П2.1. Определение ПДУ и классов лазеров

Пример 1.

Одномодовый лазер на молекулярном азоте с длиной волны

излучения 337,1 нм генерирует непрерывную последовательность

3

равных по амплитуде импульсов с частотой F = 5 x 10 Гц.

и

Длительность отдельного импульса тау = 5 нс. Диаметр пучка вблизи

и

выходного зеркала лазера по уровню интенсивности exp(-2) равен d

и

-3 _

= 3 x 10 м. Средняя мощность излучения P(t) = 0,5 Вт.

Найти предельно допустимые энергетические параметры излучения

и определить класс лазера.

а) ПДУ однократного облучения глаз.

Для определения ПДУ необходимо знать максимальную длительность

воздействия t. При случайном воздействии на глаза излучения УФ

диапазона спектра (180 - 380 нм) эта величина принимается равной

10 с (как и при воздействии на кожу). c

Таким образом, задача сводится к определению E (t) или

пду

_c

P (t) серии импульсов с заданными параметрами при длительности

пду

воздействия 10 с.

c

Определяем E (t) в соответствии с п. 3.8.2 как наименьшее из

пду

значений E и E .

1 2

E = E (t); (2П.1)

1 пду

H (тау )

пду и N 1/2

E = ---------- (---) .

2 t кси

Значения H (тау ) и E (t) задаются п. 3.2 (табл. 3.1,

пду и пду

-2

рис. 3.1 и 3.2) и составляют, соответственно, 37 Дж x м и 800

-2

Вт x м .

Число импульсов в серии определяется по формуле:

N = F t + 1. (2П.2)

и

В общем случае величина N, вычисленная по формуле (2П.2),

округляется до ближайшего меньшего целочисленного значения.

4

Для рассматриваемых условий N = 5 x 10 . Тогда, в

-2

соответствии с формулами (2П.1), сравнивая E1 = 800 Вт x м и

-2

E = 830 Вт x м , получаем, что предельно допустимое значение

2

облученности при однократном воздействии на глаза серии импульсов

рассматриваемого лазерного излучения следует принять равным E .

1

c -2

E (t) = 800 Вт x м .

пду

Соответствующее значение энергетической экспозиции равно:

c с 3 -2

H (t) = E (t) x t = 8 x 10 Дж x м .

пду пду

Для УФ диапазона спектра нормируемой величиной является также

СИГМА 4

суточная доза H (3 x 10 ), которая, в соответствии с

3 -2

таблицей 3.2, не должна превышать 8 x 10 Дж x м . Рассчитанная

c СИГМА 4

выше величина H (t) равна H (3 x 10 ); таким образом,

пду пду

условие 8 п. 3.2.2 выполняется.

c

В общем случае, если расчетная величина H (t) больше

пду

СИГМА 4 СИГМА 4

H (3 x 10 ), ее следует уменьшить до значения H (3 x 10 )

пду пду

c

и соответственно откорректировать величину E (t).

пду

б) ПДУ для однократного облучения кожи.

Время случайного воздействия на кожу излучения УФ, видимого ИК

диапазонов, в соответствии с действующими международными нормами,

принимается равным 10 с.

Таким образом, так же, как и для глаз, расчетное значение

c -2 c 3 -2

E (t) составляет 800 Вт x м , а H (t) - 8 x 10 Дж x м .

пду пду

c

В рассматриваемом случае значение H (t) равно суточной

пду

дозе, т.е. является предельным. Любое повторное облучение кожи

недопустимо.

в) ПДУ при хроническом воздействии на глаза и кожу.

В соответствии с п. 3.3 при хроническом воздействии предельно

-2

допустимое значение облученности составит 80 Вт x м , а

соответствующее значение предельно допустимой энергетической

-2

экспозиции за время t = 10 с - 800 Дж x м .

-2

Максимальная суточная доза также составляет 800 Дж x м .

Следовательно, при рассматриваемых условиях для одного работающего

допустимо проведение не более одной производственной операции

продолжительностью 10 с в течение суток.

