WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
3 Содержание Р а з д е л 1. Лазерная безопасность............................................................ 4 1.1. Определение параметров лазерного пучка......................................... 5 1.1.1. Соотношения энергетических и пространственных параметров лазерного пучка........................................................................................ 5 1.1.2. Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической системой....................................................................................................... 8 1.2. Расчёт предельно допустимых уровней лазерного излучения при воздействии на глаза и кожу........................................................................ 10 1.2.1. Общие характеристики воздействия............................................ 10 1.2.2. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 180 < 380 нм.......... 12 1.2.3. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 380 < 1400 нм......... 13 1.2.4. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 1400 < 105 нм......... 17 1.3. Средства защиты от лазерного излучения........................................... 19 1.4. Расчет уровней лазерного облучения и границ лазерно опасной зоны.... 19 1.4.1. Уровни облучения и границы ЛОЗ, создаваемые прямым и отраженным лазерным излучением....................................................... 20 1.4.2. Уровни облучения, создаваемые излучением, рассеянным в атмосфере или в воде............................................................................... 22 1.5. Порядок проведения расчетов.............................................................. 25 Р а з д е л 2. Искусственное освещение производственных помещений.... 29 2.1. Системы искусственного освещения................................................... 29 2.2. Общие вопросы проектирования осветительных установок............. 30 2.3. Расчет искусственного освещения 31 2.3.1. Расчет искусственного освещения по методу коэффициента использования светового потока............................................................ 2.3.2. Расчет искусственного освещения точечным методом............. Р а з д е л 3. Защитное заземление............................................................... 3.1. Назначение, принцип действия и область применения..................... 3.2. Типы заземляющих устройств.............................................................. 3.3. Расчет защитного заземления............................................................... Приложения........................................................................................................ Список литературы............................................................................................ Р а з д е л 1. ЛАЗЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Лазерные технологии неотделимо вошли практически во все сферы деятельности. Лазерная отрасль интенсивно развивается, продолжает получать новые применения и открывать новые возможности. Но замечательные свойства лазерного излучения, которые способствуют выполнению множества технологических операций над разнообразными материалами, вместе с тем создают и высокую опасность поражения человека.

Высокая мощность лазерного излучения ведёт к возможности поражения за малое время. Малый размер пучка способствует сосредоточению энергии на локальном участке. Из-за малой расходимости сохраняется опасность поражения при распространении пучка на большие расстояния. В зависимости от условий облучения можно получить поверхностный либо проникающий ожог кожи, опасно повысить внутриглазное давление, повредить сетчатку глаза.

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на организм определяются механизмами взаимодействия излучения с тканями (тепловой, фотохимический, ударно-акустический и др.) и зависят от длины волны излучения, длительности воздействия, длительности отдельных импульсов, частоты следования импульсов, площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Конечно, правила эксплуатации лазеров предусматривают использование защитных очков, лицевых щитков и насадок, защитной спецодежды, наличие предупреждающих надписей и опознавательных знаков, проведение медицинского осмотра персонала, применение средств дозиметрического контроля и устройств блокировки, прерывающих работу излучателя в случае опасности.

Однако лазерные технологические установки содержат не только сам генератор квантового излучения и защитный корпус, а часто включают направляющие зеркала и призмы, линзы, световоды. Не исключена опасность, что пучок излучения случайно отразится и распространится далеко в сторону от установки. При этом наличие опасности от невидимого излучения может быть неочевидно.

Вообще при эксплуатации лазерных установок на обслуживающий персонал могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы:

- лазерное излучение (прямое, отраженное и рассеянное);

- сопутствующие ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения от источников накачки, плазменного факела и материалов мишени;

- высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;

- электромагнитное излучение от рентгеновского до радиочастотного диапазона, которое может возникать от элементов лазерной установки;

- повышенная температура поверхностей обрабатываемого изделия;

- шум;

- вибрация;

- продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;

- токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой, систем охлаждения и др.;



- опасность взрыва в системах накачки лазеров;

- напряженность анализаторных функций (зрение, слух).

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

1.1. Определение параметров лазерного пучка 1.1.1. Соотношения энергетических и пространственных параметров лазерного пучка Реальные лазерные пучки могут иметь различную геометрическую структуру и распределение интенсивности по сечению. Известно большое число промышленно выпускаемых лазеров, работающих в одномодовом режиме, то есть излучающих на основной поперечной моде ТEM00. Распределение интенсивности в сечении таких пучков c хорошей точностью можно аппроксимировать функцией Гаусса. В многомодовом режиме работы интенсивность в сечении пучка распределена случайным образом (особенно для импульсных лазеров). Для простоты в дальнейшем будем считать, что при работе лазера в многомодовом режиме распределение интенсивности равномерно по сечению пучка.

