10. Druhy neionizujúceho žiarenia (slnečné žiarenie, laserové žiarenie, EM polia)

Transcription

1 10. Druhy neionizujúceho žiarenia (slnečné žiarenie, laserové žiarenie, EM polia) 10.1 Slnečné žiarenie Prírodným zdrojom elektromagnetického žiarenia ktoré je nevyhnutné pre všetky formy života na Zemi, je Slnko. Zdrojom energie Slnka sú termonukleárne reakcie prebiehajúce v strede Slnka, nazývané aj jadrová fúzia, pri ktorej sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Energia vzniká vo forme fotónov gama žiarenia a neutrín. Na povrch Slnka, do fotosféry, sa energia dostáva prostredníctvom konvekcie, absorpcie a emisie a opúšťa ho v podobe elektromagnetickej radiácie a neutrín (a v malej miere tiež ako kinetická a termálna energia slnečného vetra a ako energia magnetických polí). Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 do 3,0 µm. Slnečné žiarenie vzniká vo fotosfére, viditeľnom povrchu Slnka. Toto žiarenie je polychromatické, t.j. zahŕňa široké spektrum vlnových dĺžok a obsahuje nasledujúce typy elektromagnetického žiarenia: kozmické žiarenie, gama žiarenie, x žiarenie (rtg žiarenie), ultrafialové žiarenie, viditeľné žiarenie, infračervené žiarenie, rádiové vlny. Na zemský povrch preniká približne 50% tohto žiarenia, 20% žiarenia je pohltené atmosférou (v dôsledku rozptylu a absorpcie plynmi a aerosólmi v atmosfére) a 30% žiarenia odráža atmosféra späť do vesmíru. Z uvedeného množstva, ktoré preniká na Zem je v najväčšej miere zastúpené ultrafialové, viditeľné a infračervené žiarenie. Vlnové dĺžky slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem sú v rozmedzí od cca 100 nm do cca nm. Slnečná energia získaná na zemskom povrchu pozostáva z dvoch základných zložiek, t.j. z priamej a rozptýlenej slnečnej energie. Priama slnečná energia je energia, ktorá prichádza so slnečnými lúčmi. Rozptýlená slnečná energia je dôsledkom zoslabenia v atmosfére. Intenzita žiarenia závisí od vlnovej dĺžky. Oblasť najintenzívnejšieho vyžarovania je od 100 do nm a maximum je pri vlnovej dĺžke 501 nm, čo je hodnota blízka maximálnej citlivosti ľudského oka (555 nm). Jednotlivé zložky spektra sú percentuálne zastúpené nasledovne: 7 % dopadajúcej slnečnej energie pripadá na ultrafialové žiarenie (prislúchajúca vlnová dĺžka je 280 až 380 nm), 47 % dopadajúcej slnečnej energie pripadá na viditeľné žiarenie (prislúchajúca vlnová dĺžka je 380 až 730 nm), 46 % dopadajúcej slnečnej energie pripadá na infračervené žiarenie IR (prislúchajúca vlnová dĺžka je 730 až nm). Pôsobenie slnečného žiarenia má pozitívne aj negatívne stránky, s prevahou pozitívnych. V prvom rade je potrebné si uvedomiť, že bez slnečného žiarenia by neexistoval život na Zemi Ultrafialové žiarenie Ultrafialové (UV) žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou v oblasti nad hornou časťou viditeľného spektra, z čoho pochádza aj jeho názov (ultra).

2 Podľa vlnovej dĺžky rozoznávame: UVA-dlhovlnné žiarenie ( nm), je čiastočne absorbované ozónovou vrstvou, ktorá pohltí približne 30%. Toto žiarenie zohráva významnú úlohu pri produkcii fotochemického smogu. UV spektrum na Zemi je tvorené z 90 až 99% UVA žiarením. UVB-strednovlnné žiarenie ( nm) je až z 80% pohltené ozónovou vrstvou. UV spektrum na Zemi je tvorené z 1 až 10% UVB žiarením. UVC-krátkovlnné žiarenie ( nm), je pri prechode atmosférou úplne absorbované ozónovou vrstvou a kyslíkom je teda odfiltrované a nedopadá na zemský povrch. V praxi teda pripadajú do úvahy len jeho umelé zdroje. Hodnoty UV žiarenia na zemskom povrchu ovplyvňuje mnoho činiteľov. Najdôležitejšími sú: výška slnka nad obzorom, t.j. čím vyššie je Slnko nad obzorom, tým viac žiarenia dopadá na zemský povrch, lebo dráha slnečných lúčov v atmosfére je kratšia, oblačnosť, ktorá zoslabuje intenzitu UV žiarenia (výnimkou sú tenké oblaky, ktoré môžu spôsobiť bočný odraz, čím sa intenzita žiarenia zvýši), pričom najväčšiu intenzitu dosahuje UV žiarenie pri jasnej oblohe, nadmorská výška, t.j. intenzita UV žiarenia rastie s nadmorskou výškou, na každých 300 m výšky vzrastie intenzita žiarenia o 4 %, množstvo ozónu, t.j. čím je ozónová