Фiзiологiчнi ефекти при впливi лазерного випромiнювання на людину
Безпосереднiй вплив на людину робить лазерне випромiнювання будь-якоï довжини хвилi, однак у зв'язку зi спектральними особливостями
органiв, що вражаються, i iстотно рiзними гранично припустимими дозами
опромiнення звичайно розрiзняють вплив на очi й шкiрнi покриви людини
1.1. Вплив лазерного випромiнювання на органи зору
Основний елемент зорового апарата людини — сiткiвка очi —
може бути уражена лише випромiнюванням видимого ( вiд 0.4 мкм ) i
ближнього Ик-Дiапазонiв ( до 1.4 мкм ), що пояснюється
спектральними характеристиками людського ока ( мал. 1 ). При цьому
кришталик i очне яблуко, дiючи як додаткова фокусирующая оптика, iстотно
пiдвищують концентрацiю енергiï на сiткiвцi, що, у свою чергу, на
кiлька порядкiв знижує максимально припустимий рiвень ( МДУ )
опромiнення зiницi
1.1.1. МДУ прямого опромiнення сiткiвки
Крiм довжини хвилi X, необхiдно враховувати також тривалiсть впливу
свiтлового випромiнювання. При дуже коротких iмпульсах ( коли не
встигають спрацювати механiзми теплопровiдностi в областi сiткiвки )
нормують щiльнiсть енергiï для видимого випромiнювання (
0.4<X<0.7 мкм ) при ?t< 2?10-5 c МДУ опромiнення роговицi ока
становить 5?10-3 Дж/м2; для Ик-Випромiнювання ( 1.05<X<1.4 мкм )
при 2?10-5<?t<5?10-5 з — на порядок бiльше, тобто 5?10-2
Дж/м2. Якщо тривалiсть iмпульсу перевищує 20 мкс для видимого й
20?50 мкс для ближнього ( до 1.4 мкм ) випромiнювання, то нормують у
першому наближеннi щiльнiсть потужностi: для видимого випромiнювання МДУ
становить 18?t0.75 Вт/м2; для Ик-Випромiнювання — майже порядок
бiльше, тобто 90?t0.75 Вт/м2.
Наведенi данi по МДУ охоплюють область найбiльш критичних значень
параметрiв опромiнення зiницi ока, коли в iнтервалi вiд 10-9 до 10 iз
причиною ушкодження сiткiвки є теплова дiя сфальцьованого свiтла
при прямому спостереженнi лазерного пучка, тодi як сверхкороткие лазернi
iмпульси викликають в основному термоакустическое вплив —
протоплазма клiток через швидкий розiгрiв закипає й розриває
оболонку. У цьому випадку нормують щiльнiсть потужностi: для видимого
випромiнювання МДУ становить 5?106 Вт/м2, для Ик-Випромiнювання —
5?107 Вт/м2.
Тривале ( ?t>10 с) прямий вплив лазерного випромiнювання на сiткiвку
приводить в основному до фотохiмiчних процесiв ïï руйнування.
Щоб уникнути цього (як i у випадку сверхкоротких iмпульсiв), нормують
енергетичну освiтленiсть (експозицiю). Для зеленого (X=550 нм) i бiльше
короткохвильового (X>400 нм) видимого свiтла МДУ становить 100 Дж/м2.
Що стосується “теплих” квiтiв (550<X<700 нм), те
фотохiмiчнi процеси починають вiдiгравати помiтну роль тiльки при
бiльших тимчасових впливах лазерного випромiнювання (T2=100.02( X-500)+1
c), i в цьому випадку МДУ потрiбно зменшити в З3 разiв (C3=100.015( X-
550)).
Сверхдлительное (?t>103?104 c) прямий вплив лазерного випромiнювання
характеризується малим значенням МДУ, а саме 0.01 Вт/м2 для зелений^-зеленого-синьо-
зеленого (0.4<X<0.55 мкм) випромiнювання. Бiльше довгохвильове
видиме випромiнювання (550<X<700 нм) допускає МДУ=100.015(
X-500)+2 Вт/м2. У випадку ИК випромiнювання перехiд вiд експозицiйного
до мощностному обмеження (коли iстотну роль грають регенерацiйнi
процеси, що компенсують фотохiмiчне руйнування) здiйснюється при
?t>10 c: для 1.05<X<1.4 мкм МДУ становить 16 Вт/м2; для
X>700 нм (темно-червоне випромiнювання) i X<1050 нм (ближнє
ИК випромiнювання) монотонно зростаючий МДУ становить 3.2?10( X-700)/500
Вт/м2.
