Laserschutz - Praktikum Physik

Laserschutz
Milutin Kovacev
24. April 2013
Aufgaben
f Zusammenfassung der Wichtigen Inhalte (4 Seiten)
f Berechnen Sie den Photonenfluß für:
f Eine Kerze (0,016W @ 550nm)
f Lasersystem (5W @ 800nm)
f Sonne (3,8x1026 W @ 550nm)
f Hinweis: Achten Sie auf die Einheiten
hω ⋅ λ = hc = 1239,842nm ⋅ eV
[
eV ]
N photonen =
E photon [eV ]
E
[email protected]
1[eV ] = 1,602 ⋅ 10−19 [J ]
Fphotonen
N photonen 1
=
[s]
t
2
Inhalt
1. Motivation / Aktuelles
2. Lasereigenschaften / Laserklassen
3. Verletzungen durch Laserstrahlung
4. Laserschutz
5. Allgemeine Verhaltensregeln
[email protected]
3
Laserpointer / Lampen
100W Taschenlampe
Laserpointer haben heute bis zu 1W an Leistung!
[email protected]
4
Typisches Fehlverhalten
mangelndes
Gefahrenbewußtsein
Routine bzw.
Gewohnheit
constanthing.blogspot.com
[email protected]
5
Gefahren beim Umgang mit Lasern
- Gefahr durch den Laserstrahl
- Augenschädigung
- Hautschädigung
Gefahren
-Sekundäre
Andere Gefahren
in Laserlaboratorien
Blendung
-- Elektrische
Æ Nachbilder, Irritationen,
Schreckreaktionen
- Farbstoff-Laser
(Giftig/Krebserregend)
(abh. von Umgebungslicht)
-- Gase
(z.B.gesundheitsschädliche
Excimer Lasers)
Erzeugte
- Brandgefahr
Nebenprodukte
Æ Photosensibilität
[email protected]
6
Häufigkeit der Verletzungen
Summary of reported laser accidents in the United States and their causes
from 1964 to 1992
Der größte Teil der Unfälle betrifft das Auge, gefolgt
von Hautverletzungen und anderen Unfällen
[email protected]
7
Ursachen für Unfälle
Summary of reported laser accidents in the United States and their causes
from 1964 to 1992
Ein Großteil der Verletzungen ereignet sich bei
Justagearbeiten oder durch nicht getragene
Schutzbrillen bzw. unsachgemäße Schutzbrillen
[email protected]
8
Einfluss der Erfahrung bzw. Routine
Anzahl und Schwere der Unfälle in Abhängigkeit der Erfahrung mit Lasern
Zeitraum ~ 10Jahre / ~ 80-90 Unfälle insgesamt
6
5
4
Anzahl 3
der Unfälle
2
10/10 = Auge (~ 1’)
1
0
< 1 Jahre
< 2 Jahre
< 5 Jahre
< 10 Jahre
> 10 Jahre
unbekannt
Quelle: LASOPTIC
[email protected]
Hautverletzungen
Periphere Verletzungen oder
Sehvermögen ≥ 8/10
Sehvermögen / Sehschärfe ≤ 8/10
Blinder Fleck, Sehschärfe ≤ 2/10
9
Gefahren durch künstliche optische Strahlung
Ungebündelt mit hoher
Divergenz
Inkohärent
Gefährdung
abstandsabhängig
Gebündelter Strahl mit
geringer Divergenz
Kohärent
extrem hohe
(zerstörerische)
Leistungsdichten
Unsichtbarkeit von Infrarotlasern
fehlender Lidschlussreflex - große Einwirkdauern
[email protected]
10
Laserklassen: Klasse 1
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich. Es
ist hier jedoch zu beachten, dass es sich hier oft um
gekapselte Laser einer höheren Klasse handelt.
