Лазерная безопасность. Часть 1

Читать «Лазерная безопасность. Часть 2»

Материал подготовлен с использованием правовых актов по состоянию на 26 сентября 2016 г.

Даются определение понятия «лазер» и классификация лазеров по степени их опасности. Излагаются основные требования к обеспечению безопасности лазерных изделий.

Что такое лазер?

Слово «лазер» является аббревиатурой английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света индуцированным излучением.

Лазером или оптическим квантовым генератором называют устройство, образующее электромагнитное излучение в оптическом диапазоне частот на основе использования вынужденного излучения.

Принцип действия лазера основан на свойстве атома излучать фотоны при переходе атома из возбужденного состояния в основное. При нормальном состоянии большинство атомов находится на основном уровне, а в возбужденном состоянии – только небольшое их количество.

В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения.

С помощью специальных приемов и подачи на рабочее тело (жидкость, газ, кристалл) энергии накачки (свет, высокочастотное электромагнитное поле и др.) добиваются того, что число атомов, находящихся в возбужденном состоянии, становится значительно больше числа атомов, находящихся на основном уровне энергии.

Атомы рабочего тела переводятся в возбужденное состояние не только световым излучением, но и потоком электронов, радиоактивных частиц и химической реакцией.

Лавинообразный переход атомов за очень короткое время из возбужденного состояния в основное приводит к возникновению лазерного излучения.

Лазер состоит из рабочего тела (активная среда), лампы накачки, зеркального резонатора и, как правило, системы охлаждения.

Рабочее тело, или активная среда, может быть твердым (кристаллы искусственного рубина с добавкой хрома, некоторые соли вольфрамовой и молибденовой кислот, стекла с примесью редкоземельных и других элементов), жидким (пиридин, бензол, толуол, бром-нафталин, нитробензол и др.), газообразным (смесь галлия и неона, галлия и паров кадмия, аргон, криптон, углекислый газ и др.).

Сильная световая вспышка лампы накачки переводит электроны активной среды из основного в возбужденное состояние. Электроны, действуя друг на друга, создают лавинный поток световых фотонов.

Отражаясь от резонансных экранов, фотоны пробивают полупрозрачный зеркальный экран и выходят узким монохроматическим когерентным световым пучком высокой энергии.

Путем подбора тех или иных веществ в качестве активной среды лазер может индуцировать излучение практически на всех длинах волн, начиная с ультрафиолетовых и заканчивая длинноволновыми инфракрасными.

Отличительными особенностями лазерных излучений являются:

● монохроматичность излучения (строго одной длины волны);

● когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе);

● острая направленность луча (малое расхождение).

Эти свойства позволяют с помощью лазера на сравнительно малой площади получать исключительно большие плотности энергии.

Лазерное излучение способно распространяться на значительные расстояния и отражаться от границы раздела двух сред, что позволяет применять это свойство для целей локации, навигации, связи и т.д.

Лазеры также находят широкое применение в медицине (для коагуляции, достижения противовоспалительного и стимулирующего эффекта), в промышленности (для резки, сварки, прошивки отверстий в металлах, сверхтвердых материалах, кристаллах, пайки, точечной сварки, термообработки изделий, раскроя материалов), в контрольно-измерительной технике, для связи в земных и космических условиях и др.

Показатели, характеризующие лазерное излучение

Основными физическими величинами, характеризующими лазерное излучение, являются:

● длина волны;

● энергетическая освещенность (плотность мощности) – отношение потока излучения, падающего на рассматриваемый участок поверхности, к площади этого участка;

● энергетическая экспозиция – отношение энергии излучения, определяемой на рассматриваемом участке поверхности, к площади этого участка;

● длительность импульса;

● длительность воздействия – время воздействия лазерного излучения на работающего в течение рабочей смены;

● частота повторения импульсов – количество импульсов за 1 сек.

Лазерные излучения разделяются на:

● прямое (заключенное в ограниченном телесном угле);

● рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч);

● зеркально отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения);

● диффузно отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям).

