Техніка безпеки при експлуатації лазерів і лазерних установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техніка безпеки при експлуатації лазерів і лазерних установок

План

1. Класифікація лазерів і лазерних установок

2. Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні лазерів та лазерних установок

3. Механізми дії лазерного випромінювання

4. Вплив лазерного випромінювання на очі

5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи

1. Класифікація лазерів і лазерних установок

У науковій, технічній і нормативній літературі наводиться кілька варіантів класифікації лазерів і лазерних установок. З позиції забезпечення лазерної безпеки (ЛБ) вони класифікуються за основними фізикотехнічними параметрами і ступенем небезпеки генерованого випромінювання [1; 3].

В основу класифікації лазерів (ЛР) і лазерних установок (ЛУ) за фізикотехнічними параметрами покладені наступні ознаки.

Активний елемент, у якому енергія накачування перетворюється у випромінювання: твердотільні ЛР (рубін, активоване неодимом скло, алюмоіттрієвий гранат, пластмаси); напівпровідникові (ZnS, ZnO, CaSe, Тe, PbS і ін.); рідинні (з рідкоземельними активаторами чи органічними барвниками); газові (газостатичні, газодинамічні, електроаеродинамічні, електроіонізаційні та хімічні у залежності від способу накачування: Не - Ne, аргон, криптон, ксенон, неон, Не - Cb, CO2 і ін.).

Спосіб накачування: пропущення постійного, імпульсного чи високочастотного струмів через газ; вплив світлом неперервним чи імпульсним (зокрема, світловим спалахом імпульсної лампи, використовуваної у твердотільних і рідинних ЛР), пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних реакцій; рентгенівським випромінюванням; хімічним збудженням.

Довжина хвилі генеруємого випромінювання: субміліметрові, інфрачервоні, видимого діапазону, ультрафіолетові, рентгенівські і гаммавипромінювання. лазер випромінювання світло

Режим роботи: ЛР, що працюють у неперервному режимі, простому імпульсному чи імпульсному з модульованою добротністю (моноімпульсне й імпульсне періодичне).

Вплив лазерного випромінювання (ЛВ) на обслуговуючий персонал у залежності від виду установки: установки закриті і відкриті. Технологічні ЛУ в більшості випадків закритого типу; унікальні і дослідницькі - в основному відкриті, можуть бути закриті.

Умови експлуатації: стаціонарні і пересувні, у виробничих приміщеннях, лабораторіях, клініках і польових умовах.

Спосіб відводу тепла: із природним і примусовим охолодженням, повітряним чи рідинним (вода чи рідина, що містить як правило токсичні речовини).

Призначення: унікальні, дослідницькі, спеціальні, технологічні, медичні.

Потужність випромінювання: надпотужні, потужні, середньої потужності, малої потужності.

У відповідності із СНіП 239281 і ГОСТ 12.1.04083 ЛР і ЛУ за ступенем небезпеки генерованого випромінювання підрозділяються на чотири класи.

До лазерів I класу відносяться ЛР, вихідне випромінювання яких не становить небезпеки для очей і шкіри. При експлуатації ЛР і ЛУ даного класу не потрібно дозиметричного контролю ЛВ у робочій зоні і медичного обслуговування навіть при максимальній тривалості опромінення протягом усього робочого дня (8 год чи 3•104 с). Однак ЛР даного класу, випромінювання яких знаходиться у видимому діапазоні спектра, можуть призвести до зорового дискомфорту, у зв'язку, з чим бажане вживання заходів, що зменшують засвітку очей [3].

До лазерів II класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких становить небезпеку при опроміненні очей прямим чи дзеркально відбитим випромінюванням.

До лазерів III класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких становить небезпеку при опроміненні очей прямим, дзеркально відбитим, а також дифузно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від дифузно відбиваючої поверхні і при опроміненні шкіри прямим і, дзеркально відбитим випромінюванням.

До лазерів IV класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких становить небезпеку при опроміненні шкіри диффузно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від дифузно відбиваючої поверхні.

Клас небезпеки ЛР і ЛУ встановлюється підприємствомвиготівником

2. Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні лазерів та лазерних установок

При експлуатації ЛУ персонал може піддаватися впливу комплексу небезпечних і шкідливих факторів, кількість і інтенсивність яких залежать від просторовоенергетичних характеристик ЛВ, лазерних технологій (ЛТ), умов експлуатації і конструктивних особливостей ЛР. Характерно, що практично кожному типу ЛР і ЛУ, кожному технологічному процесу відповідає певний комплекс небезпечних і шкідливих виробничих факторів. Деякі ЛТ вимагають подачі в робочу зону технологічного середовища (наприклад, при зварюванні подають інертні гази) чи введення додаткової енергії (механічної, електромагнітної і т.д.). Прикладами комбінованих методів можуть служити газолазерне різання, лазерноелектрична обробка отворів і т. д. Тому необхідно в кожнім конкретному випадку розглядати окремо особливості роботи кожного типу ЛР і ЛУ стосовно до умов їхньої експлуатації.

Небезпечні і шкідливі виробничі фактори розділяють на основні і супутні [4]. До основних небезпечних і шкідливих факторів відносяться власне монохроматичне, когерентне ЛВ і паразитне випромінювання (відбите і розсіяне), а до супутніх - фактори, що виникають у робочій зоні (на лазерних ділянках) при експлуатації ЛР і інших установок.

Розглянемо механізм утворення супутніх небезпечних і шкідливих факторів.