Если практические условия требуют проведения нескольких

производственных операций в течение рабочего дня, предельно

допустимая облученность глаз и кожи в рабочей зоне должна быть

уменьшена таким образом, чтобы суммарная доза (см. п. 3.2.2) не

превышала значения, указанного в п. 3.3.

В частности, если рассматриваемый в настоящем примере лазер

необходимо использовать при проведении 10 технологических операций

с временными промежутками большими 10 минут (см. п. 3.8.2),

предельно допустимое значение облученности глаз и кожи составит:

c -2

E (t) = 8 Вт x м .

пду

В этом случае при проведении контрольных замеров в рабочей

зоне средняя мощность коллимированного или рассеянного излучения,

проходящего через круглую ограничивающую апертуру диаметром 1,1 x

-3 _c -6

10 м, не должна превышать P (t) = 8 x 10 Вт.

Если предельно допустимые энергетические параметры УФ

излучения в рабочей зоне определены, в качестве нормируемого

СИГМА 4

параметра, эквивалентного суточной дозе H (3 x 10 ),

пду

может быть использовано максимально допустимое число воздействий

на оператора отдельных импульсов излучения M (см. п. 3.2.2).

Значение M рассчитывается по формуле:

СИГМА 4 СИГМА 4

H (3 x 10 ) H (3 x 10 )

пду N пду

M <= --------------- x --- = --------------- x N. (2П.3)

c t c

E (t) H (t)

пду пду

Если число импульсов в серии N при проведении одной

производственной операции фиксировано, максимально допустимое

число операций в течение рабочего дня равно M / N.

Для лазеров УФ диапазона спектра, работающих в режиме

одиночных вспышек, длительность воздействия t равна длительности

импульса излучения тау . В этом случае формула (2П.3) может быть

и

переписана в виде:

СИГМА 4

H (3 x 10 )

пду

M <= ---------------. (2П.4)

H (t)

пду

г) Определение класса лазера.

Для того, чтобы определить класс лазера, необходимо

сопоставить фактические энергетические параметры генерируемого

излучения с нормируемыми предельно допустимыми значениями для

однократного воздействия.

Как показано выше, ПДУ энергетической экспозиции для

рассматриваемого лазера при однократном воздействии составляет для

3 -2

глаз и кожи 8 x 10 Дж x м . Согласно п. 3.8.2 энергетическая

-2

экспозиция для одного импульса при этом равна 0,16 Дж x м .

Проверяем выполнение условий в соответствии с таблицей 4.1.

Зная, что средняя мощность излучения P = 0,5 Вт, для одного

импульса из серии получаем:

c P x t 0,5 x 10 -4 -2

H (тау ) = ----- = -------- = 10 Дж x м .

и N 4

5 x 10

Выполняется условие для II класса:

c -4 -2 -3

H (тау ) = 10 < 3,14 x 10 x 0,16 = 5 x 10 .

и

Поскольку ПДУ при однократном облучении равно значению ПДУ

облученности для непрерывного излучения в течение 10 с,

определение класса может быть проведено по режиму непрерывного

излучения.

-2 c -2

P(t) = 0,5 < пи x 10 x E (t) = 3,14 x 10 x 800 = 25.

пду

Пример 2.

Лазер на стекле с неодимом, работающий в режиме модуляции

добротности и удвоения частоты, генерирует одиночные импульсы.

Поток излучения включает две пространственно совмещенные

спектральные компоненты: лямбда = 1060 нм, W = 0,8 Дж и лямбда

1 1 2

= 530 нм, W = 0,4 Дж. Длительности импульсов излучения обеих

2

-2

спектральных компонент тау = 2 x 10 . Диаметр пучка вблизи

и

-2

выходного зеркала лазера d = 1,2 x 10 м.

п

Найти предельно допустимые параметры излучения в условиях

хронического воздействия на глаза и кожу.

Определить класс лазера.

(1)

В соответствии с требованиями п. 3.10 определим W (тау )

пду и

(2)

и W (тау ) при воздействии на глаза коллимированного излучения

пду и

с длинами волн 1060 нм и 530 нм.

Используя данные таблицы 3.3 (рис. 3.3), с учетом

дополнительного коэффициента запаса для хронического воздействия

(п. 3.5) получим:

(1) -7 (2) -9

W = 10 Дж; W = 8 x 10 Дж.