vrstva hrubšia, tým viac žiarenia pohltí, odraz od zemského povrchu, t.j. množstvo odrazeného žiarenia. Najvýraznejšie biologické účinky má UVB žiarenie. V malom množstve je UV žiarenie pre organizmy nevyhnutné. Jeho pôsobením sa z provitamínu D tvorí v koži vitamín D (vplyvom UV žiarenia s vlnovou dĺžkou do 300 nm). Vo väčších dávkach je však životu nebezpečné. Jeho pôsobením sa voda v bunkách rozkladá na katióny vodíka a anióny kyslíka. Tie sú vysoko reaktívne a zasahujú do metabolizmu bunky. Vplyvom UV žiarenia dochádza k poškodeniu bunky aj na úrovni DNA, pretože absorpciou fotónov UV žiarenia vznikajú spojenia medzi pyrimidínovými bázami, t.j. cytozínom a tymínom. Tie za normálnych okolností neexistujú. Vytvorením takýchto spojení je znemožnená syntéza bielkovín v bunke. UV žiarenie pôsobí najmä na kožu, oči a imunitu. Na koži spôsobuje erytém (sčervenanie kože), ktorý vzniká v priebehu 1-3 hodín po ožiarení, maximum dosahuje po 24 hodinách a stráca sa o 1-2 dni. Pod vplyvom UVA žiarenia pokožka zhnedne. Pigmentácia nastupuje do 3 dní od začiatku opaľovania v dôsledku tvorby pigmentu melanínu v melanocytoch kože. Pri dlhodobom pôsobení UV žiarenia pokožka starne. Je dokázaný aj karcinogénny účinok, lebo vplyvom UV žiarenia dochádza k vzniku kožného nádoru - malígneho melanómu. Vzniká ako dôsledok opakovaného intenzívneho spálenia kože UV žiarením, a to najmä svetlej kože, ktorá je veľmi citlivá. Ďalej má vplyv na vznik očných chorôb, spôsobuje poškodenie rohovky, sietnice a šošovky oka (šedý zákal - katarakta), v najhorších prípadoch až úplnú slepotu. UV žiarenie vplýva aj na imunitu, t.j. pri nadmernom opaľovaní dochádza k poklesu imunity. Na zníženie rizík vyplývajúcich z výskytu UV žiarenia platí niekoľko zásad. Dôležité je najmä nevystavovať sa slnečnému žiareniu medzi 10. a 14. hodinou a chrániť sa pred prienikom UV žiarenia vhodným odevom, použitím ochranných opaľovacích krémov a slnečných okuliarov. Je rizikové vystavovať sa žiareniu po požití liekov (antibiotík a sulfónamidov), pretože môže vyvolať nežiaduce účinky. Ultrafialové žiarenie možno vzhľadom na vlnovú dĺžku považovať za dolnú hranicu neionizujúceho žiarenia, pretože pri vyšších intenzitách dochádza jeho vplyvom jednak k tvorbe O 3 vo vzduchu a jednak ku vzniku voľných radikálov v niektorých materiáloch. Žiarenie UV-C, ktoré sa vyskytuje v životnom prostredí len výnimočne, možno už považovať za veľmi slabo ionizujúce. Okrem Slnka môžu byť zdrojmi UV žiarenia aj látky (predmety) zohriate na vysokú teplotu, ktoré vyžarujú spojité spektrum. Ako príklad možno uviesť elektrický oblúk.

3 Známe sú baktericídne účinky UV žiarenia, ktoré sa využívajú v tzv. germicídnych lampách. K významným umelým zdrojom UV žiarenia patria soláriá. Príčinou ich rozvoja bola túžba ľudí, prevažne žien, po opálenej pokožke. UV žiarenie produkované v špeciálnych trubiciach nesie so sebou vážne zdravotné riziká. Z krátkodobého hľadiska je to najčastejšie tvorba pigmentových znamienok a spálenie kože. Z dlhodobého hľadiska používanie solárií vyvoláva zmeny, ktoré môžu viesť k nádorovému procesu. Na vyjadrenie úrovne žiarenia bola zavedená veličina solárny (alebo UV) index. Je to bezrozmerná veličina a vyjadruje hustotu toku UV žiarenia s erytémovým účinkom. Na Slovensku poskytuje informácie o predpovedi tohto indexu na nasledujúci deň Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ). Číselná škála obsahuje hodnoty od 1 do 11. Pri hodnotách 1 a 2 nie je potrebné sa chrániť, hodnoty 8 až 11 sú pre obyvateľov kritické. Vtedy sa odporúča nevychádzať z príbytkov Viditeľné žiarenie Viditeľným žiarením alebo svetlom nazývame časť slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch s vlnovými dĺžkami na ktoré je citlivé ľudské oko. Podobne ako ultrafialové žiarenie, aj viditeľné žiarenie možno rozdeliť podľa vlnovej dĺžky na : červené svetlo ( nm), oranžové svetlo ( nm), žlté svetlo ( nm), zelené svetlo ( nm), modré svetlo ( nm), fialové svetlo ( nm). Viditeľné svetlo do značnej miery ovplyvňuje nielen fyzickú a psychickú pohodu človeka, ale aj jeho pracovnú výkonnosť a schopnosť regenerácie jeho organizmu. Z hľadiska zdravého vývoja človeka je najvhodnejšie prirodzené denné svetlo. Pre správne fungovanie ľudského organizmu je teda nevyhnutná určitá denná dávka viditeľného žiarenia (svetla). Jeho nedostatok spôsobuje únavu a môže viesť až k neurologickým problémom. Obr.10.1 Elektromagnetické spektrum Druh vážnej depresie známy pod názvom SAD (Seasonal Affective Disorder), je choroba, ktorou každoročne trpia niektorí ľudia. SAD sa objavuje približne v tom istom čase každý rok. Podstata a príčina SAD nie je presne známa, ale predpokladá sa, že pri jej vzniku

