Laser und Strahlenschutz

268 Pages·1992·5.913 MB·German

by  Prof. Dr. Jürgen Eichler (auth.)

Jiirgen Eichler
Laser nnd Strahlenschntz
Aus dem Programm
--------------------------------
,-----Physik I Chemie
Wtlhelm H. Westphal
Physikalisches Praktikum
Horst Schwetlick und Werner Kessel
Elektronikpraktikum fdr Naturwissenschaftler
Richard T. Weidner und Robert L. Sells
Elementare moderne Physik
Berkeley Physik Kurs, Bande 1 bis 6
Gerhard Adam und Otto Hittmair
Warmetheorie
Arthur Beiser
Atome, Molekiile, Festkiirper
Otto Nachtmann
Phinomene und Konzepte der Elementarteilchenphysik
Friedrich Schlag!
Probability and Heat
Gert Roepstorff
Pfadintegrale in der Quantenphysik
Gordon M. Barrow
Physikalische Chemie
James S. Fritz und George H. Schenk
Quantitive Analytische Chemie
Andreas Heintz und Guido Reinhardt
Chemie und Umwelt
'-----Vieweg--------------------------------------/
Jiirgen Eichler
Laser
uod Strahleoschutz
II
Vleweg
Anschrift des Autors:
Prof. Dr. Jiirgen Eichler
Technische Fachhochschule Berlin
Luxemburger StraBe 10
W-1000 Berlin 65
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Eichler, Jiirgen:
Laser und Strahlenschutz I Jiirgen Eichler.
- Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1992
ISBN-13: 978-3-528-06483-9
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1992
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ISBN-13: 978-3-528-06483-9 e-ISBN-13: 978-3-322-83940-4
DOl: 10.1007/978-3-322-83940-4
Vorwort
Seit der Realisierung des ersten Lasers im jahre 1960 wird diese neue
Strahlungsquelle in Wissenschaft, Technik und Medizin weltweit in
zunehmenden MaBe eingesetzt. FUr den deutschsprachigen Raum wird
fUr das nikhste jahrzehnt prognostiziert, daB nahezu 200000 Be
schaftigte mit Lasern arbeiten werden. Der Gebrauch von Lasern in
Massenprodukten wie CD-Spielern nimmt stark zu.
Mit der Entstehung der Lasertechnik ergab sich die Notwendigkeit,
einen Strahlenschutz zur Vermeidung von Unfallen zu entwickeln.
Dies erfolgte weilgehend auf internation!A~~ Ebene. Durch die Viel
faIt der Laser bedingt umfaBt gegenw~~tig der Strahlenschutz die
ultraviolette, sichtbare und infrarote .Strahlun,g mit Wellenliingen von
0,2 ~m bis 1 mm. Die Leistungen reichen yom ~W- bis in den GW
Bereich bei Pulslasern. Die Wirkung auf Gewebe kann in thermische,
photochemische und nicht-lineare Effekte unterschieden werden. Be
sonders ist das Auge gefiihrdet, schon sehr geringe Leistungen kon
nen zu Schiiden fUhren.
Der Ausbildung zum Thema "Laser und Strahlenschutz" kommt somit
erhebliche Bedeutung zu. Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen
und Strahlenschutzkursen an der Technischen Fachhochschule Berlin
entstanden. Es wendet sich an jeden, der sich mit Lasern beschiif
tigt.
1m Buch werden zuniichst die Strahlungsquelle und die Eigenschaften
der Laserstrahlung beschrieben, danach die Wirkung von Strahlung
auf menschliches Gewebe und das Auge. Es folgen Kapitel zum
Strahlenschutz und eine Wiedergabe wichtiger Sicherheitsvorschriften
und Normen. Den AbschluB bilden ein Literatur- und Sachwortver
zeichnis.
Ich danke Frau Krohnert, Technische Fachhochschule Berlin, sehr fUr
ihre Hilfe bei der Erstellung des Mauskriptes; Herr C. Delgado, Uni
versidade Federal do Rio de janeiro, hat die Abbildungen gezeichnet.
Die Erlaubnis zum Abdruck der UnfallverhUtungsvorschrift VBG 93
erteilte Herr Kehler, ein Orginal Ubersandte uns Herr Peuker, beide
Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik.
