ГЛАВА 9 ЛАЗЕРНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ
Лазерне випромінювання (ЛВ) - вимушене випускання атомами речовини квантів електромагнітного випромінювання. Слово «лазер» - абревіатура, утворена з початкових літер англійської фрази Light amplification by stimulated emission of radiation (посилення світла за допомогою створення стимульованого випромінювання). Основними елементами будь-якого лазера є активне середовище, джерело енергії для її порушення, дзеркальний оптичний резонатор і система охолодження. ЧИ за рахунок монохроматичности і малої розбіжність пучка здатне поширюватися на значні відстані і відбиватися від кордону розділу двох середовищ, що дозволяє застосовувати ці властивості для цілей локації, навігації та зв'язку.
Можливість створення лазерами виключно високих енергетичних експозицій дозволяє використовувати їх для обробки різних матеріалів (різання, свердління, поверхневе загартування та ін.).
При використанні в якості активного середовища різних речовин лазери можуть індукувати випромінювання практично на всіх довжинах хвиль, починаючи з ультрафіолетових і закінчуючи довгохвильовими інфрачервоними.
Основними фізичними величинами, що характеризують ЧИ, є: довжина хвилі (мкм), енергетична освітленість (Вт / см 2), експозиція (Дж / см 2), тривалість імпульсу (с), тривалість впливу (с), частота повторення імпульсів (Гц) .
Біологічна дія лазерного випромінювання. Дія ЧИ на людину досить складно. Воно залежить від параметрів ЧИ, перш за все від довжини хвилі, потужності (енергії) випромінювання, тривалості впливу, частоти проходження імпульсів, розмірів опромінюваної області ( «розмірний ефект») і анатомо-фізіологічних особливостей опромінюваної тканини (очей, шкіра). Оскільки органічні молекули, з яких складається біологічна тканина, мають широкий спектр абсорбіруемих частот, то немає підстав вважати, що монохроматичность ЧИ може створювати будь-які специфічні ефекти при взаємодії з тканиною. Просторова когерентність також істотно не змінює механізму ушкоджень
випромінюванням, так як явище теплопровідності в тканинах і властиві оці постійні дрібні рухи руйнують інтерференційну картину вже при тривалості впливу, що перевищує кілька мікросекунд. Таким чином, ЧИ пропускається і поглинається біотканямі по тим же законам, що і некогерентного, і не викликає в тканинах будь-яких специфічних ефектів.
Енергія ЧИ, поглинена тканинами, перетворюється в інші види енергії: теплову, механічну, енергію фотохімічних процесів, що може викликати ряд ефектів: теплової, ударний, світлового тиску та ін.
ЧИ становлять небезпеку для органу зору. Сітківка ока може бути вражена лазерами видимого (0,38-0,7 мкм) і ближнього інфрачервоного (0,75-1,4 мкм) діапазонів. Лазерне ультрафіолетове (0,18-0,38 мкм) і дальнє інфрачервоне (понад 1,4 мкм) випромінювання не досягають сітківки, але можуть пошкодити рогівку, радужку, кришталик. Досягаючи сітківки, ЧИ фокусується заломлюючої системою очі, при цьому щільність потужності на сітківці збільшується в 1000-10000 разів у порівнянні з щільністю потужності на рогівці. Короткі імпульси (0,1 с-10 -14 с), які генерують лазери, здатні викликати пошкодження органу зору за значно коротший проміжок часу, ніж той, який необхідний для спрацювання захисних фізіологічних механізмів (мігательний рефлекс 0,1 с).
Другим критичним органом до дії ЧИ є шкірні покриви. Взаємодія лазерного випромінювання з шкірних покривів залежить від довжини хвилі і пігментації шкіри. Відображає здатність шкірних покривів у видимій області спектра висока. ЧИ далекої інфрачервоної області починає сильно поглинатися шкірних покривів, оскільки це випромінювання активно поглинається водою, яка становить 80% вмісту більшості тканин; виникає небезпека виникнення опіків шкіри.