На перерахованi МДУ опромiнення орiєнтуються при однократному
впливi на око прямого лазерного випромiнювання, фокусируемого
кришталиком у дуже незначну пляму на сiткiвцi
При наявностi послiдовностi iмпульсiв не тiльки жоден з них, але й
усереднене опромiнення не повиннi перевищувати МДУ. При усередненнi
впливу послiдовностi iмпульсiв iз тривалiстю ?t<10 мкс i частотою
повторення f>1 Гц МДУ одиночного iмпульсу повинен бути зменшений у З5
разiв:
Якщо тривалiсть окремих iмпульсiв ?t у послiдовностi перевищує 10мкс ( а частота проходження f>1 Гц), те для iмпульсу тривалiстю N?t
за обмеження опромiнення приймають (1/N)-ю частина МДУ.
Найбiльше складно визначити МДУ для повторюваних серiй, що складаються з
певного числа iмпульсiв. Коли в серiï не бiльше 10 iмпульсiв,
неï дорiвнюють до одного еквiвалентного iмпульсу. При цьому: 1)
якщо ?t серiï менше 10 мкс, те за тривалiсть еквiвалентного
iмпульсу приймають тривалiсть самого короткого iмпульсу в серiï, а
за енергетичний вплив — сумарне (повне) енергетичний вплив
всiєï серiï;
2) якщо ?t серiï бiльше 10 мкс, те за тривалiсть еквiвалентного
iмпульсу приймають сумарну тривалiсть парцiальних iмпульсiв, а за
енергетичний вплив — сумарний енергетичний вплив
всiєï серiï
Якщо в серiï бiльше 10 iмпульсiв, те МДУ розраховують як для
одного, нiбито безперервного iмпульсу, що охоплює вся
послiдовнiсть
2.1.1. МДУ для зовнiшнiх покривiв очей людини
Невидиме УФ (0.2<X<0.4 мкм) або ИК випромiнювання
(1.4<X<1000 мкм) практично не доходить до сiткiвки й тому може
ушкоджувати лише зовнiшнi частини очей людини: УФ випромiнювання
викликає фотокератит, середньохвильове ИК випромiнювання
(1.4<X<3 мкм) — набряк, катаракту й опiк роговоï
оболонки ока; далеке ИК випромiнювання (3 мкм<X<1 мм) — опiк
роговицi. Тому МДУ опромiнення очей при УФ i ИК випромiнюваннi
розглядають тут, хоча (через вiдсутнiсть фокусирующего дiï
кришталика) чисельнi значення даного МДУ на кiлька порядкiв бiльше
значень, наведених у пiдроздiлi “МДУ прямого опромiнення
сiткiвки”, i вiдповiдають МДУ для шкiрних покривiв. До того ж для
зовнiшнiх покривiв ока й шкiрних покривiв МДУ нормуються щодо апертури
дiаметром 1 мм (для сiткiвки — 7 мм), що ще бiльше знижує
вимоги променевоï безпеки в розглянутому випадку. Проте цi данi
можуть виявитися корисними, тому що в цей час зростає число
комерцiйних лазерiв, що працюють в УФ i ИК дiапазонах
Щiльнiсть потужностi для сверхкоротких (менш 1 нс) iмпульсiв майже
однакова в обох дiапазонах: 30 Гвт/м2 в УФ областi й 100 Гвт/м2 в ИК
областi (1.4 мкм<X<1 мм).
При бiльших часах впливу ситуацiя найбiльш проста для твердого
(200<X<320.5 нм) УФ випромiнювання, де МДУ=30 Дж/м2, аж до
длительностей опромiнення 30000 з, тобто понад 8 годинник
Бiльше складна система завдання МДУ для вузькоï дiлянки УФ
випромiнювання з 302.5<X<315 нм. Для скiльки-небудь тривалого
впливу (10<?t<30000 c) МДУ зростає на 2.5 порядку за законом
З2=10( X-295)/5 Дж/м2. В областi iмпульсних впливiв (1 нс<?t<10 c)
таке швидке наростання МДУ має мiсце лише при ?t>T1=10( X-
295)/5 c; якщо ?t<T1, те МДУ не залежить вiд довжини хвилi й
становить IЗ1=5600(?t)0.75 Дж/м2.
