Schutz vor Laserstrahlung Dr.rer.nat.Dipl.Phys. Ulrich ... · wird aber nicht wahrgenommen => kein...

Schutz vor Laserstrahlung

Unterweisung nach Unfallverhütungsvorschrift „Laserstrahlung“ BGV B2

Dr. Ulrich Bianchi

(Stand 2010)

Schutz vor Laserstrahlung Dr.rer.nat.Dipl.Phys. Ulrich Bianchi

Laserschutz

Inhalt:

► Warum Laserschutzunterweisung?

► Gefahren von Laserstrahlung

► Schutzmaßnahmen

► Verhalten im Laserbereich und im Schadensfall

► Wirkungen von Laserstrahlung

► Wechselwirkungen mit dem Auge

► Wechselwirkungen mit der Haut

► Definition der Grenzwerte

► Laserklassen

► Kennzeichnung der Lasereinrichtungen

► Abgrenzung und Kennzeichnung der Laserbereiche

► Weitere Schutzmaßnahmen

► Das menschliche Auge

Dr. Ulrich Bianchi, 2010

► Was ist ein Laser?


WarumLaserschutz-Unterweisung?

Unfallverhütungsvorschrift "Laserstrahlung" (BGV B2)

verlangt beim Betrieb von Lasern u. a.:

► Unterweisung der (betroffenen) Mitarbeiter (§8)

(bei Lasern >= Klasse 2)

►Wiederholung der Unterweisung

mindestens einmal jährlich

► Aufzeichnungen über die Unterweisungen

► Anzeige der Laser (Klassen 3R, 3B und 4) bei Berufsgenossenschaft und

Gewerbeaufsichtsamt. Verantwortlich: Projektleiter (Laserklassen >= 3R)



Was ist ein Laser?

LASER: Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“

(Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung)

� Der Laser ist ein Lichtverstärker

Wechselwirkung Licht-Atom (ΔE = h*ν):

3 Prozesse:

Absorption (B12) Spontane Emission (A21) Stimulierte Emission (B21)

Energie (Licht)

E=h*ν

h*ν h*ν2 h*ν

∆E=h*v ∆E ∆E

e-


Kern (+)

Ratengleichung (2Niveaus): A, B: Einsteinkoeffizienten

N1

N2


Was ist ein Laser?► Bedingung für Laseraktion (stimulierte Emission):

Energiezufuhr („Pumpen“ ; elektrisch, optisch, chemisch)

� Mehr Atome angeregt, als im Grundzustand (sonst überwiegt Absorption).

� Verstärkung > Verluste

► Erhebliche Verlängerung der Verweildauer des Lichts im Laser � „Resonator“

Spiegel R~100%

Spiegel R~98%;T~2%

Lasermedium

Resonator

Nutzbarer Strahl

Energiezufuhr („Pumpen“)

Laserlicht



Gefahren von Laserstrahlung

Beim Umgang mit Lasern besteht ein primäres Gefährdungspotential durch den Kontakt mit dem Laserstrahl (direkt oder diffus/spiegelnd reflektiert).

Die Gründe der Gefährlichkeit von Lasern sind vor allem:

► hohe Leistungs- bzw. Energiedichte

► geringe Strahldivergenz

► „Kohärenz“ (Gleichtakt der Wellenzüge)

► „Monochromasie“ (Einfarbigkeit)

� gute „Fokussierbarkeit“



Wirkungen von Laserstrahlung

Schädigungen in Abhängigkeit von Pulsdauer und Bestrahlungsstärke

Quelle: Laserschutz-Unterweisung Laserschutzbeauftragte am Max-Planck-Institut für Polymerforschung Prof. Dr. C. Bubeck und Dipl.-Ing. H. Menges


bis zur unteren Schwelle sind keine biologischen Wirkungen bekannt

die obere Schwelle stellt in etwa die Grenze des technisch Machbaren dar (Tendenz steigend)

Wechselwirkungen mit abnehmender Pulsdauer:

► photochemische Wirkungen:Sonnenbräune, Biostimulation (medizinisch)

► thermische Wirkungen:Sonnenbrand, Koagulation (Eiweißgerinnung), Karbonisierung

► Verdampfung des Gewebes (Laserskalpell)

► Photoablation:Gezieltes Verdampfen von Material (dünne Schichten), Hornhautkorrektur am Auge (med.)

