Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe

Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe

Zagrożenia powodowane przez
promieniowanie laserowe
Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe
Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, wzmacniacz
kwantowy dla światła, generator impulsowy lub ciągły spójnego
i monochromatycznego promieniowania świetlnego (w zakresie od podczerwieni
do ultrafioletu, próby w zakresie rentgenowskim).
Pierwsze lasery:
laser rubinowy Maimana (1960)
lasery gazowe He-Ne – Javan,
Bennett, Herriott (1961) …
lasery półprzewodnikowe, światłowody i szeroka gama fotodetektorów - lawinowy
rozwój technologii optoelektronicznych wkraczających do wszystkich dziedzin naszego
życia
Nowe perspektywy:
komputery kwantowe i atomowe lasery, wysyłające zamiast światła skondensowaną,
kwantową materię - Nagrody Nobla 2001 r. w dziedzinie fizyki (Wolfgang Ketterle, Carl
Wieman i Eric Cornell - za nową formę skupienia materii)
2
Wymuszona emisja promieniowania spójnego
Warunki wytwarzania promieniowania
spójnego w ośrodku czynnym:
• wytworzenie w ośrodku czynnym
wystarczającego stanu odwrócenia
obsadzeń (pompowanie ośrodka czynnego
posiadającego co najmniej 3 dyskretne
poziomy energetyczne)
• wstępne naświetlenie ośrodka czynnego
promieniowaniem wymuszającym o
wystarczającej gęstości mocy (zastosowanie
komory rezonatora)
Wymuszona emisja promieniowania spójnego – laser gazowy He-Ne
• Pompowanie:
Wzbudzenie neonu do stanów 3s 2s
następuje w zderzeniach He-Ne (atomy
helu wzbudzone wyładowaniem
elektrycznym do stanów metatrwałych
wracają do stanu podstawowego, atomy
neonu przechodzą do stanów
wzbudzonych)
• akcja laserowa uzyskana jest
przez zastosowanie rezonatora
złożonego z dwóch zewnętrznych
zwierciadeł (płaskich lub
sferycznych w ustawieniu
współogniskowym)
• wybór fali – dobór zwierciadeł
(szklanych, dielektrycznych lub
pryzmatu i zwierciadła)
• moc: 1 do stu mW (zależnie od
konstrukcji i wymiarów rury
laserowej).
Laser gazowy He-Ne – schemat ideowy
Rury laserowe He-Ne małej mocy (do kilku mW)
Akcja laserowa
Wiązki laserowe:
• Czerwona laser gazowy He-Ne
• Zielona laser krystaliczny Nd:YAG
LASERY
krystaliczne
Zielona - laser krystaliczny
Nd:YAG (Nd:Y3Al5O12)
Laser rubinowy pompowany lampą ksenonową
Minilaser krystaliczny pompowany półprzewodnikową diodą - schemat
chemiczne (dysocjacja fluoru –
reakcja z deuterem – wzbudzona
cząsteczka DF* - emisja
wymuszona DF* + nhv → DF +
(n+1)hv
półprzewodnikowe
Przekrój diody
Moduły laserowe
Przekrój modułu lasera półprzewodnikowego Melles Griot
Emisja spójnego światła z diody laserowej
Emisja światła z diody
elektroluminescencyjnej (LED)
O spójności promieniowania decyduje
gęstość prądu (złącza p-n w kierunku
przewodzenia) i kształt półprzewodnika
(rezonator Fabry – Perota). Progowa
gęstość prądu – kilkaset A/cm2.