Монохроматичність, когерентність і мала розходимість лазерного променя дозволяють сфокусувати його на надзвичайно малій площі, що прагне до точки, діаметр якої відповідає порядку довжини хвилі, що дає можливість одержати на поверхні оброблюваного матеріалу енергію при густинах потужності до 1017 Вт/см2. Однак час існування зазначеної потужності у фокусі імпульсного лазерного променя мізерно малий: 10 3 - 10 9 с. Проте в подібних умовах дія даного променя на різні матеріали приводить до їхнього руйнування і випару (метали випаровуються при щільності потужності випромінювання порядку 1010 Вт/см2). Пари, що утворилися, розширюються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю звуку (v = 103 м/с), що приводить до механічного ефекту - тілу надається імпульс віддачі.

При проходженні через середовище ЛВ з діелектричною е і магнітною м проникністю утвориться інтенсивне електричне поле, напруженість якого (В/м) для плоскої хвилі визначається за формулою [5]

. (1)

Наприклад, пікове значення електричного поля у вакуумі при W = 1 МВт/см2 складе 2,74•106 В/м.

При фокусуванні ЛВ у газі в режимі модульованої добротності виникає так званий лавинний пробій: у фокусі лінзи утвориться згусток високоіонізованної високотемпературної плазми, що є джерелом м'якого рентгенівського випромінювання з довжиною хвилі порядку 1,0 нм.

При нагріванні речовини ЛР до температури 107 108 К можливе збудження ядерних реакцій. При нагріванні дейтрієвої плазми утвориться нейтронне і жорстке рентгенівське випромінювання.

Турбулентність атмосфери викликає блукання променя, його розсіювання і сцинтиляцію. При проходженні променя через ділянки з різною температурою, за рахунок зміни показника заломлення, він відхиляється від початкового напрямку. При великому діаметрі променя різні його ділянки потрапляють у різні турбулентні області і промінь починає розділятися і розходитися. Блукання і розбіжність променя зменшуються при збільшенні його діаметра або при великих відстанях від джерела, де, в основному, спостерігається ефект сцинтиляції, тобто перерозподіл енергії усередині променя. Було виявлено, що на відстані 1 км від джерела рівень опромінення перевищував рівень на осі променя поблизу джерела в 45 разів, в інших ділянках перетину рівні опромінення були нижче. Таким чином, небезпека ЛВ, імовірно, найбільша в таких «гарячих» точках.

З наведеного вище можна зробити висновок, що при використанні ЛР у залежності від класу їхньої небезпеки, застосовуваної технології й умов експлуатації можуть існувати групи фізичних, хімічних і психофізіологічних небезпечних і шкідливих виробничих факторів.

Висока напруга є на зарядних пристроях, що живлять батарею конденсаторів великої ємності, Після розряду конденсаторів на лампи (спалахи) вони можуть зберігати залишкову напругу високого потенціалу, є напруга також у ланцюгах управління. Напруги дотиків і струми, що протікають через тіло людини при нормальному (неаварійному) і аварійному режимах роботи лазерних установок, не повинні перевищувати допустимих значень, зазначених у ГОСТ 12.1.038 - 82.

У результаті радіолізу повітря утворююься озон, оксиди азоту й інших газів, що викликають загазованість повітря робочої зони. Розряди імпульсних ламп накачування супроводжуються утворенням озону, концентрація якого швидко зменшується по припиненню розряду ламп у зв'язку з його розпадом. Озон і оксиди азоту утворяться також у результаті іонізації повітря іонізуючими випромінюваннями утвореними при експлуатації високовольтних джерел живлення ЛР [24]. У результаті випару матеріалу мішені при зварюванні, паянні, свердлінні й інших технологічних процесах утворяться оксид вуглецю, шкідливі газові домішки і пари летучих органічних сполук, використовуваних у технологічних процесах (нітробензол, нітротолуол, чотирьоххлористий вуглець і т.д.). У результаті термоокислювального розкладання матеріалу мішені і реакції в ЛР утворюється ціаністий водень. Гранично припустимі концентрації (ГДК) зазначених газів і парів наведені в ГОСТ 12.1.005 - 76.

Оксиди елементів, що входять до складу матеріалу, що руйнується чи випаровується під впливом лазерного випромінювання (оксиди свинцю, олова, вісмуту, алюмінію і т.д.), виділяються в повітря і створюють аерозоль дезинтеграцї і конденсації, вміст якого в повітрі робочої зони не повинен перевищувати встановлених ГДК згідно ГОСТ 12.1.005 - 76.

Змінюється іонний склад повітря. Як правило, збільшується вміст негативних іонів у безпосередній близькості (2040 см) від імпульсних ламп. Джерелом іонізації повітря є сфокусоване ЛВ, ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання. Припустимий вміст легких іонів у повітрі виробничих і суспільних приміщень з кондиціонуванням повітря наведений в табл. 9.1 [20].

Таблиця 1 Нормативні величини іонізації повітря виробничих і суспільних приміщень

Рівень	Число іонів в 1 см3	П
	п +	п
Мінімально необхідний Оптимальний Максимально допустимий	400 10003000 50 000	600 30005000 50 000	- 0,2 Від - 0,67 до 0 Від - 0,05 до + 0,05

Зауваження: У таблиці прийняті наступні позначення: п + - легкі позитивні іони; п - легкі негативні іони; П - показник полярності

П = (п + п )/( п + + п ) (2)

1< П < + 1, при рівності позитивних і негативних іонів П = 0.

