Лазерная безопасность (стр. 1 из 7)
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
 Рисунок 1. Спектральные характеристики глаза: |
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 Dt< 2×10-5 c МДУ облучения роговицы глаза составляет 5×10-3 Дж/м2; для ИК-излучения ( 1.05<l<1.4 мкм ) при 2×10-5<Dt<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 18Dt0.75 Вт/м2; для ИК-излучения — почти порядок больше, то есть 90Dt0.75 Вт/м2.
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 С4=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 5×106 Вт/м2, для ИК-излучения — 5×107 Вт/м2.
Длительное ( Dt>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/м2. Что касается "теплых" цветов (550<l<700 нм), то фотохимические процессы начинают играть заметную роль только при больших временных воздействиях лазерного излучения (T2=100.02(l-500)+1 c), и в этом случае МДУ нужно уменьшить в С3 раз (C3=100.015(l-550)).
Сверхдлительное (Dt>103¸104 c) прямое воздействие лазерного излучения характеризуется малым значением МДУ, а именно 0.01 Вт/м2 для сине-зеленого (0.4<l<0.55 мкм) излучения. Более длинноволновое видимое излучение (550<l<700 нм) допускает МДУ=100.015(l-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 Dt>10 c: для 1.05<l<1.4 мкм МДУ составляет 16 Вт/м2; для l>700 нм (темно-красное излучение) и l<1050 нм (ближнее ИК излучение) монотонно возрастающий МДУ составляет 3.2×10(l-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 Dt<10 мкс и частотой повторения f>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в С5 раз:
(1.1)Если длительность отдельных импульсов Dt в последовательности превышает 10 мкс ( а частота следования f>1 Гц), то для импульса длительностью NDt 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:
1) если Dt 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;
2) если Dt 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/м2 в УФ области и 100 ГВт/м2 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/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<l<315 нм. Для сколько-нибудь длительного воздействия (10<Dt<30000 c) МДУ возрастает на 2.5 порядка по закону С2=10(l-295)/5 Дж/м2. В области импульсных воздействий (1 нс<Dt<10 c) такое быстрое нарастание МДУ имеет место лишь при Dt>T1=10(l-295)/5 c; если Dt<T1, то МДУ не зависит от длины волны и составляет С1=5600(Dt)0.75 Дж/м2.
МДУ для ближней УФ области (315<l<400 нм) в случае импульсного (1 нс<Dt<10 c) облучения почти не меняется, составляя С1=5600(Dt)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 (Dt<1 нс) импульсов 100 ГВт/м2; для гигантских ( 1 нс<Dt<100 нс) импульсов 100 Дж/м2; для остальных (100 нс<Dt<10 с) импульсов 5600(Dt)0.25 Дж/м2. Плотность мощности при непрерывном облучении (10 с<Dt<30000 c) не должна превышать 1 кВт/м2.
Надо отметить, что такие значения справедливы и для дальней ИК области (0.1<l<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 l - Dt
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.