26 Мар

Воздействие яркого светового излучения на органы зрения и анализ методов защиты от него.




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Широкое применение мощных искусственных и природных источников света в промышленности и военной технике привело к необходимости защиты органов зрения от поражающего действия   яркого светового излучения (СИ).       Повышенные яркости на рабочих местах  при ведении сварочных  работ, при работе с квантовыми генераторами, мощными  искусственными  и природными источниками света, в том числе и в военной технике, привело к  необходимости проведения научно исследовательских работ в этой области. Были разработаны правила ведения работ с яркими источниками светового излучения и требования к средствам индивидуальной защиты [1,2,]. Учитывая внедрение в профессиональную деятельность большинства работников промышленности ПЭВМ, были разработаны  гигиенические нормативы ограничения яркости  экранов мониторов [3].  Сравнение энергетических и спектральных характеристик светового излучения ядерного взрыва (СИЯВ) и других высокоинтенсивных источников (оптических квантовых генераторов, излучения сварочной дуги, мощных  осветительных прожекторов) позволило считать, что некоторые способы защиты органов зрения от СИЯВ могут быть использованы и от других источников СИ.

Физиологические последствия от воздействия светового излучения на органы зрения:

Главное последствие воздействия светового излучения — адаптационное ослепление. Оно особенно опасно в боевых условиях.  Адаптационное ослепление оценивается минимальным интервалом времени, необходимым для  восстановления способности ориентироваться на местности, когда острота зрения* будет равна 0,1.*(Остротой зрения называют минимальное угловое расстояние между двумя точками, которое может определить глаз).  При этом,  допустимая продолжительность ослепления составляет от 5  секунд  до нескольких минут в зависимости от рода деятельности человека. Световое излучение оказывает на человека слепящее действие  при сварочных работах, при применении ярких источников света в быту. Световое излучение может оказывать адаптационное ослепление на водителей транспортных средств.  Может возникнуть фотостресс — функциональные изменения в организме, охватывающие большие участки коры головного мозга, вызывающие изменения в работе центральной нервной системы и, как следствие, изменение психических реакций человека.  Например, при  таком интенсивном источнике как ядерный взрыв,  возникающий страх потери зрения сильнее страха смерти.  К органическим изменениям в органах зрения можно отнести ожоги век, передних отделов глаза (конъюктивы, роговой, радужной оболочек глаза) и сетчатки на глазном дне.  Поражение сетчатки может привести к полной потере зрения. Полная и неизлечимая слепота возникает при попадании яркого луча на желтое пятно или диск зрительного нерва. Вероятность подобного события составляет всего 0,003%..  При поражении глаза лазерным излучением возникает боль, спазм век, текут слезы, отекают веки и глазное яблоко. В отдельных случаях наблюдается помутнение сетчатки и кровоизлияние. Клетки сетчатки после подобного повреждения уже не восстанавливаются [4,5].  Лазеры высокой мощности могут повреждать внешние кожные покровы.  В инфракрасной области энергия наиболее «коротких» волн (0,7—1,3 мкм)  проникает на сравнительно большую глубину в кожу и прозрачные среды глаза. На этой длине волны 20 % энергии, падающей на поверхностный слой кожи, проникает в кожу на глубину до 5 мм. При излучении в инфракрасной области роговая оболочка глаза прозрачна для излучения в интервале длин волн 0,75—1,3 мкм и становится практически непрозрачной только для длин волн более 2 мкм. При тепловом поражении роговицы может произойти   полное   разрушение   защитного   эпителиального  слоя.  При минимальной величине плотности энергии облучения 4.2 Дж/см2 в интервале волн 0,8—1,1 мкм, возможно поражение радужной оболочки. Одновременное поражение роговой и радужной оболочек имеет наиболее опасные последствия. [6]   Аналогичные поражения могут возникнуть и при работе без средств защиты со сварочным оборудованием. При воздействии яркого светового излучения, срабатывают защитные реакции человека. Это поворот головы, закрывание лица руками, сужение зрачка, мигательный рефлекс.  Скорость защитных реакций составляет от 0,15 до 1,5 секунд.  Этой скорости недостаточно для защиты от яркого светового излучения.   Необходимы быстродействующие средства защиты.

Классификация средств защиты от светового излучения.

