litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 7 8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.



ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ.


ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение вредных и опасных производственных факторов, техники безопасности при эксплуатации лазеров и лазерного оборудования и определение предельно допустимых уровней облучения глаза лазерным излучением.


ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате, юстировочный He-Ne лазер, измеритель энергии ИКТ-1Н, измерительная линейка.


Теоретическое введение.

При эксплуатации лазеров и лазерных установок персонал может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных производ­ственных факторов. Степень их воздействия зависит от прост­ранственно-энергетических характеристик лазерного излучения, ус­ловий эксплуатации лазерных установок и их конструктивных осо­бенностей. При этом можно выделить два типа опасных и вредных производственных факторов. К первому типу относятся факторы, воздействующие в основном на отдельные органы, ко второму— на весь организм. Первый тип факторов включает лазерное излучение, аэродисперсные системы, вредные химические вещества и шум. Ко второму типу факторов относят вибрацию, электромагнитные поля, повышенное напряжение, ионизирующее излучение, микроклиматичес­кие условия. Подробнее рассмотрим опасные и вредные производственные факторы, имеющие место при эксплуатации лазеров.

Лазерное излучение. Основную опасность лазерное излучение представляет при воздействии на орган зрения. Повреждение глаз может произойти в результате действия как прямого, так и отраженного излучения. В производственных

3

условиях облучение пря­мым лазерным излучением возможно лишь при грубом нарушении правил техники безопасности.

Влияния этого фактора опасности определяется плотностью энергии (мощности) излучения лазера, длиной волны, условиями его использования и режимом работы (импульсный, непре­рывный). Можно отметить, что лазерное излучение является опре­деляющим при оценке степени безопасности технологических процессов при использовании лазерных установок.

Аэрозоли. Образование аэродисперсных систем связано с взаимодействием ­лазерного излучения с мишенями. Аэрозоли могут ингаляционным путем поступать в органы дыхания, а также воздействовать на кожные покровы. В последнем случае опасность представляют аэрозольные частицы, имеющие высокую температуру, которые могут приводить к ожогу кожи. Интенсивность образования аэродисперсных систем обусловлена плотностью энергии (мощности) лазерного излучения, свойствами мишени, взаимодействующей с излучением, и режимом работы лазера (импульсный, непрерывный).

Вредные химические вещества. Данная категория опасных и вредных производственных факторов обусловлена образованием токсических веществ и газов при взаимодействии лазерного излучения с различными средами, выделением вредных веществ из от­дельных сборочных единиц лазера при его работе и радиолизом воздуха. Выраженность этих факторов зависит от тех же парамет­ров, что и в первых двух случаях. Следует отметить, что возникно­вение вышеуказанных трех категорий опасных и вредных производственных факторов связано непосредственно с лазерным излуче­нием. Химические токсические вещества могут воздействовать как на органы дыхания, так и на кожу.

Шум. Он возникает при работе лазерных установок, имеет различный характер и может быть стабильным при работе лазеров в непрерывном режиме, а также от сборочных единиц и агрегатов, комплектующих установку, и импульсным — при эксплуатации твердотельных лазеров. В основном шум воздействует на органы слуха.


4


Вибрация. Возникновение вибрации, как правило, неразрывно связано с шумом. В процессе эксплуатации лазерных установок вибрация возникает в результате работы отдельных сборочных единиц. Она воздействует на весь организм.

Электромагнитные поля. Для определенных лазерных установок неблагоприятными факторами могут явиться электромагнитные по­ля высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот, воздействующие на организм в целом.

Повышенное напряжение. Источники питания током лазеров являются в основном обычными электротехническими устройства­ми. Поэтому мероприятия, обеспечивающие безопасность при на­ладке и обслуживании этих устройств, имеют неспецифический ха­рактер.

Ионизирующее излучение. Высокотемпературная плазма, обра­зующаяся при взаимодействии мощного лазерного излучения с ма­териалом мишени, может явиться источником нейтронного и гамма-излучения. Кроме того, не исключена возможность появления мяг­кого рентгеновского излучения при работе электронной аппаратуры.