Джерелом іонізуючих випромінювань можуть бути [13]: джерела живлення (вакуумні випрямні кенотрони і тиратрони, генераторні лампи); активне середовище (радіонукліди: тритій, радіоактивні матеріали й ін.); пристрої накачування ЛР (пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних реакцій і рентгенівським випромінюванням); досліджуване середовище (при взаємодії потужного ЛВ з досліджуваним середовищем може виникати рентгенівське випромінювання, а також нейтрони, якщо середовище, являє собою термоядерне паливо: дейтерій, суміш тритію з дейтерієм); комбіновані установки (на яких використовується незалежно один від одного ЛВ й іонізуюче випромінювання від стороннього джерела) і випромінювання рентгенівських і гаммаЛР.

Під час роботи імпульсних ламп і газорозрядних трубок генеруються ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, а при роботі імпульсних ламп накачування -- випромінювання видимого діапазону високої інтенсивності. Найбільш небезпечними є випадки самовільного розряду розекранованих ламп, тому що при цьому персонал не встигає вжити заходів обережності. Джерелами інфрачервоного випромінювання є самі ЛУ, нагріті матеріали і т. д. Припустима густина потоку інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань не повинні перевершувати допустимі значення наведені у табл. 9.2 [0].

Таблиця 2 Допустимі густини потоку інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання

Довжина хвилі, нм	Допустима густина потоку енергії, Вт/м2
Інфрачервоне випромінювання
760 - 1500 1500 - 3000 3000 - 4500 4500 - 10 000	100 120 150 120
Ультрафіолетове випромінювання
400 - 320 320 - 280 280 200	10 0,05 0,001

Зауваження: 1. Допустима інтегральна густина потоку інфрачервоного випромінювання не повинна перевищувати 70 Вт/м2 при користуванні повсякденною одежею і 140 Вт/м2 при наявності спеціальних засобів захисту. 2. При ультрафіолетовому випромінюванні обов'язковий захист органів зору та шкіри.

При роботі імпульсних ЛР виникають звукові, ультразвукові та інфразвукові коливання високої інтенсивності, а при роботі механічних затворів і ротаційних насосів - шум.

Шкідливим фактором є також електромагнітне випромінювання (поле), використовуване для накачування.

У рідинних ЛР використовуються, як правило, агресивні і токсичні рідини (наприклад, оксихлорид фосфату), що вимагає застосування спеціальних запобіжних заходів при виконанні операції заливання, заміни і зливу, а також заходів для виключення можливості виходу рідини назовні через несправність чи ушкодження систем трубопроводів.

Якщо для охолодження ЛР використовується рідина, що містить токсичні речовини, повітря приміщення може забруднюватися газами чи парами, що виділяються з недостатньо щільних з'єднань у системі судин і трубопроводів. Використання для охолодження рідкого азоту чи гелію може призвести до утворення рідкого кисню, що збільшує ймовірність виникнення вибухонебезпечних ситуацій [4].

Усі перераховані небезпечні і шкідливі фактори розподіляють за походженням на дві основні групи. До першої групи відносяться фактори, виникнення яких зв'язане з власною роботою ЛР, до другої групи - фактори, походження яких є результатом взаємодії ЛВ з оброблюваними матеріалами чи з різними елементами, необхідними для виконання маніпуляцій з лазерним променем, табл. 9.3 [4]:

3. Механізми дії лазерного випромінювання

Механізм біологічної дії ЛВ на оператора складний і різноманітний і залежить від енергетичної експозиції в імпульсі чи енергетичної освітленості, довжини хвилі, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, тривалості впливу, площі ділянки, що опромінюється, від біологічних і фізикохімічних особливостей опромінюваних тканин і органів.

Під впливом ЛВ в організмі виникають первинні біологічні ефекти, тобто органічні зміни в опромінюваних тканинах, і вторинні ефекти - неспецифічні зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення.

Лазерне випромінювання здійснює на людину наступні впливи:

- термічне (теплове) - при фокусуванні ЛВ виділяється значна кількість тепла в невеликому об'ємі зa короткий проміжок часу;

- енергетичне - великий градієнт електричного поля, обумовлено високою щільністю потужності; може викликати поляризацію молекул, електрострикцію, резонансні й інші ефекти;

- утворення у межах клітини мікрохвильового електромагнітного поля;

- фотохімічне;

- механічне проявляється у виникненні коливань типу ультразвукових в опромінюваному організмі;

- розщеплення білків;

- генетичний розпад молекул РНК та ДНК кислот і поступове відмирання клітин зі зміненим генетичним кодом;

- гуморальна функція, зв'язана з отруєнням трупною отрутою (вплив продуктів розкладання).

Найбільш вивченим у даний час є термічний вплив лазерних випромінювань [2; З].

Установлено вибірне поглинання лазерної енергії клітинами, що містять певну речовину. В основі біологічної дії будьякого випромінювання лежить ступінь поглинання енергії біологічними структурами, що визначається величиною кванта (). Таке випромінювання добре поглинається в організмі пігментними утвореннями, цитохромами клітин, молекулами гемоглобіну й ін.

