Laserschutz - Praktikum Physik
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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] 15 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 37 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] 40
