Безопасность жизнедеятельности : основы безопасности при работе с лазерным излучением

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 667

       ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
              МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ




                МИСиС





  Кафедра безопасности жизнедеятельности





                Безопасность жизнедеятельности




            Основы безопасности при работе с лазерным излучением


 Учебное пособие


 Рекомендовано редакционно-издательским советом университета








Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК 621.375.826 + 658.345 Б40



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Л.С. Стрижко




          Авторы: А.Н. Веремеевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова, А.А. Павлов, Н.А. Смирнова, В.М. Жариков



        Безопасность жизнедеятельности: Основы безопасности
Б40 при работе с лазерным излучением: Учеб. пособие / А.Н. Вере-меевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова и др. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. - 55 с.




          В учебном пособии рассмотрены меры защиты от некоторых опасных и вредных производственных факторов, характеризующих условия труда рабочего персонала технологических лазеров. Приведены основные принципы нормирования воздействия лазерного излучения и классификации лазерных установок по степени опасности генерируемого излучения. Представлены примеры определения предельно допустимых уровней лазерного излучения и классов лазерных изделий.
          Соответствует программе курса «Безопасность жизнидеятельности».
          Учебное пособие предназначено для выполнения раздела «Безопасность жизнедеятельности» дипломных проектов и работ для студентов, обучающихся по специальности 280100 «Безопасность жизнедеятельности» и 150404 «Металлургические машины и оборудование», а также для студентов и преподавателей всех специальностей и кафедр института в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ.











                                  © Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................4
1. Теоретические основы устройства лазера...................6
  1.1. Физические основы работы лазера......................6
    1.1.1. Принципы работы лазеров..........................6
    1.1.2. Основные свойства лазерного излучения............8
    1.1.3. Оптические системы лазерных установок ......... 10
  1.2. Инженерные основы создания технологических лазеров . 16
    1.2.1. Достоинства лазерной технологии при обработке материалов ........................................... 16
    1.2.2. Классификация технологических лазеров.......... 17
  1.3. Требования к промышленным технологическим лазерам.. 19
  1.4. Автоматизированные лазерные технологические комплексы .............................................. 21
  1.5. Области применения технологических лазеров .........22
    1.5.1. Лазерная сварка ................................22
    1.5.2. Поверхностная и разделительная лазерная сварка..23
    1.5.3. Лазерная обработка поверхностей и деталей.......25
2. Характеристика условий труда при эксплуатации лазеров . 26
  2.1. Факторы, сопутствующие эксплуатации лазерной установки ......................................26
    2.1.1. Первичные и вторичные факторы...................26
    2.1.2. Воздействие лазерного облучения.................29
    2.1.3. Воздействие аэрозолей и вредных химических веществ.....................................30
    2.1.4. Акустический шум ...............................31
    2.1.5. Вибрация и повышенное значение напряжения.......32
    2.1.6. Электромагнитные поля...........................32
    2.1.7. Ионизирующие излучения..........................32
    2.1.8. Параметры микроклимата..........................32
  2.2. Нормирование воздействия лазерного излучения........33
  2.3. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения..................................41
  2.4. Методы и средства защиты от лазерного излучения ....45
Библиографический список...................................53

3

ВВЕДЕНИЕ

   С давних времен человек в своих мечтах видел в световом излучении надежного и могучего помощника, свободно проникающего в темницы, способного разрушить любые преграды и защитить от любого врага. Всемирно известны романы «Война миров» Герберта Уэллса и «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого. Правда, в этих романах тепловой и световой луч оказывается в руках сил зла; люди же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. В середине ХХ века этой мечте суждено было сбыться.
   Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники ХХ века.
   Как заметил академик А.П. Александров, «всякий мальчишка теперь знает слово лазер». И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах -квантовой электроники - академик Н.Г.Басов отвечает на этот вопрос так: «Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки».
   А все начиналось с двух работ А. Эйнштейна, опубликованных в 1916 г. Первая называлась «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», а вторая - «К квантовой теории излучения».
   А. Эйнштейн показал, что существует два различных процесса испускания энергии молекулами вещества. Наряду с обычным, спонтанным (самопроизвольным) испусканием возможен процесс испускания под воздействием излучения окружающей молекулы среды.

4

Эйнштейн назвал этот процесс индуцированным (вынужденным) излучением. Именно этот процесс и лежит в основе работы лазера. Само слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Ra-diation», что в переводе означает «усиление света вынужденным излучением».
   Первое экспериментальное подтверждение возможности усиления света было получено в 30-х гг. советским ученым В.А. Фабрикантом. В 1958 г. В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский получили авторское свидетельство на изобретение, а в 1962 г. и диплом на открытие с приоритетом от 1951 г. с формулой открытия: «Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии». Таким образом, был доказан факт существования индуцированного излучения. С 1950 по 1960 гг. работы по изучению возможности применения этого явления на практике были развернуты во многих странах мира. За основополагающие работы по квантовой электронике советским физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому ученому Ч. Таунсу в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Впервые получить лазерный луч удалось американскому инженеру Г. Мейману в 1960 году; это был рубиновый лазер. В 1961 г. А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1962 г. появился полупроводниковый лазер на основе кристалла арсенида галлия. В 1964 г. С. Пател создал первый СО2-лазер. В 1965 г. Дж. Каспер и Дж. Пиментел создали химический лазер. В 1966 г. А.М. Прохоров создал новый тип мощного газового лазера - газодинамического. Таким образом, в период с 1962 по 1968 гг. были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их возможного применения. Когда вспыхнул луч первого в мире рубинового лазера, один из коллег Н.Г. Басова и А.М. Прохорова сказал: «Ну, вот, теперь черный квантовый ящик станет, пожалуй, давать больше, чем в него вкладывают!» Шутка оказалась пророческой. Редко какое другое достижение фундаментальной науки с первых своих шагов опередило столь далеко самые смелые прогнозы.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ЛАЗЕРА

1.1. Физические основы работы лазера

1.1.1. Принципы работы лазеров
   Лазерное излучение - это вынужденное монохроматическое излучение широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен микрометров. Наряду с волновой природой электромагнитное излучение во многих случаях проявляет корпускулярную природу: оно представляет собой последовательность дискретных порций (квантов) энергии, называемых фотонами. Так, например, в дифракции и интерференции преобладает волновая природа света, в других явлениях, обусловленных эффектами поглощения света атомными или молекулярными системами, -квантовая природа света.
   Как известно из квантовой электроники, внутренняя энергия атомов и молекул может принимать целый ряд фиксированных значений, характерных для данного типа атомов и молекул. Для простоты рассмотрим два уровня энергии - Е0 и Е1. Переход атома с верхнего на нижний уровень сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атомов в верхнем и нижнем состояниях. Если атомы не испытывают какого-либо внешнего воздействия, то они находятся в таком состоянии, которое можно назвать равновесным, т.е. число атомов в верхнем и нижнем энергетических уровнях не будет изменяться. При этом в соответствии с принципом Больцмана число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии, всегда несколько больше, чем число атомов в верхнем состоянии.
   Каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии Е0, может перейти в верхнее энергетическое состояние Е1, поглотив один фотон. И соответственно каждый атом, находящийся в верхнем состоянии Е1, может перейти в нижнее состояние Е0, отдав излишнюю энергию в виде такого же фотона.
   Для генерации излучения необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Е₁ было больше числа атомов на нижнем уровне Е₀. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда находится меньшее число атомов, чем на более низ-6