Лазерные телевизоры
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:
?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 ( 0.40.7 мкм ) при ?t< 2?10-5 c МДУ облучения роговицы глаза составляет 5?10-3 Дж/м2; для ИК-излучения ( 1.051.4 мкм ) при 2?10-5t<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 00 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 00 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:
(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:
1) 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;
2) 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
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):
1. поддиапазон — УФ-С и УФ-В, 200 <315 нм;
2. поддиапазон — УФ-А, 315 <400 нм;
3. поддиапазон — весь видимый и ИК-А, 0.4 <1.4 мкм;
4. 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 изме-рения вие ?10-9 От 10-9 до 10-7 От 10-7 до 1.8?10-5 От 1.8?10-5 до 5?10-5 От 5?10-5 до 10 От 10 до 103 От 103 до 104 От 104 до 3?104
От 200 до ГВт/м2 — 30 — — — — — — —
302.5 (УФ-С) Дж/м2 — — 30 30 30 30 30 30 30
От 302.5 Дж/м2 При ?t?T1 — C1 C1 C1 C1 — — —
до 315 (УФ-В) Дж/м2 При ?t?T1 — C2 C2 C2 C2 — — —
Дж/м2 — — — — — — C2 C2 C2
ГВт/м2 — 30 — — — — — — —
От 315 до 400 Вт/м2 — 3?1010 — — — — — 10 10
(УФ-А) Дж/м2 — — C1 C1 C1 C1 104 — —
От 400 Вт/м2 — 5?106 — — — — — — 10-2
до 550 Дж/м2 — — 5?10-3 5?10-3 C6 C6 100 100 —
От 550 до 700 Дж/м2 При ?t?T2 — — — — — С6 С6 —
Дж/м2 При ?t?T2 — — — — — С3?102 С3?102 —
Дж/м2 — — 5?10-3 5?10-3 С6 С6 — — —
Вт/м2 — 5?106 — — — — — — С3?10-2
От 700 до Дж/м2 — — 5С4?10-3 5С4?10-3 С4С6 С4С6 С4С6 — —
1050 (ИК-А) Вт/м2 — 5С4?106 — — — — — 3.2С4 3.2С4
От 1050 до Дж/м2 — — 5?10-2 5?10-2 5?10-2 5С6 5С6 — —
1400 (ИК-В) Вт/м2 — 5?107 — — — — — 16 16
От 1400 Дж/м2 — — 100 С1 С1 С1 — — —
до 106 (ИК-С) Вт/м2 — 1011 — — — — 103 103 103
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.
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 волны ?, нм МДУ
Единица измерения Условие При длительности экспозиции ?t, с
?10-9 От 10-9 до 10-7 От 10-7 до 10 От 10 до 103 От 103 до 104 От 104 до 3?104
От 200 ГВт/м2 — 30 — — — — —
до 302.5 Дж/м2 — — 30 30 30 30 30
От 302.5 до 315 Дж/м2 При ?t?T1 — C1 C1 — — —
Дж/м2 При ?t?T1 — C2 C2 — — —
Дж/м2 — — — — C2 C2 C2
ГВт/м2 — 30 — — — — —
От 315 Вт/м2 — 3?1010 — — — 10 10
до 400 Дж/м2 — — C1 C1 104 — —
От 400 Вт/м2 ср — 1011 — — — — 21
до 550 Дж/м2 ср — — С7 С7 2.1?105 2.1?105 —
От 550 до 700 Дж/м2 ср При ?t?T2 — — — 2С8 2С8 —
Дж/м2 ср При ?t?T2 — — — 2.1?105С3 2.1?105С3 —
Дж/м2 ср — — С7 С7 — — —
Вт/м2 ср — 1011 — — — — 21С3
От 700 Дж/м2 ср — — С4С7 С4С7 2С4С8 — —
до 1050 кВт/м2ср — С4?108 — — — 6.4С4 6.4С4
От 1050 Дж/м2 ср — — 5С7 5С7 10С8 — —
до 1400 Вт/м2 ср — 5?1011 — — — 3.2?104 3.2?104
От 1400 Дж/м2 — 100 С1 — — —
до 106 Вт/м2 — 1011 — — 103 103 103
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;
С7=105(?t)0.33;
С8=1.9?104(?t)0.75;
Таблица 1.3МДУ облучения наружных покровов человека
Длина волны ?, нм МДУ
