In den letzten Jahren hat das Interesse an den biologischen Wirkungen und möglichen gesundheitlichen Auswirkungen schwacher elektrischer und magnetischer Felder zugenommen. Es wurden Studien zu Magnetfeldern und Krebs, zur Fortpflanzung und zu neurologischen Verhaltensreaktionen vorgelegt. Im Folgenden wird zusammengefasst, was wir wissen, was noch untersucht werden muss und vor allem, welche Politik angemessen ist – ob es überhaupt keine Expositionsbeschränkungen, „umsichtige Vermeidung“ oder teure Eingriffe geben soll.

Was wir wissen

Krebs

Epidemiologische Studien zu Leukämie im Kindesalter und häuslicher Exposition durch Hochspannungsleitungen scheinen auf eine leichte Risikoerhöhung hinzudeuten, und es wurde über übermäßige Leukämie- und Hirntumorrisiken in „elektrischen“ Berufen berichtet. Jüngste Studien mit verbesserten Techniken zur Expositionsbewertung haben im Allgemeinen die Beweise für einen Zusammenhang gestärkt. Es besteht jedoch noch Unklarheit über die Expositionseigenschaften – beispielsweise Magnetfeldfrequenz und Expositionsintervalle; und es ist nicht viel über mögliche Störfaktoren oder effektmodifizierende Faktoren bekannt. Darüber hinaus weisen die meisten Berufsstudien auf eine spezielle Form der Leukämie hin, die akute myeloische Leukämie, während andere höhere Inzidenzen für eine andere Form, die chronisch lymphatische Leukämie, festgestellt haben. Die wenigen gemeldeten Tierkrebsstudien haben bei der Risikobewertung nicht viel geholfen, und trotz einer großen Anzahl experimenteller Zellstudien wurde kein plausibler und nachvollziehbarer Mechanismus präsentiert, durch den eine krebserzeugende Wirkung erklärt werden könnte.

Reproduktion, mit besonderem Bezug auf Schwangerschaftsergebnisse

In epidemiologischen Studien wurde über unerwünschte Schwangerschaftsverläufe und Krebs im Kindesalter nach mütterlicher und väterlicher Exposition bei Magnetfeldern berichtet, wobei die väterliche Exposition auf eine genotoxische Wirkung hinweist. Bemühungen, positive Ergebnisse anderer Forschungsteams zu replizieren, waren nicht erfolgreich. Epidemiologische Studien an Bedienern von Bildschirmgeräten (VDU), die den von ihren Bildschirmen ausgehenden elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt sind, waren überwiegend negativ, und teratogene Tierstudien mit VDU-ähnlichen Feldern waren zu widersprüchlich, um verlässliche Schlussfolgerungen zu stützen.

Neurobehaviorale Reaktionen

Provokationsstudien an jungen Freiwilligen scheinen solche physiologischen Veränderungen wie eine Verlangsamung der Herzfrequenz und Veränderungen des Elektroenzephalogramms (EEG) nach Exposition bei relativ schwachen elektrischen und magnetischen Feldern anzuzeigen. Das jüngste Phänomen der Überempfindlichkeit gegenüber Elektrizität scheint multifaktoriellen Ursprungs zu sein, und es ist nicht klar, ob die Felder beteiligt sind oder nicht. Es wurde über eine Vielzahl von Symptomen und Beschwerden berichtet, hauptsächlich der Haut und des Nervensystems. Die meisten Patienten haben diffuse Hautbeschwerden im Gesicht, wie Rötungen, Rötungen, Hitze, Wärme, Stechen, Schmerzen und Spannungsgefühl. Auch Symptome des Nervensystems werden beschrieben, wie Kopfschmerzen, Schwindel, Müdigkeit und Ohnmacht, Kribbeln und Stechen in den Extremitäten, Atemnot, Herzklopfen, starkes Schwitzen, Depressionen und Gedächtnisschwierigkeiten. Es wurden keine charakteristischen organischen neurologischen Krankheitssymptome gezeigt.

Belichtung

Die Exposition gegenüber Feldern tritt in der gesamten Gesellschaft auf: im Haushalt, bei der Arbeit, in Schulen und durch den Betrieb von elektrisch betriebenen Verkehrsmitteln. Überall dort, wo elektrische Leitungen, Elektromotoren und elektronische Geräte vorhanden sind, entstehen elektrische und magnetische Felder. Durchschnittliche Feldstärken von 0.2 bis 0.4 μT (Mikrotesla) an einem Arbeitstag scheinen das Niveau zu sein, oberhalb dessen ein erhöhtes Risiko bestehen könnte, und ähnliche Werte wurden für Jahresmittelwerte für Personen berechnet, die unter oder in der Nähe von Hochspannungsleitungen leben.

Viele Menschen sind in ähnlicher Weise, wenn auch für kürzere Zeiträume, in ihren Wohnungen (über elektrische Heizkörper, Rasierapparate, Haartrockner und andere Haushaltsgeräte oder Streuströme aufgrund von Ungleichgewichten im elektrischen Erdungssystem in einem Gebäude) und bei der Arbeit diesen Werten ausgesetzt (in bestimmten Industrien und Büros mit Nähe zu elektrischen und elektronischen Geräten) oder während der Fahrt in Zügen und anderen elektrisch angetriebenen Transportmitteln. Die Bedeutung einer solchen intermittierenden Exposition ist nicht bekannt. Es bestehen andere Unsicherheiten hinsichtlich der Exposition (einschließlich Fragen zur Bedeutung der Feldfrequenz, zu anderen modifizierenden oder verwirrenden Faktoren oder zur Kenntnis der Gesamtexposition bei Tag und Nacht) und Wirkung (angesichts der Übereinstimmung der Ergebnisse in Bezug auf die Art des Krebses). , und in den epidemiologischen Studien, die es erforderlich machen, alle Risikobewertungen mit großer Vorsicht zu bewerten.

Risikobewertungen

In skandinavischen Wohnstudien weisen die Ergebnisse auf ein doppeltes Leukämierisiko über 0.2 μT hin, wobei die Expositionswerte denen entsprechen, die typischerweise in einem Abstand von 50 bis 100 Metern zu einer Freileitung auftreten. Die Zahl der Kinderleukämiefälle unter Hochspannungsleitungen ist jedoch gering, und das Risiko ist daher im Vergleich zu anderen Umweltgefahren in der Gesellschaft gering. Es wurde berechnet, dass es in Schweden jedes Jahr zwei Fälle von Kinderleukämie unter oder in der Nähe von Hochspannungsleitungen gibt. Einer dieser Fälle kann, falls vorhanden, auf das Magnetfeldrisiko zurückzuführen sein.

Berufliche Expositionen gegenüber Magnetfeldern sind im Allgemeinen höher als Expositionen in Wohngebieten, und Berechnungen des Leukämie- und Hirntumorrisikos für exponierte Arbeiter ergeben höhere Werte als für Kinder, die in der Nähe von Hochspannungsleitungen leben. Berechnungen auf der Grundlage des in einer schwedischen Studie entdeckten zuordenbaren Risikos zufolge könnten jedes Jahr ungefähr 20 Fälle von Leukämie und 20 Fälle von Hirntumoren auf Magnetfelder zurückgeführt werden. Diese Zahlen sind mit der Gesamtzahl von jährlich 40,000 Krebsfällen in Schweden zu vergleichen, von denen schätzungsweise 800 berufsbedingt sind.

Was noch untersucht werden muss

Es ist ganz klar, dass weitere Forschung notwendig ist, um ein zufriedenstellendes Verständnis der bisherigen epidemiologischen Studienergebnisse zu gewährleisten. In verschiedenen Ländern auf der ganzen Welt werden derzeit weitere epidemiologische Studien durchgeführt, aber die Frage ist, ob diese das bereits vorhandene Wissen erweitern werden. Tatsächlich ist nicht bekannt, welche Eigenschaften der Felder gegebenenfalls ursächlich für die Wirkungen sind. Daher brauchen wir definitiv mehr Studien zu möglichen Mechanismen, um die von uns gesammelten Ergebnisse zu erklären.

