Лазерное излучение

Лекция 7. Тема 1. Лазерное излучение 1.1. Особенности и свойства ЛИ. 1.2. Воздействием лазерного излучения на организм человека. 1.3. Технические меры защиты от ЛИ 1.4. Нормирование лазерного излучения 1.5. Методы защиты от лазерного излучения Квантовые генераторы изобретены советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. Согласно английской аббревиатуре, это устройство ещё называют лазером, а создаваемое ими излучение — лазерным. Лазерное излучение — это электромагнитные волны, распространяющиеся почти параллельно друг другу. Поэтому луч лазера имеет острую направленность, чрезвычайно малый угол рассеяния и очень значительную интенсивность воздействия на облучаемую поверхность. Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии. Он работает на принципе индуцированного излучения, получаемого при оптической накачке (например, воздействием импульсов света) термически неравновесной (активной) среды, в качестве которой служат диэлектрические кристаллы, стекло, газы, полупроводники и плазма. Отдельные атомы таких материалов при попадании на них фотона обладают свойствами перехода с верхнего энергетического уровня на нижний уровень с испусканием двух фотонов, индуцированных с той же частотой, поляризацией и направлением распространения. Примером может служить рубиновый оптический квантовый генератор, в котором рабочим телом является рубин. Мощность в импульсе составляет около 100 МВт при мощности на возбуждение около 20 кВт/см3, а температура, создаваемая лазерным пучком, может достигать 1015 К (примерно в 1011 раз больше температуры Солнца). В процессе изготовления, испытания и эксплуатации лазерных изделий на обслуживающий персонал могут воздействовать физические, химические и психофизиологические опасные и вредные факторы. К физическим факторам относятся: ·  лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или диффузно отраженное); ·  высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания лазера (лазерных установок); ·  повышенный уровень ультрафиолетовой радиации от импульсных ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок в рабочей зоне; ·  повышенная яркость света от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом мишени; ·  повышенный шум и вибрация на рабочем месте, возникающие при работе лазера (лазерной установки); ·  повышенный уровень ионизирующего рентгеновского излучения от газоразрядных трубок и др. элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ; ·  повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ – и СВЧ – диапазонов в рабочей зоне; ·  повышенный уровень инфракрасной радиации в рабочей зоне; ·  повышенная температура поверхностей оборудования; ·  взрывоопасность в системах накачки лазеров; ·  возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы. К химическим факторам относятся: ·  загрязнение воздуха рабочей зоны продуктами взаимодействия лазерного излучения с мишенью и радиолиза воздуха (озон, окислы азота и др); ·  токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой хладагентов и др.  Психофизиологические факторы:·  монотонность, гипокинезия, эмоциональная напряженность, психологический дискомфорт; ·  локальные нагрузки на мышцы и кисти предплечья; напряженность анализаторных функций (зрение, слух). Таблица 1 Класс лазера Выходные излучения лазера I Не представляет опасности для глаз и кожи II Представляет опасность при облучении глаз прямым или зеркальным отражением излучения III Представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркальным отражением излучения, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности и (или) при облучении кожи прямым или зеркальным отражением излучения IV Представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности 1. Особенности и свойства ЛИ Особенности лазерного излучения 1) монохроматичность (строго одной длины волны); 2) острая направленность пучка; 3) когерентность (все источники излучения испускают ЭМ волны в одной фазе). Свойства лазерного излучения 1) высокая плотность энергии: 1010-1012 Дж/см2, 2) высокая плотность мощности: 1020-1022 Вт/см2. По виду лазерное излучение подразделяется на: 1) прямое излучения; 2) рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч); 3) зеркально-отраженное; 4) диффузно-отраженное (отраженное от поверхности по возможным направлениям. 