Признаки подразделения лазера

Физико-технические параметры лазера классифицируются по:

● мощности излучения – сверхмощные, мощные, средней мощности, маломощные;

● режиму работы – непрерывные, импульсные, импульсные с моделированной добротностью;

● длине волны генерируемого излучения – субмиллиметровые, рентгеновские, ультрафиолетовые, видимого света, инфракрасные;

● активному элементу – газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные, газодинамические;

● методу создания инверсной населенности (накачки) – постоянным светом, импульсным светом, пропусканием постоянного тока, пропусканием высокочастотного тока, химическим возбуждением;

● способу отвода тепла – естественное охлаждение, принудительное охлаждение водой, принудительное охлаждение воздухом, принудительное охлаждение специальной жидкостью;

● назначению – уникальные, исследовательские, специальные, технологические;

● конструктивному исполнению – стационарные, передвижные, открытые, закрытые.

Классификация лазеров по степени опасности

Согласно ГОСТ 12.1.040-83 «ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения», утв. постановлением Госстандарта от 17.12.1992 № 3, и СанПиН 2.2.4.13-2-2006 «Лазерное излучение и гигиенические требования при эксплуатации лазерных изделий», утв. постановлением Главного государственного санитарного врача от 17.02.2006 № 16 (в ред. от 05.03.2015; далее – СанПиН 2.2.4.13-2-2006), по степени опасности генерируемого излучения лазеры подразделяются на 4 класса.

К лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи.

Лазеры II класса – это лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком (опасность при облучении кожи существует только в I и III спектральных диапазонах). Диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз.

К лазерам III класса относятся лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) при облучении кожи коллимированным излучением. Диффузно отраженное излучение не представляет опасности для кожи. Этот класс распространяется только на лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне II.

К лазерам IV класса относятся лазеры, диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Справочно. В ряде литературных источников лазерные изделия классифицируют следующим образом: класс I (безопасные); класс II (малоопасные); класс III (cреднеопасные); класс IV (высокоопасные).

Чем выше класс лазерной установки, тем выше опасность воздействия излучения на персонал и тем большее число факторов опасного и вредного воздействия проявляется одновременно.

Лазеры классифицирует организация-изготовитель по выходным характеристикам излучения расчетным методом и в соответствии с приложением 3 к СанПиН 2.2.4.13-2-2006.

Определение класса лазера основано на учете его выходной энергии (мощности) и предельно допустимого уровня при однократном воздействии генерируемого излучения.

Лазеры и лазерные изделия любого класса должны иметь маркировку в соответствии с установленными требованиями.

Вредные и опасные факторы, сопровождающие работу лазера

Опасные и вредные производственные факторы, возникающие при работе лазера, подразделяют на основные и сопутствующие.

К основным вредным и опасным производственным факторам относятся лазерное излучение и паразитные излучения (отраженное и рассеянное).

К сопутствующим вредным и опасным производственным факторам относятся факторы, возникающие при эксплуатации лазеров (шум, вредные вещества и т.п.). В зависимости от конструкции лазера и условий его эксплуатации ими могут быть:

● слепящий свет лампы накачки высокой энергии и яркости;

● ультрафиолетовое излучение от ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок;

● шум и вибрация, возникающие при работе лазера;

● ионизирующие излучения;

● высокое напряжение в электрической сети питания ламп накачки, поджога или газового разряда;

● электромагнитные поля высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов от генераторов накачки;

● инфракрасное излучение и тепловыделения от оборудования и нагретых поверхностей;

● вредные химические примеси в воздухе рабочих помещений, образующиеся при разрядке импульсных ламп накачки (озон, оксиды азота) и в результате испарения материала мишени (оксид углерода, свинец, ртуть и др.);

● агрессивные и токсические вещества, используемые в конструкции лазера.

Перечень сопутствующих опасных и вредных факторов и степень их проявления зависят от конструкции, характеристики лазерной установки и особенностей выполняемых с ее помощью технологических операций.

В зависимости от потенциальной опасности лазерного излучения осуществляется классификация лазерных установок, при этом в качестве основного критерия принята опасность лазерного излучения.

Опасность лазерного излучения при его воздействии на человека

Воздействие лазерного излучения на человека как на биологический объект имеет целый ряд особенностей. Это воздействие носит сложный характер и обусловлено как непосредственным действием излучения на облучаемые ткани, так и вторичными явлениями, выражающимися в различных изменениях, возникающих в организме в результате облучения.

