Лазерные и ионизирующие излучения


1 Общая и гигиеническая характеристика лазеров

Лазер - аббревиатура, состоящая из начальных букв английской фразы: Light Amplification by stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света за счет создания стимулированного излучения». Лазеры - оптические квантовые генераторы (ОКГ) - являются одним из самых перспективных достижений науки и техники XX века. Лазерами называют устройства, основанные на принципе вынужденного индуцированного излучения атомов и молекул. В основе работы лазера лежит усиление светового излучения за счет энергии, накопленной атомами и молекулами лазерной среды в процессе накачки. Накачкой называют создание избытка атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Способы накачки могут быть различными:

·        оптическими;

·        электрическими;

·        электронными;

·        химическими.

Лазерные установки нашли широкое применение во всех отраслях промышленности (рис. 1):

·        в машиностроении - для резки, сварки и упрочения металлов;

·        в приборостроении - для обработки твердых и сверхтвердых сплавов;

·        в радиоэлектронике - для точечной сварки, производства печатных схем, микросварки;

·        в текстильной промышленности - для раскроя тканей;

·        в часовой промышленности - для прошивки отверстий в камнях и т.д.

·        в медицине - в офтальмохирургии, нейрохирургии;

·        в области связи - в качестве источников света, для контроля за химическими процессами.

Рисунок 1. Лазерная установка «Импульс-I» для лучевой терапии.

 

ОКГ - устройства, в которых удается получить световой луч большой мощности и определенной узкой области длины волны. Лазер состоит из следующих основных элементов:

1.     активное вещество, которое способно возбуждаться и быть источником так называемого индуцированного излучения в инфракрасной, ультрафиолетовой или видимой части спектра. В лазерах разной конструкции излучателями могут быть - твердые тела (кристаллы искусственного рубина), газовая среда (инертные газы - гелий, неон, аргон), полупроводники (с арсенидом гелия), органические жидкости;

2.     источник возбуждения, который передает энергию активному веществу, переводя его в возбужденное состояние;

3.     резонансное устройство, концентрирующее поток энергии в определенном направлении;

4.     блок питания.

Основными параметрами, характеризующими лазерные излучения с гигиенической точки зрения, являются:

·        длина волны - l, мкм;

·        энергетическая освещенность – Wu, Вт/см2;

·        длительность импульса - tн, с;

·        частота повторения импульсов – fu, Гц;

·        длительность воздействия - t, с.

Согласно ГОСТ 12.1.040-83 «Лазерная безопасность. Общие положения» все лазеры по степени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса:

·        лазеры 1 класса - выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

·        лазеры 2 класса - выходное излучение опасно для глаз при облучении прямым или зеркально отраженным излучением;

·        лазеры 3 класса - выходное излучение представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности и при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением;

·        лазеры 4 класса - выходное излучение представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Зеркально отраженным называют лазерное излучение, отраженное под углом, равным углу падения. Диффузно отраженное лазерное излучение - излучение, отраженное от поверхности, соизмеримой с длиной волны по всевозможным направлениям в пределах полусферы.

По режиму излучения различают два типа лазеров: непрерывного и импульсного действия.

Импульсы могут иметь мощность до нескольких мегаватт и продолжительность от долей микросекунды до нескольких миллисекунд. Мощность лазеров в непрерывном режиме не превышает нескольких милливатт.

Специфическими свойствами светового излучения лазера являются:

·        острая направленность;

·        монохроматичность (узкий диапазон волны);

·        большая мощность, достигающая сотен джоулей.

Нефокусированный луч имеет ширину 1-2 см, фокусированный – 1-0,01 мм и менее. Фокусирование позволяет сконцентрировать огромную энергию на очень небольшой площади и достичь температуры в несколько миллионов градусов, поэтому лазеры могут быть использованы для плавки, сварки, резания самых тугоплавких металлов.

По активному элементу, в котором энергия накачки преобразуется в излучение, различают лазеры: газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные.

По способу отвода тепла лазеры могут быть: с естественным охлаждением и с принудительным воздушным или жидкостным.