LASER KLASSE 1
Laser-Professionals.com
[email protected]
Nd:YAG Laser Marker
11
Laserklassen: Klasse 2
Laser mit sichtbarer Strahlung (400 nm bis 700 nm)
- Augenschutz ist üblicherweise durch Abwendungsreaktion
oder Lidschlußreflex sichergestellt
Laser Scanners
Laser Radiation
Do Not Stare Into Beam
LASERSTRAHLUNG
NICHT IN DEN
STRAHL BLICKEN
LASER KLASSE 2
Helium Neon Laser
1 milliwatt max/cw
CLASS II LASER PRODUCT
Laser-Professionals.com
[email protected]
12
Laserklassen: Klasse 1M & 2M
(M=Magnification)
1M
2M
Die zugängliche Laserstrahlung ist ungefährlich, wenn keine optischen Instrumente
(Vergrößerungsinstrumente, Teleskope, Ferngläser) verwendet werden
- keine Beschränkung der Laserleistung (wobei der Laser Klasse 3B nicht
überschreiten darf)
- meistens Laser oder LEDs mit divergenter Strahlung sowie Einrichtungen mit
breiter, kollimierter Strahlung
- Laser mit sichtbarer Strahlung
- Sicherheit ist durch Abwendungsreaktion oder Lidschlußreflex gewährleistet, wenn keine
weiteren optischen Instrumente eingesetzt werden
- keine Beschränkung der Laserleistung (wobei der Laser Klasse 3B nicht überschreiten darf)
- meistens Laser oder LEDs mit divergenter Strahlung sowie Einrichtungen mit breiter,
kollimierter Strahlung
LASERSTRAHLUNG
NICHT DIREKT MIT OPTISCHEN
INSTRUMENTEN BETRACHTEN
LASER KLASSE 1M
[email protected]
LASERSTRAHLUNG
NICHT IN DEN STRAHL BLICKEN
ODER DIREKT MIT OPTISCHEN
INSTRUMENTEN BETRACHTEN
LASER KLASSE 2M
13
Laserklassen: Klasse 3R (R=Relaxation)
- Laser mit zugänglicher Strahlung, die die „max. zul. Bestrahlung“ für
eine Zeitbasis von 0,25 s (sichtbare Strahlung) bzw. 100 s unsichtbare
Strahlung) überschreiten
- maximale Ausgangsleistung überschreitet nicht die GZS für Klasse
2 (sichtbar) oder Klasse 1 (unsichtbar) um mehr als den Faktor 5
Laser Pointers
Expanded Beam
Laser RadiationDo Not Stare Into Beam or View
Directly With Optical Instruments
Helium Neon Laser
5 milliwatt max/cw
CLASS IIIa LASER PRODUCT
Laser-Professionals.com
LASERSTRAHLUNG
DIREKTE BESTRAHLUNG
DER AUGEN VERMEIDEN
LASER KLASSE 3R
LASER RADIATIONAVOID DIRECT EYE EXPOSURE
ND:YAG 532nm
5 milliwatts max/CW
CLASS IIIa Laser Product
[email protected]
Small Beam
14
Laserklassen: Klasse 3B
DPSS Laser with cover removed
- direkter Strahl für das Auge und in besonderen
Fällen auch für die Haut gefährlich
- diffuses Streulicht im Allgemeinen ungefährlich
LASER RADIATIONAVOID DIRECT EXPOSURE TO BEAM
LASERSTRAHLUNG
NICHT DEM STRAHL
AUSSETZEN
LASER KLASSE 3B
2ω ND:YAG Wavelength: 532 nm
Output Power 80 mW
CLASS IIIb Laser Product
Bis 500mW
Courtesy of Sam’s Laser FAQ, www.repairfaq.org/sam/lasersam.htm, © 1994-2004
[email protected]
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Laserklassen: Klasse 4
- Hochleistungslaser mit Ausgangsleistungen oberhalb
500 mW (cw-Betrieb)
- sehr gefährlich für das Auge, gefährlich für die Haut,
schon diffus reflektierte Strahlung kann gefährlich
sein, Verursachung von Brand- und Explosionsgefahr
- keine obere Grenze in dieser Klasse
Photo: Keith Hunt - www.keithhunt.co.uk
Copyright: University of Sussex, Brighton (UK)
VISIBLE LASER RADIATIONAVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO
DIRECT OR SCATTERED RADIATION
2ω Nd:YAG
Wavelength: 532 nm
Output Power 20 W
CLASS IV Laser Product
[email protected]
16
Sicherheitsklassen und -philosophien
[email protected]
17
Verletzungen durch Laserstrahlung
Gefährdung der Haut
Thermische Reaktionen
Hautverbrennung durch Hochleistungslaser
Tiefliegende Hautverbrennung bei IR Wellenlängen (>1 mm)
Hautabtrag durch Fokussierung
Photochemische Reaktionen
Sonnenbrand durch UV Strahlung (Direkt / Gestreut)
Hautkrebs durch UV Langzeitbelastung
[email protected]
18
Verletzungen durch Laserstrahlung
Gefährdung der Augen
Ø = 350 µm
[email protected]
19
Möglichkeiten der Augenschädigung
DIREKTER STRAHL
Auge
LASER
SPIEGELNDE
REFLEKTION
Reflektierter
Strahl
Spiegel
LASER
DIFFUSE
REFLEKTION
LASER
Gestreuter
Strahl
Raue
Oberfläche
Abstandsgesetz / Niedrige Leistung / Licht an !!