Es gibt in der Literatur jedoch eine Vielzahl von in vitro Studien, die der Suche nach möglichen Mechanismen gewidmet sind. Es wurden mehrere Krebsförderungsmodelle vorgestellt, die auf Veränderungen der Zelloberfläche und des Zellmembrantransports von Calciumionen, Unterbrechung der Zellkommunikation, Modulation des Zellwachstums, Aktivierung spezifischer Gensequenzen durch modulierte Ribonukleinsäure (RNA)-Transkription, Depression basieren der Melatoninproduktion der Zirbeldrüse, Modulation der Ornithin-Decarboxylase-Aktivität und mögliche Störung der Anti-Tumor-Kontrollmechanismen des Hormonsystems und des Immunsystems. Jeder dieser Mechanismen hat Merkmale, die zur Erklärung der gemeldeten Magnetfeld-Krebswirkungen geeignet sind; jedoch war keine frei von Problemen und wesentlichen Einwänden.

Melatonin und Magnetit

Es gibt zwei mögliche Mechanismen, die für die Krebsförderung relevant sein könnten und daher besondere Aufmerksamkeit verdienen. Einer davon hat mit der Verringerung des nächtlichen Melatoninspiegels zu tun, der durch Magnetfelder induziert wird, und der andere hängt mit der Entdeckung von Magnetitkristallen in menschlichem Gewebe zusammen.

Aus Tierversuchen ist bekannt, dass Melatonin über eine Wirkung auf zirkulierende Sexualhormonspiegel eine indirekte onkostatische Wirkung hat. In Tierversuchen wurde auch darauf hingewiesen, dass Magnetfelder die Melatoninproduktion der Zirbeldrüse unterdrücken, ein Befund, der auf einen theoretischen Mechanismus für die berichtete Zunahme von (zum Beispiel) Brustkrebs hindeutet, die auf die Exposition gegenüber solchen Feldern zurückzuführen sein könnte. Kürzlich wurde eine alternative Erklärung für das erhöhte Krebsrisiko vorgeschlagen. Es wurde festgestellt, dass Melatonin ein höchst wirksamer Hydroxylradikalfänger ist, und folglich wird die Schädigung der DNA, die durch freie Radikale angerichtet werden könnte, durch Melatonin deutlich gehemmt. Wenn der Melatoninspiegel beispielsweise durch Magnetfelder unterdrückt wird, ist die DNA anfälliger für oxidative Angriffe. Diese Theorie erklärt, wie die Unterdrückung von Melatonin durch Magnetfelder zu einer höheren Krebsinzidenz in jedem Gewebe führen könnte.

Aber sinkt der menschliche Melatonin-Blutspiegel, wenn Personen schwachen Magnetfeldern ausgesetzt sind? Es gibt einige Hinweise darauf, dass dies der Fall sein könnte, aber es besteht weiterer Forschungsbedarf. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass die Orientierungsfähigkeit von Vögeln während saisonaler Wanderungen über Magnetitkristalle in Zellen vermittelt wird, die auf das Erdmagnetfeld reagieren. Nun wurde, wie oben erwähnt, auch nachgewiesen, dass Magnetitkristalle in menschlichen Zellen in einer Konzentration vorhanden sind, die theoretisch hoch genug ist, um auf schwache Magnetfelder zu reagieren. Daher sollte die Rolle von Magnetitkristallen in allen Diskussionen über die möglichen Mechanismen berücksichtigt werden, die hinsichtlich der potenziell schädlichen Wirkungen elektrischer und magnetischer Felder vorgeschlagen werden können.

Der Bedarf an Wissen über Mechanismen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es einen klaren Bedarf an weiteren Studien zu solchen möglichen Mechanismen gibt. Epidemiologen benötigen Informationen darüber, auf welche Eigenschaften der elektrischen und magnetischen Felder sie sich bei ihren Expositionsabschätzungen konzentrieren sollten. In den meisten epidemiologischen Studien wurden mittlere oder mittlere Feldstärken (mit Frequenzen von 50 bis 60 Hz) verwendet; in anderen wurden kumulative Expositionsmaße untersucht. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass Felder mit höheren Frequenzen mit Risiken zusammenhängen. In einigen Tierversuchen haben sich schließlich Feldtransienten als wichtig herausgestellt. Für Epidemiologen liegt das Problem nicht auf der Wirkungsseite; Krankheitsregister existieren heute in vielen Ländern. Das Problem ist, dass Epidemiologen die relevanten Expositionsmerkmale nicht kennen, die sie in ihren Studien berücksichtigen müssen.

Welche Politik ist angemessen

Schutzsysteme

Generell sind unterschiedliche Schutzsysteme in Bezug auf Vorschriften, Richtlinien und Richtlinien zu berücksichtigen. Am häufigsten wird das gesundheitsbasierte System gewählt, bei dem eine bestimmte gesundheitsschädliche Wirkung bei einer bestimmten Expositionshöhe unabhängig von der Art der Exposition, chemisch oder physikalisch, identifiziert werden kann. Ein zweites System könnte als Optimierung einer bekannten und akzeptierten Gefahr charakterisiert werden, die keinen Schwellenwert hat, unterhalb dessen das Risiko nicht besteht. Ein Beispiel für eine Exposition, die in ein solches System fällt, ist ionisierende Strahlung. Ein drittes System deckt Gefahren oder Risiken ab, bei denen kausale Beziehungen zwischen Exposition und Ergebnis nicht mit hinreichender Sicherheit nachgewiesen wurden, bei denen jedoch allgemeine Bedenken hinsichtlich möglicher Risiken bestehen. Dieses letztgenannte Schutzsystem wurde als das bezeichnet Grundsatz der Vorsicht, oder vor kurzem umsichtige Vermeidung, die als zukünftige kostengünstige Vermeidung unnötiger Exposition bei fehlender wissenschaftlicher Gewissheit zusammengefasst werden kann. Auf diese Weise wurde die Exposition gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern diskutiert und systematische Strategien vorgestellt, beispielsweise wie zukünftige Stromleitungen verlegt, Arbeitsplätze eingerichtet und Haushaltsgeräte gestaltet werden sollten, um die Exposition zu minimieren.

Es ist offensichtlich, dass das Optimierungssystem im Zusammenhang mit Einschränkungen elektrischer und magnetischer Felder nicht anwendbar ist, einfach weil sie nicht als Risiken bekannt und akzeptiert sind. Die beiden anderen Systeme werden jedoch beide derzeit in Erwägung gezogen.

Vorschriften und Richtlinien zur Beschränkung der Exposition im Rahmen des gesundheitsbasierten Systems

In internationalen Richtlinien liegen die Grenzwerte für die Beschränkungen der Feldexposition um mehrere Größenordnungen über dem, was an Freileitungen gemessen und in Elektroberufen gefunden werden kann. Die International Radiation Protection Association (IRPA) ausgegeben Richtlinien zu Expositionsgrenzwerten bei 50/60 Hz elektrischen und magnetischen Feldern im Jahr 1990, die als Grundlage für viele nationale Normen übernommen wurde. Da danach wichtige neue Studien veröffentlicht wurden, wurde 1993 von der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) ein Addendum herausgegeben. Darüber hinaus wurden 1993 auch im Vereinigten Königreich Risikobewertungen in Übereinstimmung mit denen der IRPA durchgeführt.

Diese Dokumente betonen, dass der heutige Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse keine Begrenzung der Expositionsniveaus für die Öffentlichkeit und die Arbeitnehmer bis auf das μT-Niveau rechtfertigt und dass weitere Daten erforderlich sind, um zu bestätigen, ob Gesundheitsgefahren vorliegen oder nicht. Die IRPA- und ICNIRP-Richtlinien basieren auf den Auswirkungen von feldinduzierten Strömen im Körper, die denen entsprechen, die normalerweise im Körper gefunden werden (bis zu etwa 10 mA/m2). Es wird empfohlen, die berufliche Exposition bei Magnetfeldern von 50/60 Hz auf 0.5 mT für ganztägige Exposition und 5 mT für kurze Expositionen von bis zu zwei Stunden zu begrenzen. Es wird empfohlen, die Exposition gegenüber elektrischen Feldern auf 10 und 30 kV/m zu begrenzen. Die 24-Stunden-Grenze für die Öffentlichkeit ist auf 5 kV/m und 0.1 mT festgelegt.