При эксплуатации лазерных установок могут возникнуть следующие вредные и опасные факторы:

·        лазерные излучения;

·        повышенное значение напряжения в источниках электропитания лазеров;

·        повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

·        повышенный уровень ультрафиолетовой радиации;

·        повышенная яркость света;

·        повышенный уровень шума и вибрации на рабочем месте;

·        повышенный уровень электромагнитного излучения;

·        повышенный уровень инфракрасной радиации;

·        повышенная температура поверхности оборудования;

·        взрывоопасность в системах накачки лазеров.

2 Действие лазерных излучений на организм человека

Биологическое действие лазерных излучений зависит от:

·        мощности излучения;

·        длины волны;

·        характера импульса;

·        частоты следования;

·        продолжительности облучения;

·        величины облучаемой поверхности;

·        анатомических и функциональных особенностей облучаемых тканей.

Для непрерывного лазерного излучения характерен тепловой механизм действия, следствием которого является коагуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях - испарение биоткани. В механизме биологического действия лазерного излучения, кроме теплового эффекта, имеет значение и ряд других факторов. При прохождении луча в тканях возникают упругие механические колебания, типа ультразвуковых, и своеобразный «взрывной эффект» вследствие мгновенного превращения твердых и жидких тел в газообразное состояние и резкого повышения давления до десятков и сотен атмосфер.

При действии импульсного лазерного излучения с длительностью импульсов менее 10-2с происходит преобразование энергии излучения в энергию механических колебаний, в частности, ударной волны.

Кроме того, в результате некроза клеток в тканях появляются токсические вещества, нарушается активность ферментов, возможна ионизация тканей, появление в них магнитных полей.

При работах с ОКГ опасность представляет не только прямое лазерное излучение, но и отраженный свет. Прямой импульс может воздействовать на персонал лишь при грубом нарушении техники безопасности. С гигиенической точки зрения наибольшее значение имеет возможность влияния отраженных лучей. Коэффициент отражения их от стекла, металла, стен помещения довольно высок, поэтому отраженные лучи могут попадать в глаза и на кожу работающих. Наиболее уязвимым органом являются глаза. Хотя чувствительность тканей глаза мало отличается от чувствительности других тканей, но фокусирующая способность оптической системы глаза резко увеличивает плотность энергии лазерного излучения и поэтому глаза, особенно сетчатая оболочка, рассматриваются как критический орган по отношению к лазерным излучениям. Степень поглощения лазерной энергии зависит от пигментации глазного дна: большему воздействию подвержены голубые и зеленые глаза, меньшему - карие. Попадая в глаз, энергия лазера абсорбируется пигментным слоем и повышает температуру, вызывая ожог. По условиям технологии ряд операций выполняется при низкой освещенности, что усугубляет эффект, так как площадь зрачка и чувствительность сетчатки при этом увеличены.

Лазерные излучения вызывают также повреждения кожи от покраснения до поверхностного обугливания. Степень воздействия при этом определяется как параметрами излучения лазера, так и пигментацией кожи, состоянием кровообращения. Пигментированная кожа поглощает значительно больше лазерных лучей, чем светлая кожа.

Облучение брюшной стенки таким излучением может привести также к повреждению печени, кишечника и других органов брюшной полости, а облучение головы - к внутриклеточным и внутримозговым кровоизлияниям.

Кроме этого, под воздействием лазерных излучений возможны функ-циональные расстройства в деятельности центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, снижение работоспособности, быстрая утомляемость, нарушение мозгового кровообращения.

При обслуживании ОКГ, кроме излучений, на работающих может влиять стабильный и импульсный шум интенсивностью до 90-120 дБ. Недостаточная освещенность помещений может быть причиной значительного зрительного утомления. Обслуживание ОКГ требует постоянного внимания и связано с нервно-эмоциональным напряжением. В некоторых случаях в воздухе может быть повышено содержание азота и снижен процент кислорода. Использование токсических веществ, (нитробензола, сероуглерода), может вести к поступлению их в воздух рабочего помещения в повышенных концентрациях.

