2.9.3. Захист від лазерних випромінювань

Характеристика лазерного випромінювання (ЛВ). 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, для забезпечення термоядер­них 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 випромі­нювання досягає 10¹¹-10¹⁴ Вт/см²). Висока локальність нагрівання і від­сутність механічних дій дозволяє використовувати лазери для збирання мікросхем (зварювання металевих виводів і напівпровідникових матері­алів). За допомогою лазерного променя 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 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 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 монох- 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: твер­дотілі (робоча речовина - рубін, скло з неодимом, пластмаси); напівпро­відникові ^п0, Са8е, Те, РЬ і ін.); рідинні (з рідко земельними активато­рами, органічними барвниками); газові (Не-№, Аг, Хе, С0₂ 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 лазе­рів в області гамма-випромінювання (0,01-0,0005 нм). Лазерне випромінювання в цих діапазонах крім монохроматичності, когерент­ності, гострої спрямованості і високої густини потужності буде мати і високу проникаючу здатність. Як ми вже говорили, лазерне випромі­нювання може бути сконцентрованим у вузько спрямованому проме­ні 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:

(2.74)

де Р - вихідна потужність випромінювання лазера; D - діаметр об'єкта оптичної системи; X - довжина хвилі;

f - фокусна відстань оптичної системи.

Наприклад: Р = 1 МВт, X = 0,69 мкм, БД = 1,2, тоді Р_з = 3 ■ 10¹⁴ Вт/см². Для порівняння густина потужності випромінювання на поверхні Сонця 10⁸ Вт/см².

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

■, ⁽².⁷⁵⁾

де ц - магнітна проникність середовища (для повітря ц₀ = 4п ■ 10^-7 Гн/м); є - діелектрична проникність середовища (для повітря є₀ = 8,85 ■ 10^-12 Ф/м).

Значення електричної напруженості у вакуумі, якщо Р = 1 МВт, складає 2.74 ■ 10⁶ В/м.

Випромінювання лазера з величезною густиною потужності руй­нує і випаровує матеріали. Одночасно в області падіння ЛВ 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).

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

Для оцінки дифузного відображення випромінювання слід врахо­вувати геометричні розміри поверхні, що відбиває (крапкова чи про­тяжна).

Густина енергії для прямого випромінювання визначається фор­мулою

, (2.76)

де І₀ - вихідна енергія ОКГ, (Вт) Дж; Ф - кут розбіжності випромінювання; Я - відстань ОКГ до розрахункової точки, м;

ст - коефіцієнт ослаблення випромінювання ОКГ повітряним середовищем (залежить від дальності видимості) ст = 3,9/У, V - видимість.

(2.77)

В умовах відбитого випромінювання густина енергії в заданій точці можна визначити за формулою:

де І_п - енергія, що падає на відбиваючу поверхню, Дж; К - коефіцієнт відбиття поверхні;

в - кут між нормаллю до поверхні і напрямком візування; К₁ - коефіцієнт, що враховує розміри плями (наприклад, якщо R > 30г (раді­усів плям), то К₁ = 1 (точкове джерело).

Біологічна дія лазерного випромінювання. Під біологічною дією розумі­ють сукупність структурних, функціональних і біохімічних змін, що виника­ють 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 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 Х_тах = 0,5 - 0,55 мкм, тобто в діапазоні випромінювань найбільш розповсюджених ОКГ. Специфічне фарбування печінки і селезінки призводить до того, що їх Х_тах = 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 X = 0,48-10,6 мкм гранична щільність 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 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 будь- 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 функціо­нальних зрушень у серцево-судинній 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 X < 0,4 мкм і X > 1,4 мкм ЛВ являє небезпеку для рогівки очей і шкіри, а у значен­нях X = 0,4 - 1,4 мкм - для 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 для проектування лазерної техніки має бути діючим принцип відсутності впливу на людину прямого, дзеркального та дифузного випромі­нювання.

Визначаючи клас небезпеки лазерного випромінювання врахо­вують три спектральних діапазони (нм): I - 180 < X < 380, II - 380 < X < 1400, III - 1400 < X < 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 III); енергетична експозиція H і опромінення E, усереднені по обмежуючій апертурі:

, (2.78)

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 у випадку дії коліміро- ваним (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 щільність потоку нормується на шкірі, сітківці, рогівці. Напри­клад, відповідно до санітарних норм, під час роботи з ОКГ ГДР випро­мінювання для очей є енергія W (Дж), яка нормується в залежності від довжини хвилі і тривалості впливу (таблиця 2.27). Гранично допу­стимі рівні лазерного випромінювання у діапазоні 1400 < X < 10⁵ нм наведені у таблиці 2.28.