, довжини хвилі, тривалості імпульсу, відбиття та розсіювання променів, оточуючих умов і т. ін. Цей перелік факторів може бути значно довгим. Тому лише чітке дотримання правил техніки безпеки при роботі з лазерними установками, дасть змогу уникнути травматизму, та підвищити продуктивність праці.

Виклад основного матеріалу. Чудові властивості лазерів, а саме: виключно висока когерентність і спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності у видимій, інфрачервоній і ультрафіолетовій областях спектру, отримання високої щільності енергії як в безперервному, так і в імпульсному режимі - вже на зорі квантової електроніки вказувало на можливість широкого їх застосування для практичних цілей. З початку свого виникнення лазерна техніка розвивається виключно високими темпами. З’являються нові типи лазерів і одночасно вдосконалюються старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристик, а також різного роду прилади керування променем, все більш і більш удосконалюється вимірювальна техніка. Це послужило причиною широкого застосування лазерів в багато галузей народного господарства, а особливо в приладобудуванні.

Лазерна установка включає активне (лазерне) середовище з оптичним резонатором, джерело енергії його збудження і, як правило, систему охолодження.

За рахунок монохроматичності лазерного променя та його малої розбіжності (високого ступеня калібровки) утворюються винятково високі енергетичні експозиції, які дають змогу отримати локальний термоефект. Це є основою використання лазерних установок для обробки матеріалів (різання, свердління, поверхневе загартування тощо), в хірургії та інших галузях. Лазерне випромінювання здатне поширюватися на значні відстані і відбиватися від межі розподілу двох середовищ, що дає змогу застосовувати цю властивість з метою локації, навігації, зв’язку та ін [3].

Шляхом підбору тих чи інших речовин активного середовища лазера можна індукувати випромінювання практично на всіх довжинах хвиль, починаючи з ультрафіолетових і закінчуючи довгохвильовими інфрачервоними.

Найбільше розповсюдження на цей час у народному господарстві отримали лазери, які генерують електромагнітні випромінювання з довжиною хвилі 0,33; 0,49; 0,63; 0,69; 1,06; 10,6 мкм, тобто діапазон довжин хвиль електромагнітного випромінювання включає такі сфери:

ультрафіолетову (0,2 - 0,4 мкм); оптичну (0,4 - 0,75 мкм); ближню інфрачервону (0,75 - 1,4 мкм);

дальню інфрачервону (понад 1,4 мкм).

Основними фізичними величинами, що характеризують лазерне випромінювання, є: довжина хвилі λ, мкм;

енергетична освітленість (густина потужності Wi), Вт/см2 – відношення потоку випромінювання, що падає на ділянку поверхні, яка розглядається, до площі цієї ділянки;

17

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

енергетична експозиція Н, Дж/см2 - відношення енергії випромінювання, що падає на ділянку поверхні, яка розглядається, до площі цієї ділянки;

тривалість імпульсу τi, с;

тривалість впливу t,с - час впливу лазерного випромінювання на людину протягом робочої зміни;

частота повторення імпульсів ƒі, Гц - кількість імпульсів за 1 с.

При роботі з лазерними установками персонал, що їх обслуговує, може зазнавати впливу випромінювання прямого (яке виходить безпосередньо з лазера), розсіяного (розсіяного середовищем, крізь яке проходить випромінювання) і відбитого. Відбите лазерне випромінювання може бути дзеркальним (у цьому випадку кут відбиття променя від поверхні дорівнює куту падіння на неї), а також дифузним (випромінювання, відбите в межах півсфери від поверхні за різними напрямками). Необхідно підкреслити, що при експлуатації лазерів у закритих приміщеннях на персонал, як правило, діють розсіяне і відбите випромінювання; в умовах відкритого простору виникає реальна небезпека впливу прямих променів.

При дії прямих променів на організм людини можливий розвиток так званих первинних і вторинних біологічних ефектів. Первинні ефекти - це органічні зміни, що виникають безпосередньо в тканинах, які опромінюються; вторинні - неспецифічні зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінювання [1, 4].

Органами-мішенями для лазерного випромінювання є шкіра й очі. Лазерне випромінювання оптичної і ближньої інфрачервоної зон спектра при потраплянні в орган зору досягає сітківки, а випромінювання ультрафіолетової і дальньої інфрачервоної зон спектра поглинається кон’юнктивою, рогівкою, кришталиком.

