Các ứng dụng gia công tinh - Chương 3: Kĩ thuật an toàn khi sử dụng nguồn sáng laser

Chương 3 KĨ THUẬT AN TOÀN KHI SỬ DỤNG NGUỒN SÁNG LASER 3.1 Các chi tiết đặc biệt dùng trong kĩ thuật laser. Các laser công suất cao có thể tự bị phá hủy, các tinh thể, các gương và các chi tiết quang chịu bức xạ laser có mật độ công suất cao dễ bị hỏng. Vì tuổi thọ các laser có ý nghĩa kinh tế lớn nên cần chú ý cách vận hành và bảo dưỡng. Xung laser công suất cao của laser gây nên hỏng hóc thanh hoạt chất, gương và các chi tiết quang nhất Khi bức xạ xung dài ít bị phá hủy hơn.. Sự phá hủy các vật liệu quang xảy ra với các giá trị ngưỡng công suất. Khi lớn hơn ngưỡng ,phá hủy do sự đốt nóng làm chảy và cháy bay hơi . Ví dụ: Laser CO2 với mật độ công suất lớn hơn 108W/cm2 phá hủy tinh thể clo rua Kali làm hỏng thấu kính. Ngưỡng phá hủy phu thuộc vào bản chất vật liệu, khuyết tật, tạp chất và trạng thái bề mặt sau khi gia công lần cuối Các nguyên nhân gây nên sự phá hỏng vật liệu: Sự không đồng nhất của các xung laser. Sự tồn tại các phần tử hấp thụ trong vật liệu. Hiện tượng tự tiêu tụ. Sự tự tiêu tụ: sóng laser làm thay đổi chiết suất vật liệu các chùm tia laser tự thu hẹp đường kính. Sự đánh thủng vật liệu: -do điện tử của vật liệu bị sóng điện từ trường cuả laser kích thích chuyển lên mức năng lượng cao và gây lên sự đánh thủng. - Ngưỡng đánh thủng do khuyết tật, vết xước bề mặt thấp hơn trong lòng vật liệu do nó nảy sinh sự tập trung sóng điện từ trường tại các điểm đó. Gương laser + Gương kim loại: dùng bạc, vàng,gốm đánh bóng… có hệ số phản xạ không quá 90  95% thường chỉ với laser rắn, bán dẫn và laser khí có bước sóng dài. + Gương điện môi nhiều lớp: có tính chất chọn lọc và hệ số phản xạ cao, bảo đảm hệ số phẩm chất của buông cộng hưởng cao và chịu được mật độ năng lượng bức xạ lớn thời gian làm việc dài: Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng giao thoa. Cấu tạo: Gồm rất nhiều lớp điện môi trong suốt có hệ số khúc xạ n1 và n2 với chiều dày quang học bằng một phần tư bước sóng bức xạ: Hình 3.1 Gương nhiều lớp điện môi Các chất liệu để chế tạo gương laser nhiều lớp: Vật liệu Chiết xuất(=0,7µ) Vùng phổ truyền  qua(µm) Thông số quan trọng của gương: mật độ công suất tới hạn mà gương chịu được Trong laser công suất cao ngoài lớp điện môi người ta còn sử dụng dạng các tấm có chiết suất cao như saphia được đánh bóng và mài song song. Sự phản xạ do hiệu ứng giao thoa xảy ra. Hệ số phản xạ được tính bằng biểu thức: Số tấm Hệ số phản xạ Các bề mặt cần phải “tuyệt đối sạch”, các bụi bẩn trên gương đầu thanh hoạt chất, van, tấm phản xạ có trong buồng cộng hưởng có thể gây nên sự đốt cháy gây phá hủy bề mặt. Ví dụ: Chi tiết quang