Laser. U.O. Fisica per le Tecnologie Biomediche. Dott.sa Daniela Ventura 1. Definizione. Radiazioni ottiche. Radiazioni ottiche

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1 Definizione Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazione Dott.sa Daniela Ventura 2 Radiazioni ottiche Radiazioni ottiche Le radiazioni Ottiche, sono solo una piccola parte dello spettro della radiazione elettromagnetica. L'onda elettromagnetica è caratterizzata da una frequenza ν, cui è associata una lunghezza d'onda λ = v/ν, dove v=c/n è la velocità di propagazione dell'onda, pari nel vuoto (n=1) alla velocità della luce. Dott.sa Daniela Ventura 3 Dott.sa Daniela Ventura 4 Dott.sa Daniela Ventura 1

2 Radiazioni Ottiche Radiazioni Ottiche Con il termine Radiazioni Ottiche si intendono tutte quelle radiazioni elettromagnetiche che si possono controllare mediante lenti, specchi prismi e fibre ottiche, ovvero le radiazioni elettromagnetiche di lunghezza d onda comprese tra 100 nm e 1 mm così suddivise: ( Direttiva 2006/25/CE): Radiazione Ultravioletta nm UVA ( nm) UVB ( nm) UVC ( nm) Radiazione Visibile nm Radiazioni Infrarossa 780 nm 1 mm IRA ( nm) IRB ( nm) IRC (3000 nm -1 mm) La definizione degli Intervalli spettrali non è univoca nei vari Paesi, poi ci sono suddivisioni che tengono conto delle proprietà fisiche e degli effetti biologici della radiazione. Dott.sa Daniela Ventura 5 Dott.sa Daniela Ventura 6 Principio di funzionamento Laser Il fenomeno fisico sul quale si base il funzionamento del Laser è quello dell'emissione stimolata, enunciato da A. Einstein nel 1917 e preso in considerazione, a livello applicativo, negli anni '50 nell'ambito della ricerca sugli orologi atomici, che portò alla realizzazione del primo MASER ( Microwave - Amplification - by Stimulated - Emission - of Radiation) ad ammoniaca. Dott.sa Daniela Ventura 7 Dott.sa Daniela Ventura 8 Dott.sa Daniela Ventura 2

3 Principio di funzionamento Principio di funzionamento Gli elettroni all'interno degli atomi possono occupare solo particolari orbite attorno al nucleo. Queste orbite hanno energie fisse per ciascun tipo di atomo e possono essere calcolate mediante il formalismo della meccanica quantistica. Dott.sa Daniela Ventura 9 Dott.sa Daniela Ventura 10 Assorbimento un sistema atomico può esistere solo in determinati stati energetici, chiamati anche stati stazionari, in quanto il sistema non irradia energia; ogni processo di emissione o di assorbimento di fotoni implica una una transizione fra due stati stazionari Si consideri un sistema atomico che si trovi nello stato energetico inferiore. Quando il sistema viene investito da un fotone di energia hν = E 2 -E 1 il sistema atomico si trasferisce nel suo stato di energia più alta ed il fotone scompare. Dott.sa Daniela Ventura 11 Dott.sa Daniela Ventura 12 Dott.sa Daniela Ventura 3

4 Assorbimento Emissione Spontanea Il sistema atomico si trova nel suo stato di energia più alta e non c'è radiazione nelle vicinanze. Dopo un certo intervallo dl tempo t, questo sistema atomico (isolato) si trasferisce spontaneamente nello stato di energia più bassa, emettendo nel processo un fotone di energia hν= Ε 2 Ε 1. Questo processo si dice emissione spontanea, in quanto l'emissione non è indotta da alcuna influenza esterna. Generalmente la vita media t per l'emissione spontanea da parte di atomi eccitati è ~10-8 s. In qualche caso, però, vi sono stati per i quali t è molto maggiore, anche ~10-3 s ( stati metastabili). Dott.sa Daniela Ventura 13 Dott.sa Daniela Ventura 14 Emissione Spontanea Emissione Stimolata Il sistema atomico è ancora nel suo stato di maggiore energia, ma questa volta in presenza di radiazione di energia hν = E 2 -E 1. Come nell'assorbimento, il fotone di energia hν interagisce con il sistema. Il risultato è che il sistema passa al suo stato di energia minore ed ora vi sono due fotoni mentre prima ce n'era uno solo. Il fotone emesso è del tutto identico al fotone che inizia questo meccanismo, cioè «stimolante». Ha la stessa energia, fase e stato di polarizzazione. Il processo di si dice emissione stimolata. Un evento di questo tipo può essere utilizzato per produrre una reazione a catena di processi simili. A ciò si riferisce la parola «amplificazione» nella sigla «laser» (il termine laser è la sigla di light amplification by stimulated emission of radiation). Dott.sa Daniela Ventura 15 Dott.sa Daniela Ventura 16 Dott.sa Daniela Ventura 4