Для створення безпечних умов праці і попередження професійних уражень персоналу при обслуговуванні лазерних установок органи санітарного нагляду здійснюють дозиметричний контроль.

Дозиметричний контроль - вимірювання за допомогою різних приладів рівнів лазерного випромінювання і порівняння отриманих величин з ГДР (гранично допустимі рівні).

Для проведення дозиметричного контролю на цей час розроблені спеціальні засоби вимірювання - лазерні дозиметри. Використовувані прилади відрізняються високою чутливістю та універсальністю, що дає можливість контролювати як направлене (пряме), так і розсіяне безперервне, імпульсне й імпульсно-модульоване випромінювання більшості застосовуваних на практиці лазерів.

Найширшого застосування отримав вимірювач для лазерної дозиметрії ІЛД-2М, який забезпечує вимірювання параметрів лазерного випромінювання в спектральних діапазонах 0,49-1,15 і 2-11 мкм. ІЛД-2М дає змогу вимірювати енергію й енергетичну експозицію від моноімпульсного та імпульсно-модульованого випромінювань, а також потужність безперервного випромінювання.

Компактнішим і легшим є дозиметр лазерного випромінювання ЛДМ-2. Дозиметр ЛДМ-2 також вимірює енергетичну експозицію від моноімпульсного та імпульсно-модульованого, а також безперервного випромінювання. Але це єдиний прилад для дозиметричного контролю тривалої дії - від 1 до 104 с.

На основі дозиметра ЛДМ-2 розроблено дозиметр ЛДМ-3, спектральний діапазон якого поширюється на УФ-зону спектра (0,2-0,5 мкм).

Лазерний дозиметр оперативного контролю ЛДК призначений для експрес-контролю рівнів лазерного випромінювання на робочих місцях операторів.

Дозиметричний контроль лазерного випромінювання залежно від його спектра, виду дії на персонал (пряме, розсіяне), наявності відомостей про параметри випромінювання (відомі, невідомі) має певні особливості, які викладені в розділі «Проведение контроля» ГОСТу 12.1.031-81 «Методы дозиметрического контроля лазерного излучения».

Однак існують загальні вимоги, дотримання яких при дозиметрії лазерного випромінювання обов’язкове. Зокрема, після установки дозиметра в заданій точці контролю і напрямку отвору вхідної діафрагми його приймального пристрою на можливе джерело випромінювання реєструється максимальне показання приладу [3].

У порядку поточного санітарного нагляду визначення рівня опромінювання персоналу при обслуговуванні лазерів (установок) класів ІІ-ІV проводиться не рідше одного разу на рік.

Крім того, дозиметричний контроль виконується при внесенні будь-яких змін у конструкцію діючих лазерів (установок), зміні конструкції засобів захисту, організації нових робочих місць і встановленні нових лазерів (установок) класів ІІ-ІV.

18

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

Перед упровадженням в експлуатацію лазери класів безпеки ІІ-ІV приймаються комісією, яка призначається адміністрацією закладу зі включенням до її складу представника Держсаннагляду.

Результати дозиметричного контролю лазерного випромінювання вносяться до протоколу, який має містити такі відомості: місце і дату проведення контролю; тип і заводський номер дозиметра; нульовий режим вимірювання; значення параметрів випромінювання λ, τi, t, ƒі (у лазерів із відомими параметрами); діаметр і площу обраної вхідної діафрагми приймального пристрою дозиметра; температуру навколишнього середовища.

При проведенні дозиметричного контролю за лазерами (установками) необхідно дотримуватися вимог безпеки. Штатив із приймальним пристроєм дозиметра повинен мати непрозорий екран для захисту оператора під час дозиметрії. Крім того, забороняється дивитися в бік можливого випромінювання без спеціальних захисних окулярів. До проведення дозиметричного контролю допускаються особи, що отримали спеціальне посвідчення відповідної кваліфікаційної групи на право роботи з електроустановками напругою вище 1000 В.

При роботі лазерів (установок) можливе генерування комплексу фізичних і хімічних факторів, які можуть не тільки підсилювати несприятливий вплив випромінювання, а й мати самостійне значення. У зв’язку з цим лікар з гігієни праці зобов’язаний не тільки проводити дозиметрію лазерного випромінювання, а й давати оцінку супутнім факторам. При гігієнічній оцінці лазерного випромінювання отримані при дозиметрії значення величин необхідно порівняти з ГДР. За ГДР лазерного випромінювання беруться енергетичні експозиції (Дж/см2) тканин, що опромінювалися.