Emisja w podczerwieni (obraz z kamery
termowizyjnej)
Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe
Zakres widmowy
Oko
Skóra
Ultrafiolet C
[100-280 nm]
Uszkodzenie rogówki
Rumień, działanie
kancerogenne,
przyspieszone
starzenie skóry
Katarakta fotochemiczna
Oparzenie skóry,
ciemnienie pigmentu
Ultrafiolet B
[280-315 nm]
Ultrafiolet A
[315-400 nm]
Widzialne [400-780 Fotochemiczne i termiczne
nm]
uszkodzenia siatkówki
Oparzenie skóry,
Reakcje fotochemiczne
Podczerwień A
[780-1400 nm]
Katarakta, uszkodzenie
siatkówki
Oparzenie skóry
Podczerwień B
[1400-3000 nm]
Katarakta, przymglenie i
uszkodzenie rogówki
Podczerwień C
[3000 nm – 1 mm]
uszkodzenie rogówki
•
Uszkodzenie tkanek zachodzi zazwyczaj na skutek reakcji termicznych w
wyniku absorpcji dużej ilości energii przenoszonej przez promieniowanie
laserowe.
•
Najbardziej zagrożone promieniowaniem laserowym są oczy.
•
Nadfiolet daleki UVC z zakresu 200- 215 nm i podczerwień o długościach
fal powyżej 1400 nm pochłaniane są przez rogówkę.
•
Bliski nadfiolet UVA oraz częściowo podczerwień IRA i IRB pochłaniane są
przez soczewkę.
•
Promieniowanie widzialne i bliska podczerwień IRA (400 – 1400 nm) są
przepuszczane do siatkówki. Wiązka laserowa o średnicy kilku milimetrów
może być skupiona na siatkówce oka do małej plamki o średnicy 10 µm.
Oznacza to, że natężenie napromienienia wiązki wchodzącej do oka o
wartości 1 mW/cm2 jest efektywnie zwiększone do wartości 100 W/cm2 na
siatkówce oka. W rezultacie docierające do siatkówki promieniowanie jest
wystarczająco duże aby spowodować uszkodzenie siatkówki. W zależności
od miejsca na siatkówce, gdzie skupiane jest promieniowanie laserowe
stopień uszkodzenia jest różny. Uszkodzenie w obrębie dołka środkowego
może spowodować w rezultacie stałą ślepotę.
Zagrożenia skóry:
Promieniowanie laserów pracujących w zakresie widzialnym oraz
podczerwonym może wywołać łagodną postać rumienia, jak również przy
odpowiednio dużej dawce, być przyczyną poparzeń. Krótkotrwałe impulsy
laserowe o dużej mocy szczytowej mogą powodować zwęglenie tkanek.
promieniowanie laserowe o zróżnicowanych długościach fal i mocach
może wywołać różne skutki, podczas oddziaływania z tkanką biologiczną
lasery podzielono na siedem klas (wg PN-EN 60825-1: 2000) 1, 1M, 2,
2M, 3R, 3B, 4. Wcześniejszy podział dzielił lasery na pięć klas (1, 2, 3A,
3B, 4)
•
Najwyższy poziom promieniowania laserowego nie powodujący obrażeń
oczu lub skóry jest określany jako maksymalna dopuszczalna ekspozycja
– MDE, wyrażona w jednostkach natężenia napromienienia [W/m2] lub
w jednostkach napromienienia [J/ m2].
Wartości MDE są odniesione do:
•
długości fali promieniowania
•
czasu trwania impulsu laserowego lub czasu trwania ekspozycji
•
rodzaju tkanki narażonej na obrażenie
•
charakteru ekspozycji (bezpośrednia lub promieniowanie rozproszone)
•
rozmiaru obrazu na siatkówce oka, w przypadku promieniowania w zakresie
400-1400 nm.
•
W przypadku patrzenia na laserowe źródło rozciągłe lub w wiązkę po
odbiciu rozpraszającym MDE może być określona w jednostkach luminancji
energetycznej [W/m2.sr] lub luminancji energetycznej zintegrowanej [J/
m2.sr].
Obowiązują szczegółowe wartości MDE ustanowione w
normie PN-EN 60825-1 z 2000 roku ze zmianą 2 z 2001 r.,
które są określane z pewnym marginesem
bezpieczeństwa.