Diese Diskussionen über die Regulierung der Exposition basieren ausschließlich auf Krebsberichten. In Studien zu anderen möglichen gesundheitlichen Auswirkungen im Zusammenhang mit elektrischen und magnetischen Feldern (z. B. Fortpflanzungs- und neurologische Verhaltensstörungen) werden die Ergebnisse im Allgemeinen als unzureichend klar und konsistent angesehen, um eine wissenschaftliche Grundlage für die Begrenzung der Exposition zu bilden.

Das Prinzip der Vorsicht oder umsichtigen Vermeidung

Es gibt keinen wirklichen Unterschied zwischen den beiden Konzepten; Vorsichtige Vermeidung wurde jedoch spezieller in Diskussionen über elektrische und magnetische Felder verwendet. Wie oben gesagt, kann umsichtige Vermeidung als die zukünftige, kostengünstige Vermeidung unnötiger Exposition zusammengefasst werden, solange wissenschaftliche Unsicherheit über die gesundheitlichen Auswirkungen besteht. Es wurde in Schweden übernommen, aber nicht in anderen Ländern.

In Schweden haben fünf Regierungsbehörden (das schwedische Strahlenschutzinstitut, das National Electricity Safety Board, das National Board of Health and Welfare, das National Board of Occupational Safety and Health und das National Board of Housing, Building and Planning) gemeinsam erklärt dass „das gesamte Wissen, das sich jetzt ansammelt, Maßnahmen zur Reduzierung der Feldleistung rechtfertigt“. Vorausgesetzt, die Kosten sind angemessen, besteht die Politik darin, Menschen vor lang andauernder hoher magnetischer Belastung zu schützen. Während der Installation neuer Geräte oder neuer Stromleitungen, die hohe Magnetfeldbelastungen verursachen können, sollten Lösungen gewählt werden, die eine geringere Belastung ergeben, sofern diese Lösungen keine großen Unannehmlichkeiten oder Kosten verursachen. Wie vom Radiation Protection Institute angegeben, können im Allgemeinen Maßnahmen ergriffen werden, um das Magnetfeld in Fällen zu reduzieren, in denen die Expositionswerte die normalerweise auftretenden Werte um mehr als das Zehnfache überschreiten, sofern eine solche Reduzierung zu angemessenen Kosten möglich ist. In Situationen, in denen die Expositionswerte bestehender Anlagen die normalerweise auftretenden Werte nicht um den Faktor zehn überschreiten, sollten kostspielige Umbauten vermieden werden. Selbstverständlich wurde das vorliegende Vermeidungskonzept von vielen Experten in verschiedenen Ländern kritisiert, beispielsweise von Experten der Stromversorgungsindustrie.

Schlussfolgerungen

In der vorliegenden Arbeit wurde zusammengefasst, was wir über mögliche gesundheitliche Auswirkungen elektrischer und magnetischer Felder wissen und was noch untersucht werden muss. Auf die Frage, welche Politik verfolgt werden sollte, wurde keine Antwort gegeben, es wurden jedoch optionale Schutzsysteme vorgestellt. In diesem Zusammenhang scheint klar, dass die vorhandene wissenschaftliche Datenbasis nicht ausreicht, um Expositionsgrenzwerte auf μT-Ebene zu entwickeln, was wiederum bedeutet, dass es keinen Grund für teure Eingriffe bei diesen Expositionsebenen gibt. Ob irgendeine Form der Vorsichtsstrategie (z. B. umsichtige Vermeidung) angewandt werden sollte oder nicht, ist Sache der Entscheidungen der Gesundheitsbehörden und Arbeitsschutzbehörden der einzelnen Länder. Wenn eine solche Strategie nicht angewendet wird, bedeutet dies normalerweise, dass keine Expositionsbeschränkungen auferlegt werden, da die gesundheitsbasierten Grenzwerte weit über der alltäglichen öffentlichen und beruflichen Exposition liegen. Wenn also heute die Meinungen über Vorschriften, Richtlinien und Richtlinien auseinandergehen, besteht unter den Standardsetzern allgemeiner Konsens darüber, dass mehr Forschung erforderlich ist, um eine solide Grundlage für zukünftige Maßnahmen zu erhalten.

 

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Die bekannteste Form elektromagnetischer Energie ist das Sonnenlicht. Die Frequenz des Sonnenlichts (sichtbares Licht) ist die Trennlinie zwischen der stärkeren, ionisierenden Strahlung (Röntgenstrahlen, kosmische Strahlung) bei höheren Frequenzen und der harmloseren, nicht-ionisierenden Strahlung bei niedrigeren Frequenzen. Es gibt ein Spektrum nichtionisierender Strahlung. Im Kontext dieses Kapitels ist Infrarotstrahlung am oberen Ende knapp unterhalb des sichtbaren Lichts. Darunter befindet sich der breite Bereich von Funkfrequenzen, der (in absteigender Reihenfolge) Mikrowellen, Mobilfunk, Fernsehen, FM-Radio und AM-Radio, Kurzwellen, die in dielektrischen und Induktionsheizgeräten verwendet werden, und am unteren Ende Felder mit Netzfrequenz umfasst. Das elektromagnetische Spektrum ist in Abbildung 1 dargestellt. 

Abbildung 1. Das elektromagnetische Spektrum

ELF010F1

So wie sichtbares Licht oder Schall unsere Umgebung, den Raum, in dem wir leben und arbeiten, durchdringt, so durchdringen auch die Energien elektromagnetischer Felder. Genauso wie der Großteil der Schallenergie, der wir ausgesetzt sind, durch menschliche Aktivitäten erzeugt wird, werden auch die elektromagnetischen Energien erzeugt: von den schwachen Pegeln, die von unseren alltäglichen Elektrogeräten ausgestrahlt werden – die unsere Radio- und Fernsehgeräte zum Laufen bringen – bis hin zu den hohen Niveaus, die Ärzte für wohltuende Zwecke anwenden – zum Beispiel Diathermie (Wärmebehandlungen). Im Allgemeinen nimmt die Stärke solcher Energien mit der Entfernung von der Quelle schnell ab. Die natürlichen Konzentrationen dieser Felder in der Umwelt sind gering.

Nichtionisierende Strahlung (NIR) umfasst alle Strahlungen und Felder des elektromagnetischen Spektrums, die nicht genügend Energie haben, um Materie zu ionisieren. Das heißt, NIR ist nicht in der Lage, einem Molekül oder Atom genügend Energie zuzuführen, um seine Struktur durch Entfernen eines oder mehrerer Elektronen zu zerstören. Die Grenze zwischen NIR und ionisierender Strahlung liegt üblicherweise bei einer Wellenlänge von etwa 100 Nanometern.

Wie jede Energieform hat NIR-Energie das Potenzial, mit biologischen Systemen zu interagieren, und das Ergebnis kann ohne Bedeutung, in unterschiedlichem Maße schädlich oder vorteilhaft sein. Bei Hochfrequenz- (RF) und Mikrowellenstrahlung ist der Hauptwechselwirkungsmechanismus die Erwärmung, aber im niederfrequenten Teil des Spektrums können Felder mit hoher Intensität Ströme im Körper induzieren und dadurch gefährlich sein. Die Wechselwirkungsmechanismen für niedrige Feldstärken sind jedoch unbekannt.