 

3 Гигиеническое нормирование лазерных излучений

Предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения устанавливаются в соответствии с требованиями "Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров" № 2392-81. ПДУ лазерных излучений для конкретных условий воздействия рассчитываются с помощью соответствующих формул с учетом:

·        длины волны l;

·        длительности воздействия t;

·        энергетической экспозиции Н;

·        диаметра зрачка глаза d3;

·        фоновой освещенности роговицы;

·        поправочных коэффициентов на частоту повторения импульсов, длительность воздействия серии импульсов.

Рассчитанные для различных биологических эффектов величины ПДУ сравниваются между собой и в качестве определяющего принимается наименьшее значение ПДУ.

При одновременном воздействии лазерных излучений различных параметров, но обладающих сходством биологического действия должно соблюдаться следующее условие:

£ 1,

где Н(1,2...) - энергетические экспозиции, создаваемые различными источниками лазерного излучения;

НПДУ - ПДУ энергетической экспозиции для соответствующего источника излучения.

4 Защита от лазерных излучений

При разработке защитных мер руководствуются классом опасности лазеров. Меры защиты могут быть разделены на:

·        организационные;

·        технические;

·        лечебно-профилактические.

Защитные мероприятия включают экранирование лазерных установок, строгое пространственное ограничение прохождения луча, сведение до минимума отражающих поверхностей оборудования и в помещении, запрещение визуальной наводки луча.

Лазеры 3 и 4 классов опасности должны применяться только в установках закрытого типа, в которых зона взаимодействия лазерного излучения с мишенью и луч лазера на всем его протяжении изолированы от работающих. Помещения, где эксплуатируются лазерные установки, должны удовлетворять требованиям санитарных норм. Стены помещений должны иметь матовую поверхность, обеспечивающую максимальное рассеяние излучения. Для окраски стен рекомендуется использовать клеевые краски на основе мела. Работы должны выполняться в условиях общего яркого освещения.

В зависимости от длины волны излучения выбирают методы защиты:

·        снижение времени контакта с излучением;

·        увеличение расстояния до источника излучения;

·        ослабление излучения с помощью светофильтров.

Марки стекол, используемые в средствах защиты от лазерного излучения, выбирают с учетом типа лазера и длины волны. Лица, обслуживающие ОКГ, должны пользоваться очками, имеющими высокую оптическую плотность для данной длины волны, которая генерируется установкой.

5 Ионизирующие излучения

К ионизирующим излучениям относятся:

·        рентгеновские и гамма-лучи, являющиеся электромагнитными колебаниями с очень небольшой длиной волны;

альфа- и бета-частицы;

·        позитроны и нейтроны - частицы с положительным или отрицательным зарядом или не несущие его.

Все эти виды излучений наблюдаются при естественном самопроизвольном распаде ядер некоторых так называемых радиоактивных элементов (радий, торий и др.) или могут быть получены искусственно (рентгеновские лучи, позитроны).

Основным свойством радиоактивных лучей является ионизирующее действие: при прохождении их в тканях нейтральные атомы или молекулы приобретают положительный или отрицательный заряд и превращаются в ионы. Наибольшую плотность ионизации вызывают α-лучи, представляющие собой положительно заряженные ядра гелия. β-лучи - поток электронов, который выбрасывается из атомных ядер и может нести большую или меньшую энергию, но ионизирующие свойства их выражены слабее, чем у α -лучей. Позитронные частицы отличаются от β-лучей только положительным знаком заряда. γ-Лучи и рентгеновские лучи обладают наименьшей плотностью ионизации, но наибольшей проникающей способностью.

Ионизирующие излучения могут оказывать влияние на организм как при внешнем, так и внутреннем облучении. При внешнем облучении возможно попадание лучей на кожу или более глубокое прохождение их в ткани, что зависит от проникающей способности. Например, α-лучи, хотя и обладают большой ионизирующей способностью, при внешнем облучении почти не проникают в ткани (0,02-0,06 мм). Большей проникающей способностью обладают β-лучи, но особенно γ - и рентгеновские лучи. Эти лучи даже в таких материалах, как свинец, бетон, вода, которые хорошо их поглощают и применяются для защиты от ионизирующих излучений, могут проходить расстояние в десятки сантиметров. По мере удаления от источника интенсивность излучения падает прямо пропорционально квадрату расстояния.

