ГЛАВА 9 ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ГЛАВА 9 ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Лазерное излучение (ЛИ) - вынужденное испускание атомами вещества квантов электромагнитного излучения. Слово «лазер» - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света с помощью создания стимулированного излучения). Основными элементами любого лазера являются активная среда, источник энергии для ее возбуждения, зеркальный оптический резонатор и система охлаждения. ЛИ за счет монохроматичности и малой расходимости пучка способно распространяться на значительные расстояния и отражаться от границы раздела двух сред, что позволяет применять эти свойства для целей локации, навигации и связи.

Возможность создания лазерами исключительно высоких энергетических экспозиций позволяет использовать их для обработки различных материалов (резание, сверление, поверхностная закалка и др.).

При использовании в качестве активной среды различных веществ лазеры могут индуцировать излучение практически на всех длинах волн, начиная с ультрафиолетовых и заканчивая длинноволновыми инфракрасными.

Основными физическими величинами, характеризующими ЛИ, являются: длина волны (мкм), энергетическая освещенность (Вт/см2), экспозиция (Дж/см2), длительность импульса (с), длительность воздействия (с), частота повторения импульсов (Гц).

Биологическое действие лазерного излучения. Действие ЛИ на человека весьма сложно. Оно зависит от параметров ЛИ, прежде всего от длины волны, мощности (энергии) излучения, длительности воздействия, частоты следования импульсов, размеров облучаемой области («размерный эффект») и анатомо-физиологических особенностей облучаемой ткани (глаз, кожа). Поскольку органические молекулы, из которых состоит биологическая ткань, имеют широкий спектр абсорбируемых частот, то нет оснований считать, что монохроматичность ЛИ может создавать какие-либо специфические эффекты при взаимодействии с тканью. Пространственная когерентность также существенно не меняет механизма повреждений

излучением, так как явление теплопроводности в тканях и присущие глазу постоянные мелкие движения разрушают интерференционную картину уже при длительности воздействия, превышающей несколько микросекунд. Таким образом, ЛИ пропускается и поглощается биотканями по тем же законам, что и некогерентное, и не вызывает в тканях каких-либо специфических эффектов.

Энергия ЛИ, поглощенная тканями, преобразуется в другие виды энергии: тепловую, механическую, энергию фотохимических процессов, что может вызывать ряд эффектов: тепловой, ударный, светового давления и пр.

ЛИ представляют опасность для органа зрения. Сетчатка глаза может быть поражена лазерами видимого (0,38-0,7 мкм) и ближнего инфракрасного (0,75-1,4 мкм) диапазонов. Лазерное ультрафиолетовое (0,18-0,38 мкм) и дальнее инфракрасное (более 1,4 мкм) излучения не достигают сетчатки, но могут повредить роговицу, радужку, хрусталик. Достигая сетчатки, ЛИ фокусируется преломляющей системой глаза, при этом плотность мощности на сетчатке увеличивается в 1000-10000 раз по сравнению с плотностью мощности на роговице. Короткие импульсы (0,1 с-10-14 с), которые генерируют лазеры, способны вызвать повреждение органа зрения за значительно более короткий промежуток времени, чем тот, который необходим для срабатывания защитных физиологических механизмов (мигательный рефлекс 0,1 с).

Вторым критическим органом к действию ЛИ являются кожные покровы. Взаимодействие лазерного излучения с кожными покровами зависит от длины волны и пигментации кожи. Отражающая способность кожных покровов в видимой области спектра высокая. ЛИ дальней инфракрасной области начинает сильно поглощаться кожными покровами, поскольку это излучение активно поглощается водой, которая составляет 80% содержимого большинства тканей; возникает опасность возникновения ожогов кожи.

Хроническое воздействие низкоэнергетического (на уровне или менее ПДУ ЛИ) рассеянного излучения может приводить к развитию неспецифических сдвигов в состоянии здоровья лиц, обслуживающих лазеры. При этом оно является своеобразным фактором риска развития невротических состояний и сердечно-сосудистых расстройств. Наиболее характерными клиническими синдромами, обнаруживаемыми у работающих с лазерами, являются астенический, астеновегетативный и вегетососудистая дистония.

Нормирование ЛИ. В процессе нормирования устанавливаются параметры поля ЛИ, отражающие специфику его взаимодействия с биологическими тканями, критерии вредного действия и числовые значения ПДУ нормируемых параметров.

Научно обоснованы два подхода к нормированию ЛИ: первый - по повреждающим эффектам тканей или органов, возникающим непосредственно в месте облучения; второй - на основе выявляемых функциональных и морфологических изменений ряда систем и органов, не подвергающихся непосредственному воздействию.

Гигиеническое нормирование основывается на критериях биологического действия, обусловленного, в первую очередь, областью электромагнитного спектра. В соответствии с этим диапазон ЛИ разделен на ряд областей:

- от 0,18 до 0,38 мкм - ультрафиолетовая область;

- от 0,38 до 0,75 мкм - видимая область;

- от 0,75 до 1,4 мкм - ближняя инфракрасная область;

- свыше 1,4 мкм - дальняя инфракрасная область.