МДУ для ближньоï УФ областi (315<X<400 нм) у випадку
iмпульсного (1 нс<?t<10 c) опромiнення майже не мiняється,
становлячи З1=5600(?t)0.25 Дж/м2, що плавно переходить в 10 Кдж/м2 для
часу опромiнення вiд 10 до 1000 з; якщо тривалiсть опромiнення
перевищує 1000 з, те нормують щiльнiсть потужностi, i МДУ
дорiвнює 10 Вт/м2.
В ИК областi МДУ опромiнення зовнiшнiх покривiв майже не залежить вiд
довжини хвилi й становить: для сверхкоротких (?t<1 нс) iмпульсiв 100
ГВт/м2; для гiгантських ( 1 нс<?t<100 нс) iмпульсiв 100 Дж/м2; для
iнших (100 нс<?t<10 с) iмпульсiв 5600(?t)0.25 Дж/м2. Щiльнiсть
потужностi при безперервному опромiненнi (10 з<?t<30000 c) не
повинна перевищувати 1 кВт/м2.
Треба вiдзначити, що такi значення справедливi й для далекоï ИК
областi (0.1<X<1 мм) з тiєю лише рiзницею, що МДУ задають
тут в апертурi дiаметром 11 мм (а не 1 мм, як для УФ i основного ИК
дiапазонiв).
2.1.2. Подання МДУ опромiнення як поверхнi в координатах X — ?t
В 825-й публiкацiï МеК повнiстю, хоча й не завжди з досить високою
точнiстю, визначенi МДУ опромiнення роговоï оболонки ока людини
прямим (тобто спрямованим безпосередньо з оптичноï системи, а не
неуважним на яких-небудь шорсткуватих поверхнях) лазерним
випромiнюванням. Для зручностi практичного застосування цi
рекомендацiï МеК представленi у виглядi таблицi 1.1.
У результатi, у перших, з'являється можливiсть досить просто (хоча
й приблизно) визначити чисельнi значення МДУ при прямому опромiненнi ока
людини лазерним випромiнюванням. При вимiрi варто лише пам'ятати
наступнi рекомендацiï МеК по просторовому усередненню опромiнення:
для 0.2<X<0.4 мкм — усерединi кола ? 1 мм; для
0.4<X<1.4 мкм — усерединi кола ? 7 мм (що вiдповiдає
зiницi ока при темновой адаптацiï); для 1.4<X<100 мкм —
усерединi кола ? 1 мм; для 100 мкм<X<1 мм — усерединi кола ?
11мм.
У других, таблиця 1.1 свiдчить про те, що в рiзних спектральних
поддиапазонах лазерний вплив частково аддитивно. Ця ситуацiя ставиться
до двох- i бiльше хвильових лазерiв, в основному, до лазерних приладiв i
установок, у яких використовується лазерне випромiнювання рiзних
довжин хвиль. Вiдповiдно до рекомендацiï МеК весь дiапазон довжин
хвиль лазерного випромiнювання дiлять на чотири поддиапазона, усерединi
яких лазерне випромiнювання повнiстю аддитивно (як для очей: так i для
шкiрних покривiв):
1-1-? поддиапазон УФ-З i УФ-В, 200<X<315 нм;
2-2-? поддиапазон УФ-А, 315<X<400 нм;
3-3-? поддиапазон весь видимий i ИК-А, 0.4<X<1.4 мкм;
4-4-? поддиапазон ИК-В i ИК-С, 1.4<X<1000 мкм.
Крiм того, завжди пiдсумують впливу опромiнень 2-го й 4-го
поддиапазонов. Аналогiчне пiдсумовування проводять i при спiльному
впливi на шкiрнi покриви лазерних випромiнювань 2-го й 3-го
поддиапазонов.
