LASERTURVALLISUUS Lasse Ylianttila Erikoistutkija, Säteilyturvakeskus 02.12.2016
Sisältö Lasersäteen radiometriaa Vaikutukset silmään ja ihoon Turvallisuusstandardit
Laser syntyy stimuloidun emission avulla monokromaattista koherenttia samansuuntaista hyvin fokusoitavissa
Lasersäteen malli Gaussin säteellä (1 muotolaser) E E 0 e d d 63 2, d 63 kuvaa sitä osaa säteestä, jonka sisällä kulkee 63 % tehosta. d 2 tan( ), r 2 d 63 /2 etäisyydellä irradianssi E=1/e E 0 d87 d63 0,71 d 2 Vastaavasti d 87 halkaisija rajaa 87 % tehosta ja d 87 /2 on 1/e 2 irradianssin vaimennusetäisyys 87. Säteilyturvallisuuslaskuissa käytetään d 63 halkaisijaa tai sitä vastaavaa divergenssikulmaa Ф
Vyötärö, lähikenttä ja divergenssi (Gaussin säde) z 0 w 0 Ф z 0 w 2 0. w 0 Rayleigh etäisyys (säteilylähikentän etäisyys) divergenssi (keilanleveys) w 0 säteen vyötärö (antennin säteilypinnan säde) Vrt. mikroaaltopeiliantenni Hyvin kapea ja vähän hajoava säde ei ole mahdollinen!
Lasersäteen irradianssi E 0 r 4P0 e ( a r) 2, [W/m 2 ] P 0 = lasersäteen teho (W) r = etäisyys (m) a = säteen halkaisija säteen lähtöaukossa (m) = 63 % divergenssikulma (mrad) μ = ilmakehän vaimennuskerroin (yleensä μ =0) Pulssienergiatiheys H t pw = pulssinkesto (ms) t pw E 0 [J/m 2 ]
Silmäturvaetäisyys NOHD Nominal Ocular Hazard Distance NOHD 1 4P0 e E r MPE a P 0 NOHD a E MPE = lasersäteen teho tai pulssienergia = silmäturvaetäisyys (m) = säteen halkaisija säteen lähtöaukossa (m) = 63 % divergenssikulma (rad) = MPE (Maximum permissible exposure) arvo; teho tai pulssienergia pinta-alaa kohden
Leviävä lasersäde, esimerkki Sininen viiva Tähtitorninmäellä Kallion kirkon seinässä
Tehotihentymät lasersäteessä värähtelymuodot säteen epäsäännöllinen taipuminen yksimuoto (gaussinen) monimuoto Tehotihentymien takia teho voidaan turvaetäisyyslaskuissa kertoa varmuuskertoimella k=2,5
Hajaantuva lasersäde Kollimoitu lasersäde
Peiliheijastus Hajaheijastus P E h 2 R P L 2 R 2,, heijastuspisteen pintairradianssi radianssi P=teho P 2R ρ=heijastuskerroin
Lasersäteen vahvistuminen kiikarissa lasersäde d ob d oc silmä d 2 ob Eoc 2 doc E ob E oc = irradianssi silmän sarveiskalvolla E ob = irradianssi kiikarin objektiivilinssin etupinnalla
Silmän rakenne verkkokalvon poikkileikkaus
Optisen säteilyn tunkeutuminen silmään
UV-säteilyn tunkeutuminen silmän eri osiin
Optisen säteilyn absorptio ja läpäisy silmässä Silmän kokonaisläpäisy sekä verkkokalvon absorptio
Silmä optisena järjestelmänä f L d r d r d p 2Θ d s säteilylähteen halkaisija LG pupillin läpi menevä teho verkkokalvon irradianssi G sin A A p r d 4 d 4 2 2 p 2 r A p pupillin pinta-ala järjestelmän geometrinen vuo verkkokalvokuvan pinta-ala väliaineen vaimennus 1 näkyvällä alueella E r d L A 4 f r 2 p 2
Lasersäteen aiheuttaman verkkokalvoirradianssin (E r ) suhde sarveiskalvoirradianssiin (E c ) d r =verkkokalvokuvan koko
Lasersäteilyn aiheuttama silmävaurio Lasersäde on erityisen vaarallinen silmille näkyvän valon ja lähiinfrapunasäteilyn aallonpituuksilla 400 1 400 nm on verkkokalvon vaara-alue silmän linssijärjestelmä toimii näkyvän valon alueella silmän etuosa ei vaimenna näitä aallonpituuksia Laserin aiheuttama vamma pienillä tehoilla verkkokalvon palovamma Laserin aiheuttama onnettomuus hyvin isoilla tehoilla: Näkö hämärtyy äkillisesti ja näkyvän valon aallonpituuksilla näkyy kirkas välähdys. Joskus saattaa kuulua poksahtava ääni ja tuntua kipua. Verenvuoto mahdollista. Säteen osumakohtaan ja sen ympärille syntyy sokea täplä Vaurioitunut verkkokalvon kohta ei korjaannu laseronnettomuuden jälkeen, mutta näkö voi silti huomattavasti korjaantua viikkojen kuluessa, kun vuotanut veri poistuu ja sokea täplä häviää tietoisuudesta
Lyhyen laserpulssin vaikutuksia silmään näkyvän valon ja IR-A:n alueella pulssinkesto alle 1 μs
Lasersäteilyn aiheuttaman verkkokalvovaurion kynnystaso pulssinkeston funktiona IR-A näkyvä
Keskeisimmät laserturvallisuusstandardit EN 60825-1 (2014) Safety of laserproducts. Part 1:Equipment classification, requirements and user s guide IEC/TR 60825-14 (2004) Safety of laser products. Part 14: A user s guide Altistumisrajat Turvallisuusluokitus Luokkakohtaiset suojalaitteet,- varusteet ja - merkinnät Luokkakohtaiset ohjeet käyttäjille Suomessa EN 60825-1 standardin altistumisrajat vahvistettu asetuksella 2002/294 (väestön altistuminen ionisoimattomalle säteilylle)
