Вопросы лазерной безопасности

Реферат студента Майорова Павла Леонидовича, группа РЛ 3-81.

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени

Государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Факультет РЛ

1. Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека.

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

1.1. Воздействие  лазерного излучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека — сетчатка глаза — может быть поражена лишь излучением видимого ( от 0.4 мкм ) и ближнего ИК-диапазонов ( до 1.4 мкм ), что объясняется спектральными характеристиками человеческого глаза ( рис. 1 ). При этом хрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижает максимально допустимый уровень ( МДУ ) облученности зрачка.[1]

1.1.1. МДУ прямого облучения сетчатки

Кроме длины волны l, необходимо учитывать также длительность воздействия светового излучения. При очень коротких импульсах ( когда не успевают сработать механизмы теплопроводности в области сетчатки ) нормируют плотность энергии для видимого излучения ( 0.4lDtЧ10-5c МДУ облучения роговицы глаза составляет 5Ч10-3 Дж/м2; для ИК-излучения ( 1.05lЧ10-5DtЧ10-5с — на порядок больше, то есть 5Ч10-2 Дж/м2. Если длительность импульса превышает 20 мкс для видимого и 20ё50 мкс для ближнего ( до 1.4 мкм ) излучения, то нормируют в первом приближении плотность мощности: для видимого излучения МДУ составляет 18Dt0.75Вт/м2; для ИК-излучения — почти порядок больше, то есть 90Dt0.75Вт/м2.

Рисунок 1. Спектральные характеристики глаза:
t1 — относительное пропускание глазной среды;
t2 — произведение пропускания глазной среды на поглощение всеми слоями сетчатки

Во всех рассматриваемых далее случаях переходная область спектра — от темно-красного ( l>700 нм ) до полностью невидимого ближнего ИК-излучения ( l4=10(l-700)/500.

Приведенные данные по МДУ охватывают область наиболее критических значений параметров облучения зрачка глаза, когда в интервале от 10-9 до 10 с причиной повреждения сетчатки является тепловое действие сфокусированного света при прямом наблюдении лазерного пучка, тогда как сверхкороткие лазерные импульсы вызывают в основном термоакустическое воздействие — протоплазма клеток из-за быстрого разогрева закипает и разрывает оболочку. В этом случае нормируют плотность мощности: для видимого излучения МДУ составляет 5Ч106 Вт/м2, для ИК-излучения — 5Ч107 Вт/м2.

Длительное ( Dt>10 с ) прямое воздействие лазерного излучения на сетчатку приводит в основном к фотохимическим процессам ее разрушения. Чтобы избежать этого (как и в случае сверхкоротких импульсов), нормируют энергетическую освещенность (экспозицию). Для зеленого (l=550 нм) и более коротковолнового (l>400 нм) видимого света МДУ составляет 100 Дж/м2. Что касается "теплых" цветов (550l2=100.02(l-500)+1 c), и в этом случае МДУ нужно уменьшить в С3 раз (C3=100.015(l-550)).

Сверхдлительное (Dt>103ё104 c) прямое воздействие лазерного излучения характеризуется малым значением МДУ, а именно 0.01 Вт/м2для сине-зеленого (0.4ll0.015(l-500)+2 Вт/м2. В случае ИК излучения переход от экспозиционного к мощностному ограничению (когда существенную роль играют регенерационные процессы, компенсирующие фотохимическое разрушение) осуществляется при Dt>10 c: для 1.05l2; для l>700 нм (темно-красное излучение) и lЧ10(l-700)/500 Вт/м2.

На перечисленные МДУ облучения ориентируются при однократном воздействии на глаз прямого лазерного излучения, фокусируемого хрусталиком в очень незначительное пятно на сетчатке.

При наличии последовательности импульсов не только ни один из них, но и усредненная облученность не должны превышать МДУ. При усреднении воздействия последовательности импульсов с длительностью Dt1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в С5 раз:

В В В В В  (1.1)

Если длительность отдельных импульсов Dt в последовательности превышает 10 мкс ( а частота следования f>1 Гц), то для импульса длительностью NDt за ограничение облученности принимают (1/N)-ю часть МДУ.

Наиболее сложно определить МДУ для повторяющихся серий, состоящих из определенного числа импульсов. Когда в серии не более 10 импульсов, ее приравнивают к одному эквивалентному импульсу. При этом:

если Dt серии меньше 10 мкс, то за длительность эквивалентного импульса принимают длительность самого короткого импульса в серии, а за энергетическое воздействие — суммарное (полное) энергетическое воздействие всей серии;

если Dt серии больше 10 мкс, то за длительность эквивалентного импульса принимают суммарную длительность парциальных импульсов, а за энергетическое воздействие — суммарное энергетическое воздействие всей серии.

Если в серии более 10 импульсов, то МДУ рассчитывают как для одного, якобы непрерывного импульса, охватывающего всю последовательность.

1.1.2. МДУ для наружных покровов глаз человека

Невидимое УФ (0.2llll

Плотность мощности для сверхкоротких (менее 1 нс) импульсов почти одинакова в обоих диапазонах: 30 ГВт/м2 в УФ области и 100 ГВт/м2 в ИК области (1.4 мкмl

При больших временах воздействия ситуация наиболее проста для жесткого (200l2, вплоть до длительностей облучения 30000 с, то есть свыше 8 часов.

Более сложна система задания МДУ для узкого участка УФ излучения с 302.5lDt2=10(l-295)/5 Дж/м2. В области импульсных воздействий (1 нсDtDt>T1=10(l-295)/5 c; если Dt1, то МДУ не зависит от длины волны и составляет С1=5600(Dt)0.75 Дж/м2.