Очень большой проникающей способностью обладает нейтронное излучение: проходя через ткани, нейтроны вызывают образование в них радиоактивных веществ - так называемую наведенную активность.

Внутреннее облучение наблюдается при попадании радиоактивных веществ в органы дыхания, желудочно-кишечный тракт или при всасывании через поврежденную кожу. При внутреннем облучении наиболее опасны α-излучатели, меньше β- и γ-излучатели. Попадая в легкие при вдыхании радиоактивных газов и пылей или в пищеварительный тракт, такие вещества не только облучают эти органы и близлежащие ткани, но всасываются и распространяются по организму с током крови. При этом некоторые из них, например, радиоактивный натрий, распределяются в организме равномерно, другие накапливаются в определенных, так называемых критических, органах и тканях:

·        радиоактивный йод - в щитовидной железе;

·        радий и стронций - в костях и т. д.

Длительность задержки радиоактивных веществ в организме зависит от скорости выведения и распада. Например, активность излучений такого радиоактивного газа, как торон, уменьшается вдвое в течение минуты, а такого элемента, как радий - за период около 1600 лет.

Радиоактивные вещества выводятся из организма главным образом через желудочно-кишечный тракт, почки и легкие (газообразные соединения). Некоторые соединения могут выделяться через кожу, слизистую оболочку рта, частично с потом и молоком. В первые дни после поступления в организм радиоактивные вещества выводятся быстрее; в дальнейшем этот процесс замедляется.

Биологическое действие ионизирующей радиации связано с тем, что в облучаемых жидкостях и тканях происходит ионизация:

·        некоторые атомы и молекулы теряют электроны и становятся положительно заряженными;

·        другие соединяются с электронами и приобретают отрицательный заряд.

Основную роль играет ионизация молекул воды с образованием свободных радикалов Н, ОН, Н2O2, НО2. Взаимодействие их друг с другом и тканями ведет к возникновению перекисей и других биологически активных продуктов, которые являются сильными окислителями и ядовитыми для тканей веществами. Свободные радикалы действуют на сульфгидрильные группы (SH) белков и инактивируют их. Ионизирующая радиация также непосредственно влияет на белки и липоиды, вызывая их денатурацию.

Действие ионизирующих излучений может вызывать: местные и общие поражения. Местные поражения кожи бывают главным образом в форме ожогов (острое действие), дерматитов и других форм. Иногда возникают доброкачественные новообразования, но возможно развитие кожного рака. Длительное действие ионизирующей радиации на хрусталик может вызвать катаракту.

Общие поражения протекают в виде острой и хронической лучевой болезни. Для острой формы характерны общетоксические симптомы (слабость, тошнота и др.) и специфическое поражение кроветворных органов, желудочно-кишечного тракта, нервной системы и др. Для ранних стадий хронической формы характерны нарастающая астения, угнетение белого, а затем и красного кровяного ростка (лейкопения, тромбоцитопения, эритропения), повышенная кровоточивость. Вдыхание радиоактивной пыли может вызвать пневмосклероз, а иногда рак бронхов и легкого. Наблюдаются случаи развития лейкоза.

Ионизирующая радиация оказывает угнетающее действие на генеративную функцию мужского и женского организма и может отрицательно влиять на потомство.

Профилактические мероприятия при работе с источниками ионизирующих излучений проводятся путем использования защиты экранами, расстоянием и временем.

Защита экранами достигается тем, что на пути распространения радиоактивных лучей устанавливаются экраны разных конструкций. Для этого используются такие материалы, как свинец, бетон и др., толщина которых должна быть достаточна и рассчитана в зависимости от вида и мощности излучения. Например, хранение и переноска радиоактивных веществ в свинцовых контейнерах могут снизить распространение лучей в помещении до ничтожных величин.

Мощность излучения значительно падает с увеличением расстояния от источника (пропорционально квадрату расстояния), что используется для защиты работающих путем дистанционного управления процессом, применения манипуляторов в виде «механических рук», дистанционного инструментария для захвата, переноса, переливания жидкостей и др.

