Лазерная безопасность - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
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
[pic]
Рисунок 1. Спектральные характеристики глаза:
(1 — относительное пропускание глазной среды;
(2 — произведение пропускания глазной среды на поглощение всеми слоями
сетчатки
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. Световой диаметр зрачка при расчете МДУ облучения принимают обычно
равным 7 мм. Это не всегда соответствует действительности. Например, при
большой светлоте ( физиологическая оценка яркости ) фона — из-за световой
адаптации, в пожилом возрасте — из-за уменьшения чувствительности световых
рецепторов.
1.1.1. МДУ прямого облучения сетчатки
Кроме длины волны (, 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 ( 0.4<(<0.7 мкм ) при (t< 2(10-5 c
МДУ облучения роговицы глаза составляет 5(10-3 Дж/м2; для ИК-излучения (
1.05<(<1.4 мкм ) при 2(10-5<(t<5(10-5 с — на порядок больше, то есть 5(10-2
Дж/м2. Если длительность импульса превышает 20 мкс для видимого и 20(50 мкс
для ближнего ( до 1.4 мкм ) излучения, то нормируют в первом приближении
плотность мощности: для видимого излучения МДУ составляет 18(t0.75 Вт/м2;
для ИК-излучения — почти порядок больше, то есть 90(t0.75 Вт/м2.
Во всех рассматриваемых далее случаях переходная область спектра — от
темно-красного ( (>700 нм ) до полностью невидимого ближнего ИК-излучения (
(<1050 нм ) — характеризуется монотонным повышением МДУ от минимального
значения ( для темно-красного излучения ) до максимального ( для полностью
невидимого ИК-излучения ) по закону С4=10((-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 5(106 Вт/м2, для ИК-излучения — 5(107 Вт/м2.
Длительное ( (t>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 ((=550 нм) и более
коротковолнового ((>400 нм) видимого света МДУ составляет 100 Дж/м2. Что
касается "теплых" цветов (550<(<700 нм), то фотохимические процессы
начинают играть заметную роль только при больших временных воздействиях
лазерного излучения (T2=100.02((-500)+1 c), и в этом случае МДУ нужно
уменьшить в С3 раз (C3=100.015((-550)).
Сверхдлительное ((t>103(104 c) прямое воздействие лазерного излучения
характеризуется малым значением МДУ, а именно 0.01 Вт/м2 для сине-зеленого
(0.4<(<0.55 мкм) излучения. Более длинноволновое видимое излучение
(550<(<700 нм) допускает МДУ=100.015((-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 (t>10 c: для 1.05<(<1.4 мкм МДУ составляет
16 Вт/м2; для (>700 нм (темно-красное излучение) и (<1050 нм (ближнее ИК
излучение) монотонно возрастающий МДУ составляет 3.2(10((-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 (t<10 мкс и
частотой повторения f>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в
С5 раз:
[pic] (1.1)
Если длительность отдельных импульсов (t в последовательности превышает
10 мкс ( а частота следования f>1 Гц), то для импульса длительностью N(t 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 (t 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 (t 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 (0.2<(<0.4 мкм) или ИК излучение (1.4<(<1000 мкм)
практически не доходит до сетчатки и потому может повреждать лишь наружные
части глаз человека: УФ излучение вызывает фотокератит, средневолновое ИК
излучение (1.4<(<3 мкм) — отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза;
дальнее ИК излучение (3 мкм<(<1 мм) — ожог роговицы. Поэтому МДУ облучения
глаз при УФ и ИК излучении рассматривают здесь, хотя (из-за отсутствия
фокусирующего действия хрусталика) численные значения данного МДУ на
несколько порядков больше значений, приведенных в подразделе "МДУ прямого
облучения сетчатки", и соответствуют МДУ для кожных покровов. К тому же для
наружных покровов глаза и кожных покровов МДУ нормируются относительно
апертуры диаметром 1 мм (для сетчатки — 7 мм), что еще более снижает
требования лучевой безопасности в рассматриваемом случае. Тем не менее эти
данные могут оказаться полезными, так как в настоящее время возрастает
число коммерческих лазеров, работающих в УФ и ИК диапазонах.
