בטיחות בלייזרים

בטיחות בלייזרים

ממונה על בטיחות לייזרים באוניברסיטה:

ד"ר גלעד אור

דוא"ל: gilad.orr@ariel.ac.il

טלפון נייד: 054-4537304

הלייזר מצוי בשימוש נרחב בתחומים טכנולוגיים רבים, כגון: רפואה, תקשורת, תעשיה, מחקר, בידור, צבא, משטרה ועוד. אבל, יחד עם היתרונות המושגים בשימושי הלייזר בתחומים הנ״ל, יש להתחשב בעובדה שפגיעתה האקראית של אלומת הלייזר בגוף האדם עלולה להסתיים בנזק ממשי שיש לעשות ככל שניתן כדי למנוע אותו.

המונח לייזר (LASER) נגזר מהמשפט:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

דהיינו, הגברת אור המתקבלת בתהליך של פליטה מאולצת של קרינה. על מהות תהליך הפליטה המאולצת נעמוד בהמשך, כאן נציין רק שתהליך זה מקנה לאלומת הלייזר שתי תכונות חשובות:

  1. קוהרנטיות.
  2. מונוכרומטיות.

להבנת המשמעות של שתי תכונות אלה וחשיבותן המעשית, אתאר את ההבדל בין אלומת הלייזר לבין אור המתקבל ממקורות אחרים.

מקור אור מצוי, כדוגמת מנורת להט או מנורת התפרקות, פולט אור לכל הכיוונים, ובמגוון רחב של צבעים (אורכי גל). תערובת צבעים זו יוצרת אשליה של אור ״לבן״ שבקלות ניתן להפרדה למרכיבי הצבע שיצרו אותו. אלומת הלייזר, לעומת זאת, משוגרת בכיוון אחד, מוגדר, שהוא הביטוי לתכונת הקוהרנטיות המרחבית (קיימת גם קוהרנטיות בזמן, שביטויה הוא שמירה על הפזה). המונוכרומטיות, משמעה צבע (אורך גל) מוגדר. כלומר, אלומת הלייזר הינה אלומת ״אור״ בעלת צבע מוגדר, המשוגרת לכיוון מוגדר, וידוע, במרחב. התוצאה המעשית מתבטאת ביכולת לבצע עבודה יעילה עם אלומת לייזר, מה שלא ניתן (או קשה מאוד) לבצע עם מקורות האור האחרים. הסיבה לכך נובעת מחוקי האופטיקה השולטים על אלומת אור העוברת דרך עדשה אופטית. כידוע, עדשה מסוגלת למקד אלומת אור העוברת דרכה, על מטרה הנמצאת במישור המוקד של העדשה, לכתם בעל קוטר מזערי. צפיפות הספק (או אנרגיה) האלומה על המטרה, נמצאת ביחס ישר להספק (או אנרגיה) אלומת האור העוברת דרך העדשה, וביחס הפוך לריבוע קוטר המוקד שיוצרת האלומה על המטרה. בפועל, לכל עדשה מוגדר אורך מוקד ( Focal Length), המציין את המרחק מן העדשה, על הציר האופטי של העדשה, בו מתמקדת האלומה, העוברת דרכה, לכתם בעל הקוטר הקטן ביותר. מרחק מוקד זה נכון רק לאלומות הבאות אל העדשה במקביל לצירה האופטי, ורק לאלומות אור בעלות אורך גל (צבע) מוגדר, שעבורו תוכננה העדשה. אורכי גל אחרים, או זוויות פגיעה אחרות, יתמקדו במרחקים שונים מאורך המוקד המוגדר לעדשה המסוימת.

