CC BY
138
УДК 66
В. В. Кирсанов
ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КАК ФИЗИЧЕСКОГО ФАКТОРА
ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Ключевые слова: лазеры, доза излучения, длина волны, воздействующие факторы, термические, фотохимические, механические эффекты, мощность излучения, продолжительность излучения, биологическое воздействие, пороговая мощность, степень повреждения, источник излучения.
Представлена краткая характеристика термических, фотохимических и механических эффектов, возникающих при воздействии лазерного излучения на зрение и другие органы человека в зависимости от длительности воздействия, длины волны, угла падения луча, режимов работы лазера и других факторов. Приведенаформуладляопределенияплотностиэнергиилазерногоизлучения.
Keywords: lasers, radiation dose, wavelength, acting factors, thermal, photochemical, mechanical effects, the radiation power, the duration of radiation of biological effects, the threshold power, the degree of damage, the radiation source.
A brief description of thermal, photochemical and mechanical effects resulting from the action of laser radiation on the eyes and other organs of the person depending on the duration of exposure, wavelength, angle of incidence, modes of laser and other factors. The formula for determining the energy density of the laser radiation.
Лазеры все более широко применяются в науке, медицине и технике. Исследованиями ученых и специалистов установлено, что лазерные излучения вызывают местные и общие реакции организма человека различной степени выраженности в зависимости от времени воздействия и длины волны [1].
В соответствии с «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров» № 5804-91 установлены два нормативных уровня:
- предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения при однократном воздействии -уровни излучения, при воздействии которых существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме работающего (к однократным относятся случайные воздействия излучения с длительностью 3-104 с);
- ПДУ лазерного излучения при хроническом воздействии - уровни излучения, воздействие которых при работе установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не приводит к травме (повреждению), заболеванию или отклонению в состоянии здоровья работающего в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.
Порог повреждения лазерным излучением - минимальное воздействие, выраженное в энергетических величинах, которое может вызвать в организме изменения, принятые в качестве критерия.
При обосновании ПДУ и оценке безопасности уровней лазерного излучения критерии могут быть различными в зависимости от длины волны и особенностей их действия на органы.
В качестве нормируемых параметров лазерного излучения установлены:
- мощность Р (Вт);
- энергетическая экспозиция Н (Дж/м2);
- энергия W(Дж);
- облученность Е (Вт/м2).
Параметры Н и Wприменяются при продолжительности воздействия 1-3 с и менее, Е и Р -при более длительном воздействии.
Существует два метода определения параметров лазерного излучения: расчетный и инструментальный. Расчетный метод по точности определения значительно ниже по сравнению с инструментальным методом. Расчетных методов существует много, однако все они являются громоздкими и примерными, так как не учитывают все многообразие факторов, влияющих на параметры распространения лазерного излучения [1].
При проведении инструментальных измерений (которые являются наиболее точными и, поэтому, применяются чаще) необходимо соблюдать ряд общих требований:
- генерирующая аппаратура должна работать с максимальной нагрузкой;
- измерение осуществляют на каждой из длин волн;
- измерение плотности излучения производят на рабочих местах на уровне глаз или открытых участков кожи;
- если исследуется рассеянное лазерное излучение или отраженное от зеркальной поверхности, то определяют угловые размеры пятна, являющегося вторичным источником излучения;
- оценку уровней излучения на рабочих местах производят ежегодно и в случае применения новой аппаратуры или модернизации существующей.
Вся аппаратура в зависимости от цели исследований делится на следующие группы:
1. Аппаратура для контроля энергетических характеристик лазерного луча.
2. Аппаратура для контроля спектральных и (или) временных характеристик.
3. Аппаратура контроля пространственных характеристик лазерного луча.
4. Дозиметры.
Аппаратура, применяемая для дозиметрического контроля лазерного излучения, должна быть поверена.
Расчетный способ определения лазерного излучения применяется для прогностической оценки
значений плотности (мощности) лазерного излучения, создаваемого лазерными установками, излучающими в открытое пространство.