4 zohráva dôležitú úlohu nedostatok slnečného svetla. Boli zistené dva druhy SAD, t.j. zimná a letná depresia. Obvyklejšia je zimná depresia, ktorá začína v neskorej jeseni alebo na začiatku zimy. Príznaky SAD sú tie isté ako u normálnej depresie, t.j. smútok, úzkosť, strata záujmu o obvyklé činnosti atď. Avšak sú tu tiež symptómy typické pre zimný typ SAD, ako je zvýšená ospalosť, zvýšená chuť do jedla, pocit olovených končatín, podráždenosť a ďalšie. Výskumom bolo zistené, že vystavenie svetlu, tzv. svetelná terapia, je účinná pri liečbe zimnej depresie. Svetlo súvisí s denným biorytmom človeka. Nedávne výskumy potvrdili, že v oku sa nachádza fotoreceptívny senzorový systém, ktorý nezohráva úlohu pri videní a pravdepodobne súvisí s touto problematikou. Z hľadiska správneho fungovania denného biorytmu je tma rovnako dôležitá ako svetlo. Bolo zistené, že v ľudskom tele sa vytvára jedine v spánku za tmy hormón melatonín, ktorý má silné antioxidačné účinky a chráni ľudský organizmus pred chorobami srdca, rakovinou a očným zákalom. Mechanizmus pôsobenia svetla na ľudský organizmus nie je ešte dostatočne preskúmaný ale je zrejmé, že sme od prírody počas dlhých vekov existencie ľudstva nastavení na slnečné svetlo. Niektorí vedci predpokladajú, že ľudský mozog vníma farbu prirodzeného svetla ako normálnu a ľudský organizmus má kladnú odozvu na svetelnú intenzitu. Tab.10.1 Škodlivé účinky niektorých druhov slnečného žiarenia Žiarenie UV-C UV-B UV-A Svetlo IR- A IR-B IR-C vlnová dĺžka [nm] poruchy zákal farebného zápal rohovky oko šošovky videnia a zákal rohovky nočného videnia popálenie sietnice popálenie rohovky pokožka erytém popálenie pokožky Infračervené žiarenie Infračervené žiarenie (infrared - IR) je elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou väčšou než je vlnová dĺžka viditeľného svetla ale menšou než je vlnová dĺžka mikrovlnového žiarenia. Za objaviteľa infračerveného žiarenia sa považuje sir William Herschel, ktorý v roku 1800 meral teplotu oblasti priliehajúcej k červenej oblasti spektra a ktorý aj dal pomenovanie tomuto žiareniu. Jeho názov je odvodený z latinčiny, kde infra znamená pod. Infračervené žiarenie má vlnovú dĺžku v rozmedzí 760 nm až 1 mm a energia fotónov sa pohybuje od 0,00120 ev do 1,63 ev. Podľa vlnovej dĺžky rozoznávame tri druhy infračerveného žiarenia: IRA - krátkovlnné žiarenie ( nm), IRB - žiarenie so strednou vlnovou dĺžkou ( nm), IRC - dlhovlnné žiarenie (nad 3000 nm). Zemský povrch absorbuje viditeľné žiarenie zo Slnka a veľké množstvo energie vyžaruje vo forme infračerveného žiarenia späť do vesmíru. Niektoré plyny v atmosfére, najmä vodná para, absorbujú toto infračervené žiarenie a vyžarujú ho späť všetkými smermi, teda aj ku povrchu Zeme. Tento jav, tzv. skleníkový efekt udržiava vyššiu teplotu v atmosfére a na

5 zemskom povrchu ako by bola v prípade keby plyny pohlcujúce infračervené žiarenie neboli v atmosfére prítomné. Na Zem preniká len malé množstvo IR žiarenia, väčšina je zachytená v stratosfére vrstvou ozónu. Zdrojmi infračerveného žiarenia sú tiež všetky živé organizmy, predmety v našom okolí a všetky vesmírne objekty. Hranica medzi viditeľným spektrom a IR žiarením nie je presne definovaná, nakoľko vychádza z citlivosti ľudského oka. Umelými zdrojmi infračerveného žiarenia sú napríkladvysoko žeravé lampy (solux), rôzne žiarovky (teplota vlákna C), v priemysle sú to vysoké pece, roztavené kovy a sklo, zariadenia s elektrickým oblúkom a lasery. Z biologických účinkov infračerveného žiarenia je najvýraznejší tepelný účinok Laserové žiarenie Laser je kvantový generátor svetla a jeho názov pochádza z prvých písmen definície v anglickom jazyku t.j. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laserové systémy sú koherentné svetelné zdroje. Z fyzikálneho hľadiska je laser kvantovo-elektronický zosilňovač elektromagnetického žiarenia, najčastejšie v oblasti viditeľného spektra a priľahlých vlnových dĺžok. Princíp lasera je založený na stimulovanej emisii fotónov v aktívnom prostredí lasera. Za normálnych okolností sa väčšina atómov, iónov alebo molekúl, ktoré tvoria aktívne prostredie lasera, nachádza v najnižšom energetickom stave. Ak sú tieto častice vybudené do vyšších energetických stavov pôsobením vonkajšieho zdroja energie, napr. intenzívnymi svetelnými zábleskami alebo elektrickým výbojom, budú pri prechode do počiatočného energetického stavu vyžarovať nekoherentné svetelné žiarenie. V laseri sa fotóny pohybujú v optickom rezonátore, ktorý tvoria dve vysoko reflexné zrkadlá, pričom jedno z nich je polopriepustné. Vplyvom interakcie vyžiarených fotónov a aktívnej látky lasera dochádza k stimulovanej emisii, teda k vyžiareniu fotónu s tou istou vlnovou dĺžkou a s tým istým smerom pohybu ako pôvodný fotón. Takýmto spôsobom získavame pomocou polopriepustného zrkadla veľmi intenzívny koherentný zväzok. Prvý laser (rubínový) zostrojil Theodore H. Maiman v roku Každý laser pozostáva z troch základných častí: aktívna látka, zdroj energie, optický rezonátor. Laser je zdrojom elektromagnetického žiarenia, ktorého charakteristické vlastnosti sú: fázová koherencia, monochromatické žiarenie, energia a výkon v úzkom vyžarovanom zväzku, kolimácia. Uvedené vlastnosti lasera umožňujú presnosť a cielenosť zásahu a vysokú účinnosť. K ďalším vlastnostiam patrí: malá divergencia (rozbiehavosť) zväzkov radiácie, vysoká svetelná intenzita. Svetelné vlny vznikajúce v laseri, sa podstatne líšia od obyčajného svetla. Obyčajné svetlo vzniká v dôsledku spontánnej emisie žiarenia, ktorá sa vyznačuje úplnou náhodnosťou a chaotickosťou jednotlivých emisných procesov ako aj tým, že nejestvujú medzi nimi nijaké fázové alebo priestorové súvislosti. Takéto svetlo je nekoherentné z priestorového aj časového hľadiska. Laserové svetlo sa vytvára v dôsledku využitia procesov nútenej emisie žiarenia organizovaným a kontrolovateľným spôsobom. V konečnom dôsledku sa tak dosiahne množina usporiadaných a navzájom spätých radov elektromagnetických vĺn, ktorá je

6 výslednicou synchrónnych, fázovo a smerovo zhodných lúčov emitovaných jednotlivými elementmi aktívneho materiálu lasera. Koherentnosť generovaného svetla, čiže priestorovo-časové usporiadanie tvoriacich sa elektromagnetických kmitov je najpodstatnejšou prednosťou lasera. Priestorová plynulosť, ktorá vo všeobecnosti spočíva vo fázovej rovnosti a amplitúdovej rovnorodosti vlnových plôch, podmieňuje veľmi malú uhlovú šírku emitovaného prúžku svetelných lúčov, čiže jeho minimálnu divergenciu. Časová plynulosť, ktorá súvisí s fázovo zhodnými kmitmi elementárnych oscilátorov v laserovom prostredí, určuje predovšetkým monochromatickosť (jednofarebnosť) svetelného žiarenia. Rovnobežnosť a jednofarebnosť svetelného prúžku umožňuje sústrediť ho pomocou spojnej šošovky na veľmi malú plochu, ktorej rozmery sú porovnateľné s vlnovou dĺžkou použitej svetelnej vlny. Laserové svetlo vďaka svojej koherentnosti a monochromatickosti vykazuje vlastnosti, ktoré sú charakteristické pre rádiové vlny. Preto sa laserové vlny niekedy nazývajú aj svetelné rádiové vlny. optické rezonátory vystupujúce žiarenie aktívne prostredie zdroj čerpacej energie polopriepustné zrkadlo (vysokoodrazové) nepriepustné zrkadlo Obr.10.2 Bloková schéma pevného laserového systému Základnú úlohu v laseroch hrá aktívne prostredie, v ktorom sa dosahuje generovanie koherentného svetla. Parametre lasera a jeho konštrukcia závisia od druhu použitého materiálu, od jeho energetickej štruktúry a ďalších vlastností. Podľa aktívneho prostredia, t.j. podľa druhu použitého materiálu delíme lasery na: tuhé (tuhofázové, dielektrické), plynové, kvapalinové, polovodičové. Medzi