Хронічний вплив низькоенергетичного (на рівні або менше ПДУ ЧИ) розсіяного випромінювання може призводити до розвитку неспецифічних зрушень в стані здоров'я осіб, які обслуговують лазери. При цьому воно є своєрідним фактором ризику розвитку невротичних станів і серцево-судинних розладів. Найбільш характерними клінічними синдромами, які виявляються у працюючих з лазерами, є астенічний, астеновегетативний і вегетосудинна дистонія.
Нормування ЧИ. У процесі нормування встановлюються параметри поля ЧИ, що відображають специфіку його взаємодії з біологічними тканинами, критерії шкідливої дії і числові значення ПДУ нормованих параметрів.
Науково обгрунтовані два підходи до нормування ЧИ: перший - по ушкоджувальним ефектів тканин або органів, які виникають безпосередньо в місці опромінення; другий - на основі виявлених функціональних і морфологічних змін ряду систем і органів, що не піддаються безпосередньому впливу.
Гігієнічненормування ґрунтується на критеріях біологічного дії, обумовленого, в першу чергу, областю електромагнітного спектра. Відповідно до цього діапазон ЧИ розділений на ряд областей:
- від 0,18 до 0,38 мкм - ультрафіолетова область;
- від 0,38 до 0,75 мкм - видима область;
- від 0,75 до 1,4 мкм - ближня інфрачервона область;
- понад 1,4 мкм - далека інфрачервона область.
В основу встановлення величини ПДУ покладено принцип визначення мінімальних «порогових» пошкоджень в опромінюваних тканинах (сітківка, рогівка, очі, шкіра), що визначаються сучасними методами дослідження під час або після впливу ЧИ. Нормованими параметрами є енергетична експозиція Н (Дж-м -2) і опромінення Е (Вт-м -2), а також енергія W (Дж) і потужність Р (Вт).
Дані експериментальних та клініко-фізіологічних досліджень свідчать про превалирующем значенні загальних неспецифічних реакцій організму у відповідь на хронічне вплив низькоенергетичних рівнів ЧИ в порівнянні з місцевими локальними змінами з боку органу зору і шкіри. При цьому ЧИ видимій області спектра викликає зрушення у функціонуванні ендокринної та імунної систем, центральної і периферичної нервової систем, білкового, вуглеводного і ліпідного обмінів. ЧИ з довжиною хвилі 0,514 мкм призводить до змін в діяльності сим- патоадреналових і гіпофізнадпочечнікових систем. Тривалий хронічний дію ЧИ довжиною хвилі 1,06 мкм викликає вегетосудинні порушення. Практично всі дослідники, які вивчали стан здоров'я осіб, які обслуговують лазери, підкреслюють більш високу частоту виявлення у них астенічних і вегетативно-судинних розладів. Отже, низькоенергетичний
ЧИ при хронічній дії виступає як фактор ризику розвитку патології, що і визначає необхідність урахування цього чинника в гігієнічних нормативах.
Широкий діапазон довжин хвиль, різноманітність параметрів ЧИ і викликаються біологічних ефектів ускладнює завдання об- вання гігієнічних нормативів. До того ж експериментальна і особливо клінічна перевірки вимагають тривалого часу і коштів. Тому для вирішення завдань щодо уточнення та розробки ПДУ ЧИ використовують математичне моделювання. Це дозволяє істотно зменшити обсяг експериментальних досліджень на лабораторних тваринах. При створенні математичних моделей враховуються характер розподілу енергії та абсорбції характеристики опромінюваної тканини.
Метод математичного моделювання основних фізичних процесів (термічний і гідродинамічні ефекти, лазерний пробій і ін.), Що призводять до деструкції тканин очного дна при впливі ЧИ видимого та ближнього ІК діапазонів з тривалістю імпульсів від 1 до 10 -12 с, був використаний при визначенні та уточненні ПДУ ЧИ, які увійшли в останню редакцію «Санітарних норм та правил устрою та експлуатації лазерів» СНиП. 5804- 91, які розроблені на підставі результатів наукових досліджень.