5 Emissione Stimolata Si consideri ora un gran numero di sistemi atomici a due livelli. All'equilibrio termico molti di essi sarebbero nello stato di minore energia, e solo pochi si troverebbero nello stato di energia maggiore. Se si espone alla radiazione questo sistema il processo dominante è l'assorbimento, semplicemente perché lo stato di minore energia è molto più popolato. Ma se le popolazioni dei livelli fossero invertite, il processo dominante in presenza della radiazione sarebbe l'emissione stimolata e pertanto la produzione di luce laser. Dott.sa Daniela Ventura 17 Dott.sa Daniela Ventura 18 Sistema a tre Livelli Sistema a 3 livelli Un'inversione di popolazione, è ben diversa dalla situazione che si verifica normalmente, in quanto non è una situazione di equilibrio. Quindi per produrla occorrono delle tecniche raffinate. Gli atomi vengono «pompati», con qualche meccanismo, dallo stato fondamentale S 0 allo stato eccitato S 2. Gli atomi si diseccitano rapidamente dallo stato S 2 in uno stato di energia S 1. Dott.sa Daniela Ventura 19 Dott.sa Daniela Ventura 20 Dott.sa Daniela Ventura 5

6 Tecniche di pompaggio Per poter produrre luce laser, questo stato (S 1 ) deve essere metastabile, cioè deve avere una vita media relativamente lunga, prima di diseccitarsi per emissione spontanea. Se queste condizioni sono soddisfatte, lo stato S 1 può allora diventare più popolato dello stato S 0, procurando quindi la necessaria inversione di popolazione. Un singolo fotone dell'energia giusta può allora dare inizio ad una valanga di eventi di emissione stimolata, ottenendo la produzione di luce laser. Un certo numero di laser che utilizzano solidi cristallini (come il rubino) operano secondo questo schema a tre livelli. Pompaggio mediante scarica elettrica ( pompaggio elettrico) Pompaggio mediante lampade flash ( pompaggio ottico) Pompaggio a diodi ( pompaggio ottico) Dott.sa Daniela Ventura 21 Dott.sa Daniela Ventura 22 Pompaggio mediante scarica elettrica (pompaggio elettrico) Viene utilizzato nei laser a gas Nel tubo sono presenti due elettrodi tra i quali viene creata una scarica elettrica che eccita gli atomi Pompaggio mediante lampade flash ( pompaggio ottico) Utilizzato nei laser a stato solido L eccitazione avviene per mezzo di radiazione luminosa emessa da lampade flash Dott.sa Daniela Ventura 23 Dott.sa Daniela Ventura 24 Dott.sa Daniela Ventura 6

7 Pompaggio a diodi ( pompaggio ottico) Descrizione di un sistema laser La luce laser emessa da un diodo viene utilizzata per eccitare il mezzo attivo L emissione stimolata genera fotoni identici a quello che ha stimolato l emissione ( stessa frequenza e stessa fase) ma che si propagano in tutte le direzioni. Per far in modo che la radiazione si propaghi tutta nella stessa direzione, il materiale attivo viene inserito in una cavità ottica. La cavità ottica ( Risonatore) è formata da due specchi, uno altamente riflettente e l altro parzialmente riflettente ( <100%) che permette l uscita della radiazione I fotoni prodotti dall emissione stimolata subiscono più passaggi bel mezzo attivo, aumentando l intensità del fascio I fotoni fuori dall asse ottico vengono persi e non contribuiscono all emissione stimolata Dott.sa Daniela Ventura 25 Dott.sa Daniela Ventura 26 Descrizione di un sistema laser Descrizione di un sistema laser Un laser è tipicamente costituito da un cilindro allungato di materiale attivo ( in gradi cioè di amplificare la radiazione che lo attraversa) inserito tra una copia di specchi che rinviano continuamente la radiazione attraverso il materiale stesso. Uno dei due specchi è parzialmente trasparente per consentire l estrazione del fascio. La distanza tra i due specchi è un multiplo intero di mezza lunghezza d onda della radiazione laser (cavità risonante ottica) Raggiunta una certa intensità i fotoni escono dallo specchio semiriflettente in un raggio monocromatico, in fase e perfettamente rettilineo I laser si distinguono in base allo stato di aggregazione del materiale attivo: Laser a stato solido, a cristalli e vetri o semiconduttori Laser a liquidi Laser a gas ( suddivisi in laser ad atomi neutri, a ioni, molecolari, ad eccimeri e laser ad elettroni liberi) Dott.sa Daniela Ventura 27 Dott.sa Daniela Ventura 28 Dott.sa Daniela Ventura 7