Таблиця 3 Класифікація небезпечних і шкідливих факторів ЛР і ЛУ за їх походженням

Небезпечні і шкідливі фактори	Джерела (причини) виникнення
Перша група
Пряме лазерне випромінювання	Лазер
Імпульсні світлові спалахи	Випромінювання імпульсних ламп накачування
Ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання	Випромінювання імпульсних ламп накачування; кварцові газорозрядні трубки і кювети
Озон і оксиди азоту	Іонізація повітря при розрядці імпульсних ламп накачування
Шум	Робота допоміжних елементів лазерної установки
Рентгенівське випромінювання: м'яке середньої жорсткості жорстке	Лазер з робочою напругою, кВ: 10--60 60--120 Понад 120
Електромагнітні поля радіочастот	ВЧ і Звчнакачка
Агресивні і токсичні рідини	Активне середовище, охолоджуючі рідини
Іонізуюче випромінювання	Накачування ЛР пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних реакцій і рентгенівським випромінюванням; рентгенівські і гама ЛР
Друга група
Дифузно і дзеркально відбите лазерне випромінювання	Взаємодія лазерного променя з різними елементами по ходу променя
Розсіяне лазерне випромінювання	Взаємодія лазерного променя з частками повітряного середовища
Імпульсні світлові спалахи	Випромінювання плазменного смолоскипа
Імпульсний шум	Звукові імпульси в результаті «удару» лазерного променя по оброблюваному матеріалу
Забруднення повітряного середовища аерозолями	Продукти деструкції, отримувані при обробці матеріалів лазерним променем
Електричні поля високої інтенсивності, високотемпературна плазма, що є джерелом короткочасного рентгенівського і нейтронного випромінювання (у фокусі лазерного променя)	Взаємодія особливо потужного ЛВ з речовиною, що обробляється
Іонізуюче випромінювання	Активне середовище
Комбіновані	Стороннє джерело

Ще більша кількість біологічних елементів тканин організму людини і тварин поглинають інфрачервоне випромінювання. При цьому інфрачервоне випромінювання ближньої області поглинається тими ж біологічними структурами, що і випромінювання видимого спектра. Інфрачервоне випромінювання дальньої області взаємодіє, головним чином, із тканинами, що містять воду.

Теплова дія ультрафіолетових випромінювань при високих рівнях енергії може бути досить вираженою. Ці випромінювання можуть викликати еритему і пігментацію, хемолюмінесценцію біологічних структур. Вони мають генетичну і канцерогенну дію.

Термічна дія ЛВ має свою специфіку. Так, при впливі випромінювання імпульсного ЛР в опромінених тканинах відбувається швидке нагрівання тих структур, що добре поглинають цю енергію. Причому, якщо це випромінювання відповідає режиму вільної генерації, то за час імпульсу (який триває в межах 1 мс) тепло встигає впливати на досить великий об'єм тканин і викликати їхнє ушкодження, що має характер термічного опіку.

При дії випромінювання з укороченим імпульсом (випромінювання ЛР у режимі модульованої добротності з тривалістю імпульсу ф = 10 - 7 - 10 12 с) тепло практично не встигає поширитися в навколишні тканини і рідину. У результаті цього адсорбувавші енергію структури миттєво нагріваються до дуже високих температур. Таке миттєве нагрівання викликає подобу вибуху опромінених тканинних елементів, зокрема, пігментних утворень, наприклад, меланіну. При впливі на очне дно це випромінювання приводить до важких ушкоджень (розриви, розшарування сітківки, кровотечі).

Під впливом дії ЛВ відбувається порушення життєдіяльності як окремих органів, так і організму в цілому. При дії на клітини, тканини й органи в них виникають гістохімічні та біологічні зміни, а також патофізиологічні ефекти. У дії випромінювання на складні біологічні структури розрізняють три стадії: фізичну, фізикохімічну і хімічну [15].

На першій стадії (фізичній) відбуваються елементарні взаємодії випромінювання з речовиною, при цьому речовина нагрівається, спостерігаються фазові переходи в матеріалі клітини, кавітація у фізіологічних рідинах, перетворення енергії випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація атомів і молекул, збудження і переведення електронів з валентних рівнів у зону провідності, рекомбінація збуджених атомів і ін.

При впливі неперервного ЛВ переважає в основному тепловий механізм дії, наслідком якого є коагуляція (згортання) білка, a при великих потужностях - випар біотканин. При потужності випромінювання в імпульсі понад 107 Вт і високій ступені фокусування лазерного променя можливе виникнення іонізуючих випромінювань.

В міру зменшення інтенсивності випромінювання тепловий механізм ушкодження тканини, що опромінюється, починає поступатися місцем квантовим ефектам, що проявляються при поглинанні випромінювання і переносі енергії у всіх структурах, що входять до складу біологічної тканини.

На другій стадії (фізикохімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються вільні радикали (Н2О2, HO2 і ін.), що володіють високою здатністю до хімічних реакцій.

На третій стадії (хімічній) вільні радикали реагують з молекулами речовин, що входять до складу тканини, і при цьому виникають ті молекулярні ушкодження, які і визначають загальну картину впливу лазерного випромінювання на опромінювану тканину і організм у цілому.

Енергія квантів ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль 0,3800,006 мкм змінюється в межах 3,26123 еВ відповідно. Кванти з енергією 1215 еВ здатні викликати іонізацію води й атомів кисню, водню, азоту, вуглецю. Виходячи з того, що вода і перераховані атоми становлять основу живої тканини, випромінювання з енергією 12 еВ розглядають як нижню межу для біологічних систем, а при енергії більш 12 еВ можливе ураження тканини, викликане розкладанням молекулярного кисню з наступним утворенням озону.