Принцип защиты временем состоит в том, что, ограничивая длительность пребывания в условиях воздействия ионизирующей радиации, работающего можно оградить от влияния больших доз, которые могут оказать неблагоприятное влияние на организм.

В промышленности встречаются две категории работ с источниками ионизирующей радиации:

·        с закрытыми источниками излучений;

·        с открытыми радиоактивными веществами.

Закрытые источники - герметичные, чаще всего стальные ампулы, содержащие радиоактивные вещества, рентгеновские аппараты, гамма-установки для просвечивания металлических изделий, например прочности сварного шва (рис. 2), лучевой терапии больных с новообразованиями и др. Такие работы, если цел источник (например, ампула), не связаны с загрязнением воздуха, одежды, тела, оборудования радиоактивными веществами и при их выполнении возможно лишь внешнее облучение организма.

При работах с закрытыми источниками правильное хранение и переноска ампул с применением контейнеров, манипуляторов, максимально возможное увеличение расстояния между источником и работающим персоналом, рациональное устройство рентгеновских аппаратов и гамма-установок, дистанционные методы управления ими, использование стационарных и переносных экранов, ограничение времени работ - все это позволяет защитить работающих от влияния ионизирующих излучений.

Рисунок 2. Промышленная гамма-установка Co=0,5-1

Вторая категория работ - это работы с радиоактивными веществами в открытом виде, которые могут быть твердыми, порошкообразными, жидкими веществами, выделяющимися во внешнюю среду в виде пыли, паров и газов. В этом  случае возможно не только внешнее облучение организма непосредственно от источника, загрязненного пола; оборудования, спецодежды, тела, но и внутреннее - при вдыхании, всасывании через кожу, попадании радиоактивных веществ в желудочно-кишечный тракт. Постепенно накапливаясь и длительно задерживаясь в организме, радиоактивные вещества становятся источниками внутреннего облучения. Такие работы встречаются при нанесении радиоактивных веществ в составе светящихся красок на циферблаты, при использовании искусственно получаемых радиоактивных изотопов для диагностики и лечения в медицинской практике, заводских лабораториях и т. п.

При работах с открытыми источниками большую защитную роль играет правильная планировка помещений с учетом основного гигиенического требования - максимальной изоляции помещений для работы с радиоактивными веществами от других. Стены должны иметь достаточную толщину. Работы с радиоактивными изотопами должны выполняться в условиях вытяжного шкафа или с применением специальных боксов и камер. В этих помещениях устраивается эффективная вентиляция; поверхности пола, стен и оборудования покрываются пластиком, масляной краской и другими материалами, которые плохо сорбируют радиоактивные вещества и легко подвергаются очистке. Бытовые помещения устраиваются по типу санитарного пропускника со строгим разделением на грязную и чистую зоны. Если имеется возможность загрязнения воздуха радиоактивными веществами, персонал пользуется индивидуальными средствами защиты - изолирующими пневмокостюмами с подачей воздуха в них, средствами защиты органов дыхания (респиратор «Лепесток» и др.). Для защиты кожных покровов рабочие снабжаются спецодеждой - халатами, комбинезонами, фартуками, а для защиты рук и ног - резиновыми перчатками и обувью.

При работах с источниками ионизирующей радиации следует строго соблюдать требования «Норм радиационной безопасности (НРБ-76)» и «Основных санитарных правил работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений ОСП-72», осуществлять контроль за тем, чтобы облучение работающих не превышало допустимых уровней (таблица 1).

 

Таблица 1 Предельно допустимые дозы облучения персонала, бэр/год

Группа

критических органов

Критические органы или ткани

Доза

 

I

Все тело, гонады, красный костный мозг

5

II

Мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталик глаза и другие органы, за исключением тех, которые относятся к группам I и III

15

III

Кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, лодыжки и стопы

30

 

Важным защитным мероприятием является дозиметрический и медицинский контроль. Дозиметрия - измерение интенсивности излучений как во внешней среде (концентрация радиоактивных веществ в воздухе, воде, на оборудование, спецодежде и др.), так и тех, которые явились причиной внешнего и внутреннего облучения работающих. Дозиметрические приборы в помещениях оборудуются световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей персонал о повышенном уровне излучений. Для определения дозы внешнего облучения работающих их снабжают индивидуальными дозиметрами, которые чаще помещают в нагрудном кармане халата.