Наиболее полная классификация средств защиты от светового излучения была предложена Пивовар Р.М. и Снурниковым А.С.[7]. Ими предложена классификация средств защиты  по способу действия, принципу действия, целевому назначению и конструктивному исполнению.  По назначению авторы предложили разделить все средства защиты органов зрения на общевойсковые и средства  специального назначения.  Общевойсковые –  применяются для всего личного состава армии, флота, людей находящихся в укрытиях, гражданских лиц, подвергающихся воздействию ярких источников светового излучения.  Специальные средства защиты для специалистов ( летчиков, водителей, бронетехники, лиц работающих с квантовыми генераторами  (лазерами), лиц работающих с различными оптическими приборами и т.п. Специальные средства защиты органов зрения разработаны для работы со сварочным оборудованием и  при работе с лазерами [8].

Все методы защиты органов зрения от светового излучения основаны на одном из двух принципов – ослаблении и прерывании светового излучения. Иногда используется комбинация этих  принципов защиты.  По способу действия   все средства защиты можно разделить на статические и динамические.

     Статические  средства защиты.

К статическим средствам защиты относятся средства предварительного экранирования, имеющие постоянную оптическую плотность и ослабляющие световые лучи :  накладки, сетки, козырьки,  монокулярные накладки и т.п. Они имеют постоянную оптическую плотность. ( Оптическая плотность – десятичный логарифм отношения интенсивности падающего светового луча к интенсивности ослабленного светового луча, измеряемая в Беллах lg=Ig(Iпад/Iпр) ,Б.)  Эти средства защиты имеют ряд недостатков:  имеют низкую светопропускаемость при достаточной оптической плотности и ограниченное поле зрения, тем самым ухудшают условия труда.

Статические светофильтры используются в защите органов зрения при проведении сварочных работ, а также  при работах с лазерами. В литературе представлены марки стекол, используемые на конкретных сварочных работах  и  от лазерного излучения конкретных длин волн [9].

В России завершена разработка и начато производство  новой боевой   экипировки “Ратник”.  В ее состав  входят баллистические очки со съемными статическими  светофильтрами, основные преимуществом  которых является также и  высокая степень защиты от поражения осколками.[10]

 Динамические средства защиты.                        

Надежную защиту органов зрения от  сверх ярких источников светового излучения осуществляют  динамические средства защиты.  Динамические средства защиты можно разделить на средства  прямого и косвенного действия. В динамических средствах прямого действия световой луч,  действуя на светочувствительный материал,  практически мгновенно изменяет его оптическую плотность.  После снятия светового излучения материал  быстро восстанавливает  начальную прозрачность.  В устройствах косвенного действия световой луч воздействует на датчик, в котором световой импульс превращается в электрический сигнал,  приводящий в исполнение защитный механизм. Важной характеристикой всех средств защиты от яркого светового излучения является время срабатывания.  Оно не должно превышать время мигательного рефлекса,  которое колеблется около 10-3с.

     Динамические средства прямого действия

Динамические средства защиты  прямого действия могут быть выполнены в виде козырьков, накладок, очков, пленочных покрытий,  фотохромных пластин, динамических светофильторов. Такие устройства должны ослабить энергетическую экспозицию светового потока до допустимых величин.  При разработке и создании средств защиты учитывают  допустимую степень поражения органов зрения, продолжительность работы, вероятность попадания луча в поле зрения оператора. Динамические светофильтры могут быть однократного (абляционные)    и   многократного действия (фотохромные и термофотохромные).  В абляционных светофильтрах происходит разрушение структуры материала под действием яркого светового излучения (сублимация). Время срабатывания их является достаточным для защиты и составляет 10-4 с.  Недостатком таких светофильтров является однократность их действия. Этого недостатка лишены фотохромные и термофохромные светофильтры.

    Фотохромные светофильтры   обладают способностью под действием коротковолновой составляющей спектра светового излучения приобретать темную окраску, которая исчезает в темноте или под действием длинноволновой составляющей светового излучения.  Используя эту способность фотохромных материалов возможно создавать индивидуальные средства защиты типа обыкновенных очков, отличающихся простотой, надежностью и в то же время высокой степенью защиты. В результате разработок было синтезировано большое количество фотохромных химических соединений,  которые быстро реагируют на коротковолновую часть светового излучения. При использовании их в разных концентрациях бесцветном стекле или пленке, можно создать светофильтры, которые при условии почти одновременного перехода всех  фотохромных  молекул в окрашенную форму достигают любую заданную оптическую плотность в течение нескольких десятков микросекунд.  При этом необходимо  только одно условие: одновременно воздействовать коротковолновым излучением   на   все   молекулы   фотохромного вещества, находящиеся в массе светофильтра.  На практике это условие реализовать трудно,  т.к. световое излучение имеет смешанный спектральный состав, изменяющийся во времени, ощутимую часть которого составляет длинноволновый свет, тормозящий переход фотохромных веществ в окрашенную форму.  Кроме того, поверхностный слой светофильтра, окрашиваясь раньше остальной массы, препятствует проникновению в толщу светофильтра коротковолнового излучения и окрашиванию фотохромных химических соединений. При эксплуатации органических фотохромных материалов  со временем происходит уменьшение защитного эффекта за счет проникновения в полимерный материал атмосферного кислорода, который нейтрализует активную форму фотохромной добавки.  Фотохромные материалы с добавками серебра (галоидомедные фотохромные стекла) применяются для защиты от яркого солнечного излучения.  Они имеют высокое исходное светопропускание, высокую фотоиндуцированную оптическую плотность, продолжительность потемнения — десятки секунд,  а период обесцвечивания — от единиц до десятков минут.