Первинною ланкою біологічного ефекту УФвипромінювання є чисто фізичний процес поглинання його молекулами біологічних структур. Далі, внаслідок реакції взаємодії розвиваються фізикохімічні процеси збудження, іонізації і дисоціації, що приведуть до тих чи інших кінцевих біологічних ефектів, і головним у механізмі дії є фотохімічний ефект. При цьому напрямок фотохімічних реакцій залежить від інтенсивності і дози опромінення. Малі дози стимулюють процеси біосинтезу тканинних колоїдів, сприяють росту і діленню клітин. Великі - гнітять ріст і ділення клітин, викликаючи фотоліз, що руйнує клітини. Зі зменшенням довжини хвилі вражаюча дія УФвипромінювання зростає, але одночасно зменшується його проникаюча здатність, а це, у свою чергу, приводить до того, що ушкодження обмежується поверхневими шарами тканин [З].

При впливі потужного імпульсу випромінювання на організм в опромінених тканинах виникає ударна хвиля безпосередньо від «удару» самого імпульсу. Тиск, що надається лазерним променем на опромінюванний об'єкт визначається за формулою [7]

p=W(l+с)/с, (3)

де с - швидкість світла у вакуумі; W - інтенсивність випромінювання в площині об'єкта; с - коефіцієнт відбивання даного випромінювання від поверхні опромінюванного об'єкта. При W = 3•109 Вт/см2 і с = 0,5 р ? 1,5•105 Па.

Механічна дія ЛВ. Поява ударної хвилі обумовлена виникненням градієнтів тиску усередині опромінюванної системи за рахунок об'ємного розширення (як зі зміною фазового стану, так і без нього), викликаного короткочасним локальним нагріванням тканини, а також імпульсом віддачі при випарі біотканин з поверхні. Теплове розширення може виникнути на поверхні або у внутрішній зоні опромінюванної тканини, механічні навантаження при цьому характеризуються величинами порядку десятків Паскалей.

Висока інтенсивність потоку ЛВ супроводжується ударною хвилею такої сили, при якій ушкоджуються і внутрішні органи. Наприклад, опромінення поверхонь грудної клітки, черевної стінки, голови викликає ушкодження печінки, кишечнику й інших органів черевної порожнини, а також внутрішньоклітинні і внутрімозкові крововиливи.

Механічний ефект випромінювань лазерів, що працюють в імпульсному режимі, містить у собі не тільки дію ударної хвилі, але й інші механічні явища. Важливим ефектом є реактивна дія на тканину, що виникає внаслідок викиду речовини з поверхні об'єкта, що опромінюється.

При опроміненні шкірних покривів імпульсними ЛВ з щільністю потоку енергії 40 Дж/см2 і більше над поверхнею шкіри виникає короткочасне (вулканоподібне) здуття, а потім і викид дрібних часток у вигляді «султана». При впливі на очі чи шкіру імпульс випромінювання суб'єктивно відчувається як короткий точковий удар.

Тому що біологічні тканини дуже неоднорідні за своєю анатомофізіологічною структурою, у зоні опромінення термічний і механічний впливи супроводжуються вторинними ефектами: гідродинамічним стиском і розрідженням середовища, появою негативного тиску у певних ділянках середовища й іншими, котрі можуть приводити до більш виражених патологічних змін у зоні опромінення і збільшувати площу ушкодження.

Зі збільшенням енергії в імпульсі випромінювання ударна хвиля може досягти таких значень, при яких струс розподіляється в більш глибоко залягаючі тканини організму, а частина енергії проникає через шкірні покриви, підшкірну клітковину, кісткову тканину і досягає внутрішніх органів [З, 4].

Електрострикція - деформація молекул в електричному полі ЛВ, пропорційна квадрату напруженості електричного поля Е і проявляється як зміна густини

ДV/V = AE2, (4)

де ДV/V - відносна об'ємна деформація; А - постійна електрострикції;

А = в•с•(?е ? ?с) ? 2р; (5)

в - стискаємість; с - густина; е - діелектрична проникність середовища.

Ушкодження внутрішніх органів виникають у результаті не тільки механічної дії випромінювання, але й як наслідок безпосереднього впливу енергії ЛВ на тканини внутрішніх органів. При експлуатації потужних ЛР збільшується небезпека ушкодження внутрішніх органів і головного мозку при впливі прямого ЛВ чи дзеркально відбитого.

До числа специфічних ефектів біологічної дії ЛВ відносяться зміни генетичних, ферментативних і інших властивостей тканин, а також деяких властивостей крові, зрушення біохімічних показників. В основі специфічної дії випромінювань лежать складні процеси, спричинені вибірним поглинанням електромагнітної енергії тканинами, а також електричними і фотохімічними ефектами.

Високий градієнт електричного поля, обумовлений великою щільністю енергії ЛВ, може викликати поляризацію молекул, резонансні й інші явища. При потужностях ЛВ, що доходять до сотень мегаватів, можливі процеси іонізації біомолекул, генерація гармонік, багатофотонні процеси й ін. Так, наприклад, при впливі рубінового випромінювання (л = 0,69 мкм) можна отримати ефект, аналогічний ефекту випромінювання УФлазера. Ця можливість заснована на процесі поглинання, коли внаслідок високої енергетичної щільності енергії ЛВ два окремих фотони беруть участь у єдиному процесі поглинання. Ефект двофотонного поглинання може виявлятися у вигляді органічних змін патологічного характеру й у вигляді функціональних зорових реакцій.

У механізмі дії ЛР, що працюють у режимі неперервного випромінювання, ведуче місце займає термічна чи специфічна дія, а механічні ефекти (ударні хвилі й ін.) не мають істотного значення. Значення механічних ефектів зростає в міру укорочення імпульсу і підвищення потужності випромінювання (імпульсномодульований режим).