Lasersäteilyn altistumisrajoja EN 60825-1 (2007) 25 W/m 2, kun t=0.25s Irradianssi-ja energiatiheysarvot ovat keskiarvoja aallonpituudesta riippuvassa mittausaukossa, jonka halkaisija näkyvällä alueella on 7 mm
Silmän väliaineen vaimennuksen huomioiva korjauskerroin IR-A alueella (700-1400nm)
Pulssienergian tiheys (J/m 2 ) Altistumisrajat silmään osuvalle laserpulssille 10 3 10 2 näkyvä valo 700 nm 400-450 nm 10 1 25 W/m 2 0,25 s 10 0 400-700 nm 10-1 10-2 10-3 10-10 10-5 10 0 10 5 Pulssin kesto (s)
Lasersäteilyn aiheuttama ihovaurio Lasersäteen aiheuttama ihovamma on yleensä pieni paikallinen palovamma Useimmiten parantuu helposti Altistuksen lisääntyessä tulee rakkuloita, pahimmillaan hiiltymistä Ihonalaiset kudokset ovat hyvin suojassa Teoriassa hyvin suuritehoisen yli yhden kilowatin tehoisen jatkuvatoimisen laserin säde voi porautua ihon läpi ja vaurioittaa ihonalaisia kudoksia Käytännössä riski on pieni kun noudatetaan standardien mukaisia varotoimia
fotokem. 30 J/m 2 lämpeneminen 2000 W/m 2 1000 W/m 2 Optisen säteilyn tunkeutuminen ja vaikutukset iholla
Energiatiheys (J/m 2 ) Epäkoherentin ja koherentin UVsäteilyn raja-arvot iholle ja silmälle (fotokemialliset vaikutukset) 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 30 J/m 2 10 1 250 300 350 400 Aallonpituus (nm)
Suhteellinen herkkyyskerroin S Painotusfunktio laajakaistaiselle UV-säteilylle 10 0 10-1 10-2 Eri aallonpituuksilla tulevat UV-annokset painotetaan tällä ja lasketaan yhteen 10-3 10-4 Efektiivisen energia-tiheyden (annos) raja-arvo on 30 J/m 2 10-5 250 300 350 400 Aallonpituus (nm)
EUROOPAN PARLAMENTIN JA NEUVOSTON DIREKTIIVI 2006/25/EY terveyttä ja turvallisuutta koskevista vähimmäisvaatimuksista työntekijöiden suojelemiseksi altistumiselta fysikaalisista tekijöistä (optinen säteily) aiheutuville riskeille. Annettu v. 2006 Perustuu ICNIRPin (International Commission on Non-ionizing Radiation) ohjearvoihin, jotka eivät juuri poikkea EN 60825-1 altistumisrajoista. Pantava voimaan jäsenmaissa v. 2010 mennessä Suomessa Valtioneuvoston asetus 146/2010.
Optisen säteilyn direktiivi Altistumisrajat epäkoherentille säteilylle (UV,näkyvä, IR) ja lasersäteilylle Silmä ja iho Rajoja ei saa ylittää suojaamatta Rajoja ei sovelleta auringon säteilyyn Ulkotyön riskit kuitenkin arvioitava ja minimoitava
LUOKKA 1 Ei vaaraa Hyvin pienitehoisia tai suljettuja laitteita LUOKKA 1M, yläraja 0,5 W Fokusoivan tai keräävän optiikan käyttö voi olla vaarallista Varoitusmerkintä Laserien turvallisuusluokat LUOKKA 1C tarkoitettu ihon käsittelyyn silmäturvallinen, ihoaltistuksen enimmäisarvot voivat ylittyä LUOKKA 2, vain näkyvä, yläraja 1 mw Säteeseen tuijottaminen voi olla vaarallista Silmän sulkeutumisrefleksi (0,25 s) suojaa silmää LUOKKA 2M, vain näkyvä, yläraja 0,5 W Säteeseen tuijottaminen voi olla vaarallista Vilkaisu fokusoivan tai keräävän optiikan läpi vaarallista LUOKKA 3R Emissiorajat viisinkertaisia luokkiin 1 ja 2 verrattuna Säteeseen vilkaisu voi olla teoriassa vaarallista LUOKKA 3B Suora säde tai peiliheijastus vaarallinen Silmien suojaus, avainlukko, kaukokäyttömahdollisuus, varoitussignaali, peiliheijastukset pois LUOKKA 4 Myös hajaheijastunut säde vaarallinen Käyttötila tarkasti valvottu, paloturvalliset materiaalit
Lasereiden turvallisuusluokituksen perusteet Teho, pulssienergia Aallonpituus Pulssinkestoaika Realistinen altistumisaika (pulssinkesto, 0,25 s, 100 s) Kotelointi Piste vai pintalähde Säteen hajonta ja muoto Luokitustaulukot ovat samantapaisia kuin altistumisrajataulukot. Irradianssi ja energiatiheys on vain muunnettu vastaaviksi tehoiksi ja energioiksi mittausaukossa.
Lasereiden käyttöturvallisuus määräytyy turvallisuusluokasta laitekohtaisista suojavarustuksista käyttöympäristöstä käyttöhenkilöstön pätevyydestä turvatoimista (suojalasien käyttö ym.)
Luokkakohtaiset varusteluvaatimukset
Luokkakohtaisia varotoimia
Lasereiden varoitusmerkit Yleinen laservaaran merkki yhdistettynä turvallisuusluokan mukaiseen varoitustekstiin