В паспортных данных лазеров обычно указываются длина волны излучения, мощность (при непрерывном режиме работы), энергия в импульсе (при импульсном режиме работы), расходимость излучения, диаметр пучка на выходе лазера, частота следования и длительность импульсов.

Основные пространственные параметры гауссова лазерного пучка – расходимость пучка, рад; конфокальный параметр 2dл, м; радиус перетяжки rпeр, м (рис. 1.1). Под расходимостью лазерного излучения могут понимать разные характеристики. Пространственная расходимость определяется плоским или телесным углом на заданном уровне интенсивности, который устанавливается по отношению к её максимальному значению. И различают энергетическую расходимость, определяемую по заданной доле энергии или мощности, заключенной внутри конуса расходимости. Диаметр d0 лазерного пучка, связанный линейно с расходимостью, определяется аналогично как диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности.

2rпер d0 = 2r2dл Рис. 1.1. Основные пространственные параметры гауссова пучка Обозначим уровень ограничения пространственной расходимости через m, соответствующую расходимость – m, рад; радиус сечения лазерного пучка – rm, м. Уровень ограничения энергетической расходимости обозначим через n, энергетическую расходимость – n, рад; радиус сечения пучка – rm, м. Наиболее употребительными значениями уровней ограничения m в настоящее время являются: 0,5; 1/е; 1/е2 (ограничение по интенсивности), а уровня ограничения n – 0,7 и 0,9 (ограничение по доле энергии).

Далее в расчетах мы будем применять только уровень m ограничения расходимости m, равный 1/е2, поэтому для упрощения при обозначении расходимости и радиуса сечения пучка индекс будем опускать: и r.

Распределение энергетической освещенности в сечении гауссова пучка описывается выражением:

E = Emax exp(-2h2 / r2), (1.1) где E – энергетическая освещенность в данной точке сечения пучка, Вт/м2;

Emax – энергетическая освещенность на оси пучка; h – расстояние от оси пучка до данной точки, м; r –радиус сечения пучка при ограничении расходимости по уровню 1/е2, м. Из формулы (1.1) следует:

m = E / Emax = exp(-2h2/r2). (1.2) где rm – радиус сечения пучка при ограничении по уровню m, м.Тогда можно показать, что:

r = rm / - 0,5ln m = rm К, (1.3) где через К обозначается коэффициент приведения.

Нетрудно увидеть, что для гауссовых пучков существует простая связь уровней ограничения m и n: n = 1 – m.

Значения коэффициента приведения К в зависимости от уровней ограничения m или n приведены в табл. 1.1.Там же даны формулы для приведения численного значения расходимости и радиуса пучка к уровню ограничения по интенсивности 1/е2. Нетрудно видеть также, что:

m1 К1 = m2 К2. (1.4) Т а б л и ц а 1.1. Коэффициент приведения параметров лазерного излучения к уровню 1/еУровень Уровень Коэффициент ограничения ограничения Формулы приведения пространственной энергетической приведения К расходимости m расходимости n 0,1 0,9 0,1/е2 0,865 1, = m·К 0,2 0,8 1,r = rm·К 0,3 0,7 1, = n·К 1/е 0,632 1,r = rn·К 0,4 0,6 1,0,5 0,5 1,Распределение энергетической освещенности в сечении гауссова пучка лазера определяется следующей формулой:

2P 2hE = - exp, (1.5) - 2 r r где Р – мощность непрерывного излучения, Вт.

Зависимость радиуса сечения пучка r от расстояния а вдоль оси пучка вычисляется из выражения:

rm = - d + а, (1.6) л где а – расстояние от перетяжки до данного сечения пучка (для простоты а считается далее от центра резонатора), м. Конфокальный параметр 2dл можно рассчитать по паспортным данным лазера:

2dл = 8 / 2. (1.7) Если в паспорте расходимость пучка задана на уровне 0,5, нужно привести ее значение к уровню 1/е2 (по табл. 1.1).

Для инженерных расчетов удобно пользоваться приближенной формулой:

r = r0 + l, (1.8) где 2r0 = d0 – начальный диаметр пучка (на выходном отверстии лазерной установки), м; l – расстояние от выходного зеркала лазера, м.

С точки зрения безопасности, чаще всего достаточно рассчитать максимальную энергетическую освещенность (на оси пучка):

Emax = 2P/ r2. (1.9) Для нахождения энергетической освещенности пучка лазерного излучения с равномерным распределением интенсивности в сечении используется соотношение:





Eрав = P/ r2, (1.10) где r определяется по формуле (1.8).

Все приведенные формулы и соотношения даны для лазеров с непрерывным излучением. Для импульсного режима работы лазеров следует в формулах заменить мощность непрерывного излучения Р (Вт) энергией импульсного лазерного излучения W (Дж), энергетическую освещенность Е (Вт/м2) энергетической экспозицией Н (Дж/м2).