najznámejšie tuhofázové lasery patrí rubínový laser, ktorého aktívne prostredie tvorí monokryštál rubínu (Al 2 O 3 ) a neodýmový laser, kde aktívne prostredie je kryštál Y 3 A l5 O 12 (niektoré ióny ytria Y 3+ sú nahradené iónmi Nd 3+ ) alebo sklo dopované iónmi Nd 3+. Neodýmový laser je označovaný značkou Nd:YAG (Yttrium Aluminum Garnet) alebo Nd:Glass. Do skupiny laserov, ktorých aktívne prostredie je tvorené plynom, patrí najmä CO 2 laser, argónový laser (Ar) a hélium - neónový laser (He-Ne). V posledných rokoch je najmä v očnom lekárstve často využívaný tzv. excimerový laser. Názov excimér je odvodený zo slov excitovaný dimér. Aktívne prostredie

7 excimerového lasera je dvojzložková zmes vytvorená spojením atómov rôznych vzácnych plynov alebo spojením atómu vzácneho (inertného) plynu a atómu halogénového prvku, napr. argón a kryptón (Ar-Kr), kryptón a fluór (Kr-F), xenón a chlór (Xe-Cl), atď. V prípade kvapalinových laserov je aktívnym prostredím kvapalina, t.j. roztok zlúčeniny organického farbiva (kumarín, rodamín...) v etylalkohole, metylalkohole alebo vode. Polovodičové lasery, ktoré charakterom aktívneho prostredia patria vlastne do skupiny tuhofázových laserov, boli z nej vyňaté z dvoch dôvodov. Prvým dôvodom je princíp fungovania a konštrukcia polovodičových laserov, ktoré sú odlišné od skupiny tuhofázových laserov. Druhým dôvodom je zdôraznenie špecifických vlastností, ktoré predurčujú ich využitie a možnosti ďalšieho rozvoja. K najznámejším polovodičovým laserom patrí gálium arzenidový (GaAs), indium arzenidový (InAs) a gálium antimonidový (Ga Sb). Lasery môžu vo všeobecnosti pracovať v troch režimoch: pulznom (µs ms), kontinuálnom (s), v režime s moduláciou kvality (ns). Každý z týchto režimov sa vyznačuje svojimi špecifickými vlastnosťami a taktiež každá laserová technológia vyžaduje presné nastavenie prevádzkových parametrov tak, aby sa daná technológia stala efektívnou. V prípade pulzného režimu sa pri interakcii s materiálom prejavujú jeho nasledujúce výhody: vysoká hustota energie impulzu, čo zvyšuje absorpciu žiarenia u vysoko odrazových materiálov, zníženie objemového ohrevu materiálu pri jeho spracovaní laserom v dôsledku krátkej doby interakcie laserového zväzku s materiálom, možnosť realizácie rôznych vysokorýchlostných operácií v dôsledku rýchleho ohrevu a následného zhasínania zväzku. V porovnaní s kontinuálnym režimom lasera, kedy výstupný výkon je ekvivalentný celkovému menovitému výkonu daného typu lasera, je v pulznom režime laser elektronicky modulovaný tak, aby došlo k emisii impulzu o výkone niekoľkonásobne vyššom než pri kontinuálnom režime. Maximálny výstupný výkon v impulze je závislý na opakovacej frekvencii impulzov. Čím vyššia je opakovacia frekvencia, tým nižší je výstupný výkon. Pri vysokých opakovacích frekvenciách musíme zabezpečiť, aby sa jednotlivé impulzy vzájomne neprekrývali, to znamená, aby sme čo najviac skrátili čas dobehu impulzu, ktorý môže byť až v jednotkách milisekúnd, čo výrazne ovplyvní maximum opakovacej frekvencie. Laser bez vonkajšej modulácie vyžaruje sériu relaxačných impulzov náhodne rozložených v čase, teda pracuje v stacionárnom režime. Využitie takéhoto režimu činnosti pre celý rad aplikácií je neracionálne. Cieľom modulácie kvality optických rezonátorov je dosiahnuť na výstupe lasera sled krátkych periodických impulzov. Tento problém sa rieši zavedením riadiaceho prvku do lasera, pomocou ktorého sa menia podmienky vzniku oscilácií. Takto riešené lasery sú schopné generovať periodické optické impulzy v nanosekundovej oblasti pri maximálnom impulzovom výkone od jednotiek W až do niekoľko tisíc GW. Tvar prierezu zväzku žiarenia, vystupujúceho z optického rezonátora, nie je závislý iba na vlnovej dĺžke, ale taktiež na súosovosti, vzdialenosti, zakrivenosti zrkadiel a na priemere laserovej trubice. Tvar prierezu zväzku, t.j. mód (vid), sa v technickej literatúre označuje skratkou TEM, čo znamená transverzálne elektromagnetický. Teoreticky je možné v laserovej technike vytvoriť nekonečné množstvo módov, ale iba niektoré typy majú praktické uplatnenie.