Діючі правила встановлюють:
- гранично допустимі рівні (ПДУ) лазерного випромінювання в діапазоні довжин хвиль 180-10 6 нм при різних умовах впливу на людину;
- класифікацію лазерів за ступенем небезпеки генерованого ними випромінювання;
- вимоги до виробничих приміщень, розміщення обладнання та організації робочих місць;
- вимоги до персоналу;
- контроль за станом виробничого середовища;
- вимоги до застосування засобів захисту;
- вимоги до медичного контролю.
Ступінь небезпеки ЧИ для персоналу покладена в основу класифікації лазерів, згідно з якою вони поділяються на 4 класи:
1-й - клас (безпечні) - вихідний випромінювання небезпечно для очей;
2-й - клас (малонебезпечні) - становлять небезпеку для очей як пряме, так і дзеркально відбите випромінювання;
3-й - клас (среднеопасное) - становить небезпеку для очей також і дифузно відбите випромінювання на відстані 10 см від поверхні, що відбиває;
4-й - клас (високонебезпечні) - являє вже небезпека і для шкіри на відстані 10 см від дифузно відбиваючої поверхні.
Вимоги до методів, засобів вимірювань і контролю ЧИ. Дозиметрією ЧИ називають комплекс методів визначення значень параметрів лазерного випромінювання в заданій точці простору з метою виявлення ступеня небезпеки і шкідливості його для організму людини
Лазерна дозиметрія включає два основні розділи:
- розрахункова, або теоретична дозметрія, яка розглядає методи розрахунку параметрів ЧИ в зоні можливого перебування операторів і прийоми обчислення ступеня його небезпеки;
- експериментальна дозиметрія, яка розглядає методи і засоби безпосереднього вимірювання параметрів ЧИ в заданій точці простору.
Засоби вимірювання, призначені для дозиметричного контролю, називаються лазерними дозиметрами. Дозиметричний контроль набуває особливого значення для оцінки відображених і розсіяних випромінювань, коли розрахункові методи лазерної дозиметрії, засновані на даних вихідних характеристик лазерних установок, дають вельми наближені значення рівнів ЧИ в заданій точці контролю. Використання розрахункових методів диктується відсутністю можливості провести вимірювання параметрів ЧИ для усього розмаїття лазерної техніки. Розрахунковий метод лазерної дозиметрії дозволяє оцінювати ступінь небезпеки випромінювання в заданій точці простору, використовуючи в розрахунках паспортні дані. Розрахункові методи зручні для випадків роботи з рідко повторюються короткочасними імпульсами випромінювання, коли ограни-
чена можливість вимірювання максимального значення експозиції. Вони використовуються для визначення лазерно-небезпечних зон, а також для класифікації лазерів за ступенем небезпеки генерованого ними випромінювання.
Методи дозиметричного контролю встановлені в «Методичних вказівках для органів і установ санітарно-епідемі- ологіческіх служб з проведення дозиметричного контролю і гігієнічній оцінці лазерного випромінювання». 5309-90, а також частково розглянуті в «Санітарних нормах і правилах пристрої і експлуатації лазерів» СН і П. 5804-91.
В основі методів лазерної дозиметрії лежить принцип найбільшого ризику, відповідно до якого оцінка ступеня небезпеки повинна здійснюватися для найгірших з точки зору біологічного впливу умов опромінення, тобто вимір рівнів лазерного опромінення слід проводити при роботі лазера в режимі максимальної віддачі потужності (енергії), визначеної умовами експлуатації. У процесі пошуку і наведення вимірювального приладу на об'єкт випромінювання має бути знайдено такий стан, при якому реєструються максимальні рівні ЧИ. При роботі лазера в імпульсно-періодичному режимі вимірюють енергетичні характеристики максимального імпульсу серії.
При гігієнічній оцінці лазерних установок потрібно вимірювати параметри випромінювання на виході лазерів, а інтенсивність опромінення критичних органів людини (очі, шкіра), яка впливає на ступінь біологічної дії. Ці вимірювання проводять в конкретних точках (зонах), в яких програмою роботи лазерної установки визначено наявність обслуговуючого персоналу і в яких рівні відбитого або розсіяного ЧИ неможливо знизити до нуля.
