Лазерне випромінювання

Більш широкого застосування в промисловості, науці і медицині знаходять оптичні квантові генератори (ОКГ) – лазери.

Лазери використовують при дефектоскопії матеріалів, в радіоелектронній промисловості, в будівництві, при обробці твердих і надтвердих матеріалів. За їх допомогою здійснюється багатоканальний зв'язок на великих відстанях, лазерна локація, дальнометрія, швидке опрацювання інформації.

Лазер – це генератор електромагнітних випромінювань оптичного діапазону, робота якого полягає у використанні вимушених випромінювань.

Принцип дії лазера базується на властивості атома (складної квантової системи) випромінювати фотони при переході із збудженого стану в основний (з меншою енергією).

Головною особливістю лазерного випромінювання є його чітка спрямованість, що дозволяє на великій відстані від джерела отримати точку світла майже незмінних розмірів з великою концентрацією енергії.

За характером генерації електромагнітних хвиль лазери поділяються на імпульсні (тривалість випромінювання до 0, 25 с) і лазери безперервної дії (тривалість випромінювання від 0, 25 с і більше).

Лазер генерує електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 0, 2 до 1000 мкм. Цей діапазон за довжиною хвилі та біологічною дією поділяється на три ділянки:

- ультрафіолетову (від 0, 2 до 0, 38 мкм) ;

- видиму (від 0, 38 до 0, 78 мкм) ;

- ближню інфрачервону (від 1, 4 до 1000 мкм).

У зв'язку з малою довжиною хвилі лазерне випромінювання може бути сфокусоване оптичними системами невеликих геометричних розмірів (розміри обмежені дифракцією), завдяки чому на малій площі досягається велика густина енергії випромінювання.

Дія лазерного випромінювання на організм людини має складний характер і обумовлена як безпосередньою дією лазерного випромінювання на тканину, так і вторинними явищами, обумовленими змінами в організмі внаслідок опромінення. Розрізняють термічну і біологічну дію лазерного випромінювання на тканини, що може призвести до теплової, ударної дії світлового тиску, електрострикції (механічні коливання під дією електричної складової електромагнітного поля), перебудови внутрішньоклітинних структур та інше.

Уражаюча дія лазерного променя залежить від потужності, довжини хвилі випромінювання, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, часу взаємодії, біологічних та фізико-хімічних особливостей опромінюваних тканин та органів.

Термічна дія випромінювання лазерів безперервної дії має багато спільного із звичайним нагріванням. При помірній інтенсивності випромінювання на шкірі можуть з'явитися видимі зміни (порушення пігментації, почервоніння) з досить чіткими межами ураженої ділянки, а при інтенсивності випромінювання понад 100 Втс виникає кратероподібний отвір внаслідок руйнування та випарювання клітинних структур.

Загалом, шкіряний покрив, який сприймає більшу частину енергії лазерного випромінювання, значною мірою захищає організм людини від серйозних внутрішніх ушкоджень. Але є відомості, що опромінення окремих ділянок шкіри викликає порушення у різних системах організму, особливо нервовій та серцево-судинній.

При великій інтенсивності і дуже малій тривалості імпульсів спостерігається біологічна дія лазерного випромінювання, обумовлена процесами, які виникають внаслідок вибіркового поглинання тканинами електромагнітної енергії, а також електричними і фотоелектричними ефектами. Тому, при відносно слабких ушкодженнях шкіри може виникати ураження внутрішніх тканин – набряки, крововиливи, змертвіння тканин, згортання крові. Результатом лазерного опромінення, навіть дуже малих доз, можуть бути такі явища, як нестійкість артеріального тиску, порушення серцевого ритму, втома, роздратування, головний біль, підвищена збудженість, порушення сну. Звичайно, такі порушення зворотні і зникають після відпочинку.