Микроклимат. Микроклиматические условия при эксплуатации лазерных установок определяются рядом параметров: скоростью движения воздуха в рабочих помещениях, влажностью воздуха, температурой в помещении, фоном, обусловленным работой сбо­рочных единиц и агрегатов лазерных установок.

В зависимости от класса лазерных установок степень выраженности рассмотренных опасных и вредных производственных факто­ров различна.

С момента появления первых лазеров внимание исследователей было обращено на способность генерируемого лазерами излучения оказывать неблагоприятное воздействие на организм человека или отдельные его органы, и в первую очередь на глаза и кожу.

Патологические эффекты воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика газа при воздействии электромагнитных излучений

5



самых различных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии (мощности) излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уязвимый орган.

Взаимодействуя с элементами оптической системы лазерное излучение может вызвать их повреждение. Степень повреждения глаза главным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза. При рассмотрении воздействия лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать действие излучения с длинами волн в интервале 0,4—1,4 мкм и длинами волн вне этого интервала. Для электромагнитного излучения с длинами волн короче 0,4 мкм и длиннее 1,4 мкм оптические среды глаза являются непрозрачными, и поэтому фокусирующее действие не имеет места.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения в основном приводит к поражению роговицы (кератит). Наибольшим фотокератическим действием обладает излучение с длиной волны 0,288 мкм. Излучение с длиной волны короче 0,32 мкм почти полностью поглощается в роговице и водянистой влаге передней камеры глаза, а с длинами волн 0,32—0,39 мкм — в хрусталике. За счет высокого коэффициента поглощения излучения в роговице и водянистой влаге передней камеры даже на длине волны 0,32 мкм минимальная величина энергии, необходимая для возник­новения нежелательных химических реакций в хрусталике, в 2—3 раза больше, чем соответствующая энергия для роговицы. Поэто­му помутнение хрусталика (катаракта) под влиянием ультрафиолетового излучения практически никогда не наблюдается. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в про­цессе самозаживания.


6

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4—1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка (Несмотря на то, что и здесь (при больших мощностях) может происходить повреждение переднего отдела глаза, основное значение приобретает повреждение сетчатки, которое начинает происходить при уровнях энергии еще не вызывающих повреждения прозрачных сред глаза). Она представляет собой функционально наиболее значимый элемент глаза, обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волна видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.

Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зрения и даже к полной его потере.

Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать необратимые изменения в ней. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика.

Повреждение сетчатки обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки, как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не восстанавливаются.

Повреждения сетчатки под влиянием лазерного излучения можно разделить на две группы. К первой относятся временные нарушения зрительной функции глаза без видимых изменений глазного дна. Примером такого повреждения является ослепление от яркости световой вспышки. Ко второй относятся повреждения, сопровождающиеся разрушением сетчатки, проявляющиеся в виде термического повреждения ожогового или «взрывного» характера.


Ослепление от яркости световой вспышки является самым слабым проявлением поражающего действия лазерного излучения.

7

Оно носит обратимый характер и выражается в возникновении «слепого пятна» в поле зрения. Результатом такого ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки под действием видимого света большой яркости. Ослепление наступает при наблюдении источника яркого света, который создает на роговице плотность излучения порядка 150 Вт/см2. Вос­становление зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки иногда затягивается на несколько минут.

Воздействие на глаз сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает тепловой ожог глазного дна с необратимым повреждением сетчатки. Минимальное повреждение проявляется мельчай­шим, видимым в офтальмоскоп изменением сетчатки, представляю­щим собой небольшое белое пятно из свернувшихся белков с об­ластью кровоизлияния в центре. Поврежденный участок окружен зоной отека. Спустя несколько дней на месте повреждения появляется рубец из соединительной ткани, не способный нести функ­цию зрительного восприятия.

Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное, так как в этом случае повреждение глаз­ного дна вызывается комбинированным действием — термическим и механическим. Механическое действие излучения проявляется в виде «взрыва» зерен меланина, причем сила «взрыва» такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело.