8 Laserové žiarenie je špeciálnou formou viditeľného, ultrafialového alebo infračerveného svetla. Jeho účinky sú podobné účinkom týchto druhov žiarenia a svojou podstatou sú v prvom rade tepelné. Vysoký výstupný výkon je príčinou vzniku poškodení, s ktorými sa nestretneme pri normálnych druhoch žiarenia. Lasery pracujúce v Q režime môžu rozptýliť do jednej bunky dosť energie na to, aby sa z nej vyparila voda a bunka exploduje. Môžu sa vyskytnúť aj netepelné účinky, ako je tvorba voľných radikálov vplyvom fotochemických reakcií. Najzraniteľnejšími orgánmi je oko a pokožka. Svetelný lúč s vysokým výkonom sa ďalej zaostruje cez očnú šošovku. Dôsledkom môžu byť ťažké zranenia (poškodenia), najmä keď svetelný lúč dopadne na žltú škvrnu, pretože sú tu umiestnené fotoreceptory očného nervu. Očné zranenia sú často sprevádzané opuchom alebo zápalom sklovca. K najčastejším nežiaducim účinkom laserového žiarenia na kožu patria popáleniny, často aj ťažké. UV - lasery môžu vyvolať rakovinu. Koža je odolnejšia voči poškodeniu než oči, pretože svetelný lúč sa ďalej nezaostruje. UV a IR žiarenie môže zapríčiniť zakalenie rohovky, v závislosti od veľkosti lúča. V druhom štádiu sa tieto oblasti môžu pretrhnúť a očné tekutiny vytečú. Šošovka sa môže zakaliť. Bola tiež pozorovaná migrácia pigmentu v zasiahnutej oblasti dúhovky. Po niekoľkých týždňoch táto migrácia zmizla. Opakovaný účinok týchto ožiarení môže mať za následok ruptúru tkaniva dúhovky. Vzniknuté zranenia sú väčšinou nevratné. Lasery nachádzajú široké uplatnenie najmä v medicíne a biológii, v telekomunikáciách, v lokátoroch a navigačných systémoch, v strojárenstve a pri kontrolných meraniach, v chémii, v elektronike a výpočtovej technike, v kozmológii, vo vláknovej optike, mikrovlnovej technike, pri vedeckovýskumných prácach a mnohých ďalších aplikáciách, ktoré stále pribúdajú. Laserové žiarenie je nebezpečné pre vysokú koncentráciu energie v jeho lúči, často neviditeľnom. Lasery sú kategorizované do 4 tried a sú povinne značené dohodnutou značkou a príslušným upozornením na štítku. Prvá a druhá trieda nie sú zdraviu škodlivé, zrak je chránený pohybom očného viečka, čo trvá asi 0,25 s. Laserové žiarenie patriace do tretej a štvrtej triedy môže vážne poškodiť zrak a lasery štvrtej triedy, ktoré sa používajú len v priemysle, podliehajú zvláštnym predpisom Elektrické, magnetické a elektromagnetické polia Všetky živé organizmy na Zemi, vrátane ľudí, sa počas dlhých vekov existencie adaptovali na slabé, prírodné nízkofrekvenčné elektromagnetické polia a na zemské statické geomagnetické pole, ktoré sú súčasťou prírodného radiačného pozadia. Prírodné nízkofrekvenčné elektromagnetické (EM) polia pochádzajú z dvoch hlavných zdrojov, t.j. zo Slnka a z búrkovej činnosti. V minulom storočí, najmä v jeho posledných desaťročiach, došlo ku vzniku umelých elektromagnetických polí s oveľa väčšou intenzitou vyžarovania a s odlišným a rôznorodým spektrálnym rozložením, ktorého podstata a taktiež vplyv na biologické systémy nie je doposiaľ úplne pochopená. Pretože hodnoty veličín umelých EM polí sú podstatne väčšie než v prípade prírodných EM polí, významne ovplyvňujú prírodné pozadie. Elektromagnetické pole sa vytvára pri zmene rýchlosti nabitých častíc (elektrónov). V okolí nabitých častíc sú vytvorené elektrické polia a pri pohybe častíc vznikajú tiež magnetické polia. Spektrum elektromagnetického poľa je obvykle delené do troch hlavných frekvenčných pásem alebo polí: extrémne nízkofrekvenčné (enf) pásmo zvyčajne zahrnuje frekvencie do 300 Hz, strednofrekvenčné (sf) pásmo zahrnuje frekvenčný rozsah 300Hz až 10 MHz a

9 rádiofrekvenčné (rf) pásmo sa týka frekvencií v rozsahu od 10 MHz do 300 GHz. Elektrické pole, charakterizované vektorom intenzity elektrického poľa E, existuje, kdekoľvek je prítomný elektrický náboj. Keď je teda nejaký prístroj pripojený na zdroj elektrického napätia (napr. do elektrickej zásuvky), v jeho okolí sa vytvorí elektrické pole, ktoré je priamo úmerné veľkosti napätia zdroja, ku ktorému je prístroj pripojený, a to aj v prípade, že tento prístroj nie je zapnutý. Hodnota intenzity elektrického poľa je najväčšia v bezprostrednom okolí prístroja a klesá so vzdialenosťou od neho. Magnetické pole, charakterizované vektorom magnetickej indukcie B, vzniká vplyvom prietoku elektrického prúdu. (Napríklad na povrchu Zeme je hodnota indukcie magnetického poľa vždy menej než 10-4 T.) Keď je teda nejaký prístroj pripojený ku zdroju elektrického napätia (napr. do elektrickej zásuvky) zapnutý a tečie ním prúd, v jeho okolí sa vytvorí magnetické pole, ktoré je priamo úmerné veľkosti prúdu, ktorý tečie zo zdroja, ku ktorému je prístroj pripojený. Hodnota intenzity magnetického poľa je najväčšia v bezprostrednom okolí prístroja a klesá so vzdialenosťou od neho. Pri rádiových frekvenciách sú elektrické a magnetické polia v úzkom vzájomnom vzťahu, čo zvyčajne vyjadruje výkonová hustota S. Elektromagnetické polia vo všetkých frekvenčných pásmach predstavujú jednu z najbežnejších a najrýchlejšie rastúcich oblastí vplyvu životného prostredia na človeka. Takmer na celom svete