► Photodisruption:Zerstörung von Gewebe durch Kavitation, Zerstörung von Nierensteinen, etc (medizinisch)


Das menschliche Auge


Netzhaut (Retina)

Stäbchen: Nachtsehen

3 Sorten Zapfen: Farbsehen

Macula (gelber Fleck)

Papille (blinder Fleck)

Hornhaut

Netzhaut

Linse


Quelle: www.wikipedia.de

Wechselwirkungen mit dem Auge


Eindringtiefen elektromagnetischer Strahlung in das Auge

Besonders gefährdet ist das Auge, da eine geringfügige Einwirkung durch den Laserstrahl irreparable Schäden hervorrufen kann.




- UVC (100 nm - 280 nm): Absorption an der Hornhaut, Photokonjunktivitis (Bindehautentzündung)

- UVB (280 nm - 315 nm): Photokeratitis (Entzündung der Hornhaut)

- UVA (315 nm - 380 nm): Absorption in der Linse, photochemischer Katarakt (grauer Star)

- VIS (380 nm - 780 nm): hohe Gefährdung v.a. der Netzhaut, photochemische bzw. thermische Wirkung, Vorteil: Lidschlußreflex (< 0,25 s beim gesunden Menschen)

- IRA (780 nm – 1,4 µm): gefährlich, Strahlung dringt bis zur Netzhaut vor, wird aber nicht wahrgenommen => kein Lidschlußreflex => Katarakt

- IRB (1.4 µm – 3.0 µm): Absorption hauptsächlich in vorderer Augenkammer, thermische Schädigung

- IRC (ab 3.0 µm - 1 mm): Absorption in der Hornhaut, thermische Schäden

ACHTUNG !!!bei Lasern besteht in der Regel die größte Gefahr bei Augeneinstellung auf Unendlich(Fernsicht), da dann paralleles Licht maximal auf die Netzhaut (Retina) fokussiert wird!





1mW Laser: 1mW= 0,001W → Im Auge: 1,3*107 W/m2 → E-Verhältnis (1mW Laser / 100W Glühbirne): 21000:1 !

mit 7 mm Grenzblende (max. Pupillendurchmesser) und 100W Strahlungsleistung (nicht el. Leistung! ~ 5kW) der Glühbirme!

Sonne (klarer Tag): ~1000 W/m2

bei 7mm Pupillendurchmesser (3,8*10-5 m2)~ 38mW im Auge, bei 3mm Pupille immer noch 7mW, bei 1mm Pupille 0,8mW!

(5W) (15µW) (30,5W/m2)

(420000:1)


Quelle: Laserschutz-Unterweisung; Laserschutzbeauftragte am Max-Planck-Institut für Polymerforschung Prof. Dr. C. Bubeck und Dipl.-Ing. H. Menges

Brennfleckgrößen auf der Netzhaut (d = 2,44*λ*f/D) Brennweite f=20mm (Durchmesser Augapfel Mensch ca. 24mm)