8 Laser a gas He-Ne Il mezzo attivo è un gas racchiuso in un tubo di quarzo L eccitazione avviene per effetto di una scarica elettrica generata tra due elettrodi presenti nel tubo (gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati in seguito all applicazione di una differenza di potenziale, durante il percorso collidono con gli atomi del gas eccitandoli) Pompaggio ottico è poco efficiente perché le righe di assorbimento sono molto più strette che nei materiali solidi, mentre le lampade hanno una forte componente continua Possono emettere: nel visibile ( He-ne, Ar-Kr) Nell UV ( laser ad eccimeri) Nell IR Il gas è racchiuso dentro un tubo di quarzo, sigillato agli estremi da 2 specchi (cavità ottica). Un impulso elettrico di 10 kv, applicato fra gli elettrodi, dà luogo a una scarica elettrica attraverso il gas (pompaggio del mezzo attivo). Una corrente di 3-10 ma (dc) è sufficiente per mantenere la carica. La scarica elettrica eccita l He.L He è metastabile decadendo eccita il Ne, il Ne è l elemento attivo Dott.sa Daniela Ventura 29 Dott.sa Daniela Ventura 30 He-Ne Eccimeri Eccimero: excited dimer Contengono un gas nobile (Ar-Kr, oppure Xe) e un gas Alogeno ( Cl,F, Br). Nelle condizioni normali la miscela di gas contiene atomi di gas nobile e molecole di alogeni. Con il passaggio della corrente di formano molecole come ArF, KrF, XeBr, KrCl che esistono solo nello stato eccitato. Queste si diseccitano emettendo fotoni e ricreando atomi/molecole separati. Tipiche energie sono J e durate d impulso ns (emissione dell UV) Dott.sa Daniela Ventura 31 Dott.sa Daniela Ventura 32 Dott.sa Daniela Ventura 8

9 Eccimeri Laser allo stato solido Le potenze di picco sono molto elevate, in questi laser si ha amplificazione dell emissione spontanea piuttosto che delle oscillazioni laser, pertanto la radiazione in uscita è poco coerente ed il fascio è largo e divergente. I gas alogeni sono molto reattivi e reagiscono con il contenitore nel quale si trovano causando perdite di potenza ( revisione periodica) I gas alogeni sono pericolosi se inalati, vicino al sistema laser sono necessari rilevatori che evidenzino eventuali perdite di gas. Dott.sa Daniela Ventura 33 Dott.sa Daniela Ventura 34 Titanio Zaffiro Neodimio E il più usato tra i laser a lunghezza d onda variabile. La tunabilità è possibile quando l emissione dei fotoni è accoppiata con i fononi ( quanti di vibrazione) del reticolo cristallino. L energia totale della transizione è fissa ma può essere ripartita tra fotoni e fononi ( laser vibronico) Emissioni a e 1350 nm Nd:YAG ( ittrio allumino granato ) ha un elevato guadagno ottime caratteristiche termiche e ottiche Nd:glass utilizzato quando si devono ottenere alte energie impulsate Nd:Cr:GSGG ( gadolinio scandio alluminio granato ) caratterizzato da un elevata efficienza Dott.sa Daniela Ventura 35 Dott.sa Daniela Ventura 36 Dott.sa Daniela Ventura 9

10 Laser a semiconduttore Laser a semiconduttore L emissione avviene sulla giunzione p-n sulla quale è applicata tensione diretta. Nella zona attiva elettroni e buche si ricombinano rilasciando energia sotto forma di fotoni ( emissione spontanea) I fotoni possono interagire con gli elettroni nella zona di valenza ( assorbimento) ma anche con elettroni nella zona conduttiva causando l emissione di fotoni con la stessa lunghezza d onda. ( emissione stimolata) Se il numero di cariche iniettate è sufficientemente alto l emissione stimolata eccede l assorbimento. Dott.sa Daniela Ventura 37 Dott.sa Daniela Ventura 38 Laser a semiconduttore Laser a semiconduttore Applicando la tensione all inizio si avrà solo emissione spontanea. Finche non si raggiunge inversione sufficiente per avere emissione stimolata significativa La larghezza dell emissione è dell ordine del nm ed il picco dipende dalla temperatura (questi laser vanno stabilizzati sulla temperatura) Alta efficienza di convergenza potenza elettrica in potenza ottica Potenza fino a 10 W Emissione spettralmente larga Bassa coerenza Basso costo Dott.sa Daniela Ventura 39 Dott.sa Daniela Ventura 40 Dott.sa Daniela Ventura 10