Berlin, im April 1992
Prof. Dr. jUrgen Eichler
- V -
Fur Sascha
Inhaltsverzeichnis
I LASER
1 Lasertypen
1.1 Prinzlplen des Lasers .................................................... .
1.1.1 Eigenschaften von Licht .............................................. 2
1.1.2 Verstarkung von Licht ................................................ 3
1.1.3 Entstehung von Laserstrahlung .................................. 7
1.1.4 Eigenschaften von Laserstrahlung 8
1.2 Parameter von Lasem ................................................... . 10
1.2.1 Wellenlangen und Leistungen ................................... . 13
1.2.2 Abstimmbare Laser ............................................... '" .. . 16
1.2.3 Hochleistungslaser ..................................................... . 17
1.2.4 Kurze Pulse 19
1.3 Beschrelbung von Lasertypen ......................... '" .......... . 22
1.3.1 Infrarot-MolekUllaser ................................................ . 22
1.3.2 Chemische Laser 27
1.3.3 Atomare Laser 28
1.3.4 Ionenlaser ................................................................... . 31
1.3.5 UV-MolekUllaser ....................................................... . 34
1.3.6 Festkorperlaser .......................................................... . 36
1.3.7 Farbstofflaser ............................................................. . 45
1.3.8 Halbleiterlaser 48
1.3.9 Elektronen- und Rontgenlaser ................................... 50
2 Laserstrahlung
51
2.1 Verhalten der Strahlung .. ...... ...... ...... ...... ... ...... ... ... ...... 51
2.1.1 Moden ..................... ...................................................... 51
2.1.2 Ausbreitung der Strahlung ......................................... 53
2.1.3 Fokussierung . ...... ... ...... ... ...... .................. ...... ... ... ... ... ... 55
2.2 Gepulste Strahlung 56
2.2.1 Normaler Pulsbetrieb 56
2.2.2 Gliteschaltung (Q-switch) ........................................... 57
2.2.3 Pulsauskopplung (cavity dumping) ............................. 58
2.2.4 Modenkopplung (mode locking) ................................ 59
- VII -
II STRAHLENWIRKUNG
61
3 Messung der Strahlung
61
3.1 Gra8en des Strahlungsfeldes 62
3.1.1 Strahlungsenergie ...................................................... .. 62
3.1.2 Strahlungsleistung ...................................................... . 62
3.1.3 Bestrahlungsstarke ..................................................... . 63
3.1.4 Bestrahlung ................................................................ . 64
3.1.5 Strahldichte ................................................................ . 64
3.2 Reflexion und Transmission 67
3.2.1 Reflexionsgrad 67
3.2.2 Diffuse Streuung 69
3.2.3 Transmissionsgrad 72
3.3 Me8gerite 74
3.3.1 Leistungsme13gerate .................................................... 74
3.3.2 Energieme13gerate ........................................................ 80
3.3.3 Andere Systeme .................................................... ...... 81
4 Biologische W'rrkung von Laserstrahlung
83
4.1 Optische Eigenschuten yon Gewebe 83
4.1.1 Ausbreitung von Strahlung ........................................ 83
4.1.2 Zur Optik der Haut .................................................... 88
4.1.3 Thermische Eigenschaften von Gewebe 90
4.2 Wirkung yon Strahlung auf Gewebe 93
4.2.1 tibersicht tiber die Wechselwirkungen ..................... 93
4.2.2 Thermische Wirkung ................................................. 95
4.2.3 Photoablation ........................................................... 98
4.2.4 Photodisruption ....................................................... 100
4.2.5 Photochemische Wirkung .... ............ ...... ............ ...... 102
5 Wirkung von Strahlung auf das Auge
103
5.1 Aufbau und Eigenschuten des Auges .................... 103
5.1.1 Anatomie und Funktion des Auges .................... 103
5.1.2 Bilderzeugung und Helligkeit .................................. 107
5.2 Mechanismen der Schidlgung 112
5.2.1 Optische Eigenschaften des Auges ......................... 112