Brennfleckgröße Pupillendurchmesser in mm

Wellenlänge in nm 7 6 5 4 3 2 1

100 0,7 0,8 1,0 1,2 1,6 2,4 4,9 µm

200 1,4 1,6 2,0 2,4 3,3 4,9 9,8 µm

300 2,1 2,4 2,9 3,7 4,9 7,3 14,6 µm

350 2,4 2,8 3,4 4,3 5,7 8,5 17,1 µm

400 2,8 3,3 3,9 4,9 6,5 9,8 19,5 µm

450 3,1 3,7 4,4 5,5 7,3 11,0 22,0 µm

500 3,5 4,1 4,9 6,1 8,1 12,2 24,4 µm

550 3,8 4,5 5,4 6,7 8,9 13,4 26,8 µm

600 4,2 4,9 5,9 7,3 9,8 14,6 29,3 µm

650 4,5 5,3 6,3 7,9 10,6 15,9 31,7 µm

700 4,9 5,7 6,8 8,5 11,4 17,1 34,2 µm

800 5,6 6,5 7,8 9,8 13,0 19,5 39,0 µm

900 6,3 7,3 8,8 11,0 14,6 22,0 43,9 µm

1000 7,0 8,1 9,8 12,2 16,3 24,4 48,8 µm





Trifft der fokussierte Laserstrahl die Netzhaut, können Sehfeldausfälle auftreten, wird die Macula (Stelle scharfen Sehens) getroffen, so kann die betreffende Person erblinden.

Netzhaut, 5 Tage nach LaserunfallBlutblase (Durchmesser ca. 1,2 mm)

Gleiche Netzhaut, 3 Jahre nach LaserunfallNarbe, Sehstärke 5%

UVA: Katarakt (grauer Star)

Linse

Blutgefäße

Sehnerv

Macula

Pupille

Iris

Netzhaut

(„gelber Fleck“)

Hornhaut

Durchmesser ~ 5mm

(„Blinder Fleck“)

Rubinlaser (694 nm), Puls: 20 ns, 20 mJ


Quelle: Laserschutz-Unterweisung ‚;Laserschutzbeauftragte am Max-Planck-Institut für Polymerforschung ; Prof. Dr. C. Bubeck und Dipl.-Ing. H. Mengesund www.wikipwdia.de

Wechselwirkungen mit dem AugeGrosse Vorsicht ist auch geboten, wenn fokussierende optische Instrumente benutzt werden:

Lupe: Macht divergentes Strahlenbündel parallel(vergrößert den Sehwinkel – mehr Licht)

Teleskop: verkleinert den Strahldurchmesser (höhere Leistungsdichte)




Wechselwirkungen mit der Haut


- UVC (100-280nm): starke Absorption, dringt nur in dünne Oberflächenschicht ein - UVB (280-315nm): Erytheme (Hautrötung), Schwellwert ca. 0,1 J/cm² - UVA (315-380nm): direkte Pigmentierung der Haut, Schwellwert ca. 10 J/cm² - VIS (380-780nm): größte Eindringtiefe, photochemische Prozesse, therm. Wirkungen - IRA (780-1400nm) und IRB (1400-3000nm): Eindringtiefe wird kleiner, Verbrennungen - IRC (ab 3000nm-1mm): Absorption an der Hautoberfläche, Verbrennungen

Eindringtiefe von Laserstrahlung in die Haut



Wechselwirkungen mit der Haut


- Unterscheidung zwischen reversiblen (T < 45°C) und irreversiblen Schäden - Zwischen 45°C und 80°C tritt der Gewebetod ein (Koagulation = Eiweißgerinnung) - Temperatur von 100°C wird trotz weiterer Energiezufuhr gehalten bis das Wasser des Gewebes verdampft ist - Ab 150°C tritt Karbonisierung ein, ab 300°C vergast das Gewebe - Beispiel Finger: CO2-Laser; beim Überprüfen, ob Schutzgas strömt war der Laser bereits eingeschaltet

Thermische Schädigung der Haut


Quelle: Laserschutz-Unterweisung; Laserschutzbeauftragte am Max-Planck-Institut für Polymerforschung Prof. Dr. C. Bubeck und Dipl.-Ing. H. Menges


Definition der GrenzwerteFür den Umgang mit Lasern und vor allem für das korrekte Einschätzen von Gefahrenpotentialen sind die zwei Grenzwerte, welche in der DIN EN 60 825-1 beschrieben sind von Bedeutung:

► Maximal zulässige Bestrahlung (MZB): - Unterscheidung: MZB für Haut bzw. Auge - Grenzwerte wurden durch Experimente (z.B. an Kaninchen) ermittelt - MZB ist stark abhängig von Pulsdauer und Wellenlänge - MZB begrenzt den Laserbereich - MZB ist verantwortlich für die Dimensionierung von Schutzmaßnahmen

(z.B. Schutzstufe der Brille) - Für Einzelpulse gilt z.B. MZB=18*t0,75 J/m2 (t=18µs bis t=10s, 400-700nm)

► Grenzwert zugänglicher Strahlung (GZS):- beschreibt die Lasereinrichtung - Einteilung in Laserklassen

► Laserbereich: Bereich, in dem die MZB überschritten wird.