11 Caratteristiche della radiazione laser Monocromaticità Monocromaticità Coerenza spaziale Coerenza Temporale Collimazione Solo un onda elettromagnetica di frequenza pari alla differenza di energia tra lo stato metastabile e lo stato fondamentale può essere amplificata ed essendo i due specchi una cavità risonante si avrà oscillazione solo alle frequenze caratteristiche di risonanza della cavità. Questa seconda caratteristica porta ad una larghezza di riga del laser fino a 10 ordini di grandezza della larghezza di transizione tra lo stato S 1 e lo stato S 0. Brillanza Collimazione, Coerenza spaziale, e Brillanza sono interdipendenti Dott.sa Daniela Ventura 41 Dott.sa Daniela Ventura 42 Monocromaticità Coerenza Coerenza spaziale ( le onde hanno la stessa fase in tutti i punti della sezione del fascio) Coerenza temporale (le onde conservano la stessa fase nel tempo) Dott.sa Daniela Ventura 43 Dott.sa Daniela Ventura 44 Dott.sa Daniela Ventura 11

12 Coerenza spaziale/temporale Collimazione Questa caratteristica è dovuta al fatto che il materiale attivo si trova in una cavità risonante costituita da specchi, infatti solo le onde E.M che si propagano in direzione ortogonale agli specchi potrà oscillare. La direzionalità aumenta con la lunghezza della cavità risonante per ragioni geometriche Dott.sa Daniela Ventura 45 Dott.sa Daniela Ventura 46 Collimazione Brillanza Si definisce brillanza la potenza emessa per unità di superficie e per unità di angolo solido, un fascio laser ha una brillanza molto grande come conseguenza del fatto che il fascio è collimato Dott.sa Daniela Ventura 47 Dott.sa Daniela Ventura 48 Dott.sa Daniela Ventura 12

13 Regimi di funzionamento di un laser Regime di funzionamento di un laser Funzionamento in regime continuo: la potenza del laser è mantenuta costante per lunghi periodi di tempo Funzionamento in regime impulsato: il laser emette impulsi con una certa frequenza,ogni impulso sarà caratterizzato da una durata τ p Il modo più semplice di generare è interrompere periodicamente un fascio laser continuo con un otturatore comandato o con un disco rotativo con buchi Dott.sa Daniela Ventura 49 Dott.sa Daniela Ventura 50 Regime impulsato Free running Nel caso di impulsi ottenuti interrompendo periodicamente un fascio continuo, la potenza di picco di un singolo impulso è uguale alla potenza del laser in continuo. Si ottiene accumulando energia nella sorgente di alimentazione del circuito che viene poi scaricata rapidamente portando all emissione di impulsi laser con potenza di picco maggiore rispetto alla tecnica precedente. In questo caso sarà il pompaggio ad essere intermittente Dott.sa Daniela Ventura 51 Dott.sa Daniela Ventura 52 Dott.sa Daniela Ventura 13

14 Free running Nuova classificazione ( dopo 1/07/2005) Classe 1: Laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l uso di strumenti ottici per la visione del fascio. Classe 1M: Laser che emettono nell intervallo di lunghezza d onda tra 302,5 e 4000 nm che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, ma possono essere pericolosi se l operatore impiega ottiche di osservazione all interno del fascio ( lenti di ingrandimento, binoculari) Classe 2: Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale. Questa reazione fornisce un adeguata protezione nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l uso di strumento ottici per la visione del fascio Dott.sa Daniela Ventura 53 Dott.sa Daniela Ventura 54 Nuova classificazione ( dopo 1/07/2005) Classe 2M: Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale, la visione del fascio può essere pericolosa se l operatore impiega ottiche di osservazione all interno del fascio ( lenti di ingrandimento, binoculari). Classe 3R: Laser che emettono nell intervallo di lunghezze d onda tra e 10 6 nm, dove la visione diretta del fascio è potenzialmente pericolosa ma il rischio è più basso dei laser di classe 3B; i requisiti del costruttore e le misure di controllo per il Responsabile delle attività sono meno pericolose che per i laser di classe 3B Classe 3B: Laser che sono normalmente pericolosi nel caso di esposizione diretta del fascio, la visione della radiazione diffusa è normalmente non pericolosa Nuova classificazione ( dopo 1/07/2005) Classe 4: Laser che sono anche in grado di produrre riflessioni diffuse pericolose; possono causare lesioni alla pelle e potrebbero anche costituire un pericolo d incendio. Il loro uso richiede estrema cautela Dott.sa Daniela Ventura 55 Dott.sa Daniela Ventura 56 Dott.sa Daniela Ventura 14

