Tài liệu Vật lý: Kĩ thuật an toàn laser (1)

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

82
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khi laser lần đầu tiên bắt đầu có mặt trong các phòng thí nghiệm, cả dụng cụ và ứng dụng của chúng đều quá chuyên dụng nên hoạt động laser an toàn là một vấn đề gặp phải bởi một nhóm rất hạn chế các nhà nghiên cứu và kĩ sư, và không phải là một đề tài hứng thú nói chung.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu Vật lý: Kĩ thuật an toàn laser (1)

Kĩ thuật an toàn laser Khi laser lần đầu tiên bắt đầu có mặt trong các phòng thí nghiệm, cả dụng cụ và ứng dụng của chúng đều quá chuyên dụng nên hoạt động laser an toàn là một vấn đề gặp phải bởi một nhóm rất hạn chế các nhà nghiên cứu và kĩ sư, và không phải là một đề tài hứng thú nói chung. Với sự phát triển như vũ bão trong việc ứng dụng laser trong những hoạt động hàng ngày, cũng như công dụng thường nhật của chúng trong các phòng thí nghiệm khoa học và môi trường công nghiệp, ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu phải cần thiết đối mặt với vấn đề an toàn laser. Laser trở thành bộ phận không thể thiếu của nhiều kĩ thuật hiển vi quang hiện nay, và khi kết hợp với những quang hệ phức tạp, chúng có thể cấu thành một sự rủi ro lớn nếu như các thủ tục an toàn không được tuân thủ chặt chẽ.
Xem thêm: Tổng quan về laser  Hai mối quan tâm chính trong hoạt động laser an toàn là việc phơi ra trước chùm tia và rủi ro điện đi kèm với điện thế cao bên trong laser và nguồn cấp điện của nó. Trong khi không có trường hợp được biết nào trong đó chùm laser góp phần dẫn tới cái chết của con người, nhưng có một vài trường hợp tử vong có thể quy cho là do tiếp xúc với các bộ phận điện thế cao có liên quan tới laser. Chùm tia có công suất đủ cao có thể làm đốt cháy da, hoặc trong một số trường hợp, chúng tạo ra sự rủi ro bởi việc đốt cháy hoặc phá hủy các chất khác, nhưng mối quan tâm chủ yếu đối với chùm tia laser là khả năng làm hỏng mắt, bộ phận cơ thể nhạy với ánh sáng nhất. Một số cơ quan chính phủ và những tổ chức khác đã phát triển các tiêu chuẩn an toàn laser, một số trong đó có thể thực thi về mặt pháp lí, còn một số đơn thuần chỉ là những khuyến cáo để mọi người tự nguyện chấp thuận. Đa số các tiêu chuẩn yêu cầu pháp lí gắn với các nhà chế tạo thiết bị laser, mặc dù những người dùng cuối của laser có mối quan tâm lớn nhất đến sự hoạt động an toàn – nhằm ngăn ngừa sự thương tổn suy nhược cơ thể hoặc thậm chí dẫn tới cái chết.