пду пду

Относительные энерговклады излучения с длинами волн 1060 и 530

нм - C и C равны:

1 2

0,8

C = --------- = 0,67;

1 0,4 + 0,8

0,4

C = --------- = 0,33.

2 0,4 + 0,8

СИГМА

Тогда значение W составляет:

пду

СИГМА -7 -9 -8

W = 10 x 0,67 + 8 x 10 x 0,33 = 6,9 x 10 Дж.

пду

СИГМА

Значение W для кожи определяется аналогичным образом с

пду

использованием данных таблицы 3.6 (рис. 3.7) и с учетом поправки

-5

для хронического воздействия составляет 4,5 x 10 Дж при

-3

ограничивающей апертуре 1,1 x 10 м.

Проверяем выполнение условий таблицы 4.1, определяющих

принадлежность лазера к определенному классу опасности. Получаем,

что:

СИГМА 4 СИГМА

W = 1,2 Дж < пи x 10 x W (тау ) =

пду пду и

4 -4

= 3,14 x 10 x 4,5 x 10 = 14 Дж.

Рассматриваемый лазер относится к III классу опасности.

Пример 3.

-2

Лазер на центрах окраски LiF : F генерирует серию из 15

-11

импульсов. Длительность каждого импульса тау = 8 x 10 с,

и

8

F = 10 Гц. Интервал между сериями импульсов больше 200 с. Длина

и

волны излучения лямбда = 1200 нм. Суммарная энергия серии

c -4

импульсов W (t) = 10 Дж. Отношение энергии импульса, имеющего

максимальную амплитуду, к средней энергии всех импульсов в серии

-3

кси = 2,5. Диаметр пучка вблизи выходного зеркала d = 5 x 10 м.

п

Найти предельно допустимые параметры излучения при воздействии

на глаза и определить класс лазера.

Длительность серии импульсов в рассматриваемом случае

составляет (см. формулу (2П.2)):

(N - 1) -7

t = ------- = 1,4 x 10 с.

F

и

В соответствии с требованиями п. 3.4.3 определим значения

предельно допустимой энергии излучения для импульсов длительностью

-11 -7

тау = 8 x 10 с и t = 1,4 x 10 с для однократного

и

воздействия на глаза коллимированного излучения. Согласно табл.

3.3 (рис. 3.3), эти значения равны:

-7

W (тау ) = 1,85 x 10 Дж;

пду и

-6

W (t) = 10 Дж.

пду

По формуле (3.7) найдем значения W и W :

1 2

-6 -7

W = 10 Дж, W = 6 x 10 Дж.

1 2

Искомое значение предельно допустимой энергии серии импульсов

c -7

для глаза составит W (t) = 6 x 10 Дж.

пду

При условии хронического воздействия (п. 3.7) эта величина

-8

принимается в 10 раз меньшей, т.е. - 6 x 10 Дж.

c -4

Для кожи W (t) = 4,65 x 10 Дж при однократном воздействии

пду

c -5

и W (t) = 4,65 x 10 Дж при хроническом воздействии.

пду

Для определения класса лазера проверяем выполнение условий

таблицы 4.1, подставляя в неравенства значения W для

пду

однократного воздействия.

Выполняется условие для II класса опасности:

c -4 2 c 2 -7

W (t) = 10 Дж < 8 x 10 x W (t) = 8 x 10 x 6 x 10 =

пду

-4

= 4,8 x 10 Дж.

Пример 4.

Технологическая установка "Квант-15".

Характеристика установки:

- длина волны излучения лямбда = 1060 нм;

- режим генерации - импульсно-модулированный;

- энергия одиночного импульса w = 8 Дж;

-3

- длительность одного импульса тау = 4 x 10 с;

и

- частота следования импульсов F = 10 Гц;

и

- длительность одной технологической операции t = 2 c;

- диаметр пятна излучения на поверхности обрабатываемой детали

-4

d = 3 x 10 м.

п

Требуется найти предельно допустимые энергетические параметры

излучения в условиях хронического воздействия на глаза и кожу и

определить класс лазерного изделия.