Плотность энергии лазерных излучений в свободном пространстве на заданном расстоянии от лазера на оптической оси Ж(Дж/см2) рассчитывается по формуле, которая учитывает ослабление лазерного излучения атмосферой:
Ж=[сдехр(-кЯ)]/[я(с!+еЯ)2], (1) где Я - расстояние от источника излучения, см; 2 -выходная энергия лазера по паспортным данным или непосредственно измеренная на выходе излучателя, Дж; С - диаметр выходной апертуры излучателя, см; вр - угол расходимости лазерного луча, рад; с - коэффициент (табл.1), величина которого зависит от того, по какому уровню интесивности в паспорте определен угол расходимости лазерного излучения вр; кх - коэффициент ослабления, описывающий затухание излучения лазера атмосферой за счет поглощения и рассеяния света молекулами, дисперсной фазой (дым, пыль, туман) и флуктуациями плотности воздуха, см-1.
Таблица 1 - Зависимость коэффициента с от уровня интенсивности
Уровень интенсивности 0,5 1/е 1/е2 0,1
с 2,8 4 8 9,2
Коэффициент ослабления зависит от метеорологической дальности видимости Ьм (см), которая характеризует мутность атмосферы и представляет собой максимальную дальность видимости днем темных предметов с угловым размером, большим 30', проецирующихся на фоне неба у горизонта. Вычисляется по формуле[1]:
кд=(3,91/1м)(^/0,55)-и, (2)
где X - длина волны лазерного излучения, нм; п = 0,585(£м)1/3.
Метеорологическая дальность видимости Ьм для различных условий наблюдений меняется в пределах от 5-103 см в густом тумане до 5-106 см для чистой атмосферы.
При зеркальном отражении излучения расчет проводится также по формуле 1, но получившееся значение ^умножается на спектральный коэффициент отражения поверхности р, на которую падает луч.
В случае не зеркального отражения плотность энергии Жв заданной точке можно рассчитывать по формуле[1]:
раехр^к^^г)] (3)
Ж=
где р - спектральный коэффициент отражения поверхности (р<1, но если величина коэффициента неизвестна, то принимается равной 1); Я1- расстояние походу луча от лазера до отражающей поверхности; Я2 - расстояние от точки падения луча на отражающую поверхность до глаза, см.
В случае непрерывного излучения расчет плотности энергии Ж производят по тем же формулам, но вместо выходной энергии ^подставляется
выходная мощность лазерного излучения по паспортным данным.
Чувствительность различных органов и клеток организма к лазерному излучению не однозначна. Малые дозы излучения могут оказывать стимулирующее действие (на этом свойстве основано физиотерапевтическое применение лазера), воздействие значительных доз излучения в большей степени основано на процессах поглощения и трансформирования энергии органами и клетками организма.
При воздействии значительных доз лазерного излучения возникают термические, фотохимические, механические эффекты [1]. Отрицательными для организма являются термические и механические (фотохимические реализуются в терапии).
Термические эффекты можно подразделить на следующие виды:
- гипертермия - длительный, до часа и более нагрев тканей при температуре 43-45 оС. Результат - отсроченная во времени гибель клеток наиболее чувствительных к температуре;
- термотерапия - нагрев клеток в течение минут при температуре 45-60 оС. Результат - гибель клеток и образование участка атрофии;
- коагуляция - наступает практически сразу при температуре 60 оС и связана с денатурацией белков;
- сокращение коллагена на 20-30% при нагревании до 62-64 оС;
- испарение - происходит при температуре более 100 оС, в результате чего происходит разрыв тканей и обезвоживание;
- карбонизация (обугливание тканей) наступает при температуре 150 оС и выше. Результат -выгорание органического субстрата.
К механическим эффектам относятся:
- фоторазрыв, возникающий в случае, когда энергия сконцентрирована в пространстве и во времени настолько, что происходит разрыв ткани и ионизация субстрата с формированием микрополости;
- абляция - разрушение межмолекулярных связей с формированием дефекта тканей.
Указанные дефекты могут происходить и в смешанном (сочетанном) виде.
В зависимости от режима генерации, энергетических параметров, продолжительности облучения могут возникнуть тепловые повреждения кожи различной степени - от гипертермии до обугливания.
Непосредственно после воздействия мощного импульсного излучения высокой плотности поврежденный участок кожи напоминает «папиросную бумагу», через которую просвечивают кровеносные сосуды. Кроме того, воздействие мощных импульсов сопровождается ударными волнами, которые могут вызвать деформацию и смещение органов.