Медицинский контроль осуществляется при поступлении на работу в форме предварительных и периодических медицинских осмотров.

Работа с радиоактивными излучениями противопоказана лицам, страдающим болезнями крови, центральной и периферической нервной системы, хроническими заболеваниями желудочно-кишечного тракта, печени, сердечно-сосудистой системы и др.

 

6 Измерение электромагнитных полей радиочастот и

ионизирующих излучений

Для измерения напряженности электрического и магнитного полей используют прибор ИЭМП (рис. 3). Он состоит из измерителя с пультом управления и антенн-датчиков, выбор которых зависит от характера измерений (электрическое, магнитное поле, частотный диапазон).

 

1 – пульт управления;

2 – большая рамочная антенна;

3 – антенна-диполь;

4 – датчик для измерения
магнитного поля;

5 – датчик для измерения
электрического поля.

Рисунок 3. Измеритель электрических и магнитных полей ИЭМП.

 Измерение основано на том, что в датчике, помещенном в электрическое или магнитное поле, возникает электрический ток, который после преобразования и усиления регистрируется стрелочным индикатором - микроамперметром. В зоне измерения плоскость антенны вращают, находя положение, в котором показания измерителя максимальны. Измерения производят на уровне пола (0,5 м), груди и головы работающего (1 и 1,7 м); их повторяют 3 раза, а напряженность рассчитывают как среднеарифметическую величину из этих замеров. Для пересчета показаний стрелки индикатора на крышке прибора помещены таблицы градуировки.

Плотность потока энергии измеряют установкой ПО-1 (рис. 4).

Рис. 4. Измеритель

плотности потока

мощности ПО-1

При работе с источниками ионизирующей радиации для дозиметрических исследований применяется индивидуальный дозиметр КИД-2 (рис. 5). Он состоит из зарядно-измерительного пульта и собственно дозиметров конденсаторного типа.

Использование прибора основано на том, что после предварительной зарядки дозиметра и последующего нахождения его в зоне воздействии рентгеновских или гамма-лучей величина заряда уменьшается вследствие ионизации воздуха внутри камеры и по степени его уменьшения устанавливают дозу облучения.

 Перед началом рабочего дня производят зарядку дозиметров и раздают их работающим в зоне облучения, а в конце дня определяют величину потери заряда с помощью зарядно-измерительного пульта. Для контроля служит дозиметр, который также подвергают зарядке в начале рабочего дня, хранящийся у оператора-дозиметриста. По шкале прибора определяют дозу облучения и сравнивают ее с предельно допустимой.

 

1   – тумблер;

2   – ручка «уст.шкалы»;

3   – шнур сетевой;

4   – шнур батарейный;

5   – гнездо «измерение»;

6   – гнездо «заряд»;

7   – чувствительность 0,05 р;

8   – чувствительность 1 р;

9   – дозиметр 0,05 р;

10 – дозиметр 1 р;

11 – предохранитель.

 

Рисунок 5. Индивидуальный дозиметр КИД-2.

 

1 – измерительный пульт;

2 – альфа-датчик;

3 – бета-датчик;

4 – гамма-датчик;

5 – датчик быстрых и
тепловых нейтронов.

 

Рисунок 6. Универсальный радиометр РУП-1.

 Для измерения загрязненности одежды, рук, поверхностей предметов радиоактивными веществами и определения мощности дозы гамма-излучения и интенсивности потока нейтронов служит универсальный радиометр РУП-1 (рис. 6). Загрязненность поверхностей α- и β-активными веществами измеряют числом распадов на 1 см2 в минуту, мощность дозы гамма-излучения - в миллирентгенах, интенсивность нейтронного излучения - числом частиц на площади в 1 см2 в секунду.

Прибор может работать при батарейном питании и от сети переменного тока. Результаты измерений оценивают, сравнивая их с нормами.