Laserklassen



Laserklassen


Klasse 1: Laser der Klasse 1 sind völlig ungefährlich, auch bei Beobachtung mit optischen Instrumenten; d.h. der GZS liegt bei größter anzuwendender Zeitbasis von 100 s bzw. 30.000 s unter den MZB-Werten.

Klasse 1M: Neu: Laser der Klasse 1M sind völlig ungefährlich bei Beobachtung ohne optische Instrumente.Mit optischen Instrumenten können die MZB- Werte überschritten werden; die GZS muss jedoch unter den Werten der Klasse 3B liegen. (M= Magnifying Instruments)

Klasse 2: Die Klasse 2 ist nur im sichtbaren Bereich definiert. Laser der Klasse 2 sind sicher auch bei Beobachtung mit optischen Instrumenten. Der Augenschutz wird durch Abwendungsreaktionen einschließlich Lidschlussreflex innerhalb 0,25 s sichergestellt (CW-Laser bis 1mW im Sichtbaren).

Klasse 2M: Neu: Die Klasse 2M ist wie die Klasse 2 ebenfalls nur im sichtbaren Bereich definiert. 2M-Laser sind sicher bei Beobachtung ohne optische Instrumente. Bei Beobachtung mit optischen Instrumenten können jedoch die MZB-Werte für 0,25 s überschritten werden; die GZS muss jedoch unter den Werten der Klasse 3B liegen.

Klasse 3A: Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente, z. B. Lupen, Linsen, Teleskope verkleinert wird. Ist dies nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung imsichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm) bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 s), in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefährlich. (Gestrichen in DIN 60825, 2008)

Klasse 3R: Neu: Laser der Klasse 3R stellen eine geringe Gefahr für das Auge dar (CW-Laser bis 5 mW im VIS). Die GZS-Werte liegen um den Faktor 5 über den GZS-Werten der Klasse 1 bzw. der Klasse 2. (R= Relaxed)

Klasse 3B: Laser der Klasse 3B stellen eine Gefahr für Auge und Haut dar (CW-Laser bis 0,5 W im VIS und IR). Beobachtung diffuser Reflexionen ist für Abstände größer 13 cm für maximal 10 s ohne schädliche Folgen möglich.

Klasse 4: Laser mit höherer Leistungen als Klasse 3B fallen in Klasse 4. Hier ist bereits diffuse Strahlung gefährlich. Erhöhte Brandgefahr.


Kennzeichnung der Lasereinrichtungen



Abgrenzung und Kennzeichnung der Laserbereiche


X X X

X X


Abgrenzung und Kennzeichnung der Laserbereiche


X X

X X X

X X X X


Weitere Schutzmaßnahmen


► Grundsätzlich sind alle Laserexperimente so aufzubauen, dass jede Gefährdung

durch direkte, reflektierte oder gestreute Laserstrahlung verhindert wird.

► Die Verwendung von Lasern der Klasse 3R, 3B oder 4 erfordert zwingend:

� Unterweisung aller Versicherten im Laserbereich! � Schutzbrillen und Justierbrillen � Schutzkleidung (abhängig von Lasertyp) � Schlüsselschalter (Schlüssel ist abzuziehen, wenn der Laser außer Betrieb ist!

Ausnahme: 3R)

► Der Betrieb von Lasern (alle Klassen von 1M bis 4) verlangt:

� Sicherheitsunterweisung durch einen Fachkundigen für alle Anwender � Besucher dürfen nur nach einer Verhaltensunterweisung und in Begleitung

eines mit dem Experiment vertrauten Anwender den Laserbereich betreten.