Особую опасность для кожного покрова представляет излучение СО2-лазера по следующим причинам:
- данный тип лазера очень распространен и имеет значительные мощности;
- на длине волны 10,6 мкм коэффициент поглощения кожного покрова высокий и падающее излучение почти целиком поглощается в поверхностном слое;
- излучение на этой длине волны невидимое, что увеличивает степень риска.
Действие лазерного излучения на зрение носит в основном термический характер, но при импульсном воздействии начинают превалировать механические эффекты. Степень повреждения зависит от глубины проникновения лазера в глазное яблоко, т.е. от длины волны.
Лазерное излучение дальней инфракрасной области спектра полностью поглощается в поверхностном слое роговицы, которая играет защитную роль - защищает сетчатку и сосудистую оболочку глаз о повреждения излучением.
Ожоги кожи век от лазерного излучения часто могут сочетаться с одновременным поражением глазного яблока.
Сетчатка глаза особенно восприимчива к лазерному излучению в диапазоне длин волн от 0,4 мкм до 1,4 мкм. Глазная линза обладает фокусирующими свойствами и, поэтому, интенсивность на сетчатке может быть увеличена в несколько раз,- по этой причине сетчатка наиболее чувствительна к излучению.
Значения пороговых мощностей, вводимых для оценки биологического воздействия лазерных излучений, зависят от длины волны падающего излучения, продолжительности импульса, размеров пятна, угла падения луча, расстояния до источника, наличия оптических приборов, режимов работы лазера и других факторов. Например, лазерное излучение голубой области видимого света более опасно для сетчатки, чем излучение в красной области при равенстве мощности облучения, что объясняется дополнительным фотохимическим действием коротковолнового участка видимого спектра. Особенно опасны когерентные источники УФ диапазона, так как излучения с длиной волны менее 0,32 мкм обладают кумулятивным эффектом и даже при небольшой мощности приводят к ожогу.
Для глаз является опасным не только прямое, но и отраженное излучение лазеров, находя-
щихся на значительном расстоянии от человека. Использование оптических приборов (бинокли, телескопы, микроскопы, дальномеры, очки) увеличивает количество света, проникающего в глаз и опасные расстояния возрастают в несколько раз. В ночное время излучение лазеров может повреждать глаза при прямом попадании на расстоянии от двух до десяти километров [2].
При нагревании примерно на 10 оС в роговице глаза происходят необратимые изменения в виде дегидратации и денатурации белков. При воздействии мощных коротких импульсов УФ излучения на ткань роговицы происходит ее испарение.
Кроме воздействия непосредственно лазерного излучения на окружающую среду и человека, представляют значительную опасность и другие факторы, связанные с эксплуатацией лазерных генераторов, к которым относятся:
- выброс токсичных соединений ИР, СО, НС1, углеводороды, кислоты и др. вещества;
- повышенный уровень шума и вибрация;
- электромагнитные излучения радиочастотного диапазона и ионизирующие излучения.
Литература
1. И.М.Ахметзянов, С.В.Гребеньков, О.П.Ломов, Л.П.Терентьев, И.В. Петров,,Гигиенические нормативы. Физические факторы окружающей и производственной среды, Под ред. О.П.Ломова. НПО «Профессионал»,СПб, 2011.796с;
2. В.В. Кирсанов,Основы промышленной и экологической безопасности опасных производственных объектов: Монография.Изд-во Казан. гос.техн. ун-та,Казань, 2011. 480 с;
3. В.В. Кирсанов. К вопросу о систематизации и конкретизации профилактической работы по повышению уровня промышленной безопасности предприятий нефтехимического комплекса. Вестник Казанского технологического университета, 16, 24, 138-142 (2013);
4. В.В. Кирсанов, И.Г. Григорьева. Минимизация шума на пути его распространения способом акустической обработки помещений звукопоглощающими материалами. Вестник Казанского технологического университе-та,11, 19, 123-126 (2014).
© В. В. Кирсанов - д.т.н., профессор кафедры общей химии и экологии КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, VVKirsanov@gmaiI.com
© V. V. Kirsanov - DT n., Professor of the department of general chemistry and ecology KNITU-KAI, VVKirsanov@gmaiI.com.