15 Vecchia classificazione ( antecedente al 1/07/2005) Classe 1: laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili ( manca la distinzione tra 1 ed 1M) Classe 2: Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale ( manca la distinzione tra 2 e 2M) Classe 3A: Laser sicuri per visione ad occhio nudo. Per i laser che emettono nell intervallo di lunghezze d onda tra 400 e 700 nm, la protezione dell occhio la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale; per le altre lunghezze d onda il rischio per l occhio nudo non è superiore a quello della Classe 1. la visione diretta del laser di classe 3A con strumento ottici ( binocoli, telescopi, microscopi) può essere pericolosa Vecchia classificazione ( antecedente al 1/07/2005) Classe 3B: La visione diretta del fascio di questi laser è sempre pericolosa, la visione di riflessioni diffuse è normalmente non pericolosa. Classe 4: Laser che sono anche in gradi di produrre riflessioni diffuse pericolose; possono causare lesioni alla pelle e potrebbero anche costituire un pericolo d incendio. Il loro uso richiede estrema cautela Dott.sa Daniela Ventura 57 Dott.sa Daniela Ventura 58 MISURE DI SICUREZZA, RISCHI, PROCEDURE E CONTROLLO DEI RISCHI Scopo delle misure di sicurezza e dei mezzi di controllo è ridurre la possibilità di esposizione a radiazione laser di livello pericoloso e ad altri rischi associati Nei laboratori dove si usano laser di classe superiore alla Classe 3 e/o 4 l utilizzatore deve servirsi della consulenza specialistica di un Tecnico Laser con competenze specifiche relative ai problemi di sicurezza (TSL o ASL) per la verifica del rispetto della Normativa corrispondente (CEI 1384 G CT-76 del CEI Guida E) e per l adozione delle necessarie misure di prevenzione Dott.sa Daniela Ventura 60 Dott.sa Daniela Ventura 15

16 Misure di sicurezza - Connettore di blocco a distanza collocato a <5m dalla zona in cui si svolge l attività - Chiave di comando, per un utilizzo dell apparecchio solo delle persone autorizzate - Arresto del fascio o attenuatore - Segnali di avvertimento - Tragitto dei fasci - Riflessioni speculari - Protezione degli occhi - Vestiti di protezione - Formazione - Sorveglianza sanitaria Misure di sicurezza Il connettore di blocco a distanza Il connettore di blocco a distanza deve essere collegato ad un sezionatore di emergenza centrale o a sistemi di blocco di sicurezza del locale, della porta, degli infissi In alternativa Esporre l elenco del personale autorizzato Segnalazione di divieto di accesso ( luce rossa) Cartelli di divieto di ingresso espliciti Dott.sa Daniela Ventura 61 Dott.sa Daniela Ventura 62 Misure di sicurezza Comando a chiave Il comando a chiave deve essere presente La chiave deve essere rimossa dall operatore quando il laser non è in uso Deve essere conservata in luogo non accessibile a personale non autorizzato In Alternativa La stanza è chiusa a chave e non accessibile al personale non autorizzato Misure di sicurezza Arresto del fascio, segnali di avvertimento Arresto/attenuatore del fascio Quando l apparecchio è in attesa di funzionare la radiazione di livello superiore al VLE deve essere terminata su un attenuatore di fascio Segnali di avvertimento: Cartellonistica che segnali ambienti e zone a rischio Lampade di allerta Dott.sa Daniela Ventura 63 Dott.sa Daniela Ventura 64 Dott.sa Daniela Ventura 16

17 Segnaletica Apertura Laser Misure di sicurezza tragitto del fascio Tragitto del fascio Quando è possibile racchiudere il fascio in tubi di protezione Il fascio in propagazione libera deve essere ad un altezza tale da non venire intercettato dagli occhi dell operatore che è eventualmente anche in movimento RADIAZIONE LASER VISIBILE E INVISIBILE EVITARE L ESPOSIZIONE DELL OCCHIO O DELLA PELLE ALLA RADIAZIONE DIRETTA O DIFFUSA APPARECCHIO LASER DI CLASSE IV Lunghezza d Onda.. Il fascio che esce dall area di lavoro deve essere terminato su un assorbitore o diffusore opportuno Potenza o Energia max di picco Frequenza max Durata Impulso max Dott.sa Daniela Ventura 65 Dott.sa Daniela Ventura 66 Evitare riflessioni speculari Misure di sicurezza riflessioni speculari Controllo delle superfici di lavoro che circondano l area Oggetti che intercettano il cammino del fascio Attenzione ad orologi, anelli, occhiali da vista. Misure di sicurezza Protezione degli occhi e della pelle Protezione degli occhi Scelta del protettore oculare Calcolo della densità ottica Dimensionamento del protettore Controllo stabilità ottica Identificazione del protettore Protezione della pelle Utilizzo di indumenti protettivi per la pelle I laser di classe 4 posso provocare incendi, quindi servono indumenti non infiammabili Dott.sa Daniela Ventura 67 Dott.sa Daniela Ventura 68 Dott.sa Daniela Ventura 17