 

 

 

 

 

 

 

 

Mengen und Einheiten

Felder bei Frequenzen unter etwa 300 MHz werden in Bezug auf die elektrische Feldstärke quantifiziert (E) und magnetische Feldstärke (H). E wird in Volt pro Meter (V/m) ausgedrückt und H in Ampere pro Meter (A/m). Beide sind Vektorfelder, das heißt, sie sind an jedem Punkt durch Größe und Richtung gekennzeichnet. Für den niederfrequenten Bereich wird das Magnetfeld oft durch die Flussdichte ausgedrückt, B, mit der SI-Einheit Tesla (T). Wenn es um Felder in unserem täglichen Umfeld geht, ist die Untereinheit Mikrotesla (μT) meist die bevorzugte Einheit. In einigen Literaturstellen wird die Flussdichte in Gauss (G) ausgedrückt, und die Umrechnung zwischen diesen Einheiten ist (für Felder in Luft):

1 T = 104 G oder 0.1 μT = 1 mG und 1 A/m = 1.26 μT.

Übersichten über Konzepte, Mengen, Einheiten und Terminologie für den Schutz vor nichtionisierender Strahlung, einschließlich hochfrequenter Strahlung, sind verfügbar (NCRP 1981; Polk und Postow 1986; WHO 1993).

Die Strahlung bedeutet einfach Energie, die durch Wellen übertragen wird. Elektromagnetische Wellen sind Wellen elektrischer und magnetischer Kräfte, wobei eine Wellenbewegung als Ausbreitung von Störungen in einem physikalischen System definiert ist. Eine Änderung des elektrischen Feldes geht mit einer Änderung des magnetischen Feldes einher und umgekehrt. Diese Phänomene wurden 1865 von JC Maxwell in vier Gleichungen beschrieben, die als Maxwellsche Gleichungen bekannt wurden.

Elektromagnetische Wellen sind durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet, darunter Frequenz (f), Wellenlänge (λ), elektrische Feldstärke, magnetische Feldstärke, elektrische Polarisation (P) (die Richtung der E Feld), Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) und Poynting-Vektor (S). Figur 2  veranschaulicht die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im freien Raum. Die Frequenz ist definiert als die Anzahl vollständiger Änderungen des elektrischen oder magnetischen Felds an einem bestimmten Punkt pro Sekunde und wird in Hertz (Hz) ausgedrückt. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen oder Wellentälern (Maxima oder Minima). Die Frequenz, Wellenlänge und Wellengeschwindigkeit (v) hängen wie folgt zusammen:

v = f λ

Abbildung 2. Eine ebene Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit in x-Richtung ausbreitet

ELF010F2

Die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im freien Raum ist gleich der Lichtgeschwindigkeit, aber die Geschwindigkeit in Materialien hängt von den elektrischen Eigenschaften des Materials ab, dh von seiner Permittivität (ε) und Permeabilität (μ). Die Permittivität betrifft die Wechselwirkungen des Materials mit dem elektrischen Feld und die Permeabilität drückt die Wechselwirkungen mit dem magnetischen Feld aus. Biologische Substanzen haben von der Wellenlänge (insbesondere im HF-Bereich) und vom Gewebetyp abhängige Permittivitäten, die sich stark von denen des freien Weltraums unterscheiden. Die Durchlässigkeit biologischer Substanzen ist jedoch gleich der des freien Raums.

In einer ebenen Welle, wie in Abbildung 2 dargestellt , das elektrische Feld steht senkrecht zum magnetischen Feld und die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht sowohl zum elektrischen als auch zum magnetischen Feld.

 

 

 

Bei einer ebenen Welle wird das Verhältnis des Wertes der elektrischen Feldstärke zum konstanten Wert der magnetischen Feldstärke als charakteristische Impedanz bezeichnet (Z):

Z = E/H

Im freien Raum, Z= 120π ≈ 377Ω aber sonst Z hängt von der Permittivität und Permeabilität des Materials ab, durch das sich die Welle bewegt.

Die Energieübertragung wird durch den Poynting-Vektor beschrieben, der die Größe und Richtung der elektromagnetischen Flussdichte darstellt:

S = E x H

Für eine sich ausbreitende Welle ist das Integral von S über einer beliebigen Oberfläche stellt die momentane Leistung dar, die durch diese Oberfläche übertragen wird (Leistungsdichte). Die Größe des Poynting-Vektors wird in Watt pro Quadratmeter (W/m2) (in manchen Literaturstellen ist die Einheit mW/cm2 verwendet – die Umrechnung in SI-Einheiten ist 1 mW/cm2 = 10 W / m2) und für ebene Wellen hängt mit den Werten der elektrischen und magnetischen Feldstärken zusammen:

S = E2 / 120π = E2 / 377

und

S = 120π H2 = 377 H2

Nicht alle in der Praxis anzutreffenden Expositionsbedingungen können durch ebene Wellen dargestellt werden. In Entfernungen in der Nähe von Quellen hochfrequenter Strahlung sind die für ebene Wellen charakteristischen Beziehungen nicht erfüllt. Das von einer Antenne abgestrahlte elektromagnetische Feld kann in zwei Bereiche unterteilt werden: die Nahfeldzone und die Fernfeldzone. Die Grenze zwischen diesen Zonen wird normalerweise gesetzt bei:

r = 2a2 / λ

woher a ist die größte Abmessung der Antenne.

Im Nahfeldbereich muss die Exposition sowohl durch das elektrische als auch durch das magnetische Feld charakterisiert werden. Im Fernfeld genügt eine davon, da sie durch die obigen Gleichungen miteinander in Beziehung stehen E und H. In der Praxis wird die Nahfeldsituation oft bei Frequenzen unter 300 MHz realisiert.

Die Exposition gegenüber HF-Feldern wird durch Wechselwirkungen elektromagnetischer Wellen mit Objekten weiter erschwert. Wenn elektromagnetische Wellen auf ein Objekt treffen, wird im Allgemeinen ein Teil der einfallenden Energie reflektiert, ein Teil absorbiert und ein Teil übertragen. Die vom Objekt übertragenen, absorbierten oder reflektierten Energieanteile hängen von der Frequenz und Polarisation des Feldes sowie den elektrischen Eigenschaften und der Form des Objekts ab. Eine Überlagerung der einfallenden und reflektierten Wellen führt zu stehenden Wellen und räumlich ungleichmäßiger Feldverteilung. Da Wellen von metallischen Objekten total reflektiert werden, bilden sich in der Nähe solcher Objekte stehende Wellen.

Da die Wechselwirkung von HF-Feldern mit biologischen Systemen von vielen verschiedenen Feldeigenschaften abhängt und die in der Praxis anzutreffenden Felder komplex sind, sollten die folgenden Faktoren bei der Beschreibung der Exposition gegenüber HF-Feldern berücksichtigt werden:

  • ob die Exposition in der Nah- oder Fernfeldzone erfolgt
  • wenn Nahfeld, dann Werte für beide E und H wird gebraucht; wenn Fernfeld, dann entweder E or H
  • räumliche Variation der Stärke des/der Feldes/Felder
  • Feldpolarisation, also die Richtung des elektrischen Feldes in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Welle.

 

Für die Exposition bei niederfrequenten Magnetfeldern ist noch nicht klar, ob es allein auf die Feldstärke oder die Flussdichte ankommt. Es kann sich herausstellen, dass auch andere Faktoren wichtig sind, wie die Belichtungszeit oder die Schnelligkeit der Feldänderungen.

Die elektromagnetisches Feld (EMF), wie es in den Nachrichtenmedien und der Boulevardpresse verwendet wird, bezieht sich normalerweise auf elektrische und magnetische Felder am niederfrequenten Ende des Spektrums, kann aber auch in einem viel breiteren Sinne verwendet werden, um das gesamte Spektrum von zu umfassen elektromagnetische Strahlung. Beachten Sie, dass im Niederfrequenzbereich die E und B Felder sind nicht auf die gleiche Weise gekoppelt oder miteinander verbunden wie bei höheren Frequenzen, und es ist daher genauer, sie als „elektrische und magnetische Felder“ und nicht als EMF zu bezeichnen.

 

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Dienstag, 15 März 2011 14: 58

UV-Strahlung

Wie das sichtbare Licht ist die ultraviolette Strahlung (UVR) eine Form der optischen Strahlung mit kürzeren Wellenlängen und energiereicheren Photonen (Strahlungsteilchen) als ihr sichtbares Gegenstück. Die meisten Lichtquellen emittieren auch etwas UVR. UVR ist im Sonnenlicht vorhanden und wird auch von einer Vielzahl von UV-Quellen emittiert, die in Industrie, Wissenschaft und Medizin verwendet werden. Arbeitnehmer können UVR in einer Vielzahl von beruflichen Situationen begegnen. In einigen Fällen können bei schwachem Umgebungslicht sehr intensive Nah-Ultraviolett-Quellen („Schwarzlicht“) gesehen werden, aber normalerweise ist UV-Strahlung unsichtbar und muss durch das Leuchten von Materialien erkannt werden, die bei UV-Strahlung fluoreszieren.