Единица измерения Условие При длительности экспозиции ?t, с
?10-9 От 10-9 до 10-7 От 10-7 до 10 От 10 до 103 От 103 до 3?104
От 200 Дж/м2 — — 30 30 30 30
до 302.5 ГВт/м2 — 30 — — — —
От 302.5 Дж/м2 При ?t?T1 — C1 C1 — —
до 315 Дж/м2 При ?t?T1 — C2 C2 — —
Дж/м2 — — — — — —
Вт/м2 — 3?1010 — — 10-3С3 10-3С2
От 315 Дж/м2 — — С1 С1 104 —
до 400 Вт/м2 — 3?1010 — — — 10
От 400 Дж/м2 — — 200 С9 — —
до 1400 Вт/м2 — 2?1011 — — 2000 2000
От 1400 Дж/м2 — — 100 С1 — —
до 106 Вт/м2 — 1011 — — 1000 1000
С1=5.6?103(?t)0.25; T1=100.8(?-295)-15;
C2=100.2(?-295);
С9=1.1?104(?t)0.25;
1.2. МДУ лазерного облучения кожных покровов
При принятии должных мер безопасности (защитные очки и др.) повреждение зрительных органов человека обычно исключается. Однако остается возможность поражения кожных покровов (например, рук при обслуживании лазерной технологической установки). Что касается МДУ лазерного облучения для кожных покровов человека, то их значения, по рекомендации МЭК, отличаются от значений, рассмотренных ранее для глаз, лишь в области видимого и ближнего ИК излучения (?<1.4 мкм). При этом облучение усредняют в пределах круглой апертуры ? 1 мм для всех длин волн менее 0.1 мм. Облучение в дальней ИК области (0.1 <1 мм) по-прежнему усредняют в апертуре ? 11 мм.
Таким образом, при любом лазерном излучении, пользуясь данными таблиц 1.1 — 1.3, можно легко определить МДУ облучения, позволяющий избежать органических повреждений глаз и кожных покровов человека.
Применение того или иного способа обеспечения безопасности человека при лазерном излучении зависит от стадии изготовления или эксплуатации лазерного прибора. На защиту пользователя от лазерного облучения, превышающего МДУ, нацелены рекомендуемые МЭК конструктивные мероприятия, необходимые при изготовлении лазерных приборов. Поскольку эти мероприятия в той или иной степени обязательны для всех изготовителей лазерных приборов, целесообразно рассмотреть их более подробно.
2. Требования к изготовителям лазерных приборов в связи с обеспечением безопасности пользователей
МЭК рекомендует в связи с унификацией требований к конструкциям лазерных приборов разделять эти приборы на четыре класса с точки зрения опасности лазерного излучения для пользователей.
2.1. Лазерные излучатели класса 1
Наиболее безопасными как по своей природе (МДУ облучения никак не может быть превышен), так и по конструктивному исполнению являются лазерные приборы класса 1. В связи с таким двойным подходом допустимые пределы излучения (ДПИ) лазерных приборов класса 1 в спектральной области от 0.4 до 1.4 мкм, для которой возможно как точечное, так и протяженное повреждение сетчатки, характеризуются значениями в двух аспектах — энергетическом (в ваттах или джоулях) и яркостном. Соответствующие значения приведены в таблице 2.1 (кроме УФ излучения, а также ИК излучения от 1.4 мкм)
Таблица 2.1 ДПИ для лазеров класса 1
Длина ДПИ
волны Еди- Усло- При длительности излучения ?t, с
?, нм ница изме-рения вие ?10-9 От 10-9 до 10-7 От 10-7 до 1.8?10-5 От 1.8?10-5 до 5?10-5 От 5?10-5 до 10 От 10 до 103 От 103 до 104 От 104 до 3?104