Измерение уровня диффузно отраженного излучения на границе

-3

рабочей зоны при диаметрах ограничивающей апертуры 7 x 10 м и

-3

1,1 x 10 м показало, что максимальное значение суммарной

энергии всех импульсов за время одной технологической операции (t

-2 -4

= 2 с) равно, соответственно, 1,54 x 10 Дж и 1,9 x 10 Дж.

Источник диффузного отраженного излучения для точек, расположенных

на границе рабочей зоны, является точечным.

В соответствии с требованиями п. 3.4.3, находим предельно

допустимый уровень энергии серии импульсов коллимированного потока

лазерного излучения для глаз, который равен минимальному из двух

значений энергии W и W .

1 2

W = W (t), где t = 2 с;

1 пду

N 2/3

W = W (тау ) x (---) ,

2 пду и кси

-3

где тау = 4 x 10 с, N = F x t + 1 = 21, кси = 1

и и

(нестабильность энергии импульсов неизвестна).

W (t) определяем в соответствии с п. 3.4.1 по таблице 3.4

пду

(рис. 3.5).

-4

P (t) = 5,9 x 10 Вт;

пду

-3

W = W (t) = P (t) x t = 1,2 x 10 Дж.

1 пду пду

W (тау ) определяем, в соответствии с п. 3.4.1, по табл. 3.3

пду и

(рис. 3.4).

-5

W (тау ) = 2 x 10 Дж;

пду и

-5 2/3 -4

W = 2 x 10 x (21) = 1,52 x 10 Дж.

2

Так как W < W , получаем:

2 1

c -4

W (t) = W = 1,5 x 10 Дж.

пду 2

При хроническом воздействии на глаза в соответствии с п. 3.5:

c -5

W (t) = 1,5 x 10 Дж.

пду

Определяем предельно допустимый уровень энергии лазерного

c

излучения W (t) для кожи в соответствии с п. п. 3.6 и 3.8.2,

пду

как минимальное значение из W и W :

1 2

W = W (t), t = 2 с;

1 пду

N 1/2

W = W (тау ) x (---) .

2 пду и кси

По таблице 3.6 (рис. 3.8) находим:

-2 -2

P (t) = 1,15 x 10 Вт, W = W (t) = 2,3 x 10 Дж.

пду 1 пду

По таблице 3.6 (рис. 3.7) находим:

-3

W (тау ) = 4,1 x 10 Дж;

пду и

-3 1/2 -3

W = 4,1 x 10 x (21) = 6,6 x 10 Дж.

2

c -3

W < W. Таким образом, для кожи имеем W (t) = 6,6 x 10 Дж,

2 1 пду

-4

а при хроническом воздействии - 6,6 x 10 Дж.

Сравнение предельно допустимых значений энергии с

c

соответствующими значениями W (t) на границе рабочей зоны

показывает, что отраженное лазерное излучение представляет

опасность для глаз и безопасно для кожи. Степень опасности

отраженного излучения для глаз равна:

c -2

W (t) 1,54 x 10

эта = ------- = ----------- = 1027.

c -5

W (t) 175 x 10

пду

Определение класса опасности по таблице 4.1 показывает, что

данное лазерное изделие относится к III классу:

4 c

W(t) = 8 x N Дж = 168 Дж < пи x 10 x W (t) = 207,2 Дж.

пду

При эксплуатации установки необходимо исключить воздействие

зеркально отраженного излучения, а для защиты от диффузно

отраженного излучения необходимо использовать средства защиты с

оптической плотностью D >= 3,04, где D = lg эта.

лямбда лямбда

Пример 5.

Установка для сварки стекла.

Характеристика установки:

- длина волны излучения лямбда = 10600 нм;

- режим работы - непрерывный;

- мощность излучения P = 30 Вт;

- длительность одной технологической операции t = 15 с;

- диаметр пятна излучения на поверхности обрабатываемой детали

d = 1 мм.

п

Максимальный уровень диффузно отраженного излучения на границе

3 -2

рабочей зоны равен 1,2 x 10 Вт x м .

Требуется определить класс установки.