Поражающее действие лазерного излучения зависит от его мощности (или плотности энергии), длины волны излучения, характера импульса, частоты следования импульсов, продолжительности облучения, величины облучаемой поверхности, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов человека и др.

Различают термическое и нетермическое действие лазерных излучений.

Термическое действие лазерного излучения непрерывного действия имеет много общего с обычным нагревом. На коже образуется ожог, а при больной энергии образуется кратерообразный участок из-за разрушения и испарения биологической ткани.

Справочно. Отличительной особенностью лазерного ожога является резкая ограниченность пораженной области.

Воздействие импульсного излучения более сложно. В облучаемых тканях энергия импульсного излучения быстро преобразуется в теплоту, что приводит к мгновенному плазмо- и парообразованию, вызывающим механическое разрушение ткани.

Термические нарушения сопровождаются повреждениями сетчатой оболочки глаза. Особенно опасны повреждения центральной ямки области сетчатки как более важной в функциональном отношении.

Повреждения этой области могут привести к глубоким и стойким нарушениям центрального зрения. Излучение может поглощаться и другими элементами глаза, в частности сосудистой оболочкой, но в меньшей степени.

Под действием лазерного излучения возможны изменения в кожном покрове (легкие функциональные изменения (покраснение) и тяжелые (омертвление, злокачественная опухоль)), внутренних органах, крови, головном мозге.

Лазерные излучения (особенно дальней инфракрасной области спектра) способны проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими структурами, поражая внутренние органы. Степень поражения в значительной мере определяется интенсивностью и цветом окраски органов, а также длиной волны излучения.

Справочно. Печень (ярко окрашенная) является одним из наиболее уязвимых органов.

Нетермическое действие лазерного излучения обусловлено процессами, возникающими в результате избирательного поглощения тканями электромагнитной энергии, а также электрическими и фотоэлектрическими эффектами. Установлено, что наиболее биологически активно ультрафиолетовое излучение, которое вызывает фотохимические реакции в биологических средах.

Справочно. Под действием лазерного излучения возможны различные функциональные сдвиги: нервной и сердечно-сосудистой систем, эндокринных желез, изменение артериального давления, увеличение физической утомляемости.

В характере действия лазерного излучения на организм человека можно выделить два эффекта: первичный и вторичный.

Первичные эффекты возникают в виде органических изменений в облучаемых тканях (глаза, кожа). Попадая в глаз, энергия лазера абсорбируется пигментным эпителием и в течение очень короткого времени повышает в нем температуру до высоких уровней, вызывая термокоагуляцию прилегающих тканей.

Вторичные эффекты – неспецифические изменения, возникающие в организме как реакция на облучение. При этом возможны функциональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой систем.

Гигиеническое нормирование безопасности лазерных изделий

СанПиН 2.2.4.13-2-2006 установлены предельно допустимые уровни лазерного излучения на глаза и кожу при различных условиях воздействия на человека.

Предельно допустимые уровни лазерного излучения устанавливаются для двух условий облучения – однократного и хронического для 3 диапазонов длин волн:

● I – в диапазоне от 180 до 380 нм (нанометр);

● II – в диапазоне от 380 до 1 400 нм;

● III – в диапазоне от 400 до 105 нм.

Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются усредненные по ограничивающей апертуре энергетическая экспозиция и облученность.

Справочно. Апертура – отверстие в защитном корпусе лазера, через которое испускается лазерное излучение.

СанПиН 2.2.4.13-2-2006 установлены правила определения предельно допустимых уровней лазерного излучения при одновременном воздействии на глаза и кожу монохроматического излучения нескольких различных источников. Эти источники в общем случае могут иметь различные характеристики:

● спектральные (два или несколько типов лазеров, генерация нескольких длин волн одним лазером, генерация гармоник);

● временные (режимы – непрерывный, импульсный, непрерывный с модуляцией мощности и т.д.);

● пространственные (коллимированный пучок, диффузно отраженное или рассеянное излучение).

В методологии указаны случаи аддитивного (суммарного) воздействия различных лазерных излучений.

Методологией допускается, что при проведении практических расчетов значения энергии (мощности) могут быть заменены эквивалентными значениями энергетической экспозиции (облученности).

