كيفية اختيار غرف سلامة الليزر لأنواع الليزر المختلفة

مطابقة مستوى حماية الغلاف مع تصنيف الليزر

الليزرات من الفئة 1–3R: عندما تكفي الحواجز السلبية والضوابط الإدارية

تُصدر الليزرات من الفئة ١ إلى الفئة ٣R ما لا يزيد عن ٥ ملليواط من الضوء المرئي، ولا تحتاج عادةً إلى غلاف وقائي خاص. وغالبًا ما تكفي إجراءات وقائية بسيطة مثل تغطية العدسات البصرية، وحواجز الحزمة الضوئية، والعلامات التحذيرية المناسبة، شريطة أن تترافق مع ممارسات إدارية سليمة. فماذا يعني ذلك عمليًّا؟ حسنًا، يجب أن تضع الشركات قواعد سلامة مكتوبة، وتقيِّد الوصول إلى هذه الليزرات، وتوفر تدريبًا كافيًا للعاملين عليها، وتضمن وجود شخص مؤهلٍ يشرف على عمليات السلامة المتعلقة بالليزر. وفي معظم الأوقات، تبقى مستويات التعرُّض أقل بكثيرٍ من الحدود المُعَرَّفة بأنها خطرة. أما الخطر الحقيقي فينبع من قيام الأشخاص بالتحديق مباشرةً في الحزمة الضوئية لفترة طويلة جدًّا، أو من النظر إليها عمداً رغم وجود التحذيرات. ولذلك، يجب أن تنص إرشادات مكان العمل بصراحة على أن هذا النوع من السلوكيات غير مسموح به تحت أي ظرف من الظروف.

الليزرات من الفئة ٤: أغلفة وقائية كاملة إلزامية دون أدنى مجال للتفاوض، مزوَّدة بنظام تأمينات متعددة (إشارات توقف تلقائية احتياطية) والتخفيف من مخاطر منطقة الخطر

الليزر المصنَّف ضمن الفئة 4 يُصدِر أكثر من ٥٠٠ ملي واط إما من الإشعاع المستمر أو المتقطع، ما يعني أنه يحتاج إلى أنظمة احتواء مناسبة لضمان السلامة. ووفقاً للمعايير مثل ANSI Z136.1 وIEC 60825، فإن الشرط الأساسي هو وجود غلاف مزوَّد بعدة مقابض توصيل على الأبواب تُوقف تشغيل الليزر فوراً عند فتح الباب عن طريق الخطأ. ويجب أن تحجب هذه الأغلفة الوقائية ليس فقط شعاع الليزر الرئيسي، بل أيضاً تلك الانعكاسات المنتشرة الخطرة التي قد تحدث عندما ينعكس الضوء عن الأسطح. كما يجب أن تكون قادرةً على التعامل مع الحرارة الناتجة عن أنظمة الليزر القوية، لا سيما الليزر الكبير من نوع CO2 الذي يعمل عند مستويات تصل إلى الكيلوواط. وتشكل ميزات السلامة مثل أزرار الإيقاف الطارئ، والمواقع المخصصة لامتصاص الأشعة غير المستخدمة بأمان، وأنظمة التبريد أجزاءً ضرورية لا غنى عنها في أي تركيب. وتنص الإرشادات الرسمية المرجعية التي تشير إليها إدارة السلامة والصحة المهنية (OSHA) على أن نظام الاحتواء المستخدم يجب أن يحافظ على مستويات الإشعاع دون الحد الآمن المسموح به للبشر في أي مكان خارج منطقة العمل المحددة.

اختر مواد الغلاف المخصصة للليزر بناءً على الطول الموجي والقدرة

نفاذية المادة وامتصاصها: مطابقة الأكريليك، وبولي كربونات، والزجاج المرشَّح مع الليزرات فوق البنفسجية، والمرئية، والليزر تحت الحمراء البعيدة