Облучение менее интенсивными уровнями может вызывать начальные изменения, при которых восстановление зрительной функции возможно, однако считается, что повторное облучение при та­ких же, достаточно низких энергетических уровнях может привести к невосстанавливающимся повреждениям.


При воздействии лазерного излучения на сетчатку особенно опасны повреждения центральной ямки и желтого пятна — наиболее важных функциональных областей глаза. Повреждение этих областей сопровождается почти полной потерей зрения. Чем боль­ше угол между зрительной осью и направлением падения лазерно­го луча, тем меньше степень нарушения функции зрения.


8

Непроизвольные движения глазного яблока приводят к тому, что отдельные участки сетчатки изменяют свое положение относительно падающего излучения много раз в секунду. Поэтому непре­рывное и импульсно-периодическое излучение вызывают повреж­дения сетчатки в области, большей, чем площадь сфокусированно­го на ней изображения, даже в том случае, если во время облуче­ния пучок не отклоняется от прямой линии видения.

В стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры за­держивается около 5% проходящей через них энергии электромагнитных волн видимой области спектра.

Поглощение энергии излучения различными структурами глаза растет с увеличением длины волны излучения в ближней инфракрасной области. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм прак­тически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться.

Небольшие ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением и не вызывают постоянных нарушений зрения. Тяже­лые ожоги приводят к образованию рубцовой ткани, деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения. Степень поврежде­ния радужной оболочки лазерным излучением в значительной мере зависит от ее окраски. Например, зеленые и голубые глаза, харак­теризуются большим повреждением, а карие -небольшим.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может причинить тяжелое повреждение роговице, сопровождающееся денатурацией белков и полной потерей прозрачности (образова­нием бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного из­лучения - тепловой. Степень теплового повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, расположенная глубже, а тонкий эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти полное разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением радужной оболочки из-за коагуляции белка и хрусталика, развива­ется катаракта.


9

Хрусталик повреждается около обоженных участ­ков радужной оболочки. Это свидетельствует о том, что изменения в хрусталике носят вторичный характер, т. е. инфракрасное излу­чение поглощается пигментным эпителием радужной оболочки и, превращаясь в тепло, приводит к повреждению соседних участков хрусталика.

Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений -тепловое действие.

При оценке допустимых уровней энергии лазерного излучения необходимо учитывать суммарный эффект, производимый им как на прозрачные среды глаза, так и на сетчатку и сосудистую оболочку.

Оценим действие лазерного излучения на сетчатую оболочку глаза.

Оптические свойства глаза играют большую роль при определении повреждения сетчатки. При этом учитыва­ются также качество изображения, размер зрачка (соот­ветственно освещенность, создаваемая на сетчатке), спек­тральное поглощение и рассеяние средами глаза, а так­же спектральная отражательная способность глазного дна и рассеяние в различных слоях сетчатки.

Размер зрачка в значительной мере определяет коли­чество энергии излучения, попадающей в глаз и, следо­вательно, достигающей сетчатки. Для глаза, адаптиро­ванного к темноте, диаметр зрачка колеблется от 2 до 8 мм; при дневном свете обычно диаметр зрачка состав­ляет 2-3 мм, при взгляде на Солнце зрачок сужается до 1,6 мм в диаметре. Величина поступающей внутрь глаза световой энергии пропорциональна площади зрач­ка. Следовательно, суженный зрачок пропускает свето­вой поток в 15-25 раз меньше, чем зрачок расширен­ный.

Площадь изображения источника излучения на сет­чатке зависит от его углового размера, определяемого в основном расстоянием до источника. Для большинст­ва неточечных источников размер изображения на сет­чатке вычисляется по законам геометрической оптики. Зная эффективное фокусное


10

расстояние 1 нормального расслабленного глаза (для аккомодированного на бес­конечность глаза f=1,7 см), можно вычислить размер Дr изображения источника лазерного излучения на сет­чатке в том случае, если известны расстояние г до ис­точника и размер Дi самого источника излучения



(1)


Из этой формулы следует другая


(2)


где Аi - площадь источника излучения; Аr - площадь изображения источника излучения на

сетчатке.