trong laser khí CO2 nếu sạch chịu được thử nghiệm 1000 W/cm2/ 20 giờ. Còn khi bụi bẩn chịu được nhỏ hơn 100W/cm2. Với các chi tiết quang có lớp phủ phản xạ hoặc truyền qua các phẩn tử hấp thụ trên bề mặt các lớp gây lên sự phá hủy cho nên cần làm sạch các lớp phủ Về phương pháp làm sạch các lớp phủ: Vật liệu cứng: TiO2, SiO2… bền, chịu nước dùng làm lớp phủ giảm phản xạ trong các vùng sóng tử ngoại, nhìn thấy và phổ hồng ngoại gần. Vật liệu cứng vừa: ZnS, F2Th…ùng trong gương laser CO2 vì có sự hấp thụ như trong vùng hồng ngoại, kém bền trong nước và hơi nước. Vật liệu mềm: ít dùng vì hoa tan trong nước và kém bền về cơ học.. Với vật liệu cứng làm sạch bằng các dung môi và lau bằng vái mềm và sạch. Với vật liệu cứng vừa: dùng các dung dịch như axeton sau đó dùng khí khô N2 làm sạch. Vật liệu mềm hiện nay không sử dụng, song với laser cũ thì nên chỉ dụng khí N2 khô thổi làm sạch. 3.2 Kỹ thuật an toàn đối với người khi làm việc với laser Việc sử dụng laser gắn liền với những nguy cơ mất an toàn. Trước hết là sự gây tổn thương cho mắt và tia laser có công suất cao gây lên những vết bỏng da. Đặc biệt là sự tác động của tia laser là tức thời và qua không khí nên dễ xảy ra khi bất cẩn và không để ý, hơn nữa do tia laser có thể được tiêu tụ với vết rất nhỏ có cường độ năng lượng rất lớn nên đặc biệt nguy hiểm. C¸c d¹ng ph¸t cña Laser Ph¸t liªn tôc ( CW -continuous Wave) watt (W) - Unit of power or radiant flux (1 watt = 1 joule per second). Joule (J) - A unit of energy Energy (Q) The capacity for doing work. Energy content is commonly used to characterize the output from pulsed lasers and is generally expressed in Joules (J). Irradiance (E) - Power per unit area, expressed in watts per square centimeter. Time Ph¸t Xung-Pulsed (Q-switched) 3.2.1 Các tác động vật lý. Nguy hiểm nhất của tia laser là với võng mạc- điểm nhạy cảm nhất của mắt, thủy tinh thể và sau đó là da. Võng mạc nhạy cảm nhất với laser ở bước sóng nhìn thấy 0,4 μm < λ< 0,7 μm và vùng gần hồng ngoại 0,7μm < λ< 1,4 μm. Laser ở vùng cực tím λ< 0,4 μm không nhạy cảm với võng mạc song dễ gây tổn thương tới thủy tinh thể. Thủy tinh thể có thể bị tác động bởi laser ở các bước sóng bất kỳ. Hình 3.1 Đặc trưng phổ của mắt người Sự tác động lên võng mạc sẽ lớn hơn rất nhiều so với khi ta quan sát ở ngoài vì vết hội tụ ở võng mạc có thể đạt tới 20 μm. Độ tăng tỉ lệ công suất tỉ lệ (dp/dr)2 với dp là đường kính pu-pin mắt và dr là đường kính hội tụ lên mõng mạc. Ví dụ: dp ≈ 5 mm, dr ≈ 20. 10-3mm thì mật độ công suất lên 6.104 lần so với mật độ công suất khi vào mắt. Mắt là nơi nguy hiểm nhất ngay cả khi các bộ phận khác chưa đạt đến độ nguy hiểm. Hinh 4.1 Mật độ công suất nguồn trải rộng và nguồn điểm tại võng mạc 3.2.1.2 Tác dụng lên mặt da Hình 3.2 Khả năng phản xạ của da người 3.2.1.3 Mối nguy về điện Trong số các loại laser thiết thực chủ yếu, như laser khí, laser chất rắn, laser chất nhuộm, và laser chất bán dẫn, trừ các loại laser bán dẫn ra thì tất cả đều yêu cầu hiệu điện thế cao, và thường là dòng điện cao, để tạo ra chùm tia. Cho dù là điện thế cao được áp trực tiếp vào môi trường laser chính hay vào đèn bơm hoặc laser bơm, thì nó vẫn có mặt tại một số điểm trong hệ thống. Tình huống đặc biệt nguy hiểm được tạo ra trong laser là nó vẫn có thể tích điện thế cao trong các tụ điện hoặc những bộ phận khác một thời gian lâu dài sau khi laser đã tắt. C¸c d¹ng t¸c h¹i kh¸c T¸c h¹i hãa: trong c¸c laer ho¸ , excimer, khãi hµn c¾t C¸c gi¶i sãng: hång ngo¹i , tö ngo¹i KhÝ nÐn: ch¸y næ T¸c dông sãng tia X 3.3 Các tiêu chuẩn qui định an toàn khi làm việc với laser theo ANSI Standard (Z136.1) Yêu cầu cơ bản là không để tia laser có công suất lớn hơn ngưỡng cho phép tác dụng lên da và mắt với độ dài sóng và thời gian tác dụng gây nên tổn thương. Các biện pháp: - Ngăn cản bằng vật chắn. - Đảm bảo sự kiểm tra khống chế, loại trừ tia laser tác động khi lắp ráp hiệu chỉnh không bằng tia laser. -Biện pháp ngăn cản chủ yếu ở phân xưởng với công nhân. -Biện pháp kiểm tra khống chế dùng các thiệt bị đo và các kĩ sư và chuyên gia lành nghề. -Phổ biến nhất với mắt là dùng kính bảo vệ được đặc trưng bởi mật độ quang đối với bước sóng bảo vệ -Có báo hiệu nguy hiểm -Các cửa che an toàn. Tiêu chuẩn ANSI ( American National Standarts United). Nó không phải một giới hạn chặt chẽ giữa an toàn và không an toàn mà nó chỉ là phản ánh sự hoàn thiện của việc nghiên cứu các hiện tượng nguy hiểm. Gồm các lĩnh vực Xây dựng mức cho phép cực đại của bức xạ laser Phân loại laser tương ứng với các mức nguy hiểm Xác định các biện pháp an toàn thực tế đối với mỗi mức Một đặc điểm quan trọng của ANSI: Phân cấp laser theo mức độ nguy hiểm về khả năng gây ra các tổn thương sinh học với nhãn cảnh báo về bức xạ, hình 3.5 Hình 3.5 Nhãn cảnh báo phóng xạ Cấp I ( Class I): là các laser với mức công suất bức xạ không gây nên một mức độ nguy hiểm nào đã biết. Cấp IA : là laser thiết kế riêng cho các ứng dụng không thể chiếu vào mắt người như máy in, quét …có công suất nhỏ hơn 4mW. Cấp IIA: là các laser liên tục công suất thấp ở vùng khả kiến. Bức xạ trên laser cấp I nhưng nhỏ hơn 1mW. Phản ứng trước độ chói của ánh sáng laser sẽ bảo vệ con người. Gây nên tổn thương khi nhìn với thời gian dài. Cấp IIB: Laser có công suất tức thời ( với laser liên tục từ 1-5m W), mà bức xạ của nó sẽ gây thương tổn nhìn trực tiếp trong chùm tia. Đa số các