الحصول على أداء جيد كحاجز يعتمد فعليًّا على مطابقة المادة المناسبة مع الطول الموجي الصحيح. وتؤدي الأكريليك أداءً ممتازًا في حالة الليزر المرئي ذي الأطوال الموجية بين ٤٠٠ و٧٠٠ نانومتر. فهي تسمح للمُشغِّلين برؤية ما يحدث أثناء العمليات، مع امتصاص معظم الطاقة في الوقت نفسه. أما عند التعامل مع الضوء فوق البنفسجي ذي الأطوال الموجية الأقل من ٣٨٠ نانومتر، فإن البولي كربونات تصبح الخيار الأمثل. ويمكن لهذه المادة امتصاص ما يقرب من كل الإشعاع فوق البنفسجي الوارد، وذلك بفضل الترتيب الجزيئي الخاص بها. أما بالنسبة للأطوال الموجية الأطول في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وبخاصة تلك التي تبلغ حوالي ١٠٦٠٠ نانومتر الناتجة عن ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2)، فلا يوجد بديل عن زجاج البو روسيليكات المعالج خصيصًا. فالأكاسيد المعدنية المُخلوطة في هذا الزجاج تمنع تلف الحرارة الذي قد يؤدي إلى تدمير البلاستيكيات العادية مع مرور الزمن. وعند النظر إلى البيانات الواقعية المستقاة من دراسات سلامة الليزر، يتبيَّن أن نحو ربع حالات مشكلات الاحتواء في المصانع تحدث بسبب استخدام مادة غير مناسبة لمدى طول موجي معين.

معايير سُمك التخفيض القدرة: ضمان سلامة الليزر عند 10 واط (ثنائي اتصال) مقابل 5 كيلوواط (ثاني أكسيد الكربون)

عندما يتعلق الأمر بمتطلبات سماكة المادة، فإن ما يهم حقًا هو كثافة القدرة وليس مجرد النظر إلى أرقام القدرة الاسمية بالواط. وهنا أمرٌ مهمٌ جدًّا: فالعلاقة بين السماكة والقدرة ليست خطيةً، بل أسيةٌ عند تطبيق مبادئ التخفيض (Derating). فعلى سبيل المثال، يمكن لليزر الثنائي الصغير ذي القدرة ١٠ واط أن يعمل بشكلٍ جيدٍ جدًّا باستخدام حاجز وقائي من البولي كربونات بسماكة ٣ مم فقط. أما عند المقارنة مع نظام ثاني أكسيد الكربون الأكبر بكثير والذي تبلغ قدرته ٥ كيلوواط، فإن متطلبات السلامة تتطلب استخدام زجاج مصفَّح ومُفلتر بسماكة تتراوح بين ١٥ و٢٥ مم، ومزوَّد بأغشية تبريد خاصة. وهذه المواد المتقدمة يجب أن تكون قادرةً أيضًا على تحمل أحمال طاقية هائلة تصل إلى نحو ٩٨٠ جول لكل سنتيمتر مربع قبل أن تفشل حراريًّا. ويستند معظم مختصي السلامة في حساب السماكة اللازمة للحاجز الوقائي إلى قانون لامبرت-بير (Lambert-Beer) باعتباره الأداة الأساسية في هذا المجال، حيث يأخذون في الاعتبار عوامل مثل كمية الضوء الممتصة، وانتشار الحزمة الضوئية، والخصائص المعقدة للنبضات التي تتفاوت اختلافًا كبيرًا بين التطبيقات المختلفة. وبعد ذلك، تأتي بعض الممارسات القياسية التي أثبتت جدارتها عبر الزمن في سيناريوهات الهندسة الواقعية.

هذه الطريقة بالغة الأهمية خصوصًا بالنسبة للليزر النبضي، حيث يمكن أن تفوق القدرة القصوى التصنيفات الاسمية بمقدار عدة أضعاف.

التحقق من أنظمة السلامة والشهادات الحاسمة في مجال الامتثال

هندسة نظام القفل التلقائي: تصميم قناتين ومنطق آمن ضد الفشل وفقًا للمعيارَين ANSI Z136.1 وIEC 60825

في قلب كل غلاف ليزري من الفئة 4 يقع نظام القفل التلقائي (Interlock)، الذي يُنظِّم في الأساس كل ما يتصل بالسلامة. وتحدد معايير مثل ANSI Z136.1 وIEC 60825 قواعد صارمة لهذه الأنظمة، وتتطلب ما يُسمى «الهندسة ثنائية القناة»، حيث يجب أن تكشف دائرتان منفصلتان عن أي مشكلة في الوصول قبل إيقاف شعاع الليزر. والمنطق وراء ذلك بسيطٌ جدًّا فعليًّا: فباستخدام رقابة احتياطية للأبواب ولوحات الخدمة والختم المطاطي المحيط بها، نلغي خطر وقوع كارثة نتيجة عطل صغير واحد. وعند التعامل تحديدًا مع المعدات من الفئة 4، يتعيَّن على المصنِّعين تنفيذ توصيلات كهربائية متقاطعة بين المكونات، وضمان أن تبقى أوقات الاستجابة أقل من ١٠ ملي ثانية. أما الحصول على الشهادة فيتضمَّن إجراء اختبارات جادة جدًّا؛ إذ يقوم المهندسون باختبارات حقن الأعطال (Fault Injection Tests) ويتحققون من سلاسل التشغيل بأكملها لإثبات تحقيق المتطلبات الخاصة بمستوى السلامة SIL 2+، التي تفرضها معظم بروتوكولات التشغيل الآلي الصناعي حاليًّا.

