Безопасность лазерного излучения

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Использование лазерных приборов связано с определенной опасностью для человека. В данной работе будут рассмотрены только особенности практического применения лазерных приборов и способы защиты, связанные с возможностью поражения глаз и кожных покровов человека. При этом основополагающими нормативными документами являются: 825-я публикация Международной технической комиссии (МЭК) под названием "Радиационная безопас­ность лазерных изделий, классификация оборудования, требования и руководство для потребителей" как наиболее компетентная рекомендация мирового класса; новейшая отечественная разработка СНиП; ГОС

 

Непосредственно на человека оказывает лазерное излучение любой  длины волны; однако в связи со спектральными особенностями поражения  органов и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения  обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека.

 

Можно выделить два направления  применения лазеров и отрасли. Первое направление связано с целенаправленным воздействием на обрабатываемое вещество (микросварка, термообработка, резка  хрупких и твердых материалов, подгонка параметров микросхем и др.), второе направление -медицина - находит все большее развитие.

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. ПОНЯТИЕ  И СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Уникальные свойства лазерного излучения, к которым  относятся: монохроматичность, непосредственно связанная с высокой степенью когерентности, мощность (энергия) и направленность, непрерывно расширяют сферу его использования. В зависимости от того, какие свойства лазерного излучения используются для достижения поставленной цели, можно условно выделить три направления его применения. Первое направление предусматривает использование энергетических характеристик излучения, благодаря которым излучение вызывает нагрев облучаемого материала и в необходимых случаях приводит к изменению его агрегатного состояния. Второе направление предусматривает использование таких свойств излучения, как пространственная и временная когерентность, монохроматичность и стабильность частоты. Третье направление предусматривает использование направленности излучения. По мере развития лазерной техники и технологии наблюдается тенденция увеличения энергетических и расширение частотных характеристик лазерного излучения. Цель использования лазера (назначение) определяет выбор основных технических характеристик лазера и требования к его конструкции.

При работе с лазерной техникой на обслуживающий персонал может воздействовать комплекс опасных  и вредных производственных факторов. Количественные и качественные характеристики неблагоприятных производственных факторов зависят от физико-химических свойств обрабатываемого материала и пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения.¹

Опасные и вредные  производственные факторы, определяющие условия труда операторов лазерных установок, условно разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых является непосредственно лазерная установка, к вторичным -- факторы, образующиеся при воздействии лазерного излучения на обрабатываемый материал.

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

Для лазерных технологических  установок наиболее значимыми из неблагоприятных производственных факторов являются отраженное лазерное излучение, импульсный шум и загрязнение воздуха вредными веществами, образующимися при нагревании и разрушении (испарении) обрабатываемого материала.

Шум лазерных установок  имеет широкий частотный спектр; эквивалентный уровень звука  лазерных установок на 15...20 дБА ниже уровня звука в импульсе; уровни звукового давления в отдельных импульсах длительностью порядка миллисекунды могут достигать 100...120 дБ. Основное количество вредных веществ поступает в воздух рабочей зоны в виде аэрозольных частиц с аэродинамическим диаметром меньше 10 мкм, представляющих наибольшую опасность для органов дыхания.

При проведении ремонтно-профилактических и пусконаладочных работ можно  ожидать наличия дополнительных неблагоприятных факторов, характеристики которых зависят от конструктивных особенностей лазерного оборудования.

 

Лазерное излучение (действие на вещество). Высокая мощность Л. и. в сочетании с высокой направленностью  позволяет получать с помощью  фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения l = 1,06 мкм и в газовых CO2 — лазерах с l = 10,6мкм (см. табл.).

 

 

 

 

Табл. Мощность лазеров

Лазер	Длительность импульса, сек	Энергия импульса, дж	Мощность, вт	Максимальная плотность  потока излучения, вт/см2
CO2 Nd + стекло CO2 Nd + стекло Nd + стекло	Непрерывный 10-3 6 × 10-8 10-9 (0,3) 10-11	— 104 3 × 102 3 × 102 10—20	103 107 5 × 1019 3 × 1011 1012—1013	до 107 до 107—1011 1013 1016 1015—1016

 

Особенности Л. и. привели к открытию целого ряда новых физических явлений, круг которых быстро расширяется по мере увеличения мощности лазеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ

 

Существует несколько  классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.

Класс 1. Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный  для человеческого глаза уровень  облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. Во многих странах к классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса.

Класс 2. Маломощные видимые  лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 милливатта.