Під впливом енергії ЛВ невеликої інтенсивності виникають різні функціональні зміни, при цьому найбільш «реактивними» є зоровий аналізатор, центральна нервова, ендокринна і серцевосудинна системи. Характер і виразність функціональних змін залежить від параметрів ЛВ (довжина хвилі, експозиція, тривалість і частота повторення імпульсу, чи рівень інтенсивності випромінювання і частота впливу), а також від реактивності організму, характеру і локалізації впливу (пряме чи дифузно відбите випромінювання, опромінюються очі чи інші частини організму). Функціональні зрушення більш виражені при комбінованій дії на організм ЛВ і інших факторів (шум, мікроклімат, освітленість, кисневе голодування, підвищена стомлюваність, вітамінне голодування й ін.). Випромінювання ЛР великої потужності викликає гормональні зрушення [3].

4. Вплив лазерного випромінювання на очі

Найбільш чутливими до впливу ЛВ є очі. Око людини розрізняє випромінювання у видимій області спектра 0,40,76 мкм. Однак середовище ока здатне пропускати випромінювання в більш широких межах спектра - 0,41,4 мкм. Найкраща пропускна здатність ока знаходиться в області 0,50,9 мкм (рис. 9.1, а). Отже, у залежності від довжини хвилі випромінювання відбуваються зміни в тканинах очного дна або в передньому відділі ока. Таким чином, ефект впливу, лазерного випромінювання на орган зору в значній мірі залежить від спектрального діапазону випромінювання. [2; 3; 4].

Ушкодження сітчастої оболонки виникає переважно при впливі ЛВ видимого і ближнього інфрачервоного діапазонів спектра, що проходять через око майже без втрат і фокусуються на сітківці. У результаті цього на сітківці створюється локальна щільність енергії, у 105 раз більша у порівнянні з щільністю енергії на роговиці. Тому влучення ЛВ зазначених довжин хвиль небезпечно для зору, воно викликає опіки і розриви, приводить до ушкодження сітківки і судинної оболонки ока і є причиною сліпоти.

Щільність енергії (потужність) на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра зіниці, тому імовірність ушкодження ока, адаптованого до темряви, більша, ніж імовірність ушкодження в умовах яскравого освітлення.

Для випромінювань з довжинами хвиль менше 0,4 мкм і більше 1,4 мкм оптичні середовища ока є непрозорими, і тому фокусуюча дія відсутня.

Спектральний інтервал УФ з погляду характеру біологічних ефектів поділяється на три області: ультрафіолет А - UV - A (0,3150,4 мкм), В - UV - В (0,280,315 мкм) і С - UV - С (0,10,28 мкм). Випромінювання з довжиною хвилі л < 0,2 мкм поглинається киснем повітря з утворенням озону і тому істотної біологічної ролі не грає.

Вплив УФ на орган зору в основному приводить до враження роговиці (кератит). Найбільшою фотокератичною дією володіє випромінювання з довжиною хвилі 0,288 мкм.

Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі л ? 0,32 мкм практично цілком поглинається у роговій оболонці та кон'юнктиві і викликає їхнє ушкодження - різного ступеня враженості кон'юнктивіт і фотокератит, які супроводжуються світлобоязню, блефароспазмом, сльозотечею і болючими відчуттями. У важких випадках може виникнути виразка рогової оболонки, аж до її перфорації. Випромінювання у цій області спектра характеризується кумулятивною дією, причому реакція організму, відома як відчуття «піску в очах», виявляється не відразу, а опісля від 30 хв до 1 доби.

Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі л ? 0,38 мкм приводить також до ушкодження переднього відділу ока. Механізм ушкодження обумовлений як тепловим, так і специфічною фотобіохімічною дією цього випромінювання, яке викликає абіотичні ушкодження. При високій інтенсивності опромінення з'являються пухирі, іноді невеликі крововиливи. Після гострої реакції поверхневі шари епідерми відриваються, а в глибоких шарах з'являється пігментація. При важких ушкодженнях утворюються тромби в судинах шкіри, що викликає дегенерацію і некроз епітелію. Ультрафіолетове випромінювання області А відповідає невидимому інтервалу спектра, і його патологічний ефект виражається в утворенні катаракти.

У видимому діапазоні випромінювання проходить без особливих реакцій через оптичні середовища ока і впливає головним чином на світлочутливі клітки сітківки, викликаючи чи тимчасове осліплення, чи опік з наступними рубцюваннями, що приводить до втрати зору в даній області зорового простору. Випромінювання цього діапазону можуть викликати дефект тканини, злипаюче запалення, ущільнення тканини і механічне руйнування тканини з викидом крові.

Інфрачервоне випромінювання (ІФ) підрозділяється на наступні три області: діапазон IR - А (0,781,4 мкм), IR - B (1,43 мкм) і IR - С (3 мкм 1 мм).

Установлено, що при л ? 1,4 мкм практично всі попадаючі на око випромінювання поглинають роговиця ока і волога передньої камери, а при л ? 1,9 мкм випромінювання поглинає тільки роговиця. Інфрачервоне випромінювання помірної інтенсивності приводить до нагрівання біологічних структур, для яких можливе настання режиму теплової рівноваги.

Випромінювання в діапазоні IR - А поглинається райдужною оболонкою, кришталиком і склоподібним тілом. Багата пігментом райдужна оболонка ока нагрівається, і за рахунок теплопровідності виникає коагуляція білка кришталика. Ураження очей при цьому відбувається через тривалий проміжок часу. Нагрівання райдужної оболонки викликає дратівне відчуття і мигальний рефлекс. При великих густинах енергії осліплення необоротне внаслідок температурного помутніння кришталика.