Природно, що брати до уваги ефект аддитивного впливу має сенс лише
при близьких до МДУ значеннях опромiнення для кожноï з генерируемих
довжин хвиль. На жаль, 825-я публiкацiя МеК не дає аналiтичного
вираження для визначення МДУ аддитивного опромiнення, а лише
вказує на необхiднiсть особливоï обережностi, якщо тривалостi
впливу iстотно розрiзняються (наприклад, спiльна дiя iмпульсного й
безперервного випромiнювань). У випадку, якщо тривалостi iмпульсiв або
час експозицiï порiвняннi (мають один порядок), те думають, що
парцiальне (на однiй довжинi хвилi) опромiнення пропорцiйно МДУ для
даного випромiнювання, тобто сумарне вiдносне опромiнення не повинне
перевищувати одиницi:
И, нарештi, МеК настiйно нагадує про небезпеку будь-якого
опромiнення, у тому числi лазерного, пiдкреслюючи, що МДУ є не
порогом безпеки, а лише усередненим значенням (певним на основi
численних експериментiв) рiвня небезпеки ушкодження органiв зору (i
шкiрного покриву) людини МДУ опромiнення ока протяжним джерелом з
кутовим розмiром ?изл>? наведенi в таблицi 1.2. Нагадаємо, що
при вимiрi енергетичноï яскравостi неуважного (точнiше: зi значним
кутом расходимости) випромiнювання ïï усереднення при вимiрi
МДУ варто виконувати по кутi ? (см. малюнок 2). Крiм того, оскiльки очi
влаштованi так, що не пропускають до сiткiвки УФ i ИК випромiнювання з
X>1.4 мкм, те в цих дiапазонах рiзниця мiж МДУ, зазначеним у таблицi
1.1, i МДУ, зазначеним у таблицi 1.2, отсутствует.
1.2. МДУ лазерного опромiнення шкiрних покривiв
При вживаннi належних заходiв безпеки (захиснi окуляри й iн.) ушкодження
зорових органiв людини звичайно виключається. Однак
залишається можливiсть поразки шкiрних покривiв (наприклад, рук
при обслуговуваннi лазерноï технологiчноï установки). Що
стосується МДУ лазерного опромiнення для шкiрних покривiв людини,
те ïхнього значення, за рекомендацiєю МеК, вiдрiзняються вiд
значень, розглянутих ранiше для очей, лише в областi видимого й
ближнього ИК випромiнювання (X<1.4 мкм). При цьому опромiнення
усредняют у межах круглоï апертури ? 1 мм для всiх довжин хвиль
менш 0.1 мм. Опромiнення в далекоï ИК областi (0.1<X<1 мм) як
i ранiше усредняют в апертурi ? 11мм.
Таким чином, при будь-якому лазерному випромiнюваннi, користуючись
даними таблиць 1.1 1.3, можна легко визначити МДУ опромiнення, що
дозволяє уникнути органiчних ушкоджень очей i шкiрних покривiв
людини
Застосування того або iншого способу забезпечення безпеки людини при
лазерному випромiнюваннi залежить вiд стадiï виготовлення або
експлуатацiï лазерного приладу. На захист користувача вiд лазерного
опромiнення, що перевищує МДУ, нацiленi що рекомендуються МеК
конструктивнi заходи, необхiднi при виготовленнi лазерних приладiв.
Оскiльки цi заходи в тiм або iншому ступенi обов'язковi для всiх
виготовлювачiв лазерних приладiв, доцiльно розглянути ïх бiльш
докладно.
2. Вимоги до виготовлювачiв лазерних приладiв у зв'язку iз забезпеченням
безпеки користувачiв
МеК рекомендує у зв'язку з унiфiкацiєю вимог до конструкцiй
лазерних приладiв роздiляти цi прилади на чотири класи з погляду
небезпеки лазерного випромiнювання для користувачiв
2.1. Лазернi випромiнювачi класу 1
Найбiльш безпечними як по своïй природi (МДУ опромiнення нiяк не
може бути перевищений), так i по конструктивному виконанню є
лазернi прилади класу 1. У зв'язку з таким подвiйним пiдходом припустимi
межi випромiнювання (ДПИ) лазерних приладiв класу 1 у спектральнiй
областi вiд 0.4 до 1.4 мкм, для якоï можливо як крапкове, так i
протяжне ушкодження сiткiвки, характеризуються значеннями у двох
аспектах — енергетичному (у ватах або джоулях) i яркостном.
Вiдповiднi значення наведенi в таблицi 2.1 (крiм УФ випромiнювання, а
також ИК випромiнювання вiд 1.4 мкм)
