Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По курсу: « Безопасность труда»

Тема 14: «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров»

 

 

Студента 3 курса  СПбГУ Математико-Механического  факультета 311 группы

Матвеенко Сергея

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15 мая 2007 год

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные принципы действия лазеров.

 

 

Одним из самых замечательных  достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора - оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой  источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью  светового луча. Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но в обычных условиях большинство атомов находятся в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего ”усиление света в результате вынужденного излучения”. Основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы) . В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно  идентичных  фотонов. При  дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть цепная реакция размножения одинаковых фотонов, летящих абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой  возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии. Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также  процесс самопроизвольного, спонтанного  испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная  выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.        

При одновременном рождении большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном  первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки  квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо снимать инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той  же энергией, совпадающей с  энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.                   

 Существует, однако, и  другой вариант получения лазерного  луча, связанный с использованием  системы обратной связи. Спонтанно  родившиеся фотоны,  направление   распространения  которых не  перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток  фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала.  На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.           

 

Лазерные технологические  процессы

 

Лазеры  различаются  способом создания  в среде инверсной  населенности, или, иначе говоря, способом накачки (оптическая накачка, возбуждение электронным ударом, химическая накачка и т. п.); рабочей средой (газы, жидкости, стекла, кристаллы, полупроводники и т. д.); конструкцией   резонатора; режимом работы (импульсный, непрерывный). Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

Лазерные технологические  процессы  можно условно разделить  на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой  фокусировки лазерного луча и  точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры  сравнительно невысокой средней мощности - это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 - 100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология  изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных  импульсных лазеров  связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.                 

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров  с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических  процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100м/ч при расходе электроэнергии 10 кВт/ч

Классификация опасных и вредных производственных факторов при работе с лазерной техникой.

 

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.

Основную опасность  при эксплуатации лазера представляет прямое  лазерное излучение.  Из-за  его  большой  интенсивности  и  малой  расходимости  луча возникает возможность получения  высокой  плотности  излучения,  достигающей иногда 1011 - 1014 Вт/см2, в  то  время  как  для  испарения  самых  твердых материалов достаточно 109 Вт/см2.

Излучение лазера, выходящее  из резонатора, направляется через  различные оптические элементы (фильтры, линзы, призмы, светоотделительные пластинки  и т.д.) на какую-либо мишень. Все эти элементы в  некоторой  степени  отражают или  рассеивают  излучение  оптических  квантовых   генераторов.   Зеркально

отраженное излучение  опасно в  той  же  мере,  что  и  прямое.  Кроме  того, зеркально-отраженный луч лазера может  многократно  зеркально  или  диффузно отражаться от различных поверхностей.

Степень потенциальной опасности  лазерного излучения зависит  от  мощности источника, длины волны, длительности  импульса  и  чистоты  его  следования, окружающих условий, отражения и рассеяния излучения.

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

В следующей таблице  представлены опасные и вредные  производственные факторы, источники  их возникновения и нормативно-технический документ, регламентирующая их воздействие:

Опасный или  вредный производственный фактор	Источник возникновения опасного или вредного фактора	Нормативно-технический документ,регламентирующий воздействие опасного фактора
Лазерное излучение: прямое (зеркально-отраженное) диффузионно отраженное	Резонатор лазера; зеркала,оптическая система, мишень при воздействии  лазерного излучения Оптическая система, мишень при воздействии лазерного излучения	Санитарные нормы и  правила устройства и эксплуатации лазеров № 5804-91, ГОСТ 12.1.040-83
Напряжение в электрической  цепи, замыкание которой может  произойти через тело человека	Цепи управления и  источники электропитания лазера	ГОСТ 12.2.007.0-75, Правила  технической эксплуатации (ПТЭ) и  Правила техники безопасности (ПТБ)
Вредные вещества	Мишень при воздействии  лазерного излучения, системы охлаждения, сопутствующее УФ-излучение	ГОСТ 12.1.005-88, отраслевые нормы
УФ-излучение	Мишень при воздействии лазерного излучения и газоразрядные трубки	Санитарные нормы и  правила устройства и эксплуатации лазеров №5804-91
Шум и вибрация	Мишень при воздействии лазерного излучения, вспомогательное оборудование	ГОСТ 12.1.050-86, ГОСТ 12.1.001-89, ГОСТ 12.1.003-83, СП 2.1.8.562-96, СН 2.1.8,566-96, СН 2.2.4/2.1.8.562-96
Инфракрасная радиация	Мишень при воздействии лазерного излучения, вспомогательное оборудование	СанПиН 2.2.4,548-96

 

Наибольшую опасность  лазерное излучение представляет для глаз и кожи. Вместе с тем лазерное излучение может вызывать в организме человека различные патологические изменения, функциональные расстройства центральной нервной, сердечно-сосудистой и вегетативной систем, а также влиять на различные внутренние органы.

Вредное влияние на глаза  может оказать световая  энергия  от  импульсных ламп накачки. Во время разряда лампа накачки излучает  энергию,  достигающую десятков килоджоулей. Кроме того, спектр излучения импульсных ламп  содержит длинноволновые ультрафиолетовые лучи, которые могут  дополнительно  вызывать специфическую реакцию глаз.

Сфокусированный на сетчатке хрусталиком глаза лазерный луч  будет  иметь  вид малого пятна с еще более плотной  концентрацией  энергии,  чем  падающее  на глаз излучение. Поэтому попадание лазерного излучения в глаз опасно и  может вызвать повреждение сетчатой и сосудистой оболочек с нарушением зрения.  При малых плотностях энергии происходит кровоизлияние, а  при  больших  -  ожег, разрыв сетчатой оболочки, появление пузырьков глаза в стекловидном теле.

Излучение лазера, работающего  в ультрафиолетовом и дальнем  инфракрасном диапазоне длин волн, почти полностью будет поглощаться  прозрачными  средами глаза,  содержащими  большое  количество  жидкости.  Вследствие   этого   их повреждения  могу  наступить  при  сравнительно   небольших  интенсивностях излучения, обычно эти повреждения имеют характер ожогов.

Лазерное излучение  может вызвать также  повреждение  кожи  и  внутренних органов человека. Повреждение кожи лазерным излучением схоже  с  термическим ожогом. На степень повреждения влияют как  входные  характеристики  лазеров, так и цвет, и степень пигментации  кожи.  Интенсивность  излучения,  которая вызывает  повреждение  кожи,  намного  выше  интенсивности,   приводящей   к повреждению глаза. Кроме ожогов кожи  лазерное  излучение способно  вызвать повреждения внутренних органов, даже в тех случаях, когда на теле  возникают относительно  слабые  поверхностные  повреждения.  Эти   повреждения   имеют характер отеков, кровоизлияний, омертвления тканей,  свертывания  и  распада крови. В ряде случаев имеет место воздействие как прямого, так и зеркально отраженного лазерного  излучения  на  отдельные  органы  человека,  а  также диффузно  отраженного  излучения  на  весь  организм  человека.  Результатом такого   воздействия   оказываются   различные   функциональные    изменения центральной  нервной  системы,  сердечно-сосудистой   системы,   эндокринных желез, физическое утомление и др.

Основные требования безопасности при эксплуатации лазерных установок