2. Воздействием лазерного излучения на организм человека   Воздействие ЛИ носит сложный характер и обусловлено как непосредственным действием ЛИ на облучаемые ткани, так и вторичными явлениями (изменения, возникающих в организме в результате облучения). Различают термическое и нетермическое действие ЛИ. Нормируемые параметр ЛИ длина волны  = 0,2-20 мкм и кроме этого регламентируется ПДУ на роговице, сетчатке, коже. В соответствии с CH 23-92-81 - предельно допустимый уровень (ПДУ) ЛИ при  ПДУ - отношение энергии излучения, падающей на определенные участки поверхности к площади этого участка [Дж/см2], он зависит от длины волны лазерного излучения [мкм], продолжительности импульса [cек], частоты повторения импульса [Гц] и длительности воздействия [сек]. Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм представляет наибольшую опасность для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм - для передних сред глаза. Лазерное излучение считается безопасным расстоянием для глаз при наименьшем расстоянии (м), на котором энергетическая экспозиция (энергия) не превышает ПДУ для глаз. При работе с источниками лазерного излучения повреждающими факторами могут явиться как прямое (из самой установки), так и рассеянное, а также отражённое излучения. Прямое ЛИ всегда опасно для органа зрения. Возможны изменения в кожном покрове (покраснения, омертвление, злокачественная опухоль), внутренних органов, крови, головном мозге. ЛИ особенно дальней ИК области спектра способны проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими структурами, поражая внутренние органы. Степень поражения в значительной мере определяется интенсивностью и цветом окраски органов (печень – ярко окрашенная – является одним из наиболее уязвимых органов), а также длиной волны излучения. Степень поражения зависит от параметров электромагнитной волны и локализации облучаемой ткани. Поглощаемая этими тканями энергия может вызвать ряд негативных эффектов — тепловой, световой и т. д. Последовательность поражения при биологическом действии лазерного излучения такова: • резкое повышение температуры, сопровождаемое ожогом; • за этим следует вскипание межтканевой, а также клеточной жидкости; • образующийся пар создаёт огромное давление, завершающийся взрывом и ударной волной, которая разрушает окружающие ткани. Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длины волны рассматриваемого спектрального диапазона (180*10 нм). В зависимости от типа, конструкции и целевого назначения лазеров и лазерных установок (далее по тексту - лазерных изделий) на обслуживающий персонал могут воздействовать кроме лазерного излучения другие опасные и вредные факторы. длиной волны =0,2-1000 мкм. Основным источником ЛИ является оптический квантовый генератор - лазер.ЛИ это ЭМИ с длиной волны. При малых и средних интенсивностях облучения особенно страдают кожные покровы. При более сильном воздействии, повреждения на коже имеют вид отёков, кровоизлияний и омертвевших участков. Зато внутренние ткани претерпевают значительные изменения. Причём наибольшая опасность исходит от прямого и зеркально отражённого излучения. Оно же вызывает патологические изменения в работе важнейших систем организма. Интенсивность излучения, приводящая к повреждению органов зрения, имеет более низкий уровень, чем излучение, вызывающее повреждение кожи. Опасность могут представлять любые инфракрасные лазеры, а также устройства, дающие излучения видимого спектра с мощностью более 5 мВт. За столь короткие промежутки времени длительности импульса (0,1 с) не успевает сработать защитный мигательный рефлекс. Роговая оболочка и хрусталик глаза — чрезвычайно легко уязвимые органы. Оптическая система глаза, фокусируя лазерное излучение на глазном дне. Точка лазерного излучения, попавшая на сосудик сетчатки, может закупорить его. Поскольку там нет болевых рецепторов, то и повреждение сетчатки вначале незаметно. Но, когда выжженная лазерным лучом область становится достаточно большой, попавшие на неё изображения предметов исчезают. Характерными симптомами при поражении глаз являются спазмы и отёк век, боль в глазах, помутнение и кровоизлияние сетчатки. После повреждения клетки сетчатки не восстанавливаются. Энергетической экспозицией является отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этого участка. 