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 мкм<(<1 мм).
При больших временах воздействия ситуация наиболее проста для жесткого
(200<(<320.5 нм) УФ излучения, где МДУ=30 Дж/м2, вплоть до длительностей
облучения 30000 с, то есть свыше 8 часов.
Более сложна система задания МДУ для узкого участка УФ излучения с
302.5<(<315 нм. Для сколько-нибудь длительного воздействия (10<(t<30000 c)
МДУ возрастает на 2.5 порядка по закону С2=10((-295)/5 Дж/м2. В области
импульсных воздействий (1 нс<(t<10 c) такое быстрое нарастание МДУ имеет
место лишь при (t>T1=10((-295)/5 c; если (t<(<400 нм) в случае импульсного (1
нс<(t<10 c) облучения почти не меняется, составляя С1=5600((t)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 ((t<1 нс) импульсов 100 ГВт/м2; для
гигантских ( 1 нс<(t<100 нс) импульсов 100 Дж/м2; для остальных (100
нс<(t<10 с) импульсов 5600((t)0.25 Дж/м2. Плотность мощности при
непрерывном облучении (10 с<(t<30000 c) не должна превышать 1 кВт/м2.
Надо отметить, что такие значения справедливы и для дальней ИК области
(0.1<(<1 мм) с той лишь разницей, что МДУ задают здесь в апертуре диаметром
11 мм (а не 1 мм, как для УФ и основного ИК диапазонов).
1.1.3. Представление МДУ облучения как поверхности в координатах ( - (t
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
0.2<(<0.4 мкм — внутри круга ( 1 мм; для 0.4<(<1.4 мкм — внутри круга ( 7
мм (что соответствует зрачку глаза при темновой адаптации); для 1.4<(<100
мкм — внутри круга ( 1 мм; для 100 мкм<(<1 мм — внутри круга ( 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, 200<(<315 нм;
поддиапазон — УФ-А, 315<(<400 нм;
поддиапазон — весь видимый и ИК-А, 0.4<(<1.4 мкм;
поддиапазон — ИК-В и ИК-С, 1.4<(<1000 мкм.
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:
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
|Длина|МДУ |
|волны|Еди- |Усло-|При длительности излучения (t, с |
|(, нм|ница |вие |(10-9|От |От |От |От |От 10|От |От |
| |изме-| | |10-9 |10-7 |1.8(1|5(10-|до |103 |104 |
| |рения| | |до |до |0-5 |5 до |103 |до |до |
| | | | |10-7 |1.8(1|до |10 | |104 |3(104|
| | | | | |0-5 |5(10-| | | | |
| | | | | | |5 | | | | |
|От |ГВт/м|— |30 |— |— |— |— |— |— |— |
|200 |2 | | | | | | | | | |
|до | | | | | | | | | | |
|302.5|Дж/м2|— |— |30 |30 |30 |30 |30 |30 |30 |
|(УФ-С| | | | | | | | | | |
|) | | | | | | | | | | |
|От |Дж/м2|При |— |C1 |C1 |C1 |C1 |— |— |— |
|302.5| |(t(T1| | | | | | | | |
|до |Дж/м2|При |— |C2 |C2 |C2 |C2 |— |— |— |
|315 | |(t(T1| | | | | | | | |
|(УФ-В| | | | | | | | | | |
|) | | | | | | | | | | |
| |Дж/м2|— |— |— |— |— |— |C2 |C2 |C2 |
| |ГВт/м|— |30 |— |— |— |— |— |— |— |
| |2 | | | | | | | | | |
|От |Вт/м2|— |3(101|— |— |— |— |— |10 |10 |
|315 | | |0 | | | | | | | |
|до | | | | | | | | | | |
|400 | | | | | | | | | | |