אחת התכונות המייחדות את אלומת הלייזר ממקורות האור האחרים היא יכולתה להציג צפיפות הספק (או אנרגיה) גבוהה ביותר, מה שקשה מאוד (או לא ניתן) להשיג באמצעות מקורות האור האחרים. תכונה זו מיושמת ביעילות לחיתוך רקמות בשימושים הרפואיים, ולחיתוך מתכות וחומרים קרמים (ואפילו יהלומים) בשימושים תעשייתיים, אבל אותה תכונה עושה את אלומת הלייזר מסוכנת במקרה של פגיעה בגוף האדם, שלא למטרות רפואיות. צפיפות ההספק מבטאת את עוצמת שטף ההספק, ונמדדת ביחידות של וואט לסמ״ר (W/cm2).

 

מגוון לייזרים במעבדות מחקר:

המניע העיקרי בפיתוח סוגים שונים של לייזרים הוא קבלה של אורכי גל שיתאימו לשימוש זה או אחר. למעשה, אורך הגל הוא הפרמטר העיקרי המבדיל בין הלייזרים השונים, והתאמת השימוש הנתון נקבעת לפי אורך הגל. חלק גדול מהלייזרים מפיקים אלומה המאופיינת ע״י אורך גל יחיד, הנקבע ממבנה רמות האנרגיה שבתווך הלזירה. ישנם לייזרים שבתווך הלזירה שלהם נוצרים תנאים להפקה של שני אורכי גל, ולפעמים גם יותר. בלייזרים אחרים (דיודות) אורך הגל נקבע לפי הטמפרטורה המתפתחת בתווך הלזירה (בצומת PN), ולפעמים ניתן לכוונן את אורך הגל באמצעים אופטיים חיצוניים. בנוסף, ניתן לקבל מאורכי הגל הקיימים אורכי גל אחרים באמצעות הכפלה הרמונית (HG) ומתנדים פרמטריים (OPO).

באוניברסיטת אריאל קיימים מעל כ-40 מעבדות ניסוי בלייזר.

הלייזר מצוי בשימוש נרחב בתחומים טכנולוגיים רבים, כגון: רפואה, תקשורת, תעשיה, מחקר, בידור, צבא, משטרה ועוד. אבל, יחד עם היתרונות המושגים בשימושי הלייזר בתחומים הנ״ל, יש להתחשב בעובדה שפגיעתה האקראית של אלומת הלייזר בגוף האדם עלולה להסתיים בנזק ממשי שיש לעשות ככל שניתן כדי למנוע אותו.

המונח לייזר (LASER) נגזר מהמשפט:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

דהיינו, הגברת אור המתקבלת בתהליך של פליטה מאולצת של קרינה. על מהות תהליך הפליטה המאולצת נעמוד בהמשך, כאן נציין רק שתהליך זה מקנה לאלומת הלייזר שתי תכונות חשובות:

  1. קוהרנטיות.
  2. מונוכרומטיות.

להבנת המשמעות של שתי תכונות אלה וחשיבותן המעשית, אתאר את ההבדל בין אלומת הלייזר לבין אור המתקבל ממקורות אחרים.