От 200 мкДж — — 24 24 24 24 24 24 24
до 302.5 кВт — 24 — — — — — — —
От 302.5 мкДж При ?t?T1 — 0.79C1 0.79C1 0.79C1 0.79C1 — — —
до 315 мкДж При ?t?T1 — 0.79C2 0.79C2 0.79C2 0.79C2 — — —
мкДж — — — — — — 0.79C2 0.79C2 0.79C2
кВт — 24 — — — — — — —
От 315 кВт — 24 — — — — — 7.9?10-9 7.9?10-9
до 400 мкДж — — 0.79C1 0.79C1 0.79C1 0.79C1 7.9?103 — —
От 400 Дж — — 21?104 С10 С10 С10 3.9?10-3 3.9?10-3 —
до Дж/м2 ср — — С7 С7 С7 С7 2.1?105 2.1?105 —
550* Вт — 200 — — — — — — 3.9?10-7
Вт/м2 ср — 1011 — — — — — — 21
От 550 до 700* мДж и Дж/м2 ср При ?t?T2 — — — — — 103С10 103С10 —
мДж При ?t?T2 — — — — — 3.9С3 3.9С3 —
МДж/ м2 ср — — 10-6С7 10-6С7 10-6С7 10-6С7 — — —
мДж и Дж/м2 ср — — 2?10-4 103С10 103С10 2?10-4 — — —
мкВт — 200 — — — — — — 0.39? 10-6?С3
Вт/м2 — 1011 — — — — — — 21С3
От 700 Дж — — 2С4?10-7 2С4?10-7 С4С10 С4С10 С4С10 — —
до 1050* Дж/ м2ср — — С4С7 С4С7 С4С7 С4С7 2С4С8 — —
кВт — 0.2С4 — — — — — 12С4 12С4
кВт/ м2ср — С4?108 — — — — — 6.4С4 6.4С4
От 1050 Дж — — 2?10-6 2?10-6 2?10-6 5С10 5С10 — —
до 1400* Дж/ м2ср — — С7 С7 С7 С7 С7 — —
Вт — 2?103 — — — — — 6?104 6?104
Вт/ м2ср — 5?1011 — — — — — 3.2?104 3.2?104
От 1400 мкДж — — 80 0.4С9 0.4С9 0.4С9 — — —
до 105 Вт — 8?104 — — — — 8?10-4 8?10-4 8?10-4
От 105 Дж — — 10-2 10-4С1 10-4С1 10-4С1 — — —
до 106 Вт — 107 — — — — 0.1 0.1 0.1
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; *— Необходимы двойные пределы для класса 1.
С7=105(?t)0.33;
С8=1.9?104(?t)0.75;
С9=1.1?104(?t)0.25;
С10=7?10-4(?t)0.75;
2.2. Лазерные излучатели класса 2
Это маломощные лазерные приборы, излучающие только в видимом (0.4 <0.7 мкм) диапазоне. Их непрерывная мощность ограничена 1 мВт, так как предполагается, что человек обладает естественной реакцией защиты своих глаз от воздействия непрерывного излучения (рефлекс мигания). В случае кратковременных облучений (?t<0.25 мин) энергетика лазерных излучателей класса 2 не должна превышать соответствующие ДПИ для приборов класса 1.
Таким образом, лазерные излучатели класса 2 не могут нанести вред человеку помимо его желания.
2.3. Лазерные излучатели класса 3
Излучатели этого класса занимают переходное положение между безопасными приборами классов 1, 2 и лазерами класса 4 (которые безусловно требуют принятия мер по защите персонала). В соответствии с этим МЭК рекомендует подразделять лазерные излучатели класса 3 на два подкласса — 3А и 3Б.
2.3.1. Лазерные излучатели подкласса 3А
К ним относят условно безопасные излучатели. Они не способны повредить зрение человека, но при условии неиспользования каких-либо дополнительных оптических приборов для наблюдения прямого лазерного излучения. В соответствии с этим условием мощность видимого излучения непрерывных лазеров подкласса 3А не должна превышать 5 мВт (то есть пятикратного значения ДПИ для класса 2), а облученность — 25 Вт/м2. Допустимая энергетика для других длин волн и длительностей облучения не должна более чем в 5 раз превышать ДПИ для класса 1 (см. таблицу 2.2).