18 Formazione Misure di sicurezza Formazione Funzionamento del sistema Procedure di controllo del pericolo Protezione individuale Rapporti di incidente Effetti biologici sull occhio e sulla pelle Misure di sicurezza Sorveglianza sanitaria Sorveglianza sanitaria Esami oculistici di preimpiego Esami specialistici oculistico o dermatologico dopo esposizione nociva o persunta tale *(tali esami hanno solo valore medico-legale) Dott.sa Daniela Ventura 69 Dott.sa Daniela Ventura 70 Rischi derivanti dal funzionamento Rischi derivanti dal funzionamento Rischi derivanti dal funzionamento Gas di sistema Gas da agenti criogenici Formazione di fumi o vapori nella zona bersaglio Agenti criogenici Possono provocare necrosi Incendio o combustione Interazione del fascio con sostanze infiammabili Particelle incandescenti emesse dal bersaglio Pericoli elettrici non sottovalutare gli alimentatori Radiazione collaterale UV-VIS-IR Lampade flash, tubi a scarica di laser continui Sorgenti di pompaggio Radiazione di ritorno dal bersaglio Radiazione diffusa Dott.sa Daniela Ventura 71 Dott.sa Daniela Ventura 72 Dott.sa Daniela Ventura 18

19 Rischi derivanti dal funzionamento Rischi derivanti dal Funzionamento Infiammabilità: per fasci laser di potenza superiore a 0.5 W e densità superiore a 10 W/cm 2 protezioni costituite da materiali infiammabili sono potenziali sorgenti di rischio di incendio Quando il laser viene utilizzato in anestesia generale, quando il campo operatorio preveda la vicinanza del raggio laser con il distretto tracheale del paziente, i tubi endotracheali devono essere rivestiti di metallo adatto all uso. I LASER di classe 4 possono produrre energia sufficiente ad incendiare materiali infiammabili, causare la combustione di gas endogeni (come il metano nel tratto gastro-intestinale del paziente) e anestetici, bruciare la guaina esterna di un endoscopio (che è di materiale infiammabile), surriscaldare i ferri chirurgici. Dott.sa Daniela Ventura 73 Dott.sa Daniela Ventura 74 Rischi derivanti dal Funzionamento Procedure e mezzi di controllo dei rischi Durante interventi chirurgici possono svilupparsi fumi tossici e può esservi dispersione di particelle di materiale biologico contaminato. Si aggiungono a questi rischi quelli tipici derivanti dall uso di una apparecchiatura elettrica (elettrocuzione) e l emissione di campi elettromagnetici a radiofrequenza o di ultravioletti o anche di raggi X dovuti ai sistemi di pompaggio del mezzo attivo. Questi ultimi sono in genere efficacemente schermati dai pannelli di rivestimento dell apparecchiatura. Controlli procedurale e amministrativi ( classe 3B e 4) Istruzioni che specificano regole pratiche di lavoro, che adempiono o suppliscono ai controlli ingegnerizzati e che possono prevedere l uso di equipaggiamento protettivo personale Procedura standard operativa L operatore deve disporre di tale procedura redatta in lingua italiana ed esposta presso l installazione laser Dott.sa Daniela Ventura 75 Dott.sa Daniela Ventura 76 Dott.sa Daniela Ventura 19

20 Procedure e mezzi di controllo dei rischi Procedure e mezzi di controllo dei rischi Area laser controllata 3B-4 segnalata 3B-4 personale autorizzato 3B-4 con TSL/ASL 3B-4 non accessibile 3B-4 protettore oculare 4 le procedure di accesso non possono essere disattese 4 interblocchi non disattivabili Visitatori L ammissione di visitatori in aree laser controllate è subordinata alle seguenti condizioni Approvazione del responsabile dell impianti Accompagnatore designato dal responsabile Dott.sa Daniela Ventura 77 Dott.sa Daniela Ventura 78 La valutazione del rischio Necessario verificare l idoneità del locale in cui il laser verrà utilizzato ( in particolare assenza di superfici riflettenti) necessario verificare se, i livelli di esposizione superano i valori limiti di esposizione in caso affermativo determinare i D.P.I. idonei, in particolare la densità ottica e la stabilità dei protettori oculari. Dott.sa Daniela Ventura 79 Dott.sa Daniela Ventura 80 Dott.sa Daniela Ventura 20

