ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПРИБОРОВ
Оглавление 1.1. Воздействие лазерного излучения на органы зрения 1.1.1. МДУ прямого облучения сетчатки 1.1.2. МДУ для наружных покровов глаз человека 1.1.3. Представление МДУ облучения как поверхности в координатах l — D t 1.1.4. МДУ облучения глаз рассеянным лазерным излучением 1.2. МДУ лазерного облучения кожных покровов 2. Требования к изготовителям лазерных приборов в связи с обеспечением безопасности пользователей 2.1. Лазерные излучатели класса 1 2.2. Лазерные излучатели класса 2 2.3. Лазерные излучатели класса 3 2.3.1. Лазерные излучатели подкласса 3А 2.3.2. Лазерные излучатели подкласса 3Б 2.4. Лазерные излучатели класса 4 2.5. Особенности использования ДПИ при классификации лазерных излучателей 3. Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России 3.1. Классы опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91 3.2. Гигиеническое нормирование лазерного излучения 3.2.1. ПДУ лазерного излучения УФ диапазона 3.2.2 ПДУ лазерного излучения при облучении глаз в диапазоне 380<l Ј 1400 нм 3.2.3 ПДУ лазерного излучения при облучении кожи в диапазоне 380<l Ј 1400 нм 3.2.4. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 1400<l Ј 10 5 нм 3.2.5. Определение класса лазерного изделия по степени опасности излучения, генерируемого лазером
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. 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 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 (0.4<l <0.7 мкм) при D t< 2Ч 10 -5 c МДУ облучения роговицы глаза составляет 5Ч 10 -3 Дж/м 2 ; для ИК-излучения (1.05<l <1.4 мкм) при 2Ч 10 -5 <D t<5Ч 10 -5 с — на порядок больше, то есть 5Ч 10 -2 Дж/м 2 . Если длительность импульса превышает 20 мкс для видимого и 20ё 50 мкс для ближнего (до 1.4 мкм) излучения, то нормируют в первом приближении плотность мощности: для видимого излучения МДУ составляет 18D t 0.75 Вт/м 2 ; для ИК-излучения — почти порядок больше, то есть 90D t 0.75 Вт/м 2 Во всех рассматриваемых далее случаях переходная область спектра — от темно-красного (l >700 нм) до полностью невидимого ближнего ИК-излучения (l <1050 нм) — характеризуется монотонным повышением МДУ от минимального значения (для темно-красного излучения) до максимального (для полностью невидимого ИК-излучения) по закону С 4 =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 5Ч 10 6 Вт/м 2 , для ИК-излучения — 5Ч 10 7 Вт/м 2 Длительное (D 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 (l =550 нм) и более коротковолнового (l >400 нм) видимого света МДУ составляет 100 Дж/м 2 . Что касается "теплых" цветов (550<l <700 нм) , то фотохимические процессы начинают играть заметную роль только при больших временных воздействиях лазерного излучения (T 2 =10 0.02(l -500) +1 c) , и в этом случае МДУ нужно уменьшить в С 3 раз (C 3 =10 0.015(l -550) ) Сверхдлительное (D t>10 3ё 10 4 c) прямое воздействие лазерного излучения характеризуется малым значением МДУ, а именно 0.01 Вт/м 2 для сине-зеленого (0.4<l <0.55 мкм) излучения. Более длинноволновое видимое излучение (550<l <700 нм) допускает МДУ=10 0.015(l -500) +2 Вт/м 2 . В случае ИК излучения переход от экспозиционного к мощностному ограничению (когда существенную роль играют регенерационные процессы, компенсирующие фотохимическое разрушение) осуществляется при D t>10 c: для 1.05<l <1.4 мкм МДУ составляет 16 Вт/м 2 ; для l >700 нм (темно-красное излучение) и l <1050 нм (ближнее ИК излучение) монотонно возрастающий МДУ составляет 3.2Ч 10 (l -700) /500 Вт/м 2 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 D t<10 мкс и частотой повторения f>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в С 5 раз: (1.1) Если длительность отдельных импульсов D t в последовательности превышает 10 мкс (а частота следования f>1 Гц) , то для импульса длительностью ND 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 D 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 D 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<l <0.4 мкм) или ИК излучение (1.4<l <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<l <3 мкм) — отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК излучение (3 мкм<l <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/м 2 в УФ области и 100 ГВт/м 2 в ИК области (1.4 мкм<l <1 мм) При больших временах воздействия ситуация наиболее проста для жесткого (200<l <320.5 нм) УФ излучения, где МДУ=30 Дж/м 2 , вплоть до длительностей облучения 30000 с, то есть свыше 8 часов Более сложна система задания МДУ для узкого участка УФ излучения с 302.5<l <315 нм. Для сколько-нибудь длительного воздействия (10<D t<30000 c) МДУ возрастает на 2.5 порядка по закону С 2 =10 (l -295) /5 Дж/м 2 . В области импульсных воздействий (1 нс<D t<10 c) такое быстрое нарастание МДУ имеет место лишь при D t>T 1 =10 (l -295) /5 c; если D t<T 1 , то МДУ не зависит от длины волны и составляет С 1 =5600(D t) 0.75 Дж/м 2 МДУ для ближней УФ области (315<l <400 нм) в случае импульсного (1 нс<D t<10 c) облучения почти не меняется, составляя С 1 =5600(D t) 0.25 Дж/м 2 , плавно переходящее в 10 КДж