Таблица 2.2
ДПИ для лазеров подкласса 3А
Длина ДПИ
волны Еди- Усло- При длительности излучения ?t, с
?, нм ница изме-рения вие ?10-9 От 10-9 до 10-7 От 10-7 до 1.8?10-5 От 1.8?10-5 до 5?10-5 От 5?10-5 до 10 От 10 до 103 От 103 до 104 От 104 до 3?104
От 200 мДж — — 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12
до Дж/м2 — — 30 30 30 30 30 30 30
302.5* МВт — 0.12 — — — — — — —
ГВт/м2 — 30 — — — — — — —
От 302.5 мкДж При ?t?T1 — 4C1 4C1 4C1 4C1 4C1 — —
до 315 мкДж При ?t?T1 — 4C2 4C2 4C2 4C2 4C2 — —
мкДж — — — — — — — 4C2 4C2
Дж/м2 При ?t?T1 — C1 C1 C1 C1 C1 — —
Дж/м2 При ?t?T1 — C2 C2 C2 C2 C2 — —
Дж/м2 — — — — — — — C2 C2
МВт — 0.12 — — — — — — —
ГВт/м2 — 30 — — — — — — —
От 315 Вт — 1.2?105 — — — — — — 4?10-5
до 400 Вт/м2 — 3?1010 — — — — — — 10
мкДж — — 4C1 4C1 4C1 4C1 4C1 4?10-4 —
Дж/м2 — — C1 C1 C1 C1 C1 104 —
От 400 Дж — — 10-6 10-6 5С10 5С10 — — —
до 700 Дж/м2 — — 5?10-3 5?10-3 С6 С6 — — —
Вт — 1000 — — — — 5?10-3 5?10-3 5?10-3
Вт/м2 — 5?106 — — — — 25** 25** 25**
От 700 Дж — — С4?10-6 С4?10-6 5С4С10 5С4С10 5С4С10 5С4С10 —
до 1050 Дж/м2 — — 5?10-3? С4 5?10-3? С4 С4С6 С4С6 С4С6 С4С6 —
Вт — 103?С4 — — — — — — 6?10-4? С4
Вт/м2 — 5?106С4 — — — — — — 3.2С4
От 1050 мДж — — 0.01 0.01 0.01 С6 С6 С6 —
до Дж/м2 — — 0.05 0.05 0.05 5С6 5С6 5С6 —
1400 Вт — 104 — — — — — — 3?10-3
Вт/м2 — 5?107 — — — — — — 16
От 1400 мкДж — — 400 2С9 2С9 2С9 2С9 — —
до 105 Дж/м2 — — 100 С1 С1 С1 С1 — —
Вт — 4?105 — — — — — 4?10-3 4?10-3
Вт/м2 — 1011 — — — — — 103 103
От 105 мДж — — 50 0.5С1 0.5С1 0.5С1 0.5С1 — —
до 106 Дж/м2 — — 100 С1 С1 С1 С1 — —
Вт — 5?107 — — — — — 0.5 0.5
Вт/м2 — 1011 — — — — — 103 103
С1=5.6?103(?t)0.25; T1=100.8(?-295)-15;
C2=100.2(?-295); T2=101+0.02(?-550);
C4=10(?-700)/500;
С6=18(?t)0.75; *— Здесь и далее необходимы двойные пределы
С9=1.1?104(?t)0.25; для класса 3А.
С10=7?10-4(?t)0.75; **— Естественная защитная реакция на
излучение более 0.25 секунд.
2.3.2. Лазерные излучатели подкласса 3Б
К ним относят излучатели средней мощности, непосредственное наблюдение которых даже невооруженным (без фокусирующей оптической системы) глазом опасно для зрения. Однако при соблюдении определенных условий — удалении глаза более чем на 13 см от рассеивателя и времени воздействия не более 10 с — допустимо наблюдение диффузно рассеянного излучения. Поэтому непрерывная мощность таких лазеров не может превышать 0.5 Вт, а энергетическая экспозиция — 100 кДж/м2. Остальные значения ДПИ для лазеров подкласса 3Б приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3
ДПИ для лазеров подкласса 3Б
Длина волны ДПИ
?, нм Единица При длительности излучения ?t, с
измерения ?10-9 От 10-9 до 0.25 От 0.25 до 3?104
От 200 до 302.5 Дж — 3.8?10-4 —
Вт 3.8?10-5 — 1.5?10-3
От 302.5 до 315 Дж — 1.25?10-5?С2 —
Вт 1.25?104?С2 — 5?10-5?С2
От 315 до 400 Дж — 0.125 —
Вт 1.25?108 — 0.5
От 400 до 700* Дж/м2 — 3.14?С7 и ?105 —
Вт — — 0.5
Вт/м2 3.14?1011 — —
От 700 до 1050* Дж/м2 — 3.14?С4?С7 и ?105 —
Вт — — 0.5
Вт/м2 3.14?1011 — —
От 1050 до 1400* Дж/м2 — 15.7?С7 и ?105 —
Вт — — 0.5
Вт/м2 1.57?1012 — —
От 1400 до 106 Дж/м2 — 105 —
Вт — — 0.5
Вт/м2 1014 — —
C2=100.2(?-295);
C4=10(?-700)/500; *— Необходимы двойные пределы для класса 3Б.