Особливо чутливі до дії лазерного випромінювання очі людини. Ураження очей виникає від влучення як прямого, так і відбитого променя лазера, навіть якщо поверхня відбиття не є дзеркальною. Характер ураження залежить від довжини хвилі. Найсерйознішу небезпеку становить випромінювання УФ діапазону, яке може призвести до зміни структури білка (коагуляція) рогівки та опіку слизової оболонки, що викликає повну сліпоту. Випромінювання видимого діапазону впливає на клітини сітківки, внаслідок чого настає тимчасова сліпота або втрата зору від опіку з наступною появою рубцевих ран. Випромінювання 14 діапазону, яке поглинається райдужною оболонкою, кришталиком та скловидним тілом, більш-менш безпечне, але також може спричинити сліпоту.

Внаслідок лазерного опромінення у біологічних тканинах організму можуть виникати вільні радикали, які активно взаємодіють з органічними молекулами та порушують нормальний хід процесів обміну на клітинному рівні. Наслідком цього є загальне погіршення стану здоров'я.

Під лазерною безпекою розуміється сукупність організаційних, технічних і санітарно-гігієнічних заходів, які забезпечують безпеку умов праці персоналу при використанні лазерів.

Прийняття тих або інших заходів лазерної безпеки залежить, перш за все, від класу лазера. Клас небезпеки лазера встановлюється підприємством, яке його виготовляє.

Небезпека випромінювань лазерів в залежності від їх классу:

1. Не є небезпечним для очей та шкіри.

2. Становить небезпеку при опроміненні очей прямим або віддзеркаленим випромінюванням.

3. Становить небезпеку при опроміненні очей прямим, віддзеркаленим, а також дифузно віддзеркаленим випромінюванням на відстані 10 см від дифузно віддзеркалюючої поверхні та при опроміненні шкіри прямим або віддзеркаленим випромінюванням.

4. Становить небезпеку при опроміненні шкіри дифузно віддзеркаленим випромінюванням на відстані 10 см від цієї поверхні.

Усі лазери повинні бути марковані знаком лазерної небезпеки.

Установка лазерів дозволяється тільки у спеціально обладнаних приміщеннях. На дверях приміщення, де знаходяться лазери 2, 3, 4 класів, повинні бути нанесені знаки лазерної небезпеки.

Лазери 4 класу повинні бути розташовані в окремих приміщеннях. Велике значення має стан приміщення всередині. Всі предмети, за винятком спеціального устаткування, не повинні мати дзеркальної поверхні.

Розташовувати устаткування потрібно так, щоб воно стояло вільно. Для лазерів 2, 3, 4 класів з лицевої сторони пультів і панелей управління необхідно залишати вільний простір шириною 1, 5 м – при однорядовому розташуванні лазерів, і шириною не менше 2м – при дворядовому. Із задніх та бокових сторін лазерів потрібно залишати відстань не менше 1 м.

Керування лазерами 4 класу повинно бути дистанційним, а двері приміщення, де вони знаходяться, повинні мати блокування.

При використанні лазерів 2 та 3 класів необхідно запобігати попаданню випромінювання на робочі місця. Повинні бути передбачені огородження лазерно шкідливої зони, або екранування пучка випромінювання. Для екранів та огорож потрібно вибирати вогнестійкі матеріали, які мають найменший коефіцієнт відбиття на довжину хвилі генерації лазера. Ці матеріали не повинні виділяти токсичні речовини при дії на них лазерного випромінювання.

При експлуатації лазерів 2, 3, 4 класів треба здійснювати періодичний дозиметричний контроль (не менше одного разу на рік), а також додатково в таких випадках: при надходженні в експлуатацію нових лазерів 2-4 класів, при зміні конструкції засобів захисту, при організації нових робочих місць.

В залежності від потужності, лазерне випромінювання може викликати три різні ефекти в біологічній тканині. При малій і середній потужності будуть відбуватися хімічні та метаболічні реакції в клітинах тканини (біостимуляційні процеси). З ростом потужності випромінювання виникає термічний ефект, який широко використовують у хірургії для термічного випаровування тканини (лазер СО, імпульсний режим) чи коагуляції (аргоновий лазер, постійний режим). При екстремально високій потужності у випадку короткотривалих імпульсів тканина підлягає «мікровибуху» перед її термічним розкладом (ексимерні і барвникові лазери, в режимі модульованої добротності).