[email protected]
20
Transmissions- und Absorptionseigenschaften
MPI für Polymerforschung 2003
[email protected]
21
Schädigungen der Netzhaut
Die Erfahrung zeigt das die meisten Verletzungen durch
Laserstrahlung erst nach 24–48 Stunden von der betroffenen
Person gemeldet werden. Diese Zeit ist jedoch entscheidend
für die Behandlung der Verletzung
(Vernarbung der Netzhaut).
[email protected]
22
Strahlungsgrenzwerte nach DIN EN 60 825-1
MZB
GZS
Maximal zulässige Bestrahlung
Grenzwerte zugänglicher Strahlung
Haut
Auge
Laserklassifizierung
Einflußgrößen:
• Wellenlänge
• Betriebsart
• Strahlgeometrie
• Bestrahlungsdauer
[email protected]
23
MZB-Werte für die Bestrahlung der Hornhaut
[email protected]
24
Grenzwerte (Beispiel 1)
Grenzwerte nach IEC 60 825 – 1 Beispielrechnung Ti:Saphir-Laser (cw)
Beispiel für
reflektierten
Strahl ins Auge
Ti:Saphir
l = 800 nm
P=1W
Abstand: r = 1 m
Strahl: Ø 2 mm
Exposition: 0,25 s
Schutzfilter ?
1. Energiedichte
F=
Energie E
Fläche
(an der Pupille)
=
0,04W ⋅0,25s
J
= 3⋅103 2
m
0,78⋅(0,002) 2 m 2
2. Maximal zulässige Bestrahlung Æ MZB = 13 J/m2 (Tabelle)
J
2
H0
m
) = log10 (
Dλ = log10 (
) = 2,4
J
MZB
13 2
m
3 ⋅ 103
3. Schutzfilter
Direkten Strahl ins Auge:
[email protected]
Energiedichte F = 80.103 Jm-2
Æ OD 3
Æ OD 4
25
Grenzwerte (Beispiel 2)
Punktförmige Lichtquelle
Fläche = 16 F
Fläche = 4 F
Fläche = 1 F
Punktquelle
Bspl.: Punktquelle mit der
Leistungsdichte P im
Abstand a:
P
F
P
N
a
r
Leistungsdichte IN auf
der Netzhaut:
P FP
IN =
⋅
4πa 2 FN
2r
4r
Bei punktförmigen Lichtquellen nimmt die
Leistungsdichte der emittierten Strahlung
mit dem Quadrat der Entfernung ab.
[email protected]
F
P = 1W
a[m]
1
2
10
IN [W/cm2]
4
1
0,04
FP: Pupillenfläche (7mm )
FN: Fläche des Bildes auf
der Netzhaut (10µm )
26
Grenzwerte (Beispiel 2)
Grenzwerte nach IEC 60 825 – 1 Beispielrechnung Nd:YAG-Laser (pw)
diffus
Nd:YAG (Q-switch )
E=1J
l = 1.06 µm
t = 10 ns
r
Sicherheitsabstand r = ?