sú populácie vystavené vplyvom rôznych druhov elektromagnetických polí, ktorých úrovne budú stále narastať s rozvojom a pokrokom vedy a techniky. Možné účinky jednotlivých druhov elektromagnetických polí na ľudský organizmus sa svojou podstatou vzájomne líšia. Závisia od vlastností príslušného EM poľa a jeho charakteristík, t.j. od jeho intenzity, od jeho frekvencie, od jeho energie a od doby pôsobenia. Elektromagnetické polia pochádzajúce z jednotlivých umelých zdrojov nepôsobia samostatne, ale súčasne, a teda zdravotný účinok týchto polí je výsledkom ich spoločného pôsobenia. V súvislosti s danou skutočnosťou sa v 70-tych rokoch 20. storočia začal používať termín elektromagnetický smog (EMS). Pod elektromagnetickým smogom rozumieme súhrn frekvencií umelo vytvorených elektrických, magnetických a elektromagnetických polí, ktoré sa vzájomne prekrývajú. Zdrojmi elektromagnetického smogu sú elektrotechnické a elektronické prístroje a zariadenia, ktoré sa využívajú jednak v mnohých odvetviach priemyslu, v domácnostiach a jednak pri rôznych činnostiach v každodennom živote. Počas prevádzky týchto zariadení sa v ich okolí vytvára EM pole, ktoré z hľadiska frekvencií a veľkosti vyžarovaného výkonu delíme na: statické elektrické pole a premenlivé magnetické pole, ktoré sú zdrojmi nízkofrekvenčných EM vĺn (nižšie frekvencie, dlhšie vlnové dĺžky, nižšie hodnoty prenášanej energie) a rádiofrekvenčné polia, vytvorené rádiovým a mikrovlnovým žiarením, ktoré sú zdrojmi vysokofrekvenčného EM žiarenia (vyššie frekvencie, kratšie vlnové dĺžky, vyššie hodnoty prenášanej energie). Zdroje elektromagnetického žiarenia pracujú v rôznych frekvenčných pásmach, ktoré sa zvyčajne delia do nasledujúcich skupín: pásmo extrémne nízkych frekvencií (5Hz 2kHz), pásmo nízkych frekvencií (2kHz 60kHz), pásmo vysokých frekvencií (60kHz 300MHz), pásmo veľmi vysokých frekvencií (nad 300 MHz). Ku zdrojom nízkofrekvenčných vĺn patria domáce elektrické spotrebiče (chladnička, práčka, fén ), elektrické ohrievače, zábavná technika (hi-fi veže, DVD prehrávače ), rádioprijímače, počítače a príslušenstvo, žiarivky, klimatizačné zariadenie, vysokonapäťové

10 vedenie, vonkajšie elektrické rozvody, domové a bytové rozvody a ďalšie. Elektromagnetické pole v pásme nízkych a extrémne nízkych frekvencií v priemysle vytvárajú napr. rôzne zariadenia pre indukčný ohrev kovov a ohrev dielektrických materiálov drevo, plasty, potraviny), transformátory, elektrické vedenie, elektrické rozvody, výrobné zariadenia a pod. Tab.10.2 Zdroje expozície z polí s extrémne nízkymi frekvenciami Typické elektrické polia Hodnota intenzity E [kv/m] Prirodzene sa vyskytujúce (50/60 Hz) 0, Pod AC prenosovými vedeniami 12 V okolí generátorových staníc 16 Okolo prístrojov 0,5 Typické magnetické polia Hodnota indukcie B [µt] Prirodzene sa vyskytujúce (50/60 Hz) Pod AC prenosovými vedeniami V okolí generátorových staníc Okolo prístrojov Priemyselné procesy (napr. zváranie) 1, Priemerné (50/60 Hz) polia v obytných priestoroch Ku zdrojom vysokofrekvenčného elektromagnetického žiarenia patria rozhlasové a televízne vysielače, radary, mikrovlnové rúry, vysielačky (policajné, záchrannej služby), mobilné telefóny a ich základňové stanice, satelity a wi-fi internet. Do tejto kategórie patrí aj výpočtová technika. Statické a nízkofrekvenčné elektrické a magnetické polia (frekvencia nižšia než 100 khz) Pri klasifikácii a pri hodnotení elektromagnetického poľa z hľadiska ochrany pracovníkov a obyvateľstva pred jeho účinkami za statické polia sú považované elektromagnetické polia, ktoré sa v čase menia s frekvenciou menšou než 1 Hz. V tomto prípade uvažujeme elektrickú a magnetickú zložku elektromagnetického poľa osobitne, hovoríme teda o statickom elektrickom a statickom magnetickom poli. Hodnoty intenzity statického elektrického poľa nie sú dostatočné na to aby vyvolávali prúdy v tele. Preto z hľadiska dodržiavania hygienických limitov je v prípade nízkych frekvencií a statických polí vždy rozhodujúce magnetické pole. Statické magnetické pole nevyvoláva v predmete, ktorý sa vzhľadom na pole nepohybuje, žiadny elektrický prúd. V tele človeka, ktorý sa pohybuje v statickom magnetickom poli, sa indukuje elektrický prúd, ak je pole nehomogénne, pretože magnetický tok prechádzajúci telom alebo jeho časťou, sa v tomto prípade pri zmene polohy tela v čase mení. Prúd indukovaný v tele týmto spôsobom by mohol prekročiť najvyššiu prípustnú hodnotu v extrémne silných magnetických poliach s veľkým gradientom. Bežná populácia sa so statickým poľom, ktoré prekračuje referenčnú hodnotu, stretáva len v prípade vyšetrení v tuneli skenera MRI (Magnetic Resonance Imaging). Expozičné limity sa však na liečebné procedúry nevzťahujú. (Polia s takouto vysokou hodnotou magnetickej indukcie, kedy hlava pacienta je v poli nukleárneho magnetického spektrografu s hodnotou magnetickej indukcie 7 T a operatér môže mať hlavu v silno nehomogénnom poli s magnetickou indukciou okolo 5 T. Pre posúdenie takejto situácie bude v budúcnosti pravdepodobne nutné doplniť smernicu ICNIRP, u nás však zatiaľ táto otázka nie je aktuálna.)