В основу установления величины ПДУ положен принцип определения минимальных «пороговых» повреждений в облучаемых тканях (сетчатка, роговица, глаза, кожа), определяемых современными методами исследования во время или после воздействия ЛИ. Нормируемыми параметрами являются энергетическая экспозиция Н (Дж-м-2) и облученность Е (Вт-м-2), а также энергия W (Дж) и мощность Р (Вт).

Данные экспериментальных и клинико-физиологических исследований свидетельствуют о превалирующем значении общих неспецифических реакций организма в ответ на хроническое воздействие низкоэнергетических уровней ЛИ по сравнению с местными локальными изменениями со стороны органа зрения и кожи. При этом ЛИ видимой области спектра вызывает сдвиги в функционировании эндокринной и иммунной систем, центральной и периферической нервной систем, белкового, углеводного и липидного обменов. ЛИ с длиной волны 0,514 мкм приводит к изменениям в деятельности сим- патоадреналовых и гипофизнадпочечниковых систем. Длительное хроническое действие ЛИ длиной волны 1,06 мкм вызывает вегетососудистые нарушения. Практически все исследователи, изучавшие состояние здоровья лиц, обслуживающих лазеры, подчеркивают более высокую частоту обнаружения у них астенических и вегетативно-сосудистых расстройств. Следовательно, низкоэнергетическое

ЛИ при хроническом действии выступает как фактор риска развития патологии, что и определяет необходимость учета этого фактора в гигиенических нормативах.

Первые ПДУ ЛИ в России для отдельных длин волн были установлены в 1972 г., а в 1991 г. введены в действие «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» СН и П ? 5804. В США существует стандарт ANSI-z.136. Разработан также стандарт Международной электротехнической комиссией (МЭК) - Публикация 825. Отличительной особенностью отечественного документа по сравнению с зарубежными является регламентация значений ПДУ с учетом не только повреждающих эффектов глаз и кожи, но и функциональных изменений в организме.

Широкий диапазон длин волн, разнообразие параметров ЛИ и вызываемых биологических эффектов затрудняет задачу обосно- вания гигиенических нормативов. К тому же экспериментальная и особенно клиническая проверки требуют длительного времени и средств. Поэтому для разрешения задач по уточнению и разработке ПДУ ЛИ используют математическое моделирование. Это позволяет существенно уменьшить объем экспериментальных исследований на лабораторных животных. При создании математических моделей учитываются характер распределения энергии и абсорбционные характеристики облучаемой ткани.

Метод математического моделирования основных физических процессов (термический и гидродинамические эффекты, лазерный пробой и др.), приводящих к деструкции тканей глазного дна при воздействии ЛИ видимого и ближнего ИК диапазонов с длительностью импульсов от 1 до 10-12 с, был использован при определении и уточнении ПДУ ЛИ, вошедших в последнюю редакцию «Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров» СНиП ? 5804- 91, которые разработаны на основании результатов научных исследований.

Действующие правила устанавливают:

- предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн 180-106 нм при различных условиях воздействия на человека;

- классификацию лазеров по степени опасности генерируемого ими излучения;

- требования к производственным помещениям, размещению оборудования и организации рабочих мест;

- требования к персоналу;

- контроль за состоянием производственной среды;

- требования к применению средств защиты;

- требования к медицинскому контролю.

Степень опасности ЛИ для персонала положена в основу классификации лазеров, согласно которой они подразделяются на 4 класса:

1-й - класс (безопасные) - выходное излучение не опасно для глаз;

2-й - класс (малоопасные) - представляют опасность для глаз как прямое, так и зеркально отраженное излучения;

3-й - класс (среднеопасное) - представляет опасность для глаз также и диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности;

4-й - класс (высокоопасное) - представляет уже опасность и для кожи на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Требования к методам, средствам измерений и контролю ЛИ. Дозиметрией ЛИ называют комплекс методов определения значений параметров лазерного излучения в заданной точке пространства с целью выявления степени опасности и вредности его для организма человека

Лазерная дозиметрия включает два основных раздела:

- расчетная, или теоретическая дозметрия, которая рассматривает методы расчета параметров ЛИ в зоне возможного нахождения операторов и приемы вычисления степени его опасности;

- экспериментальная дозиметрия, рассматривающая методы и средства непосредственного измерения параметров ЛИ в заданной точке пространства.

Средства измерений, предназначенные для дозиметрического контроля, называются лазерными дозиметрами. Дозиметрический контроль приобретает особое значение для оценки отраженных и рассеянных излучений, когда расчетные методы лазерной дозиметрии, основанные на данных выходных характеристик лазерных установок, дают весьма приближенные значения уровней ЛИ в заданной точке контроля. Использование расчетных методов диктуется отсутствием возможности провести измерение параметров ЛИ для всего разнообразия лазерной техники. Расчетный метод лазерной дозиметрии позволяет оценивать степень опасности излучения в заданной точке пространства, используя в расчетах паспортные данные. Расчетные методы удобны для случаев работы с редко повторяющимися кратковременными импульсами излучения, когда ограни-

чена возможность измерения максимального значения экспозиции. Они используются для определения лазерно-опасных зон, а также для классификации лазеров по степени опасности генерируемого ими излучения.