С7=105(?t)0.33;
2.4. Лазерные излучатели класса 4
Это мощные лазерные установки, способные повредить зрение и кожные покровы человека не только прямым, но и диффузно рассеянным излучением. Значения ДПИ в данном случае превышают значения, принятые для подкласса 3Б. Работа с лазерными излучателями класса 4 требует обязательного соблюдения соответствующих защитных мер.
2.5. Особенности использования ДПИ при классификации лазерных излучателей
Лазерные излучатели, генерирующие на двух или более длинах волн неаддитивно, классифицируют по наибольшему классу опасности для каждой из них. В случае попадания генерируемых волн в один поддиапазон (аддитивные воздействия) поступают аналогично определению МДУ, то есть сумма относительных излучений, нормированных по ДПИ для данной длины волны, не должна превышать единицы:
(И?)отн = Иотн(?1) + Иотн(?1) +... = Иотн(?1) / ДПИ(?1) + Иотн(?1) / ДПИ(?2) +... < 1.
Если, например, через какое-либо отверстие корпуса защитного кожуха, или при введении оптического зонда, или в случае отказа блокировок лазерное излучение может попасть на человека — его глаза или только на кожные покровы, то классификацию осуществляют с учетом и этого дополнительного облучения.
Классификация лазерных приборов, излучающих повторяющиеся импульсы, осуществляют следующим образом. Последовательно определяют класс опасности для:
1. наиболее мощного импульса в серии;
2. средней мощности импульсов в серии, действующих якобы как один импульс с длительностью, равной длительности серии;
3. наиболее мощного импульса последовательности из n импульсов (за время проведения классификации) при мгновенной частоте повторения импульсов (определяемой по самому короткому интервалу) f>1 Гц. Однако при длительности отдельных импульсов ?t<10 мкс значение вклада каждого отдельного импульса уменьшают на значение коэффициента С5; при ?t>10 мкс одиночным считают импульс длительностью T=?t?n и значение его вклада уменьшают в n раз;
4. наиболее мощного эквивалентного импульса, представляющего собой последовательность (группу) из n<10 импульсов, повторяющихся с квазирегулярными интервалами. При этом энергетическая экспозиция эквивалентного импульса равна полной энергетической экспозиции группы импульсов, а длительность эквивалентного импульса равна или наименьшей длительности импульса в группе (при ?tгр<10 мкс), или сумме длительностей отдельных импульсов в группе (при ?tгр>10 мкс).
В результате лазерному прибору присваивают наиболее высокий класс опасности из вычисленных в пунктах 1 — 4. Если при определении ДПИ для эквивалентного импульса требования будут более жесткими, то, следуя пунктам 1 — 3, можно немного уменьшить получаемые значения. Причем если n>10, то нужно следовать пункту 3.
Кроме того, 825-й публикацией МЭК предусмотрен целый ряд дополнительных организационно-технических мероприятий, обязательных для изготовителя, по обеспечению безопасности лазерных изделий.
3. Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России
В нашей стране на базе проведенных комплексных исследований и современных представлений о влиянии лазерного излучения на организм человека разработан и утвержден ряд нормативных документов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию лазерных изделий. Эти документы устанавливают единую систему обеспечения лазерной безопасности. В такую систему входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда на лазерных установках.
В современной отечественной научно-технической и нормативной литературе дано несколько вариантов классификации лазерных изделий. С позиции обеспечения лазерной безопасности их классифицируют по основным физико-техническим параметрам и степени опасности генерируемого излучения.