3. Технические меры защиты от ЛИ 1) экранирование (рабочее место, лазерное излучение); 2) для основного луча каждого лазера в помещении выбирается направление и зона, в которых исключается пребывание людей; 3) работы с ЛУ проводятся в отдельных, специально выделенных помещениях или отгороженных частях помещений, само помещение изнутри, оборудование и др. предметы, находящиеся в нем, не должны иметь зеркально отражающих поверхностей; 4) в помещении должна быть создана высокая освещенность; 5) при эксплуатации импульсных лазеров с высокой энергией излучения применяется дистанционное управление пуска; 6) в качестве СИЗ органа зрения применяются защитные очки из специального стекла; Аппаратура контроля: лазерные дозиметры 4. Нормирование лазерного излучения Основными нормативными правовыми актами при оценке условий труда являются: 1. СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» 2. «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» № 2392-81; методические рекомендации «Гигиена труда при работе с лазерами», утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.; 3. ГОСТ 24713-81 «Методы измерений параметров лазерного излучения. Классификация»; 4. ГОСТ 24714-81 «Лазеры. Методы измерения параметров излучения. Общие положения»; 5. ГОСТ 12.1.040-83 «Лазерная безопасность. Общие положения»; 6. ГОСТ 12.1.031 -81 «Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения». Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, 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. 5. Методы защиты от лазерного излучения К организационным защитным мероприятиям относятся: ·  организация рабочих мест с определением всех необходимых защитных мероприятий и учетом специфики конкретных обстоятельств использования лазерных установок; ·  обучение персонала и контроль знаний правил техники безопасности; ·  организация медицинского контроля и т.д. Технические мероприятия и средства защиты подразделяются на коллективные и индивидуальные. К индивидуальным средствам защиты, обеспечивающим безопасные условия труда при работе с лазерами, относятся специальные очки, щитки, маски, обеспечивающие снижение облучения глаз до ПДУ. Средства индивидуальной защиты применяются только в том случае, когда коллективные средства защиты не позволяют обеспечить требования санитарных правил. Коллективные средства защиты включают в себя: ·  средства нормализации внешней среды; ·  автоматические системы управления технологическим процессом; ·  использование предохранительных устройств, приборов, различных ограждений лазерно-опасной зоны; ·  использование телеметрических и телевизионных систем наблюдения; ·  применение заземления, зануления, блокировки и т.д. Тема 2. Влияние вредного ультрафиолетового излучений на организм человека. Единицы измерения, нормирование и меры защиты 2.1. Источники ультрафиолетового излучения 2.2. Воздействие УФ-излучения на организм человека 2..3. Защита от ультрафиолетового излучения . Ультрафиолетовое излучение (УФИ) - это электромагнитное излучение в оптической области, примыкающей со стороны коротких волн к видимому спектру и имеющие длины волн в диапазоне от 200÷400 нм Источниками являются солнце, газоразрядные источники света, электрические дуги и др. При длительном воздействии больших доз ультрафиолетовых излучений может привести к развитию рака кожи, серьезным поражениям глаз. При нахождении судов в южных широтах у берегов Африки, Америки, Австралии, следует работать в защитной спецодежде. В северных районах промысла (Северо-Западная Атлантика, Баренцево море и др.), наоборот, наблюдается недостаток ультрафиолетового излучения, что приводит к развитию патологических явлений, получивших название «солнечного голодания». 1. Источники ультрафиолетового излучения Естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Искусственные источники УФИ: источники, имеющими температуру выше 2000 0C (дуговые электропечи, сварочные работы, электрические дуги, плазма, расплавленный металл, кварцевое стекло и т.п.), лазерные установки, лампы газоразрядные, ртутные; ртутные выпрямители, люминесцентными источниками, используемыми в полиграфии, химическом и деревообрабатывающем производстве, сельском хозяйстве, при кино- и телесъемках, дефектоскопии и других отраслях производства, а также в здравоохранении. Ультрафиолетовые бактерицидные установки, оборудованные ультрафиолетовыми лампами (далее - бактерицидные облучатели) применяются в помещениях для обеззараживания воздуха с целью снижения уровня бактериальной обсемененности и создания условий для предотвращения соответствии с МУ 2.3.975-00 «Применение ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздушной среды помещений организаций пищевой промышленности, общественного питания и торговли продовольственными товарами». Ультрафиолетовое облучение готовых продуктов используют с целью увеличения сроков хранения с помощью бактерицидных ламп, которые представляют собой газоразрядные лампы низкого давления с самонакаливающимися катодами. Ультрафиолетовое излучение (УФИ) используется в икорном производстве и при производстве рыбных пресервов. Гигиеническое нормирование и биологическое действие ультрафиолетового излучения зависит от длины волны УФИ. Санитарные нормы СН 4557-88 «Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях» устанавливают допустимые величины ультрафиолетового излучения на постоянных и непостоянных рабочих местах (облученность) от производственных источников с учетом спектрального состава излучения для областей: УФ-А - длинноволновой - 400 - 315 нм (приводит к флюаресценции) ; УФ-В - средневолновой - 315 - 280 нм (вызывает изменения в составе крови, кожи, воздействует на нервную систему); УФ-С - коротковолновой - 280 - 200 нм (действует на клеточном уровне, вызывает коагуляцию белков, приводит к электроофтальмии, возможно помутнее хрусталика . 