|(УФ-А|Дж/м2|— |— |C1 |C1 |C1 |C1 |104 |— |— |
|) | | | | | | | | | | |
|От |Вт/м2|— |5(106|— |— |— |— |— |— |10-2 |
|400 | | | | | | | | | | |
|до |Дж/м2|— |— |5(10-|5(10-|C6 |C6 |100 |100 |— |
|550 | | | |3 |3 | | | | | |
|От |Дж/м2|При |— |— |— |— |— |С6 |С6 |— |
|550 | |(t(T2| | | | | | | | |
|до | | | | | | | | | | |
|700 | | | | | | | | | | |
| |Дж/м2|При |— |— |— |— |— |С3(10|С3(10|— |
| | |(t(T2| | | | | |2 |2 | |
| |Дж/м2|— |— |5(10-|5(10-|С6 |С6 |— |— |— |
| | | | |3 |3 | | | | | |
| |Вт/м2|— |5(106|— |— |— |— |— |— |С3(10|
| | | | | | | | | | |-2 |
|От |Дж/м2|— |— |5С4(1|5С4(1|С4С6 |С4С6 |С4С6 |— |— |
|700 | | | |0-3 |0-3 | | | | | |
|до | | | | | | | | | | |
|1050 |Вт/м2|— |5С4(1|— |— |— |— |— |3.2С4|3.2С4|
|(ИК-А| | |06 | | | | | | | |
|) | | | | | | | | | | |
|От |Дж/м2|— |— |5(10-|5(10-|5(10-|5С6 |5С6 |— |— |
|1050 | | | |2 |2 |2 | | | | |
|до | | | | | | | | | | |
|1400 |Вт/м2|— |5(107|— |— |— |— |— |16 |16 |
|(ИК-В| | | | | | | | | | |
|) | | | | | | | | | | |
|От |Дж/м2|— |— |100 |С1 |С1 |С1 |— |— |— |
|1400 | | | | | | | | | | |
|до |Вт/м2|— |1011 |— |— |— |— |103 |103 |103 |
|106 | | | | | | | | | | |
|(ИК-С| | | | | | | | | | |
|) | | | | | | | | | | |
С1=5.6(103((t)0.25; T1=100.8((-295)-15;
C2=100.2((-295); T2=101+0.02((-550);
C3=100.015((-550);
C4=10((-700)/500;
С6=18((t)0.75;
1.1.4. МДУ облучения глаз рассеянным лазерным излучением
На практике наиболее вероятно именно рассеянное лазерное облучение. В
этом случае важно при определении МДУ облучения перенормировать плотность
излучения в диапазоне 0.4<(<1.4 мкм, достигающего сетчатки и поражающего
ее. Эта перенормировка связана с тем, что характер и размер поражения
сетчатки изменяются в связи с резким увеличением зоны облучения — от 0.01
мм (определяется аберрацией глаза и дифракцией света на его зрачке), то
есть угловой размер составляет примерно 1', или 0.0003 рад, до (=0.015(0.24
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 (=(((t)
в двойном логарифмическом масштабе.
[pic]
Рисунок 2. Предельный угол видения (предполагаемый угол поля зрения):
1 — 0.012 рад;
2 — 0.00885 рад;
3 — 0.00025((t)-0.17 (при 1050((<1400 нм);
5 — 0.015( ((t)0.21 (при 400((<1400 нм);
6 — 0.24 рад.
МДУ облучения глаза протяженным источником с угловым размером (изл>(
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 ( (см. рисунок 2).
Кроме того, поскольку глаза устроены так, что не пропускают к сетчатке УФ и
ИК излучение с (>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
|Длина |МДУ |
|волны | |
|(, нм | |
| |Единиц|Услови|При длительности экспозиции (t, с |
| |а |е | |
| |измере| | |
| |ния | | |
| | | |(10-9 |От |От |От 10 |От 103|От 104|
| | | | |10-9 |10-7 |до 103|до 104|до |
| | | | |до |до 10 | | |3(104 |
| | | | |10-7 | | | | |
|От 200|ГВт/м2|— |30 |— |— |— |— |— |
|до |Дж/м2 |— |— |30
|