laser trình chiếu là thuộc loại IIB. Cấp IIIA: Các laser không gây nên tổn thương khi nhìn trong tời gian ngắn , song sẽ gây nên tổn thương nếu có thấu kính quang hội tụ. Cấp IIIB : Gồm phần lớn các nguồn laser hiện đại có khả năng gây nguy hiểm khi nhìn trực tiếp. Cấp IV: Các laser công suất cao, liên tục trên 500mW, xung 10J/s hoặc phản xạ phân tán..Gây tổn thương khi nhìn trựctiếp và cả khi tán xạ, gây nên bỏng da Cần thiết phải kiểm soát được dễ dàng đối với laser cấp IV. Bảng phân loại một số laser thông dụng theo ANSI. Laser  (m) Loại I Loại II Loại III Loại IV Lưu ý: - Các laser ở bảng là ngưỡng của xung 1 tần số. - Khi là laser có tần số xung cao ngưỡng chọn sẽ phải thấp hơn bảng Các biện pháp an toàn ứng với chuẩn ANSI Tên gọi cấp Loại laser Biện pháp bảo hiểm I Các laser không nguy hiểm Không cần thiết II Các laser công suất nhỏ ở vùng nhìn thấy Theo các chỉ dẫn in trên laser III Laser công suất trung bình 11 biện pháp: Bảo vệ mắt,  làm việc trong buồng đặc biệt, hạn chế đường đi tia, các chỉ dẫn cụ thể và học các thao tác IIIa Các laser liên tục <1 ÷ 5 mW Không cần đủ 11 biện pháp  của laser cấp III. IV Các laser công suất cao 17 biện pháp ( thêm 6 biện  pháp so với laser loại III ) Dấu hiệu cảnh báo mức độ nguy hiểm của ANSI Dán ngoài thiết bị sử dụng - “Caution”: Đối với laser cấp II và IIIa. Nền vàng, biểu tượng và chữ màu đen. - “Danger”: Đối với các laser IIIa, IIIb or VI. Nền trắng đen, kí hiệu nguồn laser màu đỏ, với đường viền và chũ màu đen. Dấu hiệu cảnh báo của ANSI trong thời gian sửa chữa: Nền trắng với biểu tượng laser màu đỏ, với nền màu xanh nước biển và chữ màu đen. -B¶o vÖ m¾t -Che kÝn ®­êng ®i cña chïm tia laser -B¶o vÖ m¾t theo møc ®é nguy hiÓm khi lµm viÖc thùc tÕ -Dïng kÝnh, mÆt nạ .. B¶o vÖ víi c¸c nguy hiÓm liªn quan -T¸c dông ho¸ häc: g¨ng tay, läc khãi.. -T¸c dông ®iÖn: che kÝn, c¸ch ®iÖn -T¸c dông víi mắt vµ da: mang kÝnh, kiÓm tra.. §o kiÓm tra: -§o gi¸ trÞ lín nhÊt cho phÐp -Vïng nguy hiÓm chung cÇn thiÕt ®èi víi laser cÊp 3b vµ 4 §o kiÓm tra v¬i cÊp 4 §iÒu khiÓn kho¸ tõ xa -§iÒu khiÓn ng¾t chïm s½n sµng, ng¨n ngõ tiÕp xóc víi bóc x¹ laser ngay c¶ khi kh«ng sö dông §o kiÓm tra v¬i cÊp 4 §iÒu khiÓn kho¸ tõ xa -§iÒu khiÓn ng¾t chïm s½n sµng, ng¨n ngõa tiÕp xóc víi bóc x¹ laser ngay c¶ khi kh«ng sö dông §o kiÓm tra vïng Laser CÊp 3b: -D¸n c¶nh b¸o nguy hiÓm t¹i n¬i vµo vµ vïng ®iÒu khiÓn -H¹n chÕ ra vµo -Nh©n viªn ph¶i cã hiÓu biÕt vÒ an toµn laser -H¹n chÕ ng­êi nhìn trùc tiÕp CÊp 4: -c¸c nut c¶nh b¸o râ rµng -Kho¸ kh«ng trÔ §o kiÓm tra- d¸n nh·n thiÕt bÞ TÊt c¶ c¸c lo¹i laser trõ Class 1 cÇn ®­îc d¸n nh·n riªng Vá b¶o vÖ kh«ng ®­îc më khi bá kho¸, cÇn chØ thÞ nguy c¬ t¸c h¹i cña laser