Лазерная безопасность и методы ее обеспечения

В силу большого разнообразия лазерных устройств и изделий требования по обеспечению лазерной безопасности разнообразны и установлены многочисленными НПА и ТНПА.

Согласно СанПиН 2.2.4.13-2-2006 лазерная безопасность – совокупность технических, санитарно-гигиенических, лечебно-профилактических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасные и безвредные условия труда персонала при использовании лазерных изделий.

Защита от лазерного излучения обеспечивается организационными, техническими, санитарно-гигиеническими и лечебно-профилактическими методами.

Организационные методы включают:

● организацию рабочего места;

● применение средств коллективной и индивидуальной защиты;

● ограничение времени воздействия излучения;

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

● ограничение допуска к проведению работ;

● организация надзора за режимом работ;

● организация противоаварийных работ и регламентация порядка ведения работ в аварийных условиях;

● обучение персонала.

Технические методы включают:

● выбор, планировку и внутреннюю отделку помещений;

● рациональное размещение лазерных установок и порядок их обслуживания;

● использование минимального уровня излучения для достижения поставленной цели.

Санитарно-гигиенические и лечебно-профилактические методы включают:

● контроль уровней вредных и опасных факторов на рабочих местах;

● контроль прохождения персоналом предварительных, периодических и внеочередных медосмотров.

Технические условия на лазерные изделия согласовываются в обязательном порядке с Республиканским центром гигиены, эпидемиологии и общественного здоровья.

Конструкция лазерных изделий должна обеспечивать защиту персонала от лазерного излучения и других опасных и вредных производственных факторов.

В паспорте (формуляре) на лазерное изделие должны быть указаны:

● длина волны излучения;

● выходная мощность (энергия);

● длительность импульса;

● частота следования импульсов;

● длительность серии импульсов;

● начальный диаметр пучка излучения;

● расходимость пучка;

● класс опасности лазера;

● сопутствующие опасные и вредные факторы.

За определение класса опасности лазеров ответственность несет организация-изготовитель. Контроль правильности установления класса лазера возлагается на органы и учреждения государственного санитарного надзора.

Лазер независимо от класса должен иметь защитный корпус (кожух). Защитный корпус (кожух) или его части, снимаемые при техническом обслуживании и открывающие доступ к лазерному излучению и высокому напряжению в цепях электропитания, должны иметь защитную блокировку.

Срабатывание блокировки на работающем лазерном изделии или не полностью разряженной батарее конденсатора должно сопровождаться четким визуальным или звуковым сигналом тревоги.

Пульт управления лазерных изделий III и IV класса должен оснащаться съемным ключом.

Лазеры III и IV класса, генерирующие излучение в видимом диапазоне, и лазеры IV класса с генерацией в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах должны снабжаться световыми сигнальными устройствами, работающими с момента начала генерации и до ее окончания. Световой предупредительный сигнал должен быть хорошо виден через защитные очки.

Пульт (панель) управления лазерными изделиями независимо от класса должен размещаться так, чтобы при регулировке и работе не происходило облучение персонала лазерным излучением. Конструкция лазерных изделий III и IV классов должна обеспечивать возможность дистанционного управления.

Лазеры III и IV классов должны содержать дозиметрическую аппаратуру.

Лазерные изделия III и IV классов должны иметь прерыватель пучка или аттенюатор для ограничения распространения излучения.

В лазерных изделиях III и IV классов необходимо предусматривать возможность снижения выходной мощности (энергии) излучения при их техническом обслуживании.

Лазерные изделия III и IV классов, генерирующие излучение в невидимой части спектра, должны иметь встроенные лазеры I и II класса с видимым излучением для визуализации основного лазерного пучка.

Все оптические системы наблюдения (окуляры, смотровые окна, экраны) должны обеспечивать снижение энергии (мощности) проходящего через них излучения до предельно допустимых уровней.

Лазерные изделия, в которых используется волоконно-оптическая передача излучения, должны быть обеспечены специальным инструментом для отсоединения систем передачи и механическими ослабителями лазерного пучка на соединителях.

Лазеры и лазерные изделия любого класса должны иметь соответствующую маркировку.

Производственные помещения, в которых эксплуатируются лазерные изделия, должны отвечать требованиям действующих строительных норм и правил и обеспечивать безопасность обслуживания изделий.