В зависимости от конструкции лазера и конкретных условий его эксплуатации обслуживающий его персонал может быть подвержен воздействию опасных и вредных производственных факторов, перечень которых приведен в ГОСТ 12.1.040-83.
Уровни опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте не должны превышать значений, установленных по электробезопасности, взрывоопасности, шуму, уровням ионизирующего излучения, концентрации токсических веществ и др.
3.1. Классы опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91
Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физико-технических характеристик лазера — плотности мощности (энергии излучения), длины волны, времени облучения, длительности и периодичности импульсов, площади облучаемой поверхности.
Биологический эффект лазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на ткани организма (тепловое, фотохимическое), так и от биологических и физико-химических особенностей самих тканей и органов.
Наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны:
380?1400 нм — для сетчатки глаза,
180?380 нм и свыше 1400 нм — для передних сред глаза,
180?105 нм (т.е. во всем рассматриваемом диапазоне) — для кожи.
Нашими гигиенистами выдвинуты требования, в соответствии с которыми в основу проектирования, разработки и эксплуатации лазерной техники должен быть положен принцип исключения воздействия на человека (кроме лечебных целей) лазерного излучения, как прямого, так и зеркально ил диффузно отраженного.
В соответствии со СНиП 5804-91 лазерные изделия по степени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этом класс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемого в нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности проводит предприятие-изготовитель путем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) при однократном воздействии. Определяя принадлежность лазерного изделия к тому или иному классу по степени опасности лазерного излучения, необходимо учитывать воздействие прямого или отраженного лазерного пучка на глаза и кожу человека и пространственные характеристики лазерного излучения (при этом различают коллимированное излучение, то есть заключенное в ограниченном телесном угле, и неколлимированное, то есть рассеянное или диффузно отраженное). Использование дополнительных оптических систем не входит в понятие "коллимация", а оговаривается отдельно.
Лазерные изделия с точки зрения техники безопасности классифицируют в основном по степени опасности генерируемого излучения. Установлены следующие 4 класса лазеров:
1. к нему относят полностью безопасные лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи человека;
2. к нему относят лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком. В то же время диффузно отраженное излучение лазеров этого класса безопасно как для кожи, так и для глаз;
3. к нему относят лазерные устройства, работающие в видимой области спектра и выходное излучение которых представляет опасность при облучении как глаз (коллимированным и диффузно отраженным излучением на расстоянии менее 10 см от отражающей поверхности), так и кожи (только коллимированным пучком);
4. наиболее опасный — к нему относят лазерные устройства, даже диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии менее 10 см.
При определении класса опасности лазерного излучения учитываются три спектральных диапазона.
Таблица 3.1
Класс
опасности 180???380 380???1400 1400???105
лазерного Диапазон
излучения I II III
1 + + +
2 + + +
3 — + —
4 + + +
3.2. Гигиеническое нормирование лазерного излучения.
В соответствии со СНиП 5804-91 регламентируют ПДУ для каждого режима работы лазера и его спектрального диапазона. Нормируемыми параметрами с точки зрения опасности лазерного излучения являются энергия W и мощность P излучения, прошедшего ограничивающую апертуру диаметрами dа=1.1 мм (в спектральных диапазонах I и II) и dа=7 мм (в диапазоне II); энергетическая экспозиция H и облученность E, усредненные по ограничивающей апертуре:
H=W/Sa; E=P/Sa (3.1)
где Sa — площадь ограничивающей апертуры.
Угловой размер ? протяженного источника излучения определяется по формуле
(3.2)
где S0 — площадь источника, l — расстояние от точки наблюдения до источника, ? — угол между нормалью к поверхности источника и направлением визирования.
В случае протяженного источника излучения вводят дополнительный коэффициент В?1 для всего диапазона возможных интервалов облучения при ?>?пред — углового размере точечного источника.
ПДУ лазерного излучения устанавливают для двух условий — однократного и хронического облучения. Под хроническим понимают "систематически повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди, профессионально связанные с лазерным излучением". ПДУ при этом определяют как:
1) уровни лазерного излучения, при которых "существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме" человека;
2) уровни излучения, которые "при работе установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не приводят к травме (повреждению), заболеванию или отклонению в состоянии здоровья как самого работающего, так и последующих его поколений".
