Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe

Transkrypt

1 Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe

2 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

3 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)

4 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).

5 Laser gazowy He-Ne schemat ideowy Akcja laserowa Rury laserowe He-Ne małej mocy (do kilku mw) Wiązki laserowe: Czerwona laser gazowy He-Ne Zielona laser krystaliczny Nd:YAG

6 LASERY krystaliczne Zielona - laser krystaliczny Nd:YAG (Nd:Y 3 Al 5 O 12 ) Laser rubinowy pompowany lampą ksenonową Minilaser krystaliczny pompowany półprzewodnikową diodą - schemat

7 chemiczne (dysocjacja fluoru reakcja z deuterem wzbudzona cząsteczka DF* - emisja wymuszona DF* + nhv DF + (n+1)hv półprzewodnikowe

8 Przekrój diody Moduły laserowe Przekrój modułu lasera półprzewodnikowego Melles Griot

9 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/cm 2. Emisja w podczerwieni (obraz z kamery termowizyjnej)

10 Zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe Zakres widmowy Ultrafiolet C [ nm] Ultrafiolet B [ nm] Ultrafiolet A [ nm] Widzialne [ nm] Podczerwień A [ nm] Podczerwień B [ nm] Podczerwień C [3000 nm 1 mm] Oko Uszkodzenie rogówki Katarakta fotochemiczna Fotochemiczne i termiczne uszkodzenia siatkówki Katarakta, uszkodzenie siatkówki Katarakta, przymglenie i uszkodzenie rogówki uszkodzenie rogówki Skóra Rumień, działanie kancerogenne, przyspieszone starzenie skóry Oparzenie skóry, ciemnienie pigmentu Oparzenie skóry, Reakcje fotochemiczne Oparzenie skóry

11 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 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 ( 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.

12 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 : 2000) 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4. Wcześniejszy podział dzielił lasery na pięć klas (1, 2, 3A, 3B, 4)

13 Najwyższy poziom promieniowania laserowego nie powodujący obrażeń oczu lub skóry jest określany jako maksymalna dopuszczalna ekspozycja MDE, wyrażona w jednostkach natężenia napromienienia [W/m 2 ] lub w jednostkach napromienienia [J/ m 2 ]. 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 nm. W przypadku patrzenia na laserowe źródło rozciągłe lub w wiązkę po odbiciu rozpraszającym MDE może być określona w jednostkach luminancji energetycznej [W/m 2.sr] lub luminancji energetycznej zintegrowanej [J/ m 2.sr].

14 Obowiązują szczegółowe wartości MDE ustanowione w normie PN-EN 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/cm 2, podczas gdy progowa zmierzona gęstość mocy promieniowania lasera CO 2 (10600 nm) powodująca przy tym samym czasie ekspozycji lekki rumień skóry wynosi ok. 1 W/cm 2.

15 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.

16 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 : 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.

17 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 10 5 J/m 2) 4 - lasery dużej mocy, bardzo niebezpieczne należy chronić oczy i skórę zarówno przed promieniowaniem bezpośrednim jak i rozproszonym.

18 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.

19 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.