Việc phá hỏng xảy ra ngay tức thì, và sự đề phòng phải được quan tâm để hạn chế tối đa rủi ro, vì việc tránh xa vào thời điểm cuối là không thể. Phát xạ laser giống như sự phơi ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở chỗ ánh sáng đi vào mắt theo các chùm tia song song, chúng được hội tụ rất hiệu quả trên võng mạc, vùng bề mặt sau của mắt rất nhạy với ánh sáng. Cấu tạo tổng quát của mắt người được minh họa trong hình 1, trong đó nhấn mạnh các cấu trúc dễ bị phá hủy do hấp thụ bức xạ cường độ cao. Rủi ro tiềm tàng cho mắt phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng laser, cường độ chùm tia, khoảng cách đến laser, và công suất laser (cả công suất trung bình trong một khoảng thời gian dài và công suất cực đại tạo ra trong một xung). Bước sóng của ánh sáng laser là quan trọng, vì chỉ có ánh sáng nằm trong vùng bước sóng từ gần 400 đến 1400nm mới có thể thâm nhập vào mắt hiệu quả để phá hủy võng mạc. Ánh sáng tử ngoại gần có bước sóng nhất định có thể làm phá hủy các lớp bề mặt phía sau mắt, và có thể góp phần làm đục thủy tinh thể, nhất là ở những người trẻ tuổi, những người có mô mắt có độ trong suốt cao trong vùng bước sóng này. Ánh sáng hồng ngoại gần cũng có thể gây ra sự phá hủy bề mặt, mặc dù không gây nghiêm trọng như ánh sáng tử ngoại. Phản ứng vật lí của mắt người khác nhau đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau, và điều này dẫn tới sự phá hủy tiềm tàng có thể xảy ra vì một vài lí do sẽ được nói tới trong phần sau. Laser xung có sự rủi ro khác với laser tạo ra chùm liên tục. Trong thực tế, laser hoạt động ở dạng xung nói chung có công suất cao hơn, và một xung laser miligiây hiệu quả có thể gây phá hủy mãi mãi nếu nó đi vào mắt, còn một chùm liên tục công suất thấp hơn chỉ có thể gây rủi ro nếu như phơi sáng lâu. Vùng phổ gây lo lắng nhất cấu thành nên vùng nguy hiểm cho võng mạc, trải rộng từ khoảng 400nm (màu tím) đến 1400nm (hồng ngoại gần), gồm toàn bộ phần nhìn thấy của phổ bức xạ điện từ. Mối nguy hiểm có mặt bởi những bước sóng này tăng thêm do thực tế là mắt có khả năng hội tụ chúng, và ánh sáng chuẩn trực thuộc vùng này được mắt làm hội tụ lên một đốm rất nhỏ trên võng mạc, tập trung công suất của nó đến mật độ cao. Phân loại laser
Trong số nhiều tiêu chuẩn an toàn do các cơ quan chính phủ và tổ chức khác phát triển, đa số người ta hay dựa trên loạt tiêu chuẩn Z136 của Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kì. Chuẩn an toàn laser ANSI Z136 là cơ sở cho các dự luật công nghệ An toàn nghề nghiệp và Bảo vệ sức khỏe (OSHA) dùng để đánh giá việc laser gây hại cho mô, và cũng là cơ sở tham chiếu cho các dự luật an toàn nghề nghiệp của nhiều bang, nước khác gắn liền với vỉệc sử dụng laser. Tất cả các sản phẩm laser bán ở Mĩ từ năm 1976 đều yêu cầu phải được chứng nhận của nhà sản xuất là đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn danh nghĩa của sản phẩm đối với loại sản phẩm chỉ định của họ, và chúng phải được dán nhãn loại của chúng. Những kết quả nghiên cứu cùng với sự hiểu biết tích lũy về sự nguy hiểm của ánh sáng Mặt Trời và các nguồn sáng khác đã dẫn tới việc thiết lập các giới hạn phơi sáng an toàn danh nghĩa ước tính cho đa số loại bức xạ laser. Một hệ thống phân loại mức nguy hiểm laser, dựa trên sự phơi sáng tối đa chấp nhận được đã biết và kinh nghiệm thu được từ nhiều năm sử dụng laser, đã được phát triển để đơn giản hóa việc áp dụng các thủ tục an toàn nhằm làm giảm thiểu hoặc ngăn ngừa tai nạn. Nhà chế tạo laser phải chứng nhận sản phẩm laser thuộc một trong các loại, hoặc các nhóm nguy hiểm, và dán nhãn cho phù hợp. Bốn loại laser chủ yếu được tóm lược trong danh sách dưới đây. Cũng cần nhấn mạnh rằng đây là một bản tóm tắt thôi, và nó không phải là sự trình bày đầy đủ về các quy tắc phân loại laser của bất kì tổ chức nào. Laser loại I được xem là an toàn, dựa trên những hiểu biết hiện nay, dưới  bất kì điều kiện phơi sáng nào vốn có trong thiết kế của sản phẩm. Các dụng cụ công suất nguồn thấp (0,4 mW tại bước sóng khả kiến) sử dụng laser thuộc loại này bao gồm các máy in laser, máy hát đĩa CD, và thiết bị trắc địa, và chúng không được phép phát ra các mức bức xạ quang trên giới hạn phơi sáng đối với mắt. Một laser rủi ro hơn có thể được bao bên trong một sản phẩm laser loại I, nhưng không có bất kì bức xạ nguy hiểm nào được phép thoát ra ngoài trong khi hoạt động hoặc duy trì. Không có yêu cầu an toàn nào được ghi rõ khi sử dụng loại laser này.  Loại IA là thiết kế chuyên dụng cho các laser không có khuynh hướng  nhìn, ví dụ như máy quét laser mã vạch ở siêu thị. Được phép có công suất cao hơn
laser loại I (không quá 4 mW), nhưng không được vượt quá giới hạn loại I trong khoảng thời gian phát xạ hơn quá 1000 giây.  Loại II là các laser công suất thấp phải phát ra một chùm tia nhìn thấy. Độ  sáng của chùm tia dựa trên cơ sở ngăn cản việc nhìn chằm chằm vào chùm tia trong một thời gian đủ lâu để làm cho mắt bị hỏng. Những laser này bị giới hạn công suất phát dưới 1mW, thấp hơn độ phơi sáng lớn nhất được phép đối với sự phơi sáng nhất thời 0,25 giây hoặc ít hơn. Phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng khả kiến có độ sáng này giúp bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy, nhưng bất cứ sự cố ý nhìn quá thời gian nào cũng sẽ đều dẫn tới hỏng mắt. Một số ví dụ laser thuộc loại này là các laser thuyết trình dùng trong lớp học, các con trỏ laser, và những dụng cụ đo xa. Laser loại IIIA là những dụng cụ phát sóng liên tục công suất trung bình  (1-5 mW), có ứng dụng tương tự như laser loại II, gồm các máy quét laser và con trỏ laser. Chúng được xem an toàn khi nhìn trong chốc lát (dưới 0,25 giây), nhưng không nên nhìn trực diện hoặc nhìn qua bất kì dụng cụ quang phóng đại nào. Laser loại IIIB có công suất trung bình (sóng liên tục 5-500 mW, hoặc 10  J/cm2 trong laser xung), và không an toàn khi nhìn trực diện hoặc nhìn qua sự phản xạ phản chiếu. Những đo đạc an toàn đặc biệt được khuyến nghị trong tiêu chuẩn điều khiển sự rủi ro của laser thuộc loại này. Ví dụ ứng dụng của laser thuộc loại này là quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu và các sô diễn ánh sáng giải trí. Laser loại IV phát ra công suất cao, vượt quá giới hạn dành cho dụng cụ  IIIB, và yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm trong lúc sử dụng chúng. Cả chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ laser loại này đều làm hỏng mắt và da, và có khả năng gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới. Đa số tổn thương cho mắt vì laser là do sự phản xạ của ánh sáng laser loại IV, và vì vậy mọi bề mặt phản xạ phải giữ ra xa chùm tia và phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp mọi lúc khi làm việc với các laser này. Laser thuộc loại này được dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi gia công cắt gọt, và hàn.