Інфрачервоне випромінювання з л = 11,64 мкм поглинається переважно роговою оболонкою. Цей діапазон вважається найменш небезпечним для ока, тому що ураження виникають поверхневі, тимчасового характеру і тільки при великих густинах енергії випромінювання.

Високоінтенсивне випромінювання IR - А поглинається пігментними утвореннями очного дна, викликаючи їх нагрів. Перегрів клітин до температури вище 37 °С призводить до різкого перевантаження механізмів клітини, відповідальних за очищення від речовин продуктів обміну, що утрудняє її функціонування. Нагрів до температури вище 45 °С викликає переродження клітинних ферментів і загибель клітини. Якщо ж клітина нагрівається до температури вище 100 °С, то внаслідок пароутворення, яке має при високій швидкості нагрівання характер вибуху, можуть спостерігатися механічні руйнування тканин ока, які опромінюються. Подібні процеси обумовлюють ушкодження тих тканин ока, які на довжині хвилі випромінювання інтенсивно її поглинають.

Випромінювання з л = 10,6 мкм добре поглинається і нагріває ті тканини, що містять велику кількість води (рогова оболонка, кон'юнктива). Граничні зміни в роговій оболонці (вміст води 70 %) спостерігаються при щільності потоку випромінювання порядку десятих часток вата на квадратний сантиметр. При великих рівнях випромінювання (20 Вт/см2) виникає стійке помутніння рогової оболонки [24; 15].

Як бачимо у залежності від довжини ЛВ різною є і локалізація ушкодження органа зору.

Імпульсне ЛВ з л = 0,41,4 мкм становить більшу небезпеку, ніж неперервне, тому що в цьому випадку ушкодження очного дна викликається комбінованою дією - термічною і механічною. Механічна дія випромінювання виявляється у вигляді «вибуху» зерен меланіну (високомолекулярні водонерозчинні пігменти), у результаті чого зерна пігменту викидаються у склоподібне тіло.

Мимовільні рухи очного яблука приводять до того, що окремі ділянки сітківки змінюють своє положення щодо падаючого випромінювання багато разів у секунду. Тому неперервне й імпульсноперіодичне випромінювання викликають ушкодження сітківки в області, значно більшій, ніж площа сфокусованого на ній зображення, навіть у тому випадку, якщо під час опромінення пучок не відхиляється від прямої лінії бачення.

Таким чином, лазерне випромінювання здійснює шкідливу дію на всі структури органів зору. У міру збільшення щільності енергії випромінювання ступінь ураження та зміни тканин ока зростає. Основний механізм ушкоджень - теплова дія.

5. Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи

Опромінення шкіри ЛВ може викликати в ній патологічні зміни, при цьому можливо виникнення як легких функціональних змін (почервоніння), так і важких (некроз - омертвіння, карцинома шкіри - злоякісна пухлина) [24; 15].

При впливі потужного ЛВ на шкірі виникає термічний опік. Вплив більш високих енергій приводить до більш глибоких некротичних змін. При впливі ЛВ з енергією понад 100 Дж/см2 на шкірі виникає ділянка некрозу з кратероподібною деформацією.

Малі рівні також впливають на організм. Однократний імпульс випромінювання здійснює більшу дію, ніж серія імпульсів. Так, неодимове ЛВ викликає такі ж видимі зміни на шкірі при рівні енергії 2025 Дж/см2, як і багаторазове (5 імпульсів протягом 2 с) при енергії в одиницях Дж/см2. Слабкий вплив випромінювання на шкіру супроводжується змінами функціонального характеру. Ефект впливу на шкірні покриви визначається, з одного боку, параметрами ЛВ, з іншого, - ступенем пігментації шкіри і станом кровообігу. За інших рівних умов опромінення темнопігментована шкіра (особливо родимі плями) поглинає лазерне випромінювання значно більше, ніж світла шкіра. У той же час відсутність достатньо вираженої пігментації створює умови для більш глибокого проникнення випромінювання у шкіру і навіть під шкіру, унаслідок чого можуть уражатися і підшкірні тканини. Мало пігментована шкіра пропускає від 45 до 60 % випромінювання рубінового ЛР, а шкіра разом з підшкірними м'язами - від 25 до 30 %.

Найбільший біологічний вплив здійснює ЛВ з довжинами хвиль 0,280,32 мкм. Воно більш глибоко проникає в шкіру і має виражену, канцерогенну дію. Біологічні ефекти, що виникають при опроміненні шкіри ЛВ у значній мірі залежать від довжини його хвилі. Так при дії УФЛВ найбільш характерними ураженнями є: різні фотохімічні реакції, еритема, розриви хімічних зв'язків у більшості молекул, що входять до складу живої тканини, різні переродження, стимулювання появи новоутворень, утворення вільних радикалів, дія на внутрішні органи. При дії ЛВ видимого діапазону в основному проявляється його термічна дія. А при дії ЛВ ІЧобласті спектра найбільш характерними проявами є: виражені деструктивні зміни термічного характеру (опіки різного ступеня), мікроскопічні (гістологічні і гістохімічні) зміни, ураження внутрішніх органів. Зазначимо, що як наслідок дії ЛВ можуть виникати зміни в органах дихання, серцевосудинній та ендокринній системах, порушення обміну речовин.

