Лазерное излучение. 
Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность). Часть 1

В последние десятилетия в промышленности, медицине, при научных исследованиях, в системах мониторинга состояни я окружающей среды нашли применение лазеры. Их излучение может оказывать опасное воздействие на организм человека и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излучение генерируют в инфракрасной, световой и ультрафиолетовой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют создавать интенсивность порядка 10¹⁰ Вт/см², что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 10 ^ь Вт/см² и больше. Для сравнения отметим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1—0,2 Вт/см .

В настоящее время в промышленности используется ограниченное число типов лазеров. Это в основном лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (X = 0,44+0,59; X = 0,63; X = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (X = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диаиазоне спектра (Х= 10,6 мкм).

Область применения лазеров в зависимости от требуемой плотности потока излучения показаны на рис. 5.12.

При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опасности разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых является непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

К первичным факторам относятся: лазерное излучение, повышенное электрическое напряжение, световое излучение импульсных ламп накачки или газового разряда, электромагнитное излучение, акустические шумы и вибрация от работы вспомогательного оборудования, загрязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов установки, рентгеновское излучение электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторичные факторы включают отраженное лазерное излучение, аэродисперсные системы и акустические шумы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

Лазерное излучение может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства органа зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также влиять на такие.

Рис. 5.12. Области применения лазеров в зависимости от требуемой плотности потока излучения внутренние органы, как печень, спинной мозг и др. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облучения тканей лазерным излучением является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энергетическими и временными характеристиками излучения.

При создании условий для безопасной эксплуатации лазеров прежде всего необходимо с помощью расчета определить лазероопасную зону и сформулировать основные принципы защиты от излучения, а также общие требования к организации рабочих мест, методам контроля и дозиметрической аппаратуре.

Лазероопасная зона — пространство, в пределах которого уровни лазерного излучения могут превышать предельно допустимые значения.

Схема расчета облученности роговицы представлена на рис. 5.13.

При прямом облучении для наблюдателя, находящегося непосредственно в конусе узконаправленного лазерного луча (рис. 5.13, а), облученность роговицы глаза вычисляется по формуле.

где Ф_р — энергетический поток (мощность) лазерного излучения; k_{ — коэффициент ослабления излучения на пути от лазера до роговицы глаза; d₍₎ — диаметр выходного зрачка лазера; у — угол расходимости луча, рад; R — расстояние от лазера до глаза.

При воздействии на роговицу глаза излучения лазера, отраженного от поверхности (рис. 5.13, б), расположенной на расстоянии /?, от выходного отверстия лазера, расчет ведут с учетом отражения. Облученность роговицы глаза наблюдателя Е_р, находящегося на расстоянии R от поверхности q, значительно превышающем линейные размеры источника, равна произведению энергетической яркости L^e источника на величину телесного угла 0, под которым он виден из точки наблюдения:

где k_cp — коэффициент ослабления излучения на пути от площади поверхности S_r/ до наблюдателя.

Рис. 5.13. Схема расчета облученности глаза:

а — для прямого пучка; б — для отраженного излучения;

1 — лазер; 2 — глаз Поверхность q как источник излучения удобно характеризовать энергетической яркостью L_e и площадью пятна отражения У⁷.

При диффузном отражении энергетическая яркость источника связана с энергетическим потоком лазерного излучения соотношением.

где р — коэффициент отражения.

Из анализа приведенных выше соотношений следует, что облученность глаза лазерным источником прямо пропорциональна мощности лазера и обратно пропорциональна квадрату расстояния до облучаемой поверхности.

Облученность кожных покровов численно равна облученности роговицы глаза. При вычислении уровней облученности органа зрения и кожных покровов в производственных условиях, где расстояния не превышают десятков метров, значения коэффициентов k_{ и k_cp можно принять равными единице. Приведенные формулы позволяют связать лучевые нагрузки на различные биологические ткани с энергетической характеристикой источника излучения.

Воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различных дайн волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяет его в наиболее уязвимый орган. 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.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения в основном приводит к поражению роговицы. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4—1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам 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.

Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может вызвать тяжелое тепловое повреждение роговицы.

Из сказанного следует, что лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основным механизмом повреждений является тепловое. Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различными: от легкого покраснения до поверхностного обугливания и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воздействия на кожные покровы определяется параметрами излучения лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых возникают видимые изменения в коже, колеблются в сравнительно широких пределах (от 15 до 50 Дж/см).

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением, с учетом их зависимости от длины волны приведены в табл. 5.10.

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Лазерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) способно проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы.

Таблица 5.10

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением.

Наибольшую опасность для внутренних органов представляет сфокусированное лазерное излучение. Степень повреждения внутренних органов в значительной мере определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Так, печень является одним из наиболее уязвимых внутренних органов. Тяжесть повреждения внутренних органов также зависит от длины волны падающего излучения. Наибольшую опасность представляют излучения с длинами волн, близкими к спектру поглощения химических связей органических молекул, входящих в состав биологических тканей.

Кроме лазерного излучения, персонал, занимающийся эксплуатацией лазерной техники, может подвергнуться воздействию интенсивного светового и ультрафиолетового излучения, источником которого являются лампы вспышки, газоразрядные трубки и плазменный факел. Излучение незащищенных ламп накачки весьма вредно для глаз. Воздействие излучения ламп накачки возможно при их разъэкранировании, главным образом, при наладке и в случае самопроизвольного разряда. При эксплуатации лазерных установок также следует учитывать и другие опасные факторы, к которым относятся повышенное напряжение в электрической цепи, акустический шум, вибрации и вредные вещества. При эксплуатации лазеров необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы. В табл. 5.11 приведены основные опасные факторы, возникающие при эксплуатации лазерных установок.

Таблица 5.11

Опасности, возникающие при эксплуатации лазерных установок, и источники их возникновения.

Окончание табл. 5.11

Зоны опасного влияния современных лазерных установок обычно ограничены размерами производственного помещения.