نوافذ عرض السلامة الليزرية: تصنيفات كثافة التوهين (OD)، والتحقق الطيفي، ومستوى الأداء وفق المعيار ISO 13849 (PLd)

عندما يتعلق الأمر بنوافذ العرض، فإنها تحتاج إلى اختبارات مناسبة لأطوال موجية محددة بدلًا من الاعتماد فقط على شهادة عامة. وينبغي أن تكون درجة كثافة التوهين البصري (OD) أعلى مما هو مطلوب للعمل المعني. فبالنسبة الليزر المرئي، نبحث عادةً عن قيمة كثافة توهين بصري تساوي 4 أو أكثر، في حين أن المصادر تحت الحمراء مثل أنظمة ثاني أكسيد الكربون تتطلب قيمة أقرب إلى 7. ويضمن ذلك أن الضوء العابر يبقى ضمن حدود التعرض الآمنة. وتختلف طرق اختبار المواد المختلفة باختلاف خصائصها. فتُختبر مادة البولي كربونات لمدى كفاءتها في حجب الإشعاع فوق البنفسجي، بينما تخضع الزجاج المفلتر للتحقق من قدرته على تقليل انتقال الأشعة تحت الحمراء البعيدة. ووفقاً لمعايير ISO 13849، يجب أن تستوفي هذه النوافذ الأمنية متطلبات المستوى الأداء (PLd)، ما يعني أنه لا ينبغي أن تحدث أكثر من عطلة خطرة واحدة كل ١٠٬٠٠٠ ساعة تشغيل. كما تُدمج آليات أمان تُسمى «القفل الميكانيكي» في الأنظمة بحيث يُوقف الليزر تلقائياً عند تلف النافذة أثناء أعمال الصيانة. وتتم عمليات الفحص الدورية مرة واحدة سنوياً، وتتناول أموراً مثل الخدوش السطحية، والغيمية الناجمة عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية، وارتخاء الحشوات المحيطة بالحواف، وما إذا كانت جميع المكونات ما زالت مثبتة بشكل آمن في أماكنها المخصصة. وتساعد هذه الفحوصات السنوية في الحفاظ على العمليات ضمن الحدود التنظيمية المعمول بها.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي الفروق الأساسية بين فئات الليزر من حيث السلامة؟

تُصدر أشعة الليزر من الفئة 1 إلى الفئة 3R طاقةً أقل عمومًا ولا تتطلب عادةً غلافًا خاصًا. أما أشعة الليزر من الفئة 4، فتتطلب على العكس غلافًا كاملاً مزودًا بنظم تأمين متعددة بسبب ارتفاع قدرتها الإخراجية.

لماذا يُعتبر مطابقة مواد الغلاف مع طول موجة الليزر وقوته أمرًا بالغ الأهمية؟

تكفل مطابقة المواد مع الطول الموجي الصحيح امتصاصًا أقصى وسلامةً قصوى. فعلى سبيل المثال، يُعد الأكريليك مناسبًا لأجهزة الليزر المنبعثة في نطاق الضوء المرئي، بينما يُستخدم البولي كربونات لأجهزة الليزر فوق البنفسجية، والزجاج المعالج خصوصيًا لأطوال الموجة في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

كيف تعمل أنظمة التأمين (Interlock) لضمان سلامة استخدام الليزر؟

تتكوّن أنظمة التأمين من قناتين وتُصمَّم لإيقاف تشغيل جهاز الليزر فورًا عند اختراق نقطة الوصول. ويقلل هذا من خطر التعرُّض للإشعاع ويساعد في الالتزام بمعايير السلامة.

ما هي الشهادات الرئيسية المطلوبة لتحقيق الامتثال لأنظمة غلاف الليزر؟

يجب الامتثال لمعايير ANSI Z136.1 وIEC 60825، لأن هذه المعايير تُحدد متطلبات السلامة والكفاءة لأنظمة القفل التبادلي. كما يجب أن تتوافق نوافذ العرض مع معيار ISO 13849 لمستويات الأداء.