2. Воздействие УФ-излучения на организм человека Воздействие больших доз УФ-излучения приводит: • к кожным заболеваниям (дерматитам); • нарушению деятельности центральной нервной системы (тошнота, головная боль, повышенная утомляемость); • поражение роговицы глаза и развитие светобоязни («снежная»болезнь); • повышения температуры тела и др. Недостаток УФ-лучей опасен для человека, так как эти лучи являются стимулятором основных биологических процессов организма. Наиболее выраженное проявление «ультрафиолетовой недостаточности» - авитаминоз, при котором нарушается фосфорно-кальциевый обмен и процесс костеобразования, а также происходит снижение работоспособности и защитных свойств организма от заболеваний. Подобные проявления характерны для осенне-зимнего периода при значительном отсутствии естественной ультрафиолетовой радиации («световое голодание»). Воздействие ультрафиолетового излучения на человека количественно оценивается эритемным действием, т.е. покраснением кожи, в дальнейшем приводящим к пигментации кожи (загару). Оценка ультрафиолетового облучения производится по величине эритемной дозы. За единицу эритемной дозы принят 1 эр, равный 1Вт мощности УФ-излучения с длиной волны 0,297 мкм. Эритемная освещённость (облучённость) выражается в эр/м2. Для профилактики ультрафиолетового дефицита достаточно десятой части эритемной дозы, т.е. 60-90 мкэр·мин/см2. Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения, т.е. способность убивать микроорганизмы, зависит от длины волны. Максимальный бактерицидный эффект имеют лучи с длиной волны 0,254-0,257 мкм. Оценка бактерицидного действия производится в единицах, называемых бактами (б). Для обеспечения бактерицидного эффекта ультрафиолетового облучения достаточно примерно 50 мкб · мин/см2. 3. Защита от ультрафиолетового излучения. Для защиты от ультрафиолетового излучения применяются коллективные и индивидуальные способы и средства: экранирование источников излучения и рабочих мест; удаление обслуживающего персонала от источников ультрафиолетового излучения (защита расстоянием – дистанционное управление); рациональное размещение рабочих мест; специальная окраска помещений; СИЗ и предохранительные средства (пасты, мази). Хорошим средством защиты является специальная одежда, изготовленная из тканей, наименее пропускающих УФИ (например, из поплина). Для защиты от избытка УФИ применяют противосолнечные экраны, которые могут быть химическими (химические вещества и покровные кремы, содержащие ингредиенты, поглощающие УФИ) и физическими (различные преграды, отражающие, поглощающие или рассеивающие лучи). Для защиты глаз в производственных условиях используют светофильтры (очки, шлемы) из тёмно-зелёного стекла. Полную защиту от УФИ всех длин волн обеспечивает флинтглаз (стекло, содержащее окись свинца) толщиной 2 мм. При устройстве помещений необходимо учитывать, что отражающая способность различных отделочных материалов для УФИ другая, чем для видимого света. Хорошо отражают УФ-излучения полированный алюминий и медовая побелка, в то время как оксиды цинка и титана, краски на масляной основе - плохо. К средствам индивидуальной защиты от ультрафиолетовых излучений относятся: термозащитная спецодежда; рукавицы; спецобувь; защитные каски; защитные очки и щитки со светофильтрами в зависимости от выполняемой работы. Средств защиты глаз ГОСТ ССБТ 12.4.080-79 "Светофильтры стеклянные для защиты глаз от вредных излучений на производстве". Для защиты кожи от ультрафиолетового излучения применяются мази с содержанием веществ, служащих светофильтрами для этих излучений (салол, салицилово-метиловый эфир и др.). Средства коллективной защиты: для экранирования рабочих мест применяют ширмы, щитки или специальные кабины. Стены и ширмы окрашивают в светлые тона (серый, желтый, голубой), применяют цинковые и титановые белила для поглощения ультрафиолетового излучения. С целью профилактики отравлений окислами азота и озоном соответствующие помещения должны быть оборудованы местной вытяжной или общеобменной вентиляцией, а при производстве сварочных работ в замкнутых объемах (отсеках кораблей, различных емкостей) необходимо подавать свежий воздух непосредственно под щиток или шлем.