1. Maximal zulässige Bestrahlung Æ MZB = 5.10-2 J/m2 (Tabelle)
2. Punktquelle Æ Energiedichte
F=
EnergieE
Fläche
(an der Pupille)
3. Sicherheitsabstand r
5 ⋅ 10−2
1J
2πr
2
J
1J
=
⇒ r ≥ 1,78m = 178cm
2
2
m
2πr
( Für
[email protected]
=
E = 10 mJ
Æ r = 17 ,8 cm )
27
Spezifikationen bei Laserschutzbrillen
D
1064
LB5
X
DIN
CE
Normzeichen
Kennbuchstabe
des Herstellers
Laserschutzbrillen
DIN EN 207
Laser - Justierbrillen
DIN EN 208
LB1 - LB10
RB1 - RB5
D = Dauerstrich
I = Impuls
R = Riesenimpuls M = Modengekoppelt
Schutzstufe
Wellenlänge, gegen die
die Laserschutzbrille
Schutz bietet
Laserbetriebsarten
Optische Dichte OD = log(1/t) = LB Æ Bsp.: LB3 t = 10-3 OD3
[email protected]
28
Ermittlung der Schutzstufe
[email protected]
29
Laserschutzbrillen (Persönliche Schutzausrüstung)
Laser - Justierbrillen
DIN EN 208
RB1 - RB5
Laserschutzbrillen
DIN EN 207
Hinter der Brille
Laserklasse 2
Vor der Brille
Laserklasse 3 oder 4
LB1 - LB10
Hinter der Brille
Laserklasse 1
Vor der Brille
Laserklasse 3 oder 4
Nie direkt in den Strahl blicken!!!!
Laserschutz ist nur für den zufälligen Treffer gedacht!
Beständigkeit der Filterwirkung 5s (alte L 10s) !!
[email protected]
30
Spezifikationen bei Laserschutzbrillen
[email protected]
31
Schutzmaßnahmen / Warnleuchte
Laser-Professionals.com
[email protected]
32
Schutzmaßnahmen / Vorhänge
Photos courtesy of
[email protected]
33
Schutzmaßnahmen / Umrandung
Laser-Professionals.com
[email protected]
34
Schutzmaßnahmen / Strahl-Block (Kontrolle)
Laser-Professionals.com
Schutzmaßnahmen / Übersicht (Ordnung)
[email protected]
35
Schutzmaßnahmen / Justage
[email protected]
36
Verhaltensregeln: Schlechte Gewohnheiten
• Es wird keine Schutzbrille während der Justage getragen
• Es wird keine Schutzbrille im Laserbereich getragen
• Vorhandene Schutzbrillen werden nicht benutzt
Umgang mit Optiken
• Die falsche Schutzbrille wird getragen
• Falsch justierte Optiken und nach oben gerichtete Strahlen
• Einfügen von reflektierenden Gegenständen in den Strahlengang
• Absichtliche Bestrahlung von ungeschützten Personen
• Fehlender Schutz vor Laborgefahren (Spitzen, Kabeln , usw.)
• Nichtbeachtung des Sicherheitsprotokolls (Activity Hazard Document)
• Umgehung von interlocks, Türen und Laser-Gehäusen
Allgemeines
• Fehlende Vorplanung
• Unbeabsichtigtes Anschalten der Spannungsversorgung
• Funktionsstörung der Geräte
• Unsachgemäßer Umgang mit hohen Spannungen
• Bedingung von unbekanntem Gerät
[email protected]
Umgang mit Geräten
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Personen, die nicht am Laser arbeiten
Vor dem Betreten der Laserlabors anklopfen und Gefahrenquellen erfragen!
Kopf nicht in Strahlhöhe bringen, d.h. Vorsicht beim Bücken oder beim
Sitzen am PC oder Tisch! Besondere Vorsicht bei Kindern walten lassen, da
Augen oft direkt in Strahlhöhe!
Geeignete Schutzbrillen tragen!
Kein unbefugtes Hantieren an Optiken oder Lasern!
[email protected]
38
Personen, die am Laser arbeiten
Eintretende Personen warnen!
Vor dem Einschalten von Lasern alle anwesenden Personen warnen!
Warnleuchten einschalten!
Arbeiten am Laser bzw. mit dem Laserstrahl ohne Armschmuck wie z.B.:
Uhr, Ring, Armkettchen, ...
(bei bauchfreier Bekleidung sind Piercings untersagt, da etwa in Strahlhöhe !)
Laserstrahlen so gut wie möglich auf den Experimentierbereich beschränken
und nicht durch das gesamte Labor vagabundieren lassen!
Studenten, Hiwis, Praktikanten, usw. vor Arbeitsbeginn über Gefahren
im Labor unterweisen! Æ Verantwortungsbewußt handeln !
Geeignete Schutzbrillen aufsetzen!
[email protected]
39
Fazit
Die richtigen
Gewohnheiten
entwickeln !
Gefahrenbewusst
Handeln!
[email protected]
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