1.1.2. Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической системой Во многих устройствах при помощи оптической системы осуществляется управление режимом излучения и взаимодействием пучка излучения с объектом. Оптическая система может быть применена для увеличения или уменьшения диаметра пучка, расходимости или фокусировки лазерного пучка и др. Расчет нормируемых параметров лазерного излучения, прошедшего через оптическую систему, производится так же, как и для прямого облучения, но за исходные данные принимаются параметры пучка, преобразованного оптической системой. Если известны параметры оптической системы и пучка лазера, то параметры преобразованного пучка рассчитываются.

Так, при использовании однокомпонентной оптической системы конфо кальный параметр преобразованного гауссова пучка 2d, его расходил мость ' и мощность P' определяются по следующим формулам:

2( f ) dл 2dл =, (1.11) ( f + а) + dл ' = dл dл, (1.12) P' = P·ос, (1.13) где dл – половина конфокального параметра пучка лазера, м; f ' – фокусное расстояние оптической системы, м; ос - коэффициент пропускания оптической системы для длины волны лазерного излучения. Если оптическая система – многокомпонентная, то последовательно рассматриваются параметры пучка после преобразования каждым элементом оптической системы.

Весьма типичным случаем является отражение лазерного пучка от первой поверхности оптической системы (линзы, объектива, призмы и т.п.), а иногда опасные отражения могут быть и от последующих поверхностей оптической системы. Формы преобразования лазерных пучков при отражении от сферических поверхностей показаны на рис. 1.2. Лазерный пучок преобразуется и приобретает новые пространственные параметры.

Прежде всего необходимо определить фокусное расстояние зеркальной поверхности:

- для вогнутой: f ' = rсф /2; (1.14) - для выпуклой: f ' = – rсф /2. (1.15) Параметры исходного гауссова пучка определяется из соотношений (1.5) – (1.9), а конфокальный параметр отраженного пучка 2dл и его расходимость ' находится также как при облучении прямым гауссовым пучком.

ЛАЗЕР ЛАЗЕР б) а) Рис. 1.2. Отражение гауссова пучка лазерного излучения от вогнутой (а) и выпуклой (б) сферических зеркальных поверхностей При этом расстояние от отражающей поверхности до перетяжки преобразованного пучка определяется согласно формуле:

( f )2( f + ) a' = f ' –. (1.16) ( f + )2 + d Расчет уровней облучения и ЛОЗ, создаваемых гауссовых пучком, отраженным от сферической поверхности, аналогичен расчету для прямого гауссова пучка: при этом за исходные данные принимаются параметры отраженного пучка с учетом ослабления мощности при отражении. В большинстве случаев ЛОЗ, создаваемая отраженным от сферической поверхности пучком, короче и шире, чем ЛОЗ при прямом облучении.

При ориентировочных расчетах коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности стеклянной оптической детали принимается равным 0,96 (потому что потери на френелевское отражение обычно принимаются равными 4 %). А более точное значение рассчитывается из соотношения:

= (nпр – 1/nпр + 1)2, (1.17) где nпр – коэффициент преломления материала оптической детали для данной длины волны излучения лазера.

Радиус сечения преобразованного пучка с равномерным распределением интенсивности при отражении от зеркальной поверхности будет:

- от выпуклой: r = (d0 + l1)(l2 + 0,5 rсф) / rсф ; (1.18) - от вогнутой поверхности:r = (d0 + l1)(l2 – 0,5 rсф) / rсф. (1.19) где d0 – диаметр пучка на выходе лазера, м; l1 – расстояние от выходного зеркала лазера до отражающей поверхности, м; l2 – расстояние от отражающей поверхности до данной точки, м; rсф – радиус сферической поверхности, м. Формула (1.19) применима для ситуации, когда l2 больше фокусного расстояния сферической поверхности. При l2, близком к фокусному расстоянию, следует пользоваться следующей формулой для расчета радиуса сечения отраженного пучка:

r = rсф /4. (1.20) Расходимость отраженного пучка будет равна:

' = 2 arctg[(d0 + l1) / rсф]. (1.21) Энергетическая освещенность на роговице или коже определяется выражением:

P a1aE =, (1.22) r где а1 и а2 – коэффициенты пропускания среды на пути до оптического элемента и после него.

1.2. Расчёт предельно допустимых уровней лазерного излучения при воздействии на глаза и кожу 1.2.1. Общие характеристики воздействия В соответствии с СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» устанавливаются предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн 180 – 105 нм при различных условиях воздействия на глаза и кожу человека. ПДУ лазерного излучения определяются по-разному для различных условий облучения.

Сначала рассмотрим следующие два случая:

- однократное воздействие, которое соответствует случайному воздействию излучения с длительностью не превышающей 3·104 с. Тогда ПДУ при однократном воздействии это те уровни излучения, при воздействии которых существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме работающего.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.