Галоидосеребряное фотохромное стекло,  фотохромные полимерные и другие  материалы, отличающиеся повышенной импульсной чувствительностью, предназначены для защиты глаз от мощных импульсных вспышек, особенно от светового излучения ядерного взрыва.

В качестве индивидуального средства защиты глаз от поражающего действия светового излучения  используются  фотохромные очки   ОПФ и ОФ многократного использования. Они имеют время релаксации — единицы секунд, а оптическую плотность 1,4-1,8 Белл.  Средства защиты с такими защитными характеристиками позволяют избежать ожоговых поражений глаз,  но могут допустить временное ослепление. Применение их для полной защиты глаз от мощных стационарных вспышек недостаточно надежно.

Термофотохромные  светофильтры

Более надежными в защите от сверх ярких источников  света в том числе и при использовании ядерного и лазерного оружия могут термофотохромные светофильтры.

Принцип работы их основан на применении полимерных термохромных пленок с введенными в них фотохромными центрами.

При малых световых импульсах защиту обеспечивает фотохромный материал, который, окрашиваясь, увеличивает тем самым поглощение излучения,  а следовательно, и  температуру полимерной пленки покрывающий светофильтр. Дальнейшее увеличение светового импульса приводит к повышению температуры и необратимому потемнению пленки за счет термохромного эффекта.  Защитные свойства такого двухслойного светофильтра выше, чем фотохромного примерно в два раза, и защитный эффект может быть получен на больших поверхностях входных окон различных объектов техники. После потемнения отработавшая пленка может быть быстро заменена. Разработаны материалы основанные на применении термофотохромных пленок с введением них фотохромными центрами которые необратимо исключают пропускание в УФ, видимой и ИК областях светового излучения при достижении пороговой температуры их действия. Однако и их время срабатывания и оптическая плотность оказывается недостаточной при воздействии сверх ярких источников света.

Многослойные светофильтры

Для повышения оптической плотности средств защиты от яркого светового излучения можно использовать многослойные светофильтры, когда каждый слой независимо от других слоев облучается ультрафиолетовым излучением.

Для защиты глаз от лазерного излучения нескольких длин волн предложено конструкционные решения многоспектральных интерференционных светофильтров [11,12].  Светофильтр включает  прозрачную подложку и нанесенные на нее три элемента, содержащие покрытия  с чередующимися слоями с высоким и низким показателем преломления.  Первый элемент имеет высокий коэффициент отражения излучения с длиной волны 530-540нм и максимальным пропусканием в области 470-505нм. Второй элемент – длинноволновой фильтр с высоким отражением 635-740нм и максимальным пропусканием 470-620нм.  Третий элемент коротковолновый с высоким отражением  в области 380-460нм и максимальным пропусканием 470-620нм (рис.1.)

Динамические средства защиты косвенного действия

В динамических средствах защиты косвенного действия на светочувствительный элемент воздействует световая энергия.  В нем она преобразуется в электрический сигнал, вызывающий срабатывание затворного устройства, прерывающее поступление светового потока.   Быстродействие срабатывания таких средств защиты зависит от времени выполнения  вышеперечисленных операций.

Простейшие средства защиты косвенного действия могут быть изготовлены в виде шторок, закрывающихся в результате подачи электрического сигнала. Их быстродействие, как правило – не велико. Оно составляет всего 1,3-1,5 10-3с.

Рис. 1 .Схема конструкции многослойного светофильтра.