ПДУ хронического воздействия рассчитывают путем уменьшения в 5?10 раз ПДУ однократного воздействия.
ПДУ при одновременном воздействии излучений с разными длинами волн устанавливают так: для кожи и передних сред глаза — в спектральных диапазонах I и III (длина волн 180 ?380 нм и 1400 ?105 нм соответственно); для сетчатки глаза — в диапазоне II (длина волн 380 ?1400 нм). В каждом из этих случаев действие различных источников считают аддитивным:
(3.3)
где n — число источников излучения, действие которых аддитивно, i — условный порядковый номер источника, — предельно допустимые значения энергии (или мощности) каждого источника; Сi — относительный энерговклад каждого источника, определяемый как отношение энергии (мощности) источника с порядковым номером i к суммарной энергии (мощности) всех источников.
3.2.1. ПДУ лазерного излучения УФ диапазона
Для УФ излучения с длиной волны ?=180?380 нм (как коллимированного, так и рассеянного) при однократном воздействии на глаза и кожу человека нормируют Hпду, Eпду и Wпду, Рпду. В этом спектральном диапазоне диаметр ограничивающей апертуры da=1.1?10-3 м. Поэтому
(3.4)
где ПДУ облучения зависит от длительности воздействия и длины волны
Таблица 3.2
Предельные дозы при однократном воздействии на глаза
и кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения
Длина волны ?, нм Длительность воздействия t, с HПДУ, Дж?м-2;EПДУ, Вт?м-2
180???380 t?10 HПДУ
380???302.5 10?t?3?104 HПДУ=25; EПДУ=25/t
302.5???315 10?t?T1 HПДУ
302.5???315 T1?t?3?104 HПДУ=0.8?100.2(?-295); EПДУ=0.8?100.2(?-295)/t
315???380 10-9?t?10 HПДУ
315???380 10?t?3?104 HПДУ=8?103; EПДУ=8?103/t
Примечания: 1. Во всех случаях Wпду=Hпду?10-6; Pпду=Eпду?10-6.
2. Для второго спектрального поддиапазона T1=105?100.8(?-295), где ? в нанометрах.
3. Ограничивающая апертура составляет 1.1?10-3 м.
На практике важное значение имеет предельно допустимая однократная суточная доза.
Таблица 3.3
Предельные однократные суточные дозы при облучении глаз и кожи лазерным излучением
Длина волны ?, нм H?ПДУ (3?104) Дж?м-2;
180???380 25
302.5???315 0.8?100.2(?-295)
305 80
307.5 250
310 8?102
312.5 2.5?103
315 8?103
315???380 8?103
3.2.2 ПДУ лазерного излучения при облучении глаз в диапазоне 380 ?1400 нм
Таблица 3.4
Предельные дозы при однократном воздействии на глаза
коллимированного лазерного излучения
Длина волны ?, нм Длительность воздействия t, с WПДУ, Дж
380???600 t?2.3?10-11
2.3?10-11?t?5?10-5 8?10-8
5?10-5?t?1
600???750 t?6.5?10-11
6.5?10-11?t?5?10-5 1.6?10-7
5?10-5?t?1
750???1000 t?2.5?10-10
2.5?10-10?t?5?10-5 4?10-7
5?10-5?t?1
1000???1400 t?10-9
10-9?t?5?10-5 10-6
5?10-5?t?1
Примечания: 1. Длительность воздействия меньше 1 с.
2. Ограничивающая апертура = 7?10-3 м.
3.2.3 ПДУ лазерного излучения при облучении кожи в диапазоне 380 ?1400 нм
Таблица 3.7
Предельные дозы при однократном воздействии на кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения
Длина волны ?, нм Длительностьизлучения t, с HПДУ, Дж?м-2; EПДУ, Вт?м-2
380???500 10-10?t?10-1 HПДУ=
10-1?t?1 HПДУ=
1?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
500???900 10-10?t?3 HПДУ=
3?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
900???1400 10-10?t?1 HПДУ=
1?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
Примечания: 1. Ограничивающая апертура = 1.1?10-3 м.