5.2.2 Schadigung des Auges ............................................ 118
5.2.3 Ermittlung der Grenzwerte (MZB) ........................ 123
- VIII -
III STRAHLENSCHUTl
125
6 Maximal zuliissige Bestrahlung (MZB)
125
6.1 MZB fUr das Auge (400 bis 1400 nm) 126
6.1.1 Laserstrahl oder Punktquellen .............................. .. 126
6.1.2 Ausgedehnte Quellen und Streustrahlung ............ . 130
6.1.3 Anwendungen ......................................................... . 132
6.2 MZB fUr das Auge «400 und >1400 nm) .............. . 136
6.2.1 Grenzwerte ............................................................... . 136
6.2.2 Anwendungen ......................................................... . 137
6.3 MZB fUr die Haut (200 bis 106 nm) ....................... . 137
6.3.1 Grenzwerte ............................................................. . 137
6.3.2 Anwendungen .......................................................... . 139
6.4 MZB fUr kompllziertere FaIle .................................. . 140
6.4.1 Mehrere WellenHingen ......................................... . 140
6.4.2 RegelmaBige Pulsfolgen ....................................... . 142
6.4.3 UnregelmaBige Pulsfolgen .................................. . 144
6.4.4 Anwendungen ......................................................... . 145
6.S Sicherheitsabstand und Laserbereich ...................... . 146
6.5.1 Sicherheitsabstand 146
6.5.2 Anwendungen 151
6.5.3 Laserbereich 152
6.6 Messungen zu den Grenzwerten 153
7 Laserklassen
155
7.1 Definition der Laserklassen 156
7.1.1 Klasse 1 157
7.1.2 Klasse 2 158
7.1.3 Klasse 3A 159
7.1.4 Klasse 3B 160
7.1.5 Klasse 4 160
7.2 Vorgehen bei der IOusifizierung ............................. 160
7.2.1 Mehrere Wellenlangen .......................................... 161
7.2.2 Gepulste Laser ....................................................... 161
7.2.3 Schilder zur Lasersicherheit 162
7.2.4 Messungen zu den Laserklassen 164
8 Schutzbrillen
167
8.1 Laserschutzbrillen .................................................... . 167
8.1.1 Definition der Schutzstufen 168
- IX -
8.1.2 Grenzwerte und Auswahl der Brille 170
8.1.3 Beispiele zur Berechnung von Brillen ..................... 174
8.1.4 Brillenfassungen .................................................... 175
8.1.5 Anforderungen 176
8.2 Slchtfenster 177
8.3 Laser-Justlerbrillen 178
9 MaBnahmen zum Strahlenschutz
179
9.1 Apparatlve MaBnahmen 179
9.1.1 Betrieb von Lasergeraten ....................................... 179
9.1.2 Instandhaltung von Lasern ................................... 181
9.1.3 Bau und Installationen ........................................... 182
9.2 Organisatorische SchutzmaBnahmen ....................... 183
9.2.1 Strahlenschutzbeauftragter ................................. 183
9.2.2 Belehrung der Beschaftigen ................................ 185
9.2.3 MaBnahmen nach einem Unfall ............................. 186
9.3 Strahlenschutz bel spezlellen Anwendungen ... ...... ... 186
9.3.1 Laser in Laboren 186
9.3.2 Materialbearbeitung 187
9.3.3 Lasertechnik in der Medizin 190
9.3.4 Laserstrahlenschutz in der MeBtechnik 195
9.3.5 Informationstechnik ............................................... . 195
9.3.6 Veranstaltungstechnik und Laser ........................ . 196
9.3.7 Laser in Schulen ................................................... .. 198
9.4 Sekundiire Gefahren ............................................... . 199
9.4.1 Elektrische Sicherheit 199
9.4.2 Sekundare Strahlung 199
9.4.3 Laserwirkung auf Materialien 200
IV VORSCHRIFTEN
203
10 Normen und Vorschriften zum Laserstrahlenschutz
203
10.1 Zusammenfassung von Vorschrlften . ...... ... ... ... ... 203
10.1.1 Technische Regeln zum Laserstrahlenschutz 203
10.1.2 Allgemeine Sicherheit und StrahlenmeBgerate 205
10.1.3 Auslandische Richtlinien ......................................... 206
10.2 Orglnaltexte zum Laserstrahlenschutz . ... ... ... ........ 207
10.2.1 UnfallverhUtungsvorschrift VBG 93 ..... ................ 208
10.2.2 DurchfUhrungsanweisungen zur VBG 93 ............... 216
literatur
256
Stichwortverzeichnis
259
- X -