Предельно допустимый уровень облученности для излучения с

длиной волны 10600 нм при однократном воздействии на глаза и кожу

в течение 15 с в соответствии с п. 3.8.1 (табл. 3.7) равен

3 -2

E (t) 1,3 x 10 Вт x м , а при хроническом воздействии

пду

-2

согласно п. 3.9 - 260 Вт x м .

Согласно таблице 4.1 лазер, встроенный в установку, относится

к II классу опасности:

-2

P(t) = 30 Вт < пи x 10 x E (t) =

пду

-2 3

= 3,14 x 10 x 1,3 x 10 = 40,8 Вт.

Сравнение облученности на границе рабочей зоны с предельно

допустимым значением облученности показывает, что диффузно

отраженное излучение не представляет опасности для глаз и кожи.

Пример 6.

Установка для спектроскопии.

Характеристика установки:

- длина волны излучения лямбда = 340 нм;

-5

- длительность одного импульса тау = 10 с;

и

3

- частота следования импульсов F = 10 Гц;

и

- средняя мощность P = 8 Вт;

- длительность одной операции t = 10 с;

- количество операций за рабочий день n = 250.

Максимальный уровень диффузно отраженного излучения на границе

-2

рабочей зоны создает облученность E = 10 Вт x м . Суточная

max

СИГМА 3 -2

доза при выполнении 250 операций равна H = 25 x 10 Дж x м .

Необходимо определить класс опасности лазерной установки.

Значение ПДУ энергетической облученности за время выполнения

одной операции согласно табл. 3.1, пунктам 3.2.2 и 3.3 равно

-2

E = 800 Вт x м , а для хронического воздействия, в

пду

-2

соответствии с п. 3.3 - 80 Вт x м . Предельная суточная доза для

СИГМА 4 3 -2

однократного воздействия H (3 x 10 ) = 8 x 10 Дж x м .

пду

Для определения класса опасности проверяем выполнение условий

таблицы 4.1.

-2 -2

P(t) = 8 Вт < пи x 10 x E (t) = 3,14 x 10 x 800 = 25 Вт.

пду

Установка относится ко II классу.

СИГМА 4

Сравнение E и H (3 x 10 ) с максимальной

пду пду

СИГМА

облученностью E на границе рабочей зоны и суточной дозой H

max

при выполнении 250 операций показывает, что отраженное излучение

при выполнении одной операции не представляет опасности, однако

при выполнении за рабочий день запланированных 250 операций

СИГМА

суточная доза H превышает предельно допустимое значение

СИГМА 4

H (3 x 10 ) в 31,2 раза.

пду

При эксплуатации установки необходимо исключить воздействие

зеркально отраженного излучения, а для защиты от диффузно

отраженного излучения необходимо использовать средства защиты с

оптической плотностью D > 1,5 (D >= lg 31,2).

лямбда лямбда

Пример 7.

Пучок лазерного излучения с параметрами, приведенными в

примере 3, расширяется оптической системой до диаметра

-2

d = 2 x 10 м. Поток излучения направлен перпендикулярно плоской

п

диффузно отражающей поверхности. Точка наблюдения расположена на

прямой, проходящей через центр облучаемой площадки под углом ТЭТА

= 60 град. Расстояние от поверхности до точки наблюдения l = 0,5

м.

д

Определить W для наблюдателя.

пду

Правила расчета ПДУ диффузно отраженного излучения изложены в

пункте 3.4.2.

c

Для коллимированного излучения значение W (t) определено в

пду

-7

примере 3 и составляет 6 x 10 Дж при однократном воздействии.

Угловой размер источника диффузионного излучения альфа с

достаточной степенью точности рассчитывается по формуле:

d cos ТЭТА

п -2

альфа = ----------- = 2 x 10 рад.

l

-3

В нашем случае альфа = 3,5 x 10 рад.

пред

Поправочный коэффициент B при длительности облучения 1,5 x

-7

x 10 с согласно таблице 3.5 (рис. 3.6) равен:

3 2

B = 8,2 x 10 x альфа + 1 = 4,28.

Значение предельно допустимой энергии в точке наблюдения

д -6

составляет W = B x W = 2,6 x 10 Дж.

пду пду