2. Wпду =10-6Hпду; Pпду =10-6Eпду.
3.2.4. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 1400 ?105 нм
Таблица 3.8
Предельные дозы при однократном воздействии на глаза и кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения
Длина волны ?, нм Длительностьоблучения t, с HПДУ, Дж?м-2; EПДУ, Вт?м-2
1400???1800 10-10?t?1 HПДУ=
1?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
1800???2500 10-10?t?3 HПДУ=
3?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
250???105 10-10?t?10-1 HПДУ=
10-1?t?1 HПДУ=
1?t?102 EПДУ=
t>102 EПДУ=5?102
Примечания: 1. Ограничивающая апертура = 1.1?10-3 м.
2. Wпду =10-6Hпду; Pпду =10-6Eпду.
3.2.5. Определение класса лазерного изделия по степени опасности излучения, генерируемого лазером
Для определения класса опасности лазера (и лазерного изделия в целом) предельно допустимые уровни излучения для глаз и кожи человека в зависимости от режима генерации и спектрального диапазона излучения сопоставляют с ограничениями по классам, данными в таблице 3.9.
Таблица 3.9 Соотношения для определения классов по степени опасности генерируемого излучения
Длина волны ?, нм Класс опасности Режим генерации излучения
Одиночные импульсы Серии импульсов Непрерывное излучение
180 1 Wi(tи)?Hпду(tи)Sп Wic(tи)?Hcпду(tи)Sп P(t)?Eпду(t)Sп *
?380 1 (tи)?H?пду?(3?104)Sп (tи)?H?пду?(3?104)Sп (ti)ti?H?пду?(3?104)Sп
2 Wi(tи)???10-2?Hпду(tи) Wic(tи)???10-2?Hпду(tи) P(t)???10-2?Eпду(tи) *
2 (tи)???10-2?H?пду?(3?104) (tи)???10-2?H?пду?(3?104) (ti)ti???10-2?H?пду?(3?104)
4 Wi(tи)>??10-2?Hпду(tи) Wic(tи)>??10-2?Hпду(tи) P(t)>??10-2?Eпду(tи) *
4 (tи)>??10-2?H?пду?(3?104) (tи)>??10-2?H?пду?(3?104) (ti)ti>??10-2?H?пду?(3?104)
380 ?750 1 **
2 W(tи)?8?102?Wпду(tи) Wс(t)?8?102?Wспду(t) P(t)?8?102?Pпду(t) **
3 W(tи)???104?Wпду(tи) *** Wс(t)???104?Wспду(t) *** P(t)???104?Pпду(t) * ***
4 W(tи)>??104?Wпду(tи) *** Wс(t)>??104?Wспду(t) *** P(t)>??104?Pпду(t) * ***
750 ?1400 1 *
2 W(tи)?8?102?Wпду(tи) Wс(t)?8?102?Wспду(t) P(t)?8?102?Pпду(t) **
3 W(tи)???10-2?Hпду(tи) *** Wс(t)???10-2?Hспду(t) *** P(t)???10-2?Eпду(t) * ***
4 W(tи)>??10-2?Hпду(tи) *** Wс(t)>??10-2?Hспду(t) *** P(t)>??10-2?Eпду(t) * ***
1400 1 W(tи)?Hпду(tи)Sп Wc(t)?Hcпду(tи)Sп P(t)?Eпду(t)Sп *
?105 2 W(tи)???10-2?Hпду(tи) Wс(t)???10-2?Hспду(t) P(t)???10-2?Eпду(t) *
4 W(tи)>??10-2?Hпду(tи) Wс(t)>??10-2?Hспду(t) P(t)>??10-2?Eпду(t) *
* Длительность воздействия непрерывного излучения в диапазонах 180 ?380 нм, 750 ?1400 нм и 1400 ?105 нм составляет 10 с (наиболее вероятное время пребывания человека в состоянии полной неподвижности).
** Длительность воздействия непрерывного излучения в диапазоне 380 ?750 нм составляет 0.25 с (время мигательного рефлекса).
*** Предельно допустимые уровни Нпду и Епду для кожи.
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 ? — ?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 ?1400 нм
3.2.3 ПДУ лазерного излучения при облучении
кожи в диапазоне 380 ?1400 нм
3.2.4. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 1400 ?105 нм
3.2.5. Определение класса лазерного изделия по
степени опасности излучения, генерируемого лазером
10
12