Обґрунтовані нині ГДР лазерного випромінювання належать до спектрального діапазону від 0,2 до 20 мкм і регламентуються на рогівці, сітківці та шкірі.

Гранично допустимий рівень впливу лазерного випромінювання залежить від довжини хвилі λ, тривалості τ і частоти повтору імпульсів ƒ, тривалості дії t. У діапазоні 0,4-1,4 мкм цей рівень додатково залежить від кутового розміру джерела випромінювання α, рад, або від діаметра плями, що освітлена на сітківці dc, см, у діапазоні 0,4 - 0,75 мкм - від фонової освітленості рогівки Фp, лк.

ГДР лазерного випромінювання надається в «Санітарних нормах і правилах улаштування й експлуатації лазерів» № 2392-81.

Основний елемент зорового апарату людини - сітківка ока, яка може бути уражена лише випромінюванням видимого (від 0,4 мкм) і ближнього УЧ-діапазонів (до 1,4 мкм), що пояснюється спектральними характеристиками людського ока. При цьому кришталик та очне яблуко, котрі діють як додаткова фокусуюча оптика, суттєво підвищують концентрацію енергії на сітківці. Це, у свою чергу, на кілька порядків знижує максимально допустимий рівень (МДР) опромінювання зіниці. Світловий діаметр зіниці при розрахунку МДР опромінювання приймають звичайно таким, що дорівнює 7 мм. Це не завжди відповідає дійсності, наприклад, при великій світлоті (фізіологічна оцінка яскравості) фону - через зменшення чутливості світлових рецепторів [4].

Вимоги до виробників лазерних приладів у зв’язку із забезпеченням безпеки користувачів. Оскільки ступінь ураження залежить від інтенсивності випромінювання, тривалості впливу, довжини хвилі, особливостей тканин і органів, що опромінюються, то рекомендується розподілити лазерні прилади на чотири класи з точки зору небезпеки лазерного опромінювання для користувачів.

Лазерні випромінювачі класу І. Найбільш безпечними як за своєю природою (МДР опромінювання не може бути перевищеним), так і за конструктивним виконанням є лазерні прилади класу І. У зв’язку з таким подвійним підходом допустимі межі випромінювання (ДМВ) лазерних приладів класу І у спектральній зоні від 0,4 до 1,4 мкм, для якої можливе як точкове, так і протяжне ушкодження сітківки, які характеризуються значеннями у двох аспектах - енергетичному (в ватах або джоулях) та так званому яскравісному.

Лазерні випромінювачі класу II. Це малопотужні лазерні прилади, що випромінюють тільки у видимому (0,4 < λ < 0,7 мкм) діапазоні, їх безперервна потужність обмежена 1 мВт, оскільки припускається, що людина має природну реакцію захисту своїх очей від впливу безперервного випромінювання (рефлекс миготіння). У разі короткочасних опромінювань (Δt < 0,25 хв) енергетика лазерних випромінювачів класу II не має перевищувати відповідні ДМВ для приладів класу І. Таким чином, лазерні випромінювачі класу II не можуть нанести шкоду людині всупереч її бажанню [3].

Лазерні випромінювачі класу III. Випромінювачі цього класу займають перехідне положення між безпечними приладами класу І, II та лазерами класу IV (які, безумовно, потребують вживання заходів із захисту персоналу).

Лазерні випромінювачі підкласу IIIА. До них належать умовно безпечні випромінювачі. Вони не здатні ушкодити зір людини, але за умови використання яких-небудь додаткових оптичних приладів для спостереження прямого лазерного випромінювання. Відповідно до цієї умови

19

ПЕРСПЕКТИВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ПРИЛАДИ

потужність видимого випромінювання безперервних лазерів підкласу IIIА не повинна перевищувати 5 мВт (тобто п’ятиразового значення ДМВ для класу II), а опромінювання – 25 Вт/м2.

Лазерні випромінювачі підкласу IIIБ. До них належать випромінювачі середньої потужності, безпосереднє спостереження яких навіть неозброєним (без оптичної фокусуючої системи) оком небезпечне для зору. Однак при дотриманні певних умов - віддаленні ока більше ніж на 13 см від розсіювача і часу впливу не більше 10 с - допустиме спостереження дифузно-розсіяного випромінювання. Таким чином, безперервна потужність таких лазерів не може перевищувати 0,5 Вт, а енергетична експозиція - 100 кДж/м2.