► Die Schutzeinrichtungen und die Schutzausrüstungen sind zu benutzen (Kl. 3B, 4).


Verhalten im Laserbereich


►Geeignete persönliche Schutzausrüstung verwenden (Klasse 3B, 4)! Passende Laserschutzbrille, Schutzkleidung (Kennzeichnung und Zustand sind vor der Benutzung zu überprüfen)

► Keine reflektierenden Gegenstände in den Strahlengang bringen!Armbanduhr, Schmuck, etc. ablegen!

► Niemals Gegenstände in den eingeschalteten Laserstrahl schiebenoder gar frei in den Strahlengang halten! => höchste Unfallgefahr!

► Immer zuerst den Strahlengang blockieren und danach:- neues Objekt z.B. Probe einsetzen - auf richtige Justage achten


Verhalten im Laserbereich


► Laseraufbauten:

► Wichtig:

� Soweit möglich das Experiment kapseln und mit Schutzschaltung versehen! (kleinst mögliche Laserklasse für das Gesamtexperiment)

� Nach Möglichkeit die Bereiche des frei zugänglichen Strahles so klein wie möglich halten!

� Strahlbegrenzungen einsetzen! (z.B. Strahlstop, schwarz-eloxierte Aluplatten)

� Loch- bzw. Irisblenden als Schutz und Justierhilfe verwenden! (festschrauben nicht vergessen!)

� Strahl für Justierzwecke so weit wie möglich abschwächen!

� Strahl nur abschnittsweise freigeben!

� keine brennbaren Materialien in Strahlnähe bringen (Klasse 3B, 4)!


Quelle Abbildung: Laserschutz-Unterweisung Laserschutzbeauftragte am Max-Planck-Institut für Polymerforschung Prof. Dr. C. Bubeck und Dipl.-Ing. H. Menges

Verhalten im Schadensfall


► Unverzüglich Augenklinik (oder Augenarzt) aufsuchen.(§12 BGV B2: Besteht Grund zur Annahme, dass durch Laserstrahlung ein Augenschaden eingetreten ist, hat der Unternehmer

dafür zu sorgen, dass der Versicherte unverzüglich einem Augenarzt vorgestellt wird.)

Bemerkung:Eine Abnahme des Sehvermögens wird normalerweise von der bestrahlten Person selbst nur dann subjektiv wahrgenommen, wenn der Bereich der Fovea in der Makula betroffen ist. Ein Schaden in diesem Bereich erscheint anfänglich als trüber weißer Fleck, der den zentralen Sehbereich verdeckt und in zwei oder mehr Wochen zu einem dunklen Fleck werden kann. Schließlich wird das Opfer diesen blinden Fleck nicht mehr wahrnehmen. (� Das Gehirn „rechnet“ den Schaden heraus!).

Periphere Wunden werden subjektiv nur dann wahrgenommen, wenn eine größere Beschädigung der Netzhaut stattgefunden hat. Kleine periphere Wunden bleiben unbemerkt und können sogar bei einer systematischen Augenuntersuchung unbemerkt bleiben.

► Meldung an Firma (direkter Vorgesetzter, Verwaltung)

► Versicherungsschutz: Mitarbeiter sind versichert, wenn sie sich berechtigt im Laserbereich aufhalten.


Mikro-Laser: Makro-Laser:

Mikrokelch-Resonator arbeitet als Laser und als Detektor

USA: National Ignition Facility 2 Millionen-Joule UV-Laser


Ein US-amerikanisches Physikerteam hat den bisher kleinsten Laser der Welt gebaut:Das Bauteil besteht aus einem von Quarz umhüllten Goldnanoteilchen und hat einen Durchmesser von lediglich 44 Nanometern. http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/306400.html


Quelle: www.wikipedia.de und www.pro-phyik.de

DANKE

für Ihre Aufmerksamkeit!

Noch Fragen? � www.laserfreak.net


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