Методы дозиметрического контроля установлены в «Методических указаниях для органов и учреждений санитарно-эпидеми- ологических служб по проведению дозиметрического контроля и гигиенической оценке лазерного излучения» ? 5309-90, а также частично рассмотрены в «Санитарных нормах и правилах устройства и эксплуатации лазеров» СН и П ? 5804-91.

В основе методов лазерной дозиметрии лежит принцип наибольшего риска, в соответствии с которым оценка степени опасности должна осуществляться для наихудших с точки зрения биологического воздействия условий облучения, т.е. измерение уровней лазерного облучения следует проводить при работе лазера в режиме максимальной отдачи мощности (энергии), определенной условиями эксплуатации. В процессе поиска и наведения измерительного прибора на объект излучения должно быть найдено такое положение, при котором регистрируются максимальные уровни ЛИ. При работе лазера в импульсно-периодическом режиме измеряют энергетические характеристики максимального импульса серии.

При гигиенической оценке лазерных установок требуется измерять не параметры излучения на выходе лазеров, а интенсивность облучения критических органов человека (глаза, кожа), влияющую на степень биологического действия. Эти измерения проводят в конкретных точках (зонах), в которых программой работы лазерной установки определено наличие обслуживающего персонала и в которых уровни отраженного или рассеянного ЛИ невозможно снизить до нуля.

Пределы измерений дозиметров определяются значениями ПДУ и техническими возможностями современной фотометрической аппаратуры. Все дозиметры должны быть аттестованы органами Госстандарта в установленном порядке. В России разработаны специальные средства измерений для дозиметрического контроля ЛИ - лазерные дозиметры. Они отличаются высокой универсальностью, заключающейся в возможности контроля как направленного, так и рассеянного непрерывного, моноимпульсного и импульсно- периодического излучений большинства применяемых на практике лазерных установок в промышленности, науке, медицине и пр.

Профилактика вредного действия лазерного излучения (ЛИ). Защиту от ЛИ осуществляют техническими, организационными и лечебнопрофилактическими методами и средствами. К методическим средствам относятся:

- выбор, планировка и внутренняя отделка помещений;

- рациональное размещение лазерных технологических установок;

- соблюдение порядка обслуживания установок;

- использование минимального уровня излучения для достижения поставленной цели;

- применение средств защиты. Организационные методы включают:

- ограничение времени воздействия излучения;

- назначение и инструктаж лиц, ответственных за организацию и проведение работ;

- ограничение допуска к проведению работ;

- организация надзора за режимом работ;

- четкая организация противоаварийных работ и регламентация порядка ведения работ в аварийных условиях;

- проведение инструктажа, наличие наглядных плакатов;

- обучение персонала.

Санитарно-гигиенические и лечебно-профилактические методы включают:

- контроль за уровнями опасных и вредных факторов на рабочих местах;

- контроль за прохождением персоналом предварительных и периодических медицинских осмотров.

Производственные помещения, в которых эксплуатируются лазеры, должны отвечать требованиям действующих санитарных норм и правил. Лазерные установки размещают таким образом, чтобы уровни излучения на рабочих местах были минимальными.

Средства защиты от ЛИ должны обеспечивать предотвращение воздействия или снижение величины излучения до уровня, не превышающего допустимый. По характеру применения средства защиты подразделяются на средства коллективной защиты (СКЗ) и средства индивидуальной защиты (СИЗ). Надежные и эффективные средства защиты способствуют повышению безопасности труда, снижают производственный травматизм и профессиональную заболеваемость.

Таблица 9.1. Защитные очки от лазерного излучения (выписка из ТУ 64-1-3470-84)

К СКЗ от ЛИ относятся: ограждения, защитные экраны, блокировки и автоматические затворы, кожухи и др.

СИЗ от лазерного излучения включают защитные очки (табл. 9.1), щитки, маски и др. Средства защиты применяются с учетом длины волны ЛИ, класса, типа, режима работы лазерной установки, характера выполняемой работы.

СКЗ должны предусматриваться на стадиях проектирования и монтажа лазеров (лазерных установок), при организации рабочих мест, при выборе эксплуатационных параметров. Выбор средств защиты должен производиться в зависимости от класса лазера (лазерной установки), интенсивности излучения в рабочей зоне, характера выполняемой работы. Показатели защитных свойств защиты не должны снижаться под воздействием других опасных

и вредных факторов (вибрации, температуры и т.д.). Конструкция средств защиты должна обеспечивать возможность смены основных элементов (светофильтров, экранов, смотровых стекол и пр.).

Средства индивидуальной защиты глаз и лица (защитные очки и щитки), снижающие интенсивность ЛИ до ПДУ, должны применять- ся только в тех случаях (пусконаладочные, ремонтные и экспериментальные работы), когда коллективные средства не обеспечивают безопасность персонала.

При работе с лазерами должны применяться только такие средства защиты, на которые имеется нормативно-техническая документация, утвержденная в установленном порядке.

YAmedik.org