Данные формулы справедливы для источников с уг­ловыми размерами до 20°. При угловых размерах, боль­ших 20°, ошибка в определении Дr может составить бо­лее 5%.

Интенсивность облучения Wc роговицы и энергети­ческая яркость Wя лазерного источника с небольшими угловыми размерами пропорциональны и связаны вы­ражением

(3)

где s - телесный угол, под которым виден источник излучения.

Полная энергия Wr проникающая в глаз через зра­чок площадью Ac и достигающая сетчатки, определяет­ся из выражения

(4)

11

где dp диаметр зрачка.

Поэтому для источников лазерного излучения с не­большими угловыми размерами количественную зависи­мость между полной энергией, проникающей в глаз, и яркостью источника можно выразить следующим обра­зом:

(5)

где f -фокусное расстояние глаза, равное 1,7 см.

Уравнение (5.5) имеет большое Практическое значе­ние, поскольку дает возможность вычислить допустимую яркость лазерного источника исходя из допустимой ин­тенсивности облучения или освещенности сетчатки, не обращаясь к углу наблюдения.

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на кожу. Кожа является первой линией защиты организма от повреж­дения лазерным излучением. Кожа представляет собой не просто механический барьер, а важный, физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели орга­низма.


Степень повреждения кожи зависит от первоначально поглощенной энергии. Повреждения кожи, вызванные лазерным излуче­нием, могут быть различными: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном счете, до образова­ния глубоких дефектов кожи. Особенно значительные поврежде­ния наблюдаются на пигментированных участках, например, на ро­димых пятнах, на местах с сильным загаром, или коже, обладаю­щей естественным темным цветом. При воздействии на светлую кожу, лазерное излучение проникает в подкожные ткани и повреж­дает расположенные в них сосуды и нервы.

Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, близки по характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что поврежденный участок имеет четкую границу, за ко­торой находится небольшая область покраснения.


12

Пузыри, образу­ющиеся при воздействии лазерного излучения, располагаются в эпидермисе, а не под ним. Вблизи поврежденных участков обнару­живаются свободные радикалы и другие признаки ионизации, что позволяет предполагать наличие кроме теплового других механиз­мов повреждения кожи.

С повышением энергии излучения происходит увеличение размеров очагов поражения. Облучение кожи несфо-кусированным из­лучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствитель­ности облученного участка на несколько дней (без видимых по­вреждений). Под влиянием облучения изменяется активность не­которых ферментов, наблюдается образование в коже свободных радикалов. Гистохимические и люминесцентно-микроскопические исследования кожных покровов после воздействия лазерного излучения позволяют обнаружить определенные нарушения в углевод­ном и липидном (жировом) обменах кожи.

Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения ускоряет ее старение и может служить предпосылкой для злокачественного перерождения клеток. Облучение обширных участков кожи вызывает определенные сдвиги в обмене веществ, системе кроветворения, внутренних органах. Пороговые уровни энергии ла­зерного излучения, воздействующие на кожу, значительно выше пороговых уровней, воздействующих на глаза.


Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения с плотностью энергии 0,1—1 Дж/см2 (в зависимости от степени окраски кожи и длительности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28—0,32 мкм. Оно наиболее глубоко про­никает в кожу и обладает выраженным канцерогенным действием. Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазер­ным излучением в зависимости от длины волны, приведены в табл. 1.

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Лазерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) спо­собно проникать через ткани тела и


13

взаимодействовать с биологи­ческими структурами на значительной глубине, поражая внутрен­ние органы. Механизм образования повреждений объясняется тепловым действием сфокусированного излучения или влиянием ударной волны. Важной особенностью воздействия лазерного излучения на внутренние органы является чередование поврежденных и неповрежденных слоев тканей. Согласно одной из гипотез это явление связано с эффектом стоячих волн, которые образуются в результате отражения падающего излучения от костных поверхностей или границ между различными тканями. Поврежденные участки ткани совпадают с пучностями, где плотность потока энергии многократ­но возрастает по сравнению с плотностью потока энергии падаю­щего излучения. Подобные повреждения могут не вызывать боли непосредственно после облучения и не выявляться при внешнем осмотре.



следующая страница >>