Класс 2a (в некоторых  странах). Лазеры и лазерные системы  класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание  луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено.

Класс 3a. Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым  взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 милливатт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования. Международные классы 2 и 3a примерно соответствуют российскому классу 2.

Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 милливатт. В России примерно соответствуют классу 3.

Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые  способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы.¹

 

Методика классификации  лазерных изделий.

 

1. Классификацию лазерных  изделий по степени опасности  проводит предприятие — разработчик  изделий.

Классификация проводится исходя из:

— максимально возможного уровня выходной мощности (энергии);

— длины водны (длин волн);

— длительности лазерного  излучения, при которых изделие  можно отнести к самому высокому соответствующему классу лазерной опасности.

2. Отнесение лазерного  изделия к определенному классу  опасности

2.1 Дли лазерного изделия,  генерирующего излучение на одной  длине волны.

Лазерное изделие, генерирующее излучение на одной длине волны, относится к конкретному классу опасности, если лазерное излучение, проходящее через апертуру, превышает ДПИ  для всех более низких классов, но не превышает ДПИ для класса, к которому изделие отнесено.

2.2 Для лазерного изделия,  генерирующего излучение на нескольких  длинах волн.

Лазерное изделие, генерирующее излучение на двух иди более длинах волн относится к конкретному  классу опасности, если лазерное излучение, проходящее через апертуру, превышает ДПИ для всех более низких классов по крайней мере на одной длине волны, но не превышает ДПИ для класса, к которому изделие отнесено, для каждой длины волны.

2.3 Для лазерных изделий с повторяющимися импульсами (или модулируемым излучением)

Поскольку существуют весьма ограниченные данные по оценке критерия при облучении неодиночными импульсами, необходимо соблюдать особую осторожность при оценке облучения излучением с повторяющимися импульсами.

Для лазерных изделий  с повторяющимися импульсами (или  модулируемым излучением) ДПИ определяются при использовании наиболее жесткого из нижеприведенных требований для  длин волн:

400 нм — 106 нм —  2.3.1; 2.3.2 и 2.3.3

других длин волн — 2.3.1 и 2.3.2

2.3.1 Облучение от каждого  импульса из последовательности  импульсов не должно превышать  ДПИ для одиночного импульса.

2.3.2 Средняя мощность  последовательности импульсов, имеющей  длительность tс не должна превышать  мощности, соответствующей ДПИ, указанным в таблицах A.1—A.4, соответственно, для одиночного импульса такой же длительности.

2.3.3 Облучение от каждого  импульса из последовательности  импульсов не должно превышать  ДПИ для одиночного импульса  умноженного на поправочный коэффициент  C5¹

 

Таблица— Допустимые пределы излучения для лазерных изделий класса I

Длина волны  λ, нм	Длительность  излучения t, с
	<10-9	10-9 —   10-7	10-7 —   1.8•10-5	1.8•10-5 —   5•10-5	5•10-5 —   1•10-3	1•10-3 —   3	3 — 10	10 —   10³	10³ —   104	104 —   3•104
180—302.5	2.4x104Вт	2.4x10-5Дж
302.5—315		7.9x10-7C1Дж (t < T1) / 7.9x10-7C2Дж (t > T1)						7.9x10-7C2Дж
315—400		7.9x10-7C1Дж						7.9x10-3Дж	7.9x10-6Вт
400—550	200xC6Вт	2x10-7xC6Дж		7x10-4t0.75C6Дж				3.9x10-3C6Дж		3.9x10-7C6Вт
550—700								/ 3.9x10-3C3C6Дж (t > T2)		3.9x10-7C3C6Вт
700—1050	200xC4C6Вт	2x10-7xC4C6Дж		7x10-4t0.75C4C6Дж					1.2x10-4C4C6Вт
1050—1400	2x10³C6C7Вт	2x10-6xC6C7Дж			3.5x10-4t0.75C6C7Дж				6x10-4C6C7Вт
1400—1500	8x105Вт	8x10-4Дж				4.4x10-3t0.25Дж	5.4x10-2t0.25Дж	10-2Вт
1500—1800	8x106Вт	8x10-3Дж					0.1 Дж
1800—2600	8x105Вт	8x10-4Дж				4.4x10-3t0.25Дж	5.4x10-2t0.25Дж
2600—4000	8x104Вт	8x10-5Дж	4.4x10-3t0.25Дж
4000—106	1011Вт•м-2	100Дж•м-2	5.6x10³t0.25Дж•м-2					10³Вт•м-2