Зокрема при однократному впливі ЛВ з довжиною хвиль 1,06 мкм і щільністю енергії до 10 Дж/см2 видимих змін на шкірі не виявляється, однак в епідермісі виникає гіперкератоз і паракератоз, а в дермі -гіперемія і проліферація гістоцитів. Уже при щільності енергії 20 Дж/см2 з'являються видимі ознаки ушкодження - некротичні зміни; при 50 Дж/см2 - дрібні крововиливи і некроз усієї дерми, у центрі впливу руйнувалися придатки шкіри; при 150 Дж/см2 - некроз поширюється за межі зони опромінення, а при 250400 Дж/см2 - некроз захоплював усю товщу шкіри і підшкірної клітковини, аж до м'язів.

Одним з найбільш часто зустрічаємих ознак ушкодження шкіри є набрякання жирових клітин у глибоких шарах сполучної тканини. Існує різка границя між ушкодженими і неушкодженими тканинами. Пузир лазерного опіку, на відміну від звичайного термічного, локалізується глибше. Сфокусований лазерний промінь викликає більш виражені по глибині і тяжкості ураження, ніж несфокусований, три цьому характер і тяжкість ушкодження шкіри залежать від параметрів ЛВ, а також від абсорбційної і відбивної здатності шкіри, ступеня її гетерогенності, вмісту води і теплопровідності.

У деяких випадках відзначається підвищена чутливість шкіри обличчя людини до випромінювань видимого спектра (синьозелена область). Реакція шкіри на ЛВ виявляється в почервоніннях, набряклості, почутті сверблячки і печіння, болючих відчуттях [3, 4, 15].

При впливі на шкіру ЛВ невеликої інтенсивності в організмі виникають загальні функціональні біохімічні зміни: підвищення вмісту цукру і холестерину в крові, зменшення кількості еритроцитів, гемоглобіну, збільшення кількості лейкоцитів і тромбоцитів, зрушення в системі згортання крові, коливання артеріального тиску, загальна слабість, сонливість, нездужання, зміна частоти скорочення серця, тупий головний біль у лобовоскроневих і потиличних областях, запаморочення, колючі болі і неприємні відчуття в області серця, пригнічення сухожильних рефлексів, тремтіння пальців рук і вік, розлад діяльності зорових і інших аналізаторів, гноблення функції органів слуху, порушення функцій вестибулярного апарата, функціональні розлади в діяльності нервової і серцевосудинної систем, зменшення частоти пульсу.

При великих інтенсивностях опромінення можливі ушкодження внутрішніх органів, які мають характер набряків, крововиливу, кровотечі, омертвіння тканин і ін. Вплив на кров виражається в деформації червоних кров'яних тілець, руйнуванні оболонки еритроцитів.

Важливою особливістю впливу ЛВ на внутрішні органи є чергування ушкоджених і неушкоджених шарів тканин. Це зв'язано з ефектом стоячих хвиль, що утворюються в результаті відбиття падаючого випромінювання від кісткових поверхонь чи границь між різними т канинами. Ушкоджені ділянки тканини збігаються з пучностями, де щільність потоку енергії багаторазово зростає в порівнянні з щільністю потоку енергії падаючого випромінювання.

Використана література

1. Катренко, Любов Антонівна Охорона праці: Навч. посіб. для студ. вузів на основі "Охорони праці в галузі освіти" та "Практикуму з охорони праці"/ Л.А.Катренко, Ю.В.Кіт, І.П.Пістун. Суми: Університетська книга, 2004. 496с. 25.00

2. Охорона праці. К.: , 2005. 47с.

3. Охорона праці. К: ЦУЛ, 2002. 322с.

4. Охорона праці в Україні. К.: Юрінком Інтер, 1999. 400с.

5. Ярошевська В.М., Чабан В.Й. Охорона праці в галузі. К.: ВД "Професіонал", 2004. 288с.

6. Охорона праці: витрати, податки, штрафи. К.: БліцІнформ, 2005. 226с.

7. Безпека життєдіяльності, цивільна оборона та охорона праці. К.: Освіта України, 2006.

8. Навчальна програма нормативної дисципліни "Охорона праці в галузі "для вищих закладів освіти. К.: , 1999. 15с.

9. Пістун Ігор Павлович, Кіт Юрій Володимирович, Березовецький Андрій Петрович Охорона праці. Суми: Університетська книга, 2000. 207с.

10. Катренко Любов Антонівна, Пістун Ігор Павлович Охорона праці в галузі освіти. Суми: Університетська книга, 2001. 339с.

11. Катренко, Любов Антонівна Охорона праці в галузі освіти: Навч. посіб. для студ. вузів/ Л.А.Катренко, І.П.Пістун. Вид. 2ге, доп. Суми: Університетська книга, 2004. 304с. 18.00

12. Миленький М.А., Петров В.М., Гришко І.В. Законодавство про охорону праці (основні положення): Методичний посібник для системи навчання з охорони праці.. К.: ННДІОП, 1998. 26с.

13. Миленький М.А.,Петров В.М.,Гришко В.А.,Кирилюк І.В. Законодавство про охорону праці(основні положення):Метод.посібник для системи навчання з охорони праці.. К.: ННДІОП, 1998. 27с.

14. Джигирей Віктор Степанович Еколгія та охорона навколишнього природного середовища. К: "Знання", 2000. 203с.

15. Левківський Степан Степанович, Падун Микола Миколайович Раціональне використання і охорона водних ресурсів. К.: Либідь, 2006. 280с.

Размещено на Allbest.ru