21 I livelli di esposizione vengono ricavati tramite calcolo oppure tramite misurazioni. laser continuo W/m 2 laser impulsato J/m 2 I valori limite di esposizione ( VLE) agli occhi e alla pelle vengono calcolati facendo riferimento alle tab allegato XXXVII D.Lgs 81/08, ed utilizzando i seguenti tempi di esposizione: Esposizione agli occhi: 0,25 s da 400 a 700 nm, 10 s per le altre lunghezze d onda. Esposizione alla cute: 1000 s Dott.sa Daniela Ventura 81 Dott.sa Daniela Ventura 82 La stabilità del protettore oculare viene determinata confrontando la densità di energia (H) o la densità di potenza (E) al protettore ( calcolati come indicato nella normativa UNI EN 207) con i valori riportati nella tabella b.2 della stessa norma. Nel caso in cui il laser emetta più lunghezze d onda è necessario verificare se gli effetti dannosi sono additivi ( Tab 5 CEI ). In caso affermativo l esposizione viene calcolata facendo la somma pesata delle esposizioni dovute alle diverse lunghezze d onda. Dott.sa Daniela Ventura 83 Dott.sa Daniela Ventura 84 Dott.sa Daniela Ventura 21

22 Occhiali di protezione Dispositivi di protezione individuale Scelta del protettore oculare Calcolo della densità ottica Dimensionamento del protettore Controllo stabilità ottica Identificazione del protettore Dott.sa Daniela Ventura 86 Scelta del protettore oculare Calcolo della densità ottica Protezione totale Si riporta in VLE 180 nm-1 mm Filtro LB Allineamento Si riporta in classe nm-700 nm Filtro R H VLE 0 Dλ = log 10 Dott.sa Daniela Ventura 87 Dott.sa Daniela Ventura 88 Dott.sa Daniela Ventura 22

23 Dimensionamento del protettore Controllo della stabilità ottica Filtri R hanno 5 livelli R1-R5 Filtri LB hanno 10 livelli LB1-LB10 vanno scelti anche in base alla modalità di emssione D continuo IR impulsato M mode locked Calcolo al filtro di Irradiamento (Wm -2 ) Esposizione energetica ( Jm -2 ) verificata tramite la norme UNI EN 207 Dott.sa Daniela Ventura 89 Dott.sa Daniela Ventura 90 Identificazione del protettore oculare: sigla indelebile dell occhiale Potenza o Energia max ( solo per filtri R) λ o λ applicabili Funzionamento D I R M ( solo per filtri LB) Numero di scala Marchio del costruttore Marchio CE D LB5 + IR LB6 X ZZ S Controllo 1 Controlli periodici su laser medicali Strumentazione necessaria Modalità di esecuzione Tolleranza Cavi per alimentazione e per pedale Nessuna Controllo visivo del buono stato dei cavi Se i cavi non sono in buone condizioni, richiedere un intervento di manutenzione sospendendo temporaneamente l uso dei laser Periodicità Annuale o su segnalazione dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 91 Dott.sa Daniela Ventura 92 Dott.sa Daniela Ventura 23

24 Controlli periodici su laser medicali Controlli periodici su laser medicali Controllo 2 Strumentazione necessaria Interruttori di emergenza Nessuna Modalità di esecuzione Controllo del corretto funzionamento Tolleranza Periodicità Se l interruttore di emergenza non interrompe il funzionamento del laser, richiedere un intervento di manutenzione sospendendo temporaneamente l uso dei laser Annuale Controllo 3 Strumentazione necessaria Indicatori acustici e visivi di emissione del laser Nessuna Modalità di esecuzione Controllo del corretto funzionamento Tolleranza Se l indicatore acustico o quello visivo o entrambi non funzionano. Richiedere un intervento di manutenzione sospendendo temporaneamente l uso dei laser Periodicità Annuale o su segnalazione dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 93 Dott.sa Daniela Ventura 94 Controlli periodici su laser medicali Controllo 4 Movimento del braccio articolato (per laser che utilizzano un sistema a trasmissione con braccio articolato) Strumentazione necessaria Nessuna Modalità di esecuzione Controllo del corretto funzionamento Tolleranza Se non tutti i movimenti del braccio articolato sono possibili, richiedere un intervento di manutenzione sospendendo temporaneamente l uso dei laser Periodicità Annuale o su segnalazione dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 95 Controlli periodici su laser medicali Controllo 5 Cavi della fibra ottica ( per laser che utilizzano un sistema di trasmissione a fibra) Strumentazione necessaria Lente con ingrandimento compreso tra 10x e 14x Modalità di esecuzione Controllare che entrambe le estremità della fibra siano pulite e prive di schegge e che il rivestimento plastico esterno ( coating) non sia danneggiato ( ove applicabile) e che non ci siano rotture crepe o contaminanti sulla punta Dott.sa Daniela Ventura 96 Dott.sa Daniela Ventura 24