Световые затворы 

На принципе  полного прерывания светового сигнала работают различные  затворы [13].  При работе затворов в защите от светового излучения имеет высокое значение время их  срабатывания.  Наиболее   быстродействующими   считаются   инжекционно- графитовые и  инжекционно-жидкостные затворы.  В них вместо типичных для электромеханических затворов — шторок используется высокодисперсная графитная суспензия или нитрил олеиновой кислоты, которые автоматически отбрасываются по сигналу датчика СИ на стекло,  находящееся перед глазами  наблюдателя, ослабляя через 75-100 мкс световой   поток  в  103  раз.  Недостатком таких  инжекционных затворов является однократность их действия,  так как после каждого срабатывания они должны  очищаться и перезаряжаться.

Затвор с электродинамическим приводом, представляющий собой тонкую металлическую шторку с нанесенной на нее спиральной катушкой, может использоваться многократно. В результате взаимодействия электромагнитных полей, которые создаются током разряда электрического конденсатора большой емкости через катушку индуктивности, и током, индуктированным в спиральной катушке, осуществляется перекрытие оптического канала.  Время срабатывания затворов составляет 6×10-4 —2×10-3 секунды в зависимости от конструкции затвора, накопленной в конденсаторе энергии, которая определяется емкостью конденсатора и напряжением.

Нашли широкое применение электрооптические затворы.  Их принцип работы основан на свойствах поляризованного света.  Оптическая система затвора состоит из двух поляризоционных светофильтров — поляризатора и анализатора, между которыми расположен промежуточный элемент, умеющий мгновенно поворачивать  плоскость линейно поляризованного света на заданный угол под действием созданных условий.  Параметры  промежуточного слоя подбираются  исходя из условия поворота поляризованного света на угол 900.  Это  создает условие полного гашения светового потока анализатора.  Промежуточный элемент может проявлять оптические свойства  под действием различных физических факторов. Такими факторами могут быть электрическое поле или магнитное поле, или  механическое давление.  Возникающий под действием светового излучения электрический сигнал может вызвать различные процессы в промежуточном элементе рис.2.

Рис. 2  Схема электрооптического затвора

В одном из вариантов промежуточного элемента может использоваться пластина из специального стекла, зажатая между двумя брусками из вольфрамо-карбидного сплава, концы которых соединены специальными столбцами из пьезоэлектрической керамики. При прохождении через столбцы электрического тока, они изменяют форму и сжимают пластину (промежуточный элемент).  В результате она  приобретает свойства двулучеприломляющего светофильтра. В открытом состоянии затвор может пропускать до 20% падающего света, оптическая плотность при срабатывании может составить  3Б, время срабатывания 10-12с, т.е. практически мгновенно, как и время перехода в открытое состояние.

В качестве промежуточного элемента может использоваться керамический материал с атомными диполями, переориентирующимися под действием электрического напряжения ( ЦТСЛ — керамика-поликристалл цирконата титана свинца). Этот материал имеет высокое быстродействие- 10-3 – 10-7 , не высокое рабочее напряжение- сотни вольт, т.е. высокую чувствительность и быстродействие. Из двухслойных светофильтров и пластины из ЦТСЛ-керамики возможно изготовление защитных очков для средств индивидуальной защиты.  В нормальных условиях такие очки пропускают 20% светового потока, а при срабатывании их светопропускание составляет всего 0,1%. После снятии напряжения с электродов мгновенно светопропускание мгновенно восстанавливается до первоначальных значений.  Для широкоформатных оптических приборов можно использовать жидкокристаллические промежуточные светофильтры. Принцип их действия  построен на использовании твист-эффекта.  Твист – эффектом называют свойства  жидкокристаллической среды изменять интенсивность света от максимального до минимального значения за счет  переориентации длинных осей молекул жидкого кристалла из твист-структуры в гомеотропное состояние под действием электрического поля  рис.3.

Рис.3.Схема устройства жидкокристаллического светового  затвора.

Если поместить жидкокристаллическую пластину между двумя светофильтрами в качестве промежуточного слоя, то после  воздействия светового сигнала на нее оптическая плотность может достигнуть 3Б.  Преимущества твист-эффекта — это достаточно высокое быстродействие (10-3 с), слабая зависимость электрооптических характеристик от длины волны светового излучения в видимой области спектра, низкие значения управляющего напряжения (10-15 В) и потребляемой мощности, большой ресурс работы.

Для улучшения оптических характеристик разработана конструкция светового затвора, обеспечивающая быстродействие переключения от исходного до конечного состояния  и возможность реализации процесса при низком рабочем напряжении. [14]

Рис 4. Схема работы оптического затвора со скрешенным расположением электродов.