מקור אור מצוי, כדוגמת מנורת להט או מנורת התפרקות, פולט אור לכל הכיוונים, ובמגוון רחב של צבעים (אורכי גל). תערובת צבעים זו יוצרת אשליה של אור ״לבן״ שבקלות ניתן להפרדה למרכיבי הצבע שיצרו אותו. אלומת הלייזר, לעומת זאת, משוגרת בכיוון אחד, מוגדר, שהוא הביטוי לתכונת הקוהרנטיות המרחבית (קיימת גם קוהרנטיות בזמן, שביטויה הוא שמירה על הפזה). המונוכרומטיות, משמעה צבע (אורך גל) מוגדר. כלומר, אלומת הלייזר הינה אלומת ״אור״ בעלת צבע מוגדר, המשוגרת לכיוון מוגדר, וידוע, במרחב. התוצאה המעשית מתבטאת ביכולת לבצע עבודה יעילה עם אלומת לייזר, מה שלא ניתן (או קשה מאוד) לבצע עם מקורות האור האחרים. הסיבה לכך נובעת מחוקי האופטיקה השולטים על אלומת אור העוברת דרך עדשה אופטית. כידוע, עדשה מסוגלת למקד אלומת אור העוברת דרכה, על מטרה הנמצאת במישור המוקד של העדשה, לכתם בעל קוטר מזערי. צפיפות הספק (או אנרגיה) האלומה על המטרה, נמצאת ביחס ישר להספק (או אנרגיה) אלומת האור העוברת דרך העדשה, וביחס הפוך לריבוע קוטר המוקד שיוצרת האלומה על המטרה. בפועל, לכל עדשה מוגדר אורך מוקד ( Focal Length), המציין את המרחק מן העדשה, על הציר האופטי של העדשה, בו מתמקדת האלומה, העוברת דרכה, לכתם בעל הקוטר הקטן ביותר. מרחק מוקד זה נכון רק לאלומות הבאות אל העדשה במקביל לצירה האופטי, ורק לאלומות אור בעלות אורך גל (צבע) מוגדר, שעבורו תוכננה העדשה. אורכי גל אחרים, או זוויות פגיעה אחרות, יתמקדו במרחקים שונים מאורך המוקד המוגדר לעדשה המסוימת.

אחת התכונות המייחדות את אלומת הלייזר ממקורות האור האחרים היא יכולתה להציג צפיפות הספק (או אנרגיה) גבוהה ביותר, מה שקשה מאוד (או לא ניתן) להשיג באמצעות מקורות האור האחרים. תכונה זו מיושמת ביעילות לחיתוך רקמות בשימושים הרפואיים, ולחיתוך מתכות וחומרים קרמים (ואפילו יהלומים) בשימושים תעשייתיים, אבל אותה תכונה עושה את אלומת הלייזר מסוכנת במקרה של פגיעה בגוף האדם, שלא למטרות רפואיות. צפיפות ההספק מבטאת את עוצמת שטף ההספק, ונמדדת ביחידות של וואט לסמ״ר (W/cm2).

 

מגוון לייזרים במעבדות מחקר:

המניע העיקרי בפיתוח סוגים שונים של לייזרים הוא קבלה של אורכי גל שיתאימו לשימוש זה או אחר. למעשה, אורך הגל הוא הפרמטר העיקרי המבדיל בין הלייזרים השונים, והתאמת השימוש הנתון נקבעת לפי אורך הגל. חלק גדול מהלייזרים מפיקים אלומה המאופיינת ע״י אורך גל יחיד, הנקבע ממבנה רמות האנרגיה שבתווך הלזירה. ישנם לייזרים שבתווך הלזירה שלהם נוצרים תנאים להפקה של שני אורכי גל, ולפעמים גם יותר. בלייזרים אחרים (דיודות) אורך הגל נקבע לפי הטמפרטורה המתפתחת בתווך הלזירה (בצומת PN), ולפעמים ניתן לכוונן את אורך הגל באמצעים אופטיים חיצוניים. בנוסף, ניתן לקבל מאורכי הגל הקיימים אורכי גל אחרים באמצעות הכפלה הרמונית (HG) ומתנדים פרמטריים (OPO).

באוניברסיטת אריאל קיימים מעל כ-40 מעבדות ניסוי בלייזר.