25 Controlli periodici su laser medicali Tolleranza Se la fibra ottica è rovinata procedere alla sostituzione Periodicità Annuale o su segnalazione dell utilizzatore dopo insoddisfacente esecuzione del controllo 6 relativo alla qualità del fascio di puntamento, di cui costituisce una verifica indiretta) Dott.sa Daniela Ventura 97 Controllo 6 Controlli periodici su laser medicali Strumentazione necessaria Modalità di esecuzione Tolleranza Periodicità Controllo del fascio di puntamento ( per laser che utilizzano un sistema di applicazione a fibra sagomata) Foglio di carta bianco Porre il foglio di carta a una distanza dalla punta della fibra compresa tra 5 e 10 cm e illuminarlo con il fascio di puntamento Controllare che l immagine generata dal fascio di puntamento sulla carta sia circolare e uniforme e priva di ombre Prima di ogni uso a cura dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 98 Controllo 7 Controlli periodici su laser medicali Strumentazione necessaria Modalità di esecuzione Coincidenza del fascio di puntamento e trattamento ( per laser che usano un sistema di trasmissione a braccio articolato con sistemi di focalizzazione) Abbassalingua in legno A) Segnare su un foglio di carta l immagine dello spot del fascio di puntamento. Mantenendo solidali il foglio di carta e il braccio articolato, muovere quest ultimo in tutte le direzioni per verificare che lo spot di prova non si discosti dalla sua immagine disegnata sul foglio Dott.sa Daniela Ventura 99 Controlli periodici su laser medicali Modalità di esecuzione B) Appoggiare l abbassalingua su un materiale in grado di assorbire l energia ( panno bagnato). Selezionare la dimensione di spot più piccola e l esposizione energetica più bassa, collocare il manipolo vicino all abbassalingua. Segnare con una biro la zona dell abbassalingua illuminata dal fascio di puntamento, poi, senza modificare la posizione accendere il fascio di trattamento e verificare che la bruciatura coincida con la zona marcata. Dott.sa Daniela Ventura 100 Dott.sa Daniela Ventura 25

26 Controlli periodici su laser medicali Controlli periodici su laser medicali Tolleranza A)Il fascio di puntamento deve mantenersi entro una circonferenza di 2 mm di diametro. B)Lo scostamento massimo ammesso tra i centri delle due aree non deve superare il 50% del diametro della larghezza delle due aree. Inoltre il diametro del fascio di puntamento non deve superare di oltre 1.5 volte il diametro. La bruciatura deve essere simmetrica ed uniforme Periodicità Prima di ogni uso, a cura dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 101 Controllo 8 Strumentazione necessaria Potenza del fascio Power meter tarato presso un ente certificato Modalità di esecuzione Scegliere 2 o 3 potenze rappresentative tra quelle di utilizzo clinico, ed effettuare almeo tre misure per ciascuna potenza Tolleranza ± 20% rispetto al valore nominale impostato sull apparecchiatura Periodicità Annuale (o dopo intervento di manutenzione) o se segnalati problemi da parte dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 102 Controlli periodici su laser medicali Controlli periodici su laser medicali Controllo 9 Potenza del fascio Controllo 10 Protezioni Oculari Strumentazione necessaria Modalità di esecuzione Tolleranza Periodicità Dispositivo incorporato di controllo di potenza ( ove esistente) Eseguire il controllo secondo quanto indicato sul manuale del laser Secondo quanto insicato sul manuale del laser Prima do ogni uso a cura dell utilizzatore Strumentazione necessaria Modalità di esecuzione Tolleranza Nessuna Controllo visivo del buono stato degli occhiali e della corrispondenza tra lunghezza d onda filtrata e quella del laser impiegato Nel caso vi siano graffi, incrinature o danni alla montatura, provvedere alla sostituzione degli occhiali Periodicità Prima di ogni uso a cura dell utilizzatore Dott.sa Daniela Ventura 103 Dott.sa Daniela Ventura 104 Dott.sa Daniela Ventura 26