Были проведены испытания светового затвора,  использующего полимерные жидкие кристаллы с толщиной слоя 10 мкм, со скрещенными и параллельными электродами, рис.4. Испытания  показали,  что  коэффициент пропускания светового излучения  при срабатывании затвора со скрещенными электродами на порядок ниже, чем в ячейке с параллельны электродами.

Рис. 5  Взаимосвязь коэффициента светопропускания  и  времени срабатывания оптического затвора.

Измеренные значения времени  включения и выключения затвора посредством подвода напряжения  10В  и  30В  составляют соответственно 0.47мс и 0.46мс (рис.5). Такие жидкокристаллические  световые затворы могут применяться для защиты глаз летного состава самолетов, в масках сварщиков, где они должны содержать дополнительные светофильтры от ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Выводы:

1.Средства защиты органов зрения от светового излучения можно классифицировать по принципу действия на статические и динамические. 2.Динамические средства защиты, в свою очередь —  на  средства защиты прямого и косвенного действия.

3.В результате анализа технических характеристик средств защиты от ярких источников светового излучения выявлено, что только с помощью динамических средств защиты прямого и косвенного действия возможно получить достаточную оптическую плотность(3-4Б) и минимальное  время срабатывания средств защиты (значительно менее10-3 –времени срабатывания мигательного рефлекса).

4.Требования, предъявляемые к средствам защиты органов зрения, зависят энергетической экспозиции светового излучения, от профессиональной деятельности наблюдателя и от их целевого назначения.

.

Литература:

1.Световое излучение. (Защита от него)http://www.bibliotekar.ru/8-zaschita-ot-oruzhiya/8.htm

2.Иванов Ю.Н. Средства защиты глаз от светового излучения. (1970-1990г) http://pentagonus.ru/publ/materialy_posvjashheny/1970_1990_gg/sredstva_zashhity_glaz_ot_svetovogo_izluchenija_1976/120-1-0-2047

3.Пышкина Э.П., Симакова Е.Н.  К вопросу оценки условий труда на рабочих местах пользователей ПЭВМ. Анализ  нормативно-правовых актов./БЖД.2013. №7.

4.Средства защиты глаз от светового излучения. Зарубежное военное обозрение, 2014. http://www.zvo.su/VVS/sredstva-zaschity-glaz-ot-svetovogo-izlucheniya.html (02.2016).

 5.ГОСТ 12.4.013-85 Система стандартов безопасности труда. Очки защитные. Общие технические условия./М. Государственный  комитет по стандартам.1985.  http://standartgost.ru/g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2_%D0%A0_12.4.254-2010

6.Защита глаз от лазерного излучения. http://www.laserportal.ru/content_542( 02.2016)

7.Пивовар Р.М., Снурников А.С. Поражающее действие ярких вспышек светового излучения и средства защиты от него. Оптический журнал. Том 67 №9. 2000.

8.ГОСТ Р 12.4.254-2010 Средства и индивидуальной защиты глаз от лазерного излучения М.Станартинформ-2011. 9.Средства индивидуальной защиты сварщика. http://weldzone.info/safety/631-sredstvaindividualnojzashhitysvarshhika(03.2016)   

9.Средства индивидуальной защиты сварщика. http://weldzone.info/safety/631-sredstvaindividualnojzashhitysvarshhika(03.2016)   

10.Экипировка “Ратник http://militaryarms.ru/obmundirovanie/voennayaforma/ekipirovkaratnik/

11.Многоспектральный интерференционный светофильтр для защиты от лазерного излучения.         http://www.freepatent.ru/patents/2504805 (02.2016 )

12.Жидкокристаллический затвор – патент РФ 2204973-Жидкокристаллический затвор – патент РФ 2204973-ивен (GB) Хернелль Оке http://www.freepatent.ru/patents/2204973 .

13.Оптический затвор-Физическая энциклопедия http://femto.com.ua/articles/part_2/2638.html03.2-016

14.Быстродействующий световой затвор со скрещенными рисунком электродов .http://scitation.aip.org/content/aip/journal/adva/5/4/10.1063/1.4918277   03.03.2016

Воздействие яркого светового излучения на органы зрения и анализ методов защиты от него.
В статье представлен обзор технических средств защиты органов зрения от мощных искусственных и природных источников светового излучения повышенной интенсивности. Приведен сравнительный анализ представленных средств защиты по оптическим, временным и технологическим их характеристикам. Отмечены перспективные тенденции изучения и совершенствования средств защиты.
Written by: Кирикова Ольга Викторовна, Щербакова Ирина Сергеевна, Богачев Юрий Викторович, Богачева Татьяна Михайловна
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 12/22/2016
Edition: euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)
Available in: Ebook