הגדרת רמות החשיפה המרביות (MPE), שאין בהן סיכונים פוטנציאליים, הינו הצעד הראשון בהתייחסות לענייני הבטיחות הנוגעים לעבודה עם מערכות הלייזר. סף זה משמש אמת מידה להבחנה בין קבוצת הלייזרים שהפעלתם אינה כרוכה בסיכונים כלשהם, לאלה שהפעלתם יוצרת סיכונים אישיים וסביבתיים. הבחנה זו עונה על צורכי הבטיחות של הקבוצה הראשונה, אבל, אין בה כדי לתת מענה מתאים לצורכי הבטיחות של הקבוצה השנייה. הטיפול בקבוצה זו מחייב חלוקה פנימית, נוספת, בהתאם לדרגות הסיכונים הפוטנציאליים הגלומים בה. מחלוקה זו נגזרים גם אמצעי הבטיחות שיש לנקוט, לכל קבוצת סיכון, כדי להבטיח עבודה נטולת סיכונים. לצורך זה נכתבו תקנים לאומיים ובינלאומיים הקובעים אמות מידה לחלוקת מערכות הלייזר לדרגות סיכון מוגדרות, יחד עם סדרה שלמה של אמצעים שיש לנקוט כדי לקיים את דרישות הבטיחות הנגזרות מדרגת הסיכון של מערכות הלייזר השונות. במקביל, בכל מדינה (ומדינת ישראל בכלל זה), בתהליך של תחיקה, מגדירים את התקן הרלוונטי, התקף באותה מדינה, ומוסיפים מערך של תקנות הבאות לתמוך בתקן המסוים ולספק אמצעים לאכיפתו. ככלל, ניתן לומר שכל התקנים והתקנות מטפלים במגוון הנושאים הבאים:

  1. חלוקה של הלייזרים לקבוצות סיכון.
  2. ניהול מערך בטיחות מוסדי.
  3. שילוט ואמצעי התרעה.
  4. הדרכת עובדים.
  5. מיגון אישי.

החלוקה של הלייזרים לדרגות סיכון מאפשרת להתאים ללייזר כלשהו ״חבילת בטיחות״ המותאמת לדרגת הסיכון שלה משתייך הלייזר. שיטה זו מקלה על המשתמש הממוצע לנקוט באמצעים הדרושים להגנתו, שכן תפריט ״חבילת הבטיחות״ נבנה ע״י אנשי מקצוע בעלי ידע בהערכת הסיכונים המיוחדים ללייזר המסוים, ידע שאינו קיים אצל המשתמש הממוצע. החלוקה נעשית לפי דרגת הנזק הפוטנציאלי שאלומת הלייזר מסוגלת לגרום, בהתאם לקריטריונים הבאים:

  1. עוצמתה של האלומה ביחס לערך החשיפה המרבית המותרת MPE שהוגדר בעבורה.
  2. יכולתה של האלומה הישירה, או המפוזרת, לגרום נזק לעין, בהתחשב באמצעי ההגנה הטבעי של רפלקס המצמוץ, שזמן תגובתו המרבי מוערך ב- 0.25 s.
  3. יכולתה של האלומה הישירה לגרום נזק לעור, או לגרום להצתה של חומרים דליקים.

כאמור, הערכים של MPE שהוגדרו ללייזר המסוים מהווים בסיס לסיווגו בדרגות הסיכון.

מערכות הלייזר מחולקות לארבע דרגות סיכון בסיסיות. תיאור דרגות הסיכון, כדלהלן:

דרגה 1: לייזר שאין בו סיכון בכל מצב אפשרי (ערכיו הנגישים קטנים מערכי MPE לעיניים), כולל מצבים של שימוש במכשור אופטי להסתכלות ישירה באלומת הלייזר.

דרגה 1M: לייזר בתחום אורכי הגל 302.5 – 4000 nm שאין בו סיכון בכל מצב אפשרי, אבל עשוי להיות
מסוכן אם המשתמש יוסיף רכיבים אופטיים במהלך אלומתו.

דרגה 2 : לייזר בתחום הנראה (400 – 700 nm) שרפלקס המצמוץ בלבד (תוך 0.25 s) מספק הגנה למשתמש
בכל מצב אפשרי, כולל מצבים של שימוש במכשור אופטי להסתכלות ישירה באלומת הלייזר.

דרגה 2M: לייזר בתחום הנראה (400 – 700 nm) שרפלקס המצמוץ בלבד מספק הגנה למשתמש בכל מצב
אפשרי, אבל הגנה זו עלולה לא להספיק אם המשתמש יוסיף רכיבים אופטיים במהלך אלומתו.