Отже розрізняють три групи фотобіологічних ефектів при взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною:

- фотобіохімічні ефекти;

- фототермічні ефекти;

- фотоіонізаційні ефекти.

Розглянемо другу групу фотобіологічних ефектів. Друга група – термічні ефекти. Оптичне випромінювання перетворюється в тепло і викликає коагуляцію, випаровування або карбонізацію (обвуглення), в залежності від викликаної в тканині температури.

Під біостимуляційними ефектами розуміють такі, які, внаслідок освітлення лазерним випромінюванням, не викликають зростання місцевої температури тканини більше ніж на 1оС. Ці ефекти спостерігаються у випадку освітлення лазерами малої і середньої потужності. Найбільшого зростання місцевої температури до 1. 1оС досягли при освітленні випромінюванням з довжиною хвилі 830 нм потужністю 60 мВт на протягом 4 хв.

З ростом потужності випромінювання більше ніж 60 мВт з’являється ефект дальшого невеликого росту температури, а з ним – явище термічної біостимуляції. Температура тканини, однак, і тоді не перевищує 42оС. Рекомендовано в лазеротерапії не перевищувати постійну або середню потужність більше ніж 60 мВт.

Нагріваючи тканину світлом лазера до температури понад 60оС на протязі кількох секунд, досягнуто ефекту коагуляції, тобто денатурація білка в тканині. При короткотривалій дії такої температури цей процес потенційно можна ще відвернути швидким охолодженням тканини. Між 60оС і 100оС відбувається процес випаровування води з поверхні тканини, і через певний час при подальшій дії лазера тканина висихає і скручується. При зростанні температури до 150оС відбувається обвуглення (карбонізація), а коли температура зростає вище 300оС тканина повністю випаровується.

Час освітлення лазерним випромінюванням є істотним змінним параметром, від якого залежить енергетична доза і її термічний вплив.

При густині потужності випромінювання більшій за 106 Вт/см2 і тривалості дії меншій за 10-6 сек., спостерігається фотоіонізаційний ефект. Лазерне випромінювання з такою високою густиною потужності іонізує сильне електричне поле, яке приводить до дисоціації та іонізації матеріалу освітленої тканини. Світлова енергія перетворюється в кінетичну енергію, котра безпосередньо і легко розриває хімічні зв’язки між атомами органічних частинок. Цей процес є настільки швидким, що, незважаючи на високу локальну температуру в області освітлення, не відбувається передавання тепла на сусідні тканини.

Розпад великих органічних ланцюгів на дрібні газові складові називається фотоабляцією або «мікровибухом» тканини. У випадку ще більших густин потужності випромінювання спостерігається фотофрагментація і фоторозрив тканини. Напруженість електричного поля у фотоіонізаційних процесах складає мільйони вольт на 1 см. Цього достатньо для відриву електронів від позитивно заряджених атомних ядер, що і викликає утворення плазми. Ударна хвиля плазми спричиняє механічне руйнування біологічного об’єкта. При опроміненні лазерним світлом відбувається, як відомо, перетворення його енергії в тепло. При цьому змінюється теплове випромінювання біотканин, відповідно до зміни температури. Реєстрація теплового випромінювання зі сторони, опроміненої лазером, не тільки дозволяє отримувати важливу інформацію про поглинуту світлову енергію та її просторово-часовий розподіл, про оптичні і теплофізичні властивості біотканини, але може служити ефективним методом контролю за лазерним впливом.

 

 

1. Геврик Є. О. Охорона праці. – К. : Ельга; Ніка-Центр, 2003.

2. Желібо Є. П., Заверуха Н. М., Зацарний В. В. Безпека життєдіяльності / За ред. Є. П. Желібо. – К. : Каравела, 2003.

3. Жидецький В. Ц. Основи охорони праці. – Львів: Афіша, 2002.

4. Основи охорони праці / За ред. Гандзюка М. П., Купчика М. П. – К. : Основа, 2000.