Для лазерных изделий III и IV класса исходя из конструктивных и технологических особенностей должны быть соблюдены следующие нормативы свободного пространства:

● с лицевой стороны пультов и панелей управления не менее 1,5 м – при однорядном расположении лазерных изделий и не менее 2 м – при двурядном;

● с задней и боковой сторон лазерных изделий при наличии открывающихся дверей, съемных панелей и других устройств, к которым необходим доступ, – не менее 1,0 м.

Стены и выгородки помещений, в которых размещаются лазерные изделия III и IV класса, должны изготавливаться из несгораемых материалов с матовой поверхностью.

Естественное и искусственное освещение помещений должно удовлетворять требованиям действующих ТНПА. В помещениях или зонах, где используются очки для защиты от лазерных излучений, уровни освещенности должны быть повышены на одну ступень.

Параметры микроклимата и содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны должны соответствовать требованиям действующих ТНПА.

Помещения, в которых при эксплуатации лазерных изделий происходит образование вредных газов и аэрозолей, должны быть оборудованы общеобменной, а в необходимых случаях и местной вытяжной вентиляцией для удаления загрязненного воздуха с последующей его очисткой.

В случае использования веществ I и II класса опасности и вредности должна быть предусмотрена аварийная вентиляция.

Двери помещений, в которых размещены лазерные изделия III, IV класса, должны быть заперты на внутренние замки с блокирующими устройствами, исключающими доступ в помещения во время работы лазеров.

На двери должен быть знак лазерной опасности установленного образца и автоматически включающееся световое табло «Опасно, работает лазер».

По окончании работы на лазерных изделиях III и IV класса ключ управления должен быть удален из гнезда.

Запрещается отключать блокировку и сигнализацию во время работы лазера или зарядки конденсаторных батарей.

Пучок излучения лазеров II–IV класса должен ограничиваться на конце своей полезной траектории диффузным отражателем или поглотителем.

Для предотвращения пожара при эксплуатации лазерных изделий IV класса в качестве ограничителей следует применять хорошо охлаждаемые неплоские металлические мишени или огнеупорные материалы достаточной толщины. При этом необходимо учитывать, что оплавление этих материалов может приводить к зеркальному отражению излучения.

При использовании лазерных изделий III и IV класса область взаимодействия лазерного пучка и мишени должна ограждаться материалами, непрозрачными для лазерного излучения.

При транспортировании (например, по волноводу (световоду) или по огражденному экраном пространству) излучения от лазеров III и IV класса должны использоваться специальные системы, исключающие попадание в рабочие помещения прямого и зеркально отраженного излучения.

Защитные экраны систем транспортирования не должны разрушаться при случайном кратковременном воздействии на них транспортируемого лазерного излучения.

Открытые траектории излучения лазеров II класса должны располагаться выше или ниже уровня глаз работающих.

Зеркала, линзы и делители пучков должны быть жестко закреплены для предотвращения случайных зеркальных отражений излучения лазерных изделий II–IV класса в рабочую зону, перемещение их может производиться во время работы лазера только под контролем ответственного лица с обязательным применением средств индивидуальной защиты.

Запрещается проводить визуальную юстировку лазеров II–IV класса без соответствующих средств защиты.

При работе с лазерными изделиями III и IV класса запрещается использовать оптические системы наблюдения (бинокли, микроскопы, теодолиты и др.), не оснащенные средствами защиты от излучения.

Безопасное применение лазерных изделий на строительстве, при демонстрациях в учебных заведениях, в театрально-зрелищных мероприятиях и на открытых пространствах должно обеспечиваться организационно-техническими мероприятиями, включающими предварительную разработку схемы размещения лазеров и траектории лазерных пучков, при строгом контроле соблюдения требований безопасности. В указанных случаях запрещается применение лазерных изделий III и IV класса.

Зоны распространения лазерного излучения должны обозначаться знаками лазерной опасности. Если лазерный пучок выходит за пределы контролируемой зоны, в конце его полезной траектории должен быть ограничитель.

Безопасность при работе с открытыми лазерными изделиями обеспечивается путем применения средств индивидуальной защиты.

На рабочем месте необходимо иметь инструкцию по технике безопасности для работающих на лазерном изделии, аптечку и инструкцию по оказанию первой помощи потерпевшему.