МДУ для ближней УФ области (315lDt1=5600(Dt)0.25 Дж/м2, плавно переходящее в 10 КДж/м2 для времени облучения от 10 до 1000 с; если длительность облучения превышает 1000 с, то нормируют плотность мощности, и МДУ равно 10 Вт/м2.

В ИК области МДУ облучения наружных покровов почти не зависит от длины волны и составляет: для сверхкоротких (Dt2; для гигантских ( 1 нсDt2; для остальных (100 нсDtDt)0.25Дж/м2. Плотность мощности при непрерывном облучении  (10 сDt2.

Надо отметить, что такие значения справедливы и для дальней ИК области (0.1l

1.1.3. Представление МДУ облучения как поверхности в координатах l— Dt

В 825-й публикации МЭК полностью, хотя и не всегда с достаточно высокой точностью, определены МДУ облучения роговой оболочки глаза человека прямым (то есть направленным непосредственно из оптической системы, а не рассеянным на каких-либо шероховатых поверхностях) лазерным излучением. Для удобства практического применения эти рекомендации МЭК представлены в виде таблицы 1.1.

В результате, во первых, появляется возможность достаточно просто (хотя и приближенно) определить численные значения МДУ при прямом облучении глаза человека лазерным излучением. При измерении следует лишь помнить следующие рекомендации МЭК по пространственному усреднению облученности: для 0.2lЖ 1 мм; для 0.4lЖ 7 мм (что соответствует зрачку глаза при темновой адаптации); для 1.4lЖ 1 мм; для 100 мкмlЖ 11 мм.

Во вторых, таблица 1.1 свидетельствует о том, что в разных спектральных поддиапазонах лазерное воздействие частично аддитивно. Эта ситуация относится к двух- и более волновым лазерам, в основном, к лазерным приборам и установкам, в которых используется лазерное излучение разных длин волн. В соответствии с рекомендацией МЭК весь диапазон длин волн лазерного излучения делят на четыре поддиапазона, внутри которых лазерное излучение полностью аддитивно (как для глаз: так и для кожных покровов):

поддиапазон — УФ-С и УФ-В, 200l

поддиапазон — УФ-А, 315l

поддиапазон — весь видимый и ИК-А, 0.4l

поддиапазон — ИК-В и ИК-С, 1.4l

Кроме того, всегда суммируют воздействия облучений 2-го и 4-го поддиапазонов. Аналогичное суммирование проводят и при совместном воздействии на кожные покровы лазерных излучений 2-го и 3-го поддиапазонов.

Естественно, что принимать во внимание эффект аддитивного воздействия имеет смысл лишь при близких к МДУ значениях облучения для каждой из генерируемых длин волн. К сожалению, 825-я публикация МЭК не дает аналитического выражения для определения МДУ аддитивного облучения, а лишь указывает на необходимость особой осторожности, если длительности воздействия существенно различаются (например, совместное действие импульсного и непрерывного излучений). В случае, если длительности импульсов или время экспозиции соизмеримы (имеют один порядок), то полагают, что парциальное (на одной длине волны) облучение пропорционально МДУ для данного излучения, то есть суммарное относительное облучение не должно превышать единицы:

В В  (1.2)

И, наконец, МЭК настоятельно напоминает об опасности любого облучения, в том числе лазерного, подчеркивая, что МДУ является не порогом безопасности, а лишь усредненным значением (определенным на основе многочисленных экспериментов) уровня опасности повреждения органов зрения (и кожного покрова) человека.

Таблица 1.1

МДУ прямого облучения глаз человека

РЎ1=5.6Р§103(Dt)0.25;В  T1=100.8(l-295)-15;

C2=100.2(l-295); T2=101+0.02(l-550);

C3=100.015(l-550);

C4=10(l-700)/500;

РЎ6=18(Dt)0.75;

1.1.4. МДУ облучения глаз рассеянным лазерным излучением

Рисунок 2. Предельный угол видения (предполагаемый угол поля зрения):
1 — 0.012 рад;
2 — 0.00885 рад;
3 — 0.00025(Dt)-0.17 (при 1050Јl5 — 0.015Ч (Dt)0.21 (при 400Јl6 — 0.24 рад.

На практике наиболее вероятно именно рассеянное лазерное облучение. В этом случае важно при определении МДУ облучения перенормировать плотность излучения в диапазоне 0.4la=0.015ё0.24 рад. Последняя величина (эффективный угол зрения) во многом зависит от длительности облучения и (для коротких импульсов) от длины волны. Все это видно из рисунка 2, где представлена кусочно-линейная аппроксимация a=a(Dt) в двойном логарифмическом масштабе.

МДУ облучения глаза протяженным источником с угловым размером aизл>a приведены в таблице 1.2. Напомним, что при измерении энергетической яркости рассеянного (точнее: со значительным углом расходимости) излучения ее усреднение при измерении МДУ следует выполнять по углу a (см. рисунок 2). Кроме того, поскольку глаза устроены так, что не пропускают к сетчатке УФ и ИК излучение с l>1.4 мкм, то в этих диапазонах разница между МДУ, указанным в таблице 1.1, и МДУ, указанным в таблице 1.2, отсутствует.

Таблица 1.2

МДУ облучения глаз человека рассеянным лазерным излучением

РЎ1=5.6Р§103(Dt)0.25;В  T1=100.8(l-295)-15;

C2=100.2(l-295); T2=101+0.02(l-550);

C3=100.015(l-550);

C4=10(l-700)/500;

РЎ7=105(Dt)0.33;

РЎ8=1.9Р§104(Dt)0.75;

Таблица 1.3

МДУ облучения наружных покровов человека

РЎ1=5.6Р§103(Dt)0.25;В  T1=100.8(l-295)-15;

C2=100.2(l