Межі вимірювань дозиметрів визначаються значеннями ПДУ і технічними можливостями сучасної фотометричної апаратури. Всі дозиметри повинні бути атестовані органами Держстандарту в установленому порядку. У Росії розроблені спеціальні засоби вимірювань для дозиметричного контролю ЧИ - лазерні дозиметри. Вони відрізняються високою універсальністю, що полягає в можливості контролю як спрямованого, так і розсіяного безперервного, моноімпульсного і импульсно- періодичного випромінювань більшості застосовуваних на практиці лазерних установок в промисловості, науці, медицині та ін.
Профілактика шкідливої дії лазерного випромінювання (ЛВ). Захист від ЧИ здійснюють технічними, організаційними і лікувально-профілактичного методами і засобами. До методичним засобам ставляться:
- вибір, планування і внутрішнє оздоблення приміщень;
- раціональне розміщення лазерних технологічних установок;
- дотримання порядку обслуговування установок;
- використання мінімального рівня випромінювання для досягнення поставленої мети;
- застосування засобів захисту. Організаційні методи включають:
- обмеження часу впливу випромінювання;
- призначення та інструктаж осіб, відповідальних за організацію і проведення робіт;
- обмеження допуску до проведення робіт;
- організація нагляду за режимом робіт;
- чітка організація протиаварійних робіт і регламентація порядку ведення робіт в аварійних умовах;
- проведення інструктажу, наявність наочних плакатів;
Санітарно-гігієнічні та лікувально-профілактичні методи включають:
- контроль за рівнями небезпечних і шкідливих факторів на робочих місцях;
- контроль за проходженням персоналом попередніх і періодичних медичних оглядів.
Виробничі приміщення, в яких експлуатуються лазери, повинні відповідати вимогам діючих санітарних норм і правил. Лазерні установки розміщують таким чином, щоб рівні випромінювання на робочих місцях були мінімальними.
Засоби захисту від ЧИ повинні забезпечувати запобігання впливу або зниження величини випромінювання до рівня, що не перевищує допустимий. За характером застосування засобу захисту поділяються на засоби колективного захисту (СКЗ) та засоби індивідуального захисту (ЗІЗ). Надійні і ефективні засоби захисту сприяють підвищенню безпеки праці, знижують виробничий травматизм і професійну захворюваність.
Таблиця 9.1. Захисні окуляри від лазерного випромінювання (виписка з ТУ 64-1-3470-84)
До СКЗ від ЧИ відносяться: огорожі, захисні екрани, блокування і автоматичні затвори, кожухи та ін.
ЗІЗ від лазерного випромінювання включають захисні окуляри (табл. 9.1), щитки, маски і ін. Засоби захисту застосовуються з урахуванням довжини хвилі ЧИ, класу, типу, режиму роботи лазерної установки, характеру виконуваної роботи.
СКЗ повинні передбачатися на стадіях проектування та монтажу лазерів (лазерних установок), при організації робочих місць, при виборі експлуатаційних параметрів. Вибір засобів захисту повинен проводитися в залежності від класу лазера (лазерної установки), інтенсивності випромінювання в робочій зоні, характеру виконуваної роботи. Показники захисних властивостей захисту не повинні знижуватися під впливом інших небезпечних
і шкідливих факторів (вібрації, температури і т.д.). Конструкція засобів захисту повинна забезпечувати можливість зміни основних елементів (світлофільтрів, екранів, оглядового скла та ін.).
Засоби індивідуального захисту очей та обличчя (захисні окуляри і щитки), що знижують інтенсивність ЧИ до ПДУ, повинні застосовува- ся тільки в тих випадках (пусконалагоджувальні, ремонтні та експериментальні роботи), коли колективні засоби не забезпечують безпеку персоналу.
При роботі з лазерами повинні застосовуватися тільки такі засоби захисту, на які є нормативно-технічна документація, затверджена в установленому порядку.