So wie Licht in Farben unterteilt werden kann, die in einem Regenbogen zu sehen sind, wird UVR unterteilt und seine Bestandteile werden allgemein als bezeichnet UVA, UVB und UVC. Wellenlängen von Licht und UVR werden im Allgemeinen in Nanometern (nm) ausgedrückt; 1 nm ist ein Milliardstel (10-9) von einem Meter. UVC (sehr kurzwelliges UVR) im Sonnenlicht wird von der Atmosphäre absorbiert und erreicht nicht die Erdoberfläche. UVC ist nur aus künstlichen Quellen wie keimtötenden Lampen erhältlich, die den größten Teil ihrer Energie bei einer einzigen Wellenlänge (254 nm) emittieren, die beim Abtöten von Bakterien und Viren auf einer Oberfläche oder in der Luft sehr effektiv ist.

UVB ist die biologisch schädlichste UV-Strahlung für Haut und Augen, und obwohl der größte Teil dieser Energie (die ein Bestandteil des Sonnenlichts ist) von der Atmosphäre absorbiert wird, verursacht sie dennoch Sonnenbrand und andere biologische Wirkungen. Langwelliges UVR, UVA, wird normalerweise in den meisten Lampenquellen gefunden und ist auch das intensivste UVR, das die Erde erreicht. Obwohl UVA tief in das Gewebe eindringen kann, ist es nicht so biologisch schädlich wie UVB, da die Energien einzelner Photonen geringer sind als bei UVB oder UVC.

Quellen der ultravioletten Strahlung

Sonnenlicht

Die größte berufsbedingte Exposition gegenüber UV-Strahlung erfahren Arbeiter im Freien unter Sonnenlicht. Die Energie der Sonnenstrahlung wird durch die Ozonschicht der Erde stark gedämpft, wodurch die terrestrische UV-Strahlung auf Wellenlängen von mehr als 290-295 nm begrenzt wird. Die Energie der gefährlicheren kurzwelligen (UVB) Strahlen im Sonnenlicht ist eine starke Funktion der atmosphärischen Neigungsbahn und variiert mit der Jahreszeit und der Tageszeit (Sliney 1986 und 1987; WHO 1994).

Künstliche Quellen

Zu den wichtigsten künstlichen Expositionsquellen für den Menschen gehören:

Industrielles Lichtbogenschweißen. Die bedeutendste Quelle potenzieller UVR-Exposition ist die Strahlungsenergie von Lichtbogenschweißgeräten. Die UVR-Werte in der Umgebung von Lichtbogenschweißgeräten sind sehr hoch, und akute Verletzungen des Auges und der Haut können innerhalb von drei bis zehn Minuten nach der Exposition bei Betrachtungsabständen von wenigen Metern auftreten. Augen- und Hautschutz ist obligatorisch.

Industrie-/Arbeitsplatz-UVR-Lampen. Bei vielen industriellen und kommerziellen Prozessen, wie beispielsweise der photochemischen Härtung von Tinten, Lacken und Kunststoffen, werden Lampen verwendet, die stark im UV-Bereich emittieren. Während die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Exposition aufgrund der Abschirmung gering ist, kann es in einigen Fällen zu einer versehentlichen Exposition kommen.

„Schwarzlicht“. Schwarzlichter sind Speziallampen, die überwiegend im UV-Bereich emittieren und in der Regel zur zerstörungsfreien Prüfung mit Leuchtpulvern, zur Echtheitsprüfung von Banknoten und Dokumenten sowie für Spezialeffekte in Werbung und Diskotheken eingesetzt werden. Diese Lampen stellen keine signifikante Expositionsgefahr für Menschen dar (außer in bestimmten Fällen für lichtempfindliche Haut).

Medizinische Behandlung. UVR-Lampen werden in der Medizin zu vielfältigen diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt. UVA-Quellen werden normalerweise in diagnostischen Anwendungen verwendet. Die Exposition des Patienten ist je nach Art der Behandlung sehr unterschiedlich, und UV-Lampen, die in der Dermatologie verwendet werden, erfordern einen sorgfältigen Umgang mit den Mitarbeitern.

Keimtötende UVR-Lampen. UVR mit Wellenlängen im Bereich von 250–265 nm ist am effektivsten für die Sterilisation und Desinfektion, da es einem Maximum im DNA-Absorptionsspektrum entspricht. Als UV-Quelle werden häufig Niederdruck-Quecksilberentladungsröhren verwendet, da mehr als 90 % der abgestrahlten Energie bei der 254-nm-Linie liegt. Diese Lampen werden oft als „entkeimende Lampen“, „bakterizide Lampen“ oder einfach „UVC-Lampen“ bezeichnet. Entkeimungslampen werden in Krankenhäusern zur Bekämpfung von Tuberkulose-Infektionen eingesetzt und werden auch in mikrobiologischen Sicherheitswerkbänken verwendet, um Mikroorganismen in der Luft und auf der Oberfläche zu inaktivieren. Die ordnungsgemäße Installation der Lampen und die Verwendung eines Augenschutzes sind unerlässlich.

Kosmetische Bräunung. Bräunungsbänke sind in Unternehmen zu finden, in denen Kunden durch spezielle Bräunungslampen, die hauptsächlich im UVA-Bereich, aber auch etwas UVB emittieren, Bräune erhalten können. Die regelmäßige Nutzung einer Sonnenbank kann erheblich zur jährlichen UV-Hautbelastung einer Person beitragen; Darüber hinaus kann auch das in Sonnenstudios tätige Personal niedrigen Werten ausgesetzt sein. Das Tragen von Augenschutz wie Brillen oder Sonnenbrillen sollte für den Kunden obligatorisch sein, und je nach Vereinbarung können auch Mitarbeiter einen Augenschutz benötigen.

Allgemeinbeleuchtung. Leuchtstofflampen sind am Arbeitsplatz weit verbreitet und werden seit langem auch zu Hause eingesetzt. Diese Lampen geben geringe Mengen an UV-Strahlung ab und tragen nur wenige Prozent zur jährlichen UV-Exposition einer Person bei. Wolfram-Halogenlampen werden zunehmend im Haushalt und am Arbeitsplatz für eine Vielzahl von Beleuchtungs- und Anzeigezwecken verwendet. Nicht abgeschirmte Halogenlampen können UVR-Werte aussenden, die ausreichen, um auf kurze Distanz akute Verletzungen zu verursachen. Die Anbringung von Glasfiltern über diesen Lampen sollte diese Gefahr beseitigen.

Biologische Wirkungen

Die Haut

Erythema

Erythem oder „Sonnenbrand“ ist eine Hautrötung, die normalerweise vier bis acht Stunden nach UV-Strahlung auftritt und nach einigen Tagen allmählich verblasst. Ein schwerer Sonnenbrand kann zu Blasenbildung und Abschälen der Haut führen. UVB und UVC sind beide etwa 1,000-mal wirksamer bei der Verursachung von Erythemen als UVA (Parrish, Jaenicke und Anderson 1982), aber Erytheme, die durch die längeren UVB-Wellenlängen (295 bis 315 nm) erzeugt werden, sind schwerwiegender und dauern länger an (Hausser 1928). Die erhöhte Schwere und der zeitliche Verlauf des Erythems resultieren aus einem tieferen Eindringen dieser Wellenlängen in die Epidermis. Die maximale Empfindlichkeit der Haut tritt offensichtlich bei ungefähr 295 nm auf (Luckiesh, Holladay und Taylor 1930; Coblentz, Stair und Hogue 1931), wobei eine viel geringere (ungefähr 0.07) Empfindlichkeit bei 315 nm und längeren Wellenlängen auftritt (McKinlay und Diffey 1987).