Mặc dù chuẩn ANSI Z136 phân loại laser ra làm loại I đến loại IV, nhưng một kế hoạch phân loại mức nguy hiểm laser mới rất có thể phải đưa vào bản sửa đổi mới của chuẩn ANSI, một nỗ lực nhằm mang lại sự hài hòa với chuẩn quốc tế như chuẩn đã được công nhận bởi Ủy ban Kĩ thuật điện quốc tế (IEC) và chuẩn vừa mới được thông qua bởi Cơ quan quản lí Dược phẩm và Thực phẩm của Mĩ. Sự thay đổi các chuẩn chủ yếu nhằm để đáp ứng sự phát triển nhanh của các con trỏ laser và những dụng cụ tương tự rất có thể được sử dụng bởi những người không quen thuộc với sự phòng ngừa an toàn laser, và những đặc điểm đặc biệt của các nguồn hội tụ cao độ như doide laser. Ảnh hưởng các các thay đổi tương đối nhỏ, và nói chung là tiếp tục nới lỏng các quy tắc xuất hiện cùng với sự tích lũy dữ liệu và kinh nghiệm kể từ các tiêu chuẩn ban đầu rất thận trọng được phát triển trong những năm 1970. Kế hoạch phân loại mới vẫn giữ lại bốn loại laser chủ yếu, loại 1 đến 4, nhưng đưa ra thêm bản mở rộng của các loại 1, 2 và 3 với yêu cầu ít nghiêm ngặt
hơn và các loại con đặc biệt của mỗi loại là: 1M, 2M và 3R. Nói chung, các loại mới thường được mô tả như sau: Loại 1M gồm các laser không có khả năng phá hỏng mắt người trừ khi nhìn với các thiết bị quang. Loại 2M là các laser phát ra ánh sáng khả kiến, chúng an toàn khi nhìn, không được sử dụng trong các thiết bị quang, lên tới 0,25 giây. Trong khoảng thời gian đó, phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng chói, cùng với phản xạ chớp mắt, bảo vệ mắt khỏi bị phá hỏng võng mạc. Loại 3R gồm các laser kém an toàn khi nhìn trực diện, và cho phép có công suất gấp tới 5 lần công suất laser loại 1 hoặc loại 2. Những đo đạc khác phải được tiến hành nhằm ngăn cản sự đi trực tiếp vào mắt, nhất là với những bước sóng không nhìn thấy. Tổn hại cho mắt Cần lưu ý rằng cảnh báo chung cho đa số các loại laser là tránh nhìn chùm tia qua bất cứ dụng cụ quang phóng đại nào. Nguy hiểm chủ yếu cho mắt người vì laser là do bản thân mắt chính là một dụng cụ quang hội tụ một cách chính xác và hiệu quả ánh sáng trong một vùng bước sóng nhất định. Sử dụng laser kết hợp với kính hiển vi quang học chỉ làm tăng thêm mối nguy hại tiềm tàng cho mắt. Thông thường thì các phòng thí nghiệm quang học chứa nhiều loại laser, vừa làm các thành phần tích hợp của hệ thống như kính hiển vi huỳnh quang, vừa làm nguồn sáng cho bản quang mở. Nguy hiểm chính do những laser “mở” này mang lại là khả năng phá hủy mắt từ các chùm nằm ngang bị tản lạc tại chiều cao bàn, các chùm tia phản xạ khỏi mặt bàn, và sự phản xạ từ các bộ phận quang và các mặt phản xạ bên ngoài, như khóa thắt lưng, đồng hồ, đồ trang sức và bất kì mặt phản xạ nào trong phòng. Thậm chí chỉ cần hứng một phần nhỏ của chùm sáng laser cũng có thể đủ để làm thương tổn vĩnh viễn và mất thị lực. Khả năng phát xạ laser làm thương tổn các cấu trúc khác nhau của mắt phụ thuộc vào cấu trúc nào hấp thụ năng lượng chùm tia. Đặc trưng hấp thụ của các mô mắt khác nhau, và bước sóng và cường độ của ánh sáng laser xác định sự nguy hiểm xảy ra cho giác mạc, thủy tinh thể, hay võng mạc. Các bước sóng lọt vào võng
mạc ở mặt phía sau mắt được xác định bởi đặc trưng truyền sáng tổng thể của mắt. Hình 2 minh họa độ truyền sáng của mắt là một hàm của bước sóng bức xạ trên vùng phổ có liên quan. Giác mạc, thủy tinh thể, và thủy tinh dịch của mắt cho truyền qua bức xạ điện từ trong vùng bước sóng xấp xỉ 400 đến 1400nm, gọi là vùng tụ của mắt. Ánh sáng trong vùng này được hội tụ lên võng mạc, mặt cảm giác đó tạo ra tín hiệu truyền lên não bằng dây thần kinh thị giác. Việc nhìn trực tiếp một nguồn sáng điểm, như tình huống thực sự được tạo ra trong khi nhìn trực diện một chùm tia laser chuẩn trực cao, tạo ra một đốm hội tụ rất nhỏ trên võng mạc, gây ra mật độ công suất tăng lên rất lớn và khả năng gây nguy hiểm cao độ. Sự nguy hiểm xảy ra tương tự như khi nhìn trực tiếp ánh sáng Mặt Trời, mặc dù cường độ sáng laser thì cao hơn nhiều.