Лазерні випромінювачі класу IV. Це потужні лазерні установки, здатні ушкодити зір і шкірні покриви людини не тільки прямим, а й дифузним розсіяним випромінюванням. Значення ДМВ у цьому випадку перевищують значення, прийняті для підкласу ІІІБ. Робота з лазерними випромінювачами класу IV потребує обов’язкового дотримання відповідних захисних заходів.

Дія лазерів на організм залежить від параметрів випромінювання (потужності) і енергії опромінення на одиницю поверхні, довжини хвилі, тривалості імпульсу, частоти імпульсів, часу опромінення, площини поверхні, що опромінюється), локалізації впливу і анатомо-фізіологічних особливостей об’єкта, що опромінюється.

Залежно від специфіки технологічного процесу робота з лазерним обладнанням може супроводжуватися дією на персонал головним чином відбитого і розсіяного випромінювання.

Потужний потік лазерної енергії, що потрапляє на біологічні тканини, може спричинити серйозні ураження. Лазерне випромінювання впливає на живий організм шляхом теплової механічної та електричної дії. Опромінення лазерними променями може викликати функціональні порушення у діяльності ЦНС, серцево-судинної системи, ендокринних залоз. Опромінення може призвести до згортання або розпаду крові, пошкодження очей, шкіри, спричинити генетичні зміни, головний біль, розлади сну, слабкість і т. ін [6].

Біологічна дія лазерного випромінювання виникає внаслідок поглинання організмом його енергії, що спричиняє тепловий ефект. Термічний ефект лазерного випромінювання залежить від фізичної характеристики променів спектральної характеристики відкритих ділянок шкіри, стану кровообігу і т. ін.

Здатність організму поглинати енергію залежить від характеру тканин. Жирова тканина організму взагалі не поглинає енергію. Тепловіддача внутрішніх частин тіла дуже незначна, що спричиняє локальне нагрівання а також концентрацію поглинутої енергії в невеликому об’ємі. Цим пояснюється ураження головного мозку, внутрішніх органів і т. ін.

Під дією лазерного опромінення рідина, що оточує біологічні структури, миттєво випаровується, призводячи до різкого підвищення тиску, виникнення, внаслідок цього, ударної хвилі та механічної травми. Відбувається не тільки опік, але й розрив тканин, що становить велику небезпеку для зорового аналізатора.

Найбільшу частину лазерного випромінювання сприймає шкіряний покрив, що являє собою природний екран для захисту внутрішніх органів. Унаслідок опромінення виникають опіки і набряки шкіри різних ступенів - від почервоніння до некрозу (омертвіння шкіри). Глибина проникнення променів залежить від пігментації шкіри. Чим шкіра темніша тим меншою є глибина проникнення променів. Поріг пошкодження темно-пігментної шкіри значно менший, ніж світло-пігментної.

Розрізняють 4 ступені ураження шкіри лазерним випромінюванням: I ступінь - опіки епідермісу;

II ступінь - опіки дерми (пухирі поверхневих шарів дерми); III ступінь — опіки дерми до глибоких шарів;

IV ступінь - деструкція всієї товщини шкіри, підшкірної клітковини і прилягаючих шарів. Особливо небезпечною є дія лазерного випромінювання на очі, через які воно проходить без

втрат, досягаючи сітківки. Щільність енергії на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра зіниці, тому пошкодження ока, адаптованого до темряви є значно більшим, ніж при яскравому освітленні. Чим темніша сітківка, тим менший поріг пошкоджуючої щільності енергії. Віддалення джерела лазерного випромінювання не гарантує безпеку очей.

Біологічний ефект дії лазерного випромінювання посилюється внаслідок його багаторазового впливу, а також через комбінацію з іншими чинниками виробничого середовища [6].

При використанні лазерів ІІ-ІІІ класів з метою захисту персоналу від опромінення застосовують огородження лазерної зони або екранування пучка випромінювання. Огородження і екрани мають виготовлятися з матеріалів, які мають незначний коефіцієнт віддзеркалювання, високу вогнестійкість і не виділяють токсичних речовин при дії на них лазерного випромінювання.

20