Die minimale Erythemdosis (MED) für 295 nm, die in neueren Studien für ungebräunte, leicht pigmentierte Haut angegeben wurde, reicht von 6 bis 30 mJ/cm2 (Everett, Olsen und Sayer 1965; Freeman, et al. 1966; Berger, Urbach und Davies 1968). Die MED bei 254 nm variiert stark in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit nach der Belichtung und davon, ob die Haut viel Sonnenlicht im Freien ausgesetzt war, liegt aber im Allgemeinen in der Größenordnung von 20 mJ/cm2oder so hoch wie 0.1 J/cm2. Hautpigmentierung und Bräunung und vor allem eine Verdickung des Stratum corneum können diese MED um mindestens eine Größenordnung erhöhen.

Photosensibilisierung

Fachleute für Arbeitsmedizin stoßen bei lichtempfindlichen Arbeitnehmern häufig auf negative Auswirkungen einer beruflichen Exposition gegenüber UV-Strahlung. Die Anwendung bestimmter Arzneimittel kann eine photosensibilisierende Wirkung auf die UVA-Exposition haben, ebenso wie die topische Anwendung bestimmter Produkte, einschließlich einiger Parfüms, Körperlotionen usw. Reaktionen auf Photosensibilisatoren beinhalten sowohl Photoallergie (allergische Reaktion der Haut) als auch Phototoxizität (Reizung der Haut) nach UVR-Exposition durch Sonnenlicht oder industrielle UVR-Quellen. (Photosensibilitätsreaktionen während der Verwendung von Bräunungsgeräten sind ebenfalls häufig.) Diese Photosensibilisierung der Haut kann durch auf die Haut aufgetragene Cremes oder Salben, durch orale oder injizierte Medikamente oder durch die Verwendung von verschreibungspflichtigen Inhalatoren verursacht werden (siehe Abbildung 1 ). Der Arzt, der ein potenziell photosensibilisierendes Medikament verschreibt, sollte den Patienten immer warnen, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um Nebenwirkungen zu vermeiden, aber dem Patienten wird häufig nur gesagt, er solle nur Sonnenlicht und keine UVR-Quellen meiden (da diese für die allgemeine Bevölkerung ungewöhnlich sind).

Abbildung 1. Einige phonosensibilisierende Substanzen

ELF020T1

Verzögerte Effekte

Chronische Sonneneinstrahlung – insbesondere der UVB-Anteil – beschleunigt die Hautalterung und erhöht das Hautkrebsrisiko (Fitzpatrick et al. 1974; Forbes und Davies 1982; Urbach 1969; Passchier und Bosnjakovic 1987). Mehrere epidemiologische Studien haben gezeigt, dass das Auftreten von Hautkrebs stark mit dem Breitengrad, der Höhe und der Himmelsbedeckung korreliert, die mit der UVR-Exposition korrelieren (Scotto, Fears und Gori 1980; WHO 1993).

Genaue quantitative Dosis-Wirkungs-Beziehungen für die Karzinogenese der menschlichen Haut wurden noch nicht ermittelt, obwohl hellhäutige Personen, insbesondere solche keltischen Ursprungs, viel anfälliger für die Entwicklung von Hautkrebs sind. Dennoch muss beachtet werden, dass die zur Auslösung von Hauttumoren in Tiermodellen erforderlichen UVR-Expositionen möglicherweise so langsam abgegeben werden, dass keine Erytheme erzeugt werden, und die in diesen Studien berichtete relative Wirksamkeit (relativ zum Peak bei 302 nm) variiert ebenfalls wie Sonnenbrand (Cole, Forbes und Davies 1986; Sterenborg und van der Leun 1987).

Das Auge

Photokeratitis und Photokonjunktivitis

Hierbei handelt es sich um akute Entzündungsreaktionen infolge einer UVB- und UVC-Exposition, die innerhalb weniger Stunden nach übermäßiger Exposition auftreten und normalerweise nach ein bis zwei Tagen abklingen.

Netzhautverletzung durch helles Licht

Obwohl eine thermische Schädigung der Netzhaut durch Lichtquellen unwahrscheinlich ist, kann es zu photochemischen Schäden kommen, wenn man Quellen ausgesetzt wird, die reich an blauem Licht sind. Dies kann zu einer vorübergehenden oder dauerhaften Sehminderung führen. Die normale Abneigung gegen helles Licht sollte dies jedoch verhindern, es sei denn, es wird bewusst versucht, auf helle Lichtquellen zu starren. Der Beitrag der UV-Strahlung zur Netzhautschädigung ist im Allgemeinen sehr gering, da die Absorption durch die Linse die Exposition der Netzhaut begrenzt.

Chronische Effekte

Eine langfristige berufsbedingte Exposition gegenüber UV-Strahlung über mehrere Jahrzehnte kann zu grauem Star und solchen nicht mit den Augen in Zusammenhang stehenden degenerativen Wirkungen wie Hautalterung und Hautkrebs im Zusammenhang mit Sonneneinstrahlung beitragen. Chronische Exposition gegenüber Infrarotstrahlung kann ebenfalls das Kataraktrisiko erhöhen, aber dies ist sehr unwahrscheinlich, wenn man Zugang zu einem Augenschutz hat.

Aktinische Ultraviolettstrahlung (UVB und UVC) wird stark von der Horn- und Bindehaut absorbiert. Eine Überbelichtung dieser Gewebe verursacht eine Keratokonjunktivitis, die gemeinhin als „Schweißerblitz“, „Lichtbogenauge“ oder „Schneeblindheit“ bezeichnet wird. Pitts hat über das Wirkungsspektrum und den zeitlichen Verlauf der Photokeratitis in der Hornhaut von Menschen, Kaninchen und Affen berichtet (Pitts 1974). Die Latenzzeit variiert umgekehrt mit der Schwere der Exposition und reicht von 1.5 bis 24 Stunden, tritt jedoch normalerweise innerhalb von 6 bis 12 Stunden auf; Beschwerden verschwinden normalerweise innerhalb von 48 Stunden. Es folgt eine Konjunktivitis, die von einem Erythem der die Augenlider umgebenden Gesichtshaut begleitet sein kann. Natürlich führt eine UVR-Exposition selten zu dauerhaften Augenschäden. Pitts und Tredici (1971) berichteten über Schwellenwertdaten für Photokeratitis beim Menschen für Wellenbänder mit einer Breite von 10 nm von 220 bis 310 nm. Es wurde festgestellt, dass die maximale Empfindlichkeit der Hornhaut bei 270 nm auftritt – was sich deutlich von dem Maximum für die Haut unterscheidet. Vermutlich ist 270-nm-Strahlung aufgrund des Fehlens eines Stratum corneum biologisch aktiver, um die Dosis für das Hornhautepithelgewebe bei kürzeren UVR-Wellenlängen abzuschwächen. Die Wellenlängenreaktion oder das Wirkungsspektrum variierte nicht so stark wie die Erythem-Wirkungsspektren, mit Schwellenwerten, die von 4 bis 14 mJ/cm schwankten2 bei 270nm. Die bei 308 nm angegebene Schwelle betrug etwa 100 mJ/cm2.

Die wiederholte Exposition des Auges gegenüber potenziell gefährlichen UV-R-Konzentrationen erhöht nicht die Schutzfähigkeit des betroffenen Gewebes (der Hornhaut), wie dies bei Hautexposition der Fall ist, was zu einer Bräunung und einer Verdickung der Hornschicht führt. Ringvold und Mitarbeiter untersuchten die UVR-Absorptionseigenschaften der Hornhaut (Ringvold 1980a) und des Kammerwassers (Ringvold 1980b) sowie die Auswirkungen von UVB-Strahlung auf das Hornhautepithel (Ringvold 1983), das Hornhautstroma (Ringvold und Davanger 1985) und das Hornhautendothel (Ringvold, Davanger und Olsen 1982; Olsen und Ringvold 1982). Ihre elektronenmikroskopischen Studien zeigten, dass Hornhautgewebe bemerkenswerte Reparatur- und Wiederherstellungseigenschaften besitzt. Obwohl man an all diesen Schichten, die anscheinend anfänglich in Zellmembranen auftauchten, leicht eine signifikante Schädigung erkennen konnte, war die morphologische Erholung nach einer Woche vollständig. Die Zerstörung von Keratozyten in der Stromaschicht war offensichtlich, und die Wiederherstellung des Endothels war trotz des normalen Fehlens eines schnellen Zellumsatzes im Endothel ausgeprägt. Cullenet al. (1984) untersuchten eine dauerhafte Endothelschädigung, wenn die UVR-Exposition dauerhaft war. Rileyet al. (1987) untersuchten auch das Hornhautendothel nach UVB-Exposition und kamen zu dem Schluss, dass schwere Einzelbelastungen wahrscheinlich keine verzögerten Wirkungen haben; Sie kamen jedoch auch zu dem Schluss, dass eine chronische Exposition Veränderungen des Endothels im Zusammenhang mit der Alterung der Hornhaut beschleunigen könnte.