11 EM polia s frekvenciami od 100 khz do 10 MHz V danom frekvenčnom pásme pracujú predovšetkým rozhlasové stanice z pásma dlhých a stredných vĺn. Pokrývajú rozsiahle územia a vyžarujú veľmi vysoké výkony, niekedy presahujúce 1 MW. Ich počet je však malý a nerastie. V tomto pásme pracuje aj časť krátkovlnných vysielačov s pomerne vysokými výkonmi, ktoré vysielajú do vzdialených oblastí našej Zeme. Ich počet sa tiež nezväčšuje pretože ich funkciu postupne nahrádza družicové vysielanie. Vzhľadom na veľké rozmery antén je intenzita elektrického a magnetického poľa pomerne nízka. Do blízkeho okolia antén nemá obyvateľstvo prístup a v miestach, ktoré sú prístupné nedochádza k prekračovaniu najvyšších prípustných hodnôt. EM polia s frekvenciami od 10 MHz do 10 GHz. Vlnová dĺžka je 30 m až 3 cm. Pracujú tu rozhlasové vysielače z časti pásma krátkych vĺn, s pomerne vysokými výkonmi, ktoré vysielajú do vzdialených oblastí. Ich počet nerastie. Postupne ich nahrádza vybudovaná sieť vysielačov s frekvenciami z pásma 100 MHz s pomerne malými výkonmi, ktoré pokrývajú územie s polomerom km, ktorých počet stále rastie. Takisto rastie počet televíznych vysielačov pracujúcich na vyšších frekvenciách než rozhlas. V poslednom desaťročí došlo k obrovskému nárastu počtu vysielačov mobilných sietí a tento počet stále rastie. Ich antény sú pomerne husto rozmiestnené po celom území na strechách, vodojemoch, špeciálne postavených oceľových vežiach, stĺpoch, výškových budovách, atď. Aj keď vysokofrekvenčné výkony sú u týchto staníc veľmi malé (zriedka prekračujú 30 W na svorkách antény), sú predmetom stálych diskusií o možnom škodlivom účinku na zdravie obyvateľstva v okolí týchto staníc. Dá sa predpokladať, že vo vzdialenosti do niekoľko metrov od základňových staníc môžu byť limitné hodnoty expozície prekročené. Keďže antény týchto staníc sú montované vo výškach, kde verejnosť nemá prístup, nemalo by dôjsť k ohrozeniu zdravia obyvateľstva. Odporúča sa však zamedziť prístup do strešných priestorov, kde sú tieto antény namontované. V miestach normálne prístupných verejnosti nie sú limitné hodnoty prekročené. Väčšina mobilných telefónnych systémov používa frekvencie 800 MHz 2 GHz avšak do budúcnosti sa predpokladá využívanie vyšších frekvencií. Centimetrové vlny sa používajú na bezdrôtové spojenie medzi základňovými stanicami obsluhujúcimi mobilné telefóny. Vysielače majú veľmi nízke výkony (0,1 W aj menej). Pod vežami na ktorých sú antény základňových staníc je intenzita elektromagnetického poľa veľmi slabá (rádovo 1 V/m). Priama a odrazená vlna sú navzájom koherentné a teda pri sčítaní hodnôt vektorov elektrického a magnetického poľa sa prejaví vlnová interferencia. Hustota žiarivého toku výslednej vlny sa nerovná súčtu obidvoch hustôt, uplatňuje sa fázový posuv medzi obidvomi vlnami a objavujú sa maximá a minimá v smere šírenia vlny. Tento jav je známy z meraní v miestach s veľmi účinne odrážajúcim povrchom alebo s veľkými prekážkami. EM polia s frekvenciami od 10 GHz do 300 GHz Vlnové dĺžky sú v rozsahu od 3 cm do 1 mm. Žiarenie s veľkými impulznými výkonmi a s frekvenciou z tohto intervalu sa používa v radaroch. Osoby zasiahnuté radarovým impulzom pociťujú zvukové vnemy v dôsledku veľmi rýchleho hoci veľmi malého zahriatia hlavy, ktoré vyvolá zvukovú vlnu a tá podráždi zvnútra sluchové receptory. Elektromagnetické žiarenie z tohto frekvenčného intervalu sa absorbuje už v tenkej vrstve tkaniva. Žiarenie s vlnovou dĺžkou okolo jedného milimetra pôsobí na ľudské telo ohrievaním jeho povrchu, ktoré by pri dostatočnej intenzite vyvolalo na koži pocit tepla.