דרגה 3R: לייזר בתחום אורכי הגל (302.5 – 106 nm) שבאלומתו הישירה יש סיכוני עיניים מופחתים
בהשוואה לסיכונים של דרגה 3B.

דרגה 3B: לייזר שאלומתו הישירה מסוכנת לעיניים אבל לא אלומתו המפוזרת.

דרגה 4לייזר שאלומתו הישירה מסוכנת לעור ומסוגלת להצית חומרים דליקים, ואפילו אלומתו המפוזרת
מסוכנת לעיניים.

על מנת לסווג עמדה נדרש להזמין 'מעבדה מאושרת' (בודק חיצוני המאושר ע"י משרד הכלכלה) 

 

אמצעי בטיחות הנדסיים ומנהליים

סיווגו של לייזר נתון, באחת מדרגות הסיכון, מאפשר לתפור לו ״חבילת בטיחות״ התואמת את אופיים של הסיכונים הגלומים בו. אמצעי הבטיחות כוללים אמצעים הנדסיים ומנהליים, שיחד מהווים מערך שלם שקיומו הקפדני מבטיח הגנה על העובד מפני הסיכונים הקיימים במהלך העבודה עם הלייזר, ובסביבתו.

אמצעי הבטיחות ההנדסיים כוללים חוסמי אלומה, אינטרלוק (כאשר נדרש), וילון.

 

שילוט ואתראה

כאשר מקור שיש בו סיכונים פוטנציאליים מוצב במקום כלשהו, יש חובה להביא עובדה זו לידיעת הגורמים העשויים להימצא (או להיקלע) בסביבת הסכנה. הדרך המקובלת לעשות זאת היא באמצעות הצבת שילוט שמכיל כיתוב מתריע מפני הסכנה הקיימת, יחד עם סמלים מוסכמים ומקובלים לציון מקור הסיכון הנתון. השילוט נמנה על קבוצת האמצעים המנהליים שבהם יש לנקוט להבטחת שלומו ובריאותו של העובד הסטודנט או כל 'עובר אורח' היכול להימצא באיזור השימוש בלייזר.

 

הדרכת עובדים וסטודנטים

כל עובד וסטודנט באוניברסיטת אריאל אשר מעוניין להשתמש/להשתתף בניסוי בלייזר מחוייב לעבור פעם בשנה הדרכה בטיחות ע"י ממונה בטיחות לייזר .

הדרכה ראשונית ולאחר מכן הדרכות ריענון כל שנה.

האחריות הינה על מחזיק המקום במעבדה, קרי החוקר המוביל את המחקר ותפקידו לדאוג לכך שכל מי שעובד במעבדה עבר הדרכת בטיחות. כלל זה כמובן גם על מרצה אשר מעביר מעבדה הוראה עם אמצעי לייזר.

 

ציוד מגן אישי

קיום קפדני של דרישות הבטיחות אמור למנוע כל אפשרות שהעובד או הסטודנט ייחשף לאלומת לייזר בשיעור העובר את הערכים המוגדרים ע״י MPE. אולם, תאונות עלולות לקרות, ויש לקחת בחשבון שלמרות כל ההגנות ייתכנו מקרים שהעובד ייחשף לאלומה במידה שיש בה כדי לגרום נזק. מסיבה זו, וכחוליה אחרונה במערך הבטיחות, מחייבות תקנות הבטיחות להשתמש בציוד מגן אישי, להגנה על עורו, עינו ובריאותו של העובד עם הלייזר. אביזרי המיגון האישי נמנים על קבוצת אמצעי הבטיחות ההנדסיים, הכוללים (לפי סדר החשיבות): משקפי מגן, מסכה לפנים (חלקית, לכיסוי אזור הפה והאף), וחלוק עבודה.

 

דעתכם על האתר חשובה לנו, נתקלתם בשגיאה / בעיה / הצעות שיפור, אנא שלחו אלינו הודעה במייל, מינהל הביטחון והבטיחות