Wellenlängen über 295 nm können durch die Hornhaut übertragen werden und werden fast vollständig von der Linse absorbiert. Pitts, Cullen und Hacker (1977b) zeigten, dass Katarakte bei Kaninchen durch Wellenlängen im Bereich von 295–320 nm erzeugt werden können. Die Schwellenwerte für vorübergehende Trübungen lagen im Bereich von 0.15 bis 12.6 J/cm2, je nach Wellenlänge, mit einer Mindestschwelle bei 300 nm. Permanente Trübungen erforderten größere Strahlungseinwirkungen. Im Wellenlängenbereich von 325 bis 395 nm wurden selbst bei deutlich höheren Bestrahlungen von 28 bis 162 J/cm keine Lentikulareffekte festgestellt2 (Pitts, Cullen und Hacker 1977a; Zuclich und Connolly 1976). Diese Studien veranschaulichen deutlich die besondere Gefahr des Spektralbands von 300–315 nm, wie zu erwarten wäre, da Photonen dieser Wellenlängen effizient eindringen und ausreichend Energie haben, um photochemische Schäden zu erzeugen.

Tayloret al. (1988) lieferten epidemiologische Beweise dafür, dass UVB im Sonnenlicht ein ätiologischer Faktor bei seniler Katarakt war, zeigten jedoch keine Korrelation zwischen Katarakt und UVA-Exposition. Obwohl die Hypothese, dass UVA Katarakt verursachen kann, einst aufgrund der starken UVA-Absorption durch die Linse ein weit verbreiteter Glaube war, wurde sie weder durch experimentelle Laborstudien noch durch epidemiologische Studien gestützt. Aus den experimentellen Labordaten, die zeigten, dass die Schwellenwerte für Photokeratitis niedriger waren als für Kataraktogenese, muss man schließen, dass Konzentrationen, die niedriger sind als die, die erforderlich sind, um täglich eine Photokeratitis hervorzurufen, als gefährlich für das Linsengewebe angesehen werden sollten. Selbst wenn man davon ausgehen würde, dass die Hornhaut einem Wert nahe der Photokeratitis-Schwelle ausgesetzt ist, würde man schätzen, dass die tägliche UVR-Dosis der Linse bei 308 nm weniger als 120 mJ/cm betragen würde2 für 12 Stunden im Freien (Sliney 1987). Tatsächlich würde eine realistischere durchschnittliche tägliche Exposition weniger als die Hälfte dieses Wertes betragen.

Hamet al. (1982) bestimmten das Aktionsspektrum für Photoretinitis, das durch UVR im 320–400-nm-Band erzeugt wird. Sie zeigten diese Schwellen im sichtbaren Spektralband, die bei 20 bis 30 J/cm lagen2 bei 440 nm auf etwa 5 J/cm reduziert2 für ein 10-nm-Band, das bei 325 nm zentriert ist. Das Wirkungsspektrum stieg mit abnehmender Wellenlänge monoton an. Wir sollten daher schlussfolgern, dass Werte deutlich unter 5 J/cm liegen2 bei 308 nm sollte Netzhautläsionen hervorrufen, obwohl diese Läsionen erst 24 bis 48 Stunden nach der Exposition sichtbar würden. Es gibt keine veröffentlichten Daten für Netzhautverletzungsschwellen unter 325 nm, und man kann nur erwarten, dass das Muster für das Wirkungsspektrum für photochemische Verletzungen des Hornhaut- und Linsengewebes auch für die Netzhaut gelten würde, was zu einer Verletzungsschwelle der Größenordnung führen würde von 0.1 J/cm2.

Obwohl sich UVB-Strahlung eindeutig als mutagen und karzinogen für die Haut erwiesen hat, ist die extreme Seltenheit der Karzinogenese in der Hornhaut und Bindehaut ziemlich bemerkenswert. Es scheint keine wissenschaftlichen Beweise dafür zu geben, dass eine UVR-Exposition mit Hornhaut- oder Bindehautkrebs beim Menschen in Verbindung gebracht wird, obwohl dies nicht für Rinder gilt. Dies würde auf ein sehr effektives Immunsystem hindeuten, das im menschlichen Auge arbeitet, da es sicherlich Outdoor-Arbeiter gibt, die einer vergleichbaren UVR-Exposition ausgesetzt sind wie Rinder. Diese Schlussfolgerung wird weiter gestützt durch die Tatsache, dass Personen, die an einer fehlerhaften Immunantwort leiden, wie bei Xeroderma pigmentosum, häufig Neoplasien der Cornea und Conjunctiva entwickeln (Stenson 1982).

Sicherheitsstandards

Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz (EL) für UV-Strahlung wurden entwickelt und umfassen eine Wirkungsspektrumskurve, die die Schwellenwertdaten für akute Wirkungen umfasst, die aus Studien zu minimalem Erythem und Keratokonjunktivitis erhalten wurden (Sliney 1972; IRPA 1989). Diese Kurve unterscheidet sich unter Berücksichtigung von Messfehlern und Schwankungen in der individuellen Reaktion nicht wesentlich von den kollektiven Schwellenwertdaten und liegt weit unter den kataraktogenen UVB-Schwellenwerten.

Der EL für UVR ist am niedrigsten bei 270 nm (0.003 J/cm2 bei 270 nm) und beispielsweise bei 308 nm 0.12 J/cm2 (ACGIH 1995, IRPA 1988). Unabhängig davon, ob die Exposition durch einige gepulste Expositionen während des Tages, eine einzelne sehr kurze Exposition oder durch eine 8-stündige Exposition bei einigen Mikrowatt pro Quadratzentimeter erfolgt, ist die biologische Gefahr dieselbe, und die oben genannten Grenzwerte gelten für die voller Arbeitstag.

Arbeitsschutz

Die berufsbedingte Exposition gegenüber UV-Strahlung sollte soweit möglich minimiert werden. Bei künstlichen Quellen sollten, wo immer möglich, technische Maßnahmen wie Filterung, Abschirmung und Einhausung Vorrang haben. Administrative Kontrollen wie Zugangsbeschränkungen können die Anforderungen an den Personenschutz reduzieren.

Outdoor-Arbeiter wie Landarbeiter, Arbeiter, Bauarbeiter, Fischer usw. können ihr Risiko durch Sonneneinstrahlung minimieren, indem sie geeignete dicht gewebte Kleidung und vor allem einen Hut mit Krempe tragen, um die Exposition von Gesicht und Hals zu reduzieren. Sonnenschutzmittel können auf exponierte Haut aufgetragen werden, um eine weitere Exposition zu reduzieren. Arbeiter im Freien sollten Zugang zu Schatten haben und mit allen oben genannten notwendigen Schutzmaßnahmen ausgestattet sein.

In der Industrie gibt es viele Quellen, die innerhalb kurzer Expositionszeit akute Augenschäden verursachen können. Es ist eine Vielzahl von Augenschutzmitteln mit verschiedenen Schutzgraden erhältlich, die dem Verwendungszweck entsprechen. Zu den für den industriellen Einsatz bestimmten Schweißhelmen (die zusätzlich Schutz vor intensiver sichtbarer und infraroter Strahlung sowie als Gesichtsschutz bieten), Gesichtsschutzschilden, Schutzbrillen und UV-absorbierenden Brillen gehören. Im Allgemeinen sollten Schutzbrillen für den industriellen Einsatz eng am Gesicht anliegen und so sicherstellen, dass keine Lücken vorhanden sind, durch die UV-Strahlen direkt ins Auge gelangen können, und sie sollten gut konstruiert sein, um körperliche Verletzungen zu vermeiden.