Przykładowo:
MDE dla skóry dla długości fali powyżej 1400 nm i czasu ekspozycji 10 s.,
wynosi 0,1 W/cm2 , podczas gdy progowa zmierzona gęstość mocy
promieniowania lasera CO2 (10600 nm) powodująca przy tym samym
czasie ekspozycji lekki rumień skóry wynosi ok. 1 W/cm2.
•
Zagrożenia maleją w miarę oddalania się od wyjścia lasera lub światłowodu,
na skutek rozbieżności wiązki laserowej i zmniejszania się gęstości mocy
promieniowania w przekroju poprzecznym wiązki.
•
Graniczna odległość, powyżej której nie występuje już zagrożenia jest
określana jako nominalna odległość zagrożenia wzroku – NOdZW.
Przykładowo:
Laser Nd:YAG, czas ekspozycji 10 s
•
moc 25 W – ok. 0,3 m
•
moc 50 W – ok. 4,3 m
•
moc 100 W – ok. 6 m
Laser CO2 (10600 nm) – moc ciągła – kilka kW ok. 100 m (cięcie , spawanie,
hartowanie – wymagane obudowy ochronne i osłony).
•
Określenie NOdZW jest szczególnie istotne przy publicznych pokazach,
widowiskach i przedstawieniach z użyciem promieniowania laserowego.
BEZPIECZEŃSTWO UŻYTKOWNIKÓW LASERÓW
Dla użytkownika laserów ważniejsze od znajomości maksymalnych
dopuszczalnych ekspozycji jest spełnienie wymagań bezpieczeństwa
związanych z klasą danego lasera lub urządzenia laserowego.
Podział laserów i urządzeń laserowych na klasy (PN-EN 60825-1: 2000)
Klasa:
• 1 - Lasery, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy
• 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do
302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych
warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w
wiązkę przez przyrządy optyczne
• 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne. Ochrona oka jest
zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje
obronne.
• 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne. Ochrona oka jest
zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje
obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę
przez przyrządy optyczne.
• 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie
długości fal do 302,5 nm do 106 nm, dla których
bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie
niebezpieczne.
• 3B – lasery emitujące promieniowanie widzialne lub
niewidzialne niebezpieczne w każdym przypadku
patrzenia w wiązkę laserową bezpośrednio lub po
odbiciu zwierciadlanym (moc do 0,5 W przy pracy
ciągłej, napromienienie z laserów impulsowych musi być
mniejsze od 105 J/m2)
• 4 - lasery dużej mocy, bardzo niebezpieczne – należy
chronić oczy i skórę zarówno przed promieniowaniem
bezpośrednim jak i rozproszonym.
Inne zagrożenia:
- elektryczne, np. wysokie wtórne napięcie zasilania
- zagrożenia pożarowe lub wybuchowe
- zagrożenia od par i gazów (obróbka laserowa –
„dymy laserowe”)
- promieniowanie towarzyszące (optyczne, wysokiej
częstotliwości, rentgenowskie, pochodzące z
niektórych laserów, eliminowane przez odpowiednie
obudowy)
Szkolenie personelu obsługującego urządzenie laserowe powinno
obejmować:
- procedury eksploatacji urządzeń laserowych,
- sposób właściwego użycia procedur kontroli zagrożenia, znaków
ostrzegawczych, itp.,
- procedury zgłaszania wypadku,
- zagadnienia związane ze skutkami biologicznymi oddziaływania
promieniowania laserowego na oczy i skórę.
Zagrożenia powodowane przez promieniowanie
laserowe
• Bezpieczeństwo zapewniane jest przez odpowiednie wymagania
techniczne i informacyjne ze strony producentów (klucze,
ostrzeganie, tłumiki, sterowanie, mierniki, blokady, okulary
ochronne, etykiety, instrukcje obsługi) oraz wymagania
organizacyjne dla użytkownika.
• Podstawową zasadą podczas pracy z laserami jest
unikanie kontaktu z promieniowaniem, a przede
wszystkim niepatrzenie w wiązkę laserową.