Die Angemessenheit und Auswahl einer Schutzbrille ist von folgenden Punkten abhängig:

  • die Intensität und die spektralen Emissionseigenschaften der UVR-Quelle
  • die Verhaltensmuster von Menschen in der Nähe von UVR-Quellen (Entfernung und Expositionszeit sind wichtig)
  • die Transmissionseigenschaften des Schutzbrillenmaterials
  • das Design des Rahmens der Brille, um eine periphere Exposition des Auges gegenüber direkter, nicht absorbierter UV-Strahlung zu verhindern.

 

In industriellen Expositionssituationen kann der Grad der Augengefährdung durch Messung und Vergleich mit empfohlenen Expositionsgrenzwerten bestimmt werden (Duchene, Lakey und Repacholi 1991).

Messung

Aufgrund der starken Abhängigkeit biologischer Wirkungen von der Wellenlänge ist die Hauptmessung jeder UVR-Quelle ihre spektrale Leistung oder spektrale Bestrahlungsstärkeverteilung. Diese muss mit einem Spektroradiometer gemessen werden, das aus einer geeigneten Eingangsoptik, einem Monochromator und einem UVR-Detektor und -Auslesegerät besteht. Ein solches Instrument wird normalerweise nicht in der Arbeitshygiene verwendet.

In vielen praktischen Situationen wird ein Breitband-UVR-Messgerät verwendet, um sichere Expositionsdauern zu bestimmen. Aus Sicherheitsgründen kann die Spektralempfindlichkeit so angepasst werden, dass sie der Spektralfunktion folgt, die für die Expositionsrichtlinien von ACGIH und IRPA verwendet wird. Wenn geeignete Instrumente nicht verwendet werden, kommt es zu schwerwiegenden Fehlern bei der Gefährdungsbeurteilung. Es sind auch persönliche UVR-Dosimeter erhältlich (z. B. Polysulfonfilm), aber ihre Anwendung war weitgehend auf die Arbeitssicherheitsforschung beschränkt und nicht auf Erhebungen zur Gefährdungsbeurteilung.

Schlussfolgerungen

Molekulare Schäden an wichtigen Zellkomponenten, die durch UVR-Exposition entstehen, treten ständig auf, und es gibt Reparaturmechanismen, um mit der Exposition von Haut und Augengewebe gegenüber ultravioletter Strahlung fertig zu werden. Erst wenn diese Reparaturmechanismen überfordert sind, wird eine akute biologische Schädigung sichtbar (Smith 1988). Aus diesen Gründen bleibt die Minimierung der berufsbedingten UVR-Exposition ein wichtiges Anliegen von Arbeitsschutzmitarbeitern.

 

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Dienstag, 15 März 2011 15: 01

Infrarotstrahlung

Infrarotstrahlung ist der Teil des nichtionisierenden Strahlungsspektrums, der zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht liegt. Es ist ein natürlicher Bestandteil der menschlichen Umwelt und daher ist der Mensch ihm in allen Bereichen des täglichen Lebens in geringen Mengen ausgesetzt – zum Beispiel zu Hause oder bei Freizeitaktivitäten in der Sonne. Durch bestimmte technische Prozesse am Arbeitsplatz kann es jedoch zu sehr intensiven Expositionen kommen.

Viele industrielle Prozesse beinhalten das thermische Aushärten verschiedener Arten von Materialien. Die verwendeten Wärmequellen oder das erhitzte Material selbst geben in der Regel so viel Infrarotstrahlung ab, dass eine große Anzahl von Arbeitern potenziell gefährdet ist, dieser Strahlung ausgesetzt zu werden.

Begriffe und Mengen

Infrarotstrahlung (IR) hat Wellenlängen im Bereich von 780 nm bis 1 mm. Nach der Klassifizierung der International Commission on Illumination (CIE) wird diese Bande in IRA (von 780 nm bis 1.4 μm), IRB (von 1.4 μm bis 3 μm) und IRC (von 3 μm bis 1 mm) unterteilt. Diese Unterteilung folgt in etwa den wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften von IR im Gewebe und den daraus resultierenden unterschiedlichen biologischen Wirkungen.

Die Menge sowie die zeitliche und räumliche Verteilung der Infrarotstrahlung werden durch unterschiedliche radiometrische Größen und Einheiten beschrieben. Aufgrund optischer und physiologischer Eigenschaften, insbesondere des Auges, wird üblicherweise zwischen kleinen „Punkt“-Quellen und „erweiterten“ Quellen unterschieden. Das Kriterium für diese Unterscheidung ist der Wert im Bogenmaß des Winkels (α), gemessen am Auge, das von der Quelle eingeschlossen wird. Dieser Winkel kann als Quotient der Lichtquellenabmessung berechnet werden DL geteilt durch den Betrachtungsabstand r. Ausgedehnte Quellen sind diejenigen, die einen Betrachtungswinkel am Auge von größer als α unterdrückenMin., was normalerweise 11 Milliradiant ist. Für alle ausgedehnten Quellen gibt es einen Betrachtungsabstand, bei dem α gleich ist αMin.; bei größeren Betrachtungsabständen kann die Quelle wie eine Punktquelle behandelt werden. Im optischen Strahlenschutz sind die wichtigsten Größen bezüglich ausgedehnter Quellen die Glanz (L, ausgedrückt in Wm-2sr-1) und das zeitintegrierte Ausstrahlung (Lp in Jm-2sr-1), die die „Helligkeit“ der Quelle beschreiben. Für die Bewertung des Gesundheitsrisikos die relevantesten Mengen in Bezug auf Punktquellen oder Expositionen in solchen Entfernungen von der Quelle, bei denen α < αMin., sind die Bestrahlung (E, ausgedrückt in Wm-2), was dem Konzept der Expositionsdosisleistung entspricht, und der strahlende Belichtung (H, in Jm-2), äquivalent zum Expositionsdosiskonzept.

In einigen Bändern des Spektrums sind die biologischen Wirkungen aufgrund der Exposition stark wellenlängenabhängig. Daher müssen zusätzliche spektroradiometrische Größen verwendet werden (z. B. die spektrale Strahldichte, Ll, ausgedrückt in Wm-2 sr-1 nm-1), um die physikalischen Emissionswerte der Quelle gegen das anwendbare Wirkungsspektrum bezogen auf die biologische Wirkung abzuwägen.

 

Quellen und berufliche Exposition

Die Exposition gegenüber IR resultiert aus verschiedenen natürlichen und künstlichen Quellen. Die spektrale Emission von diesen Quellen kann auf eine einzelne Wellenlänge (Laser) beschränkt oder über ein breites Wellenlängenband verteilt sein.

Die verschiedenen Mechanismen zur Erzeugung optischer Strahlung im Allgemeinen sind:

  • thermische Anregung (Schwarzkörperstrahlung)
  • Gasentladung
  • Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (Laser), wobei der Mechanismus der Gasentladung im IR-Bereich von untergeordneter Bedeutung ist.

 

Die Emission der wichtigsten Quellen, die in vielen industriellen Prozessen verwendet werden, resultiert aus thermischer Anregung und kann mit den physikalischen Gesetzen der Schwarzkörperstrahlung angenähert werden, wenn die absolute Temperatur der Quelle bekannt ist. Die Gesamtemission (M, in Wm-2) eines schwarzen Strahlers (Abbildung 1) wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben:

M(T) = 5.67 x 10-8T4

und hängt von der 4. Potenz der Temperatur ab (T, in K) des strahlenden Körpers. Die spektrale Verteilung der Strahldichte wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben:

und die Wellenlänge der maximalen Emission (λmax) wird nach dem Wienschen Gesetz beschrieben durch:

λmax = (2.898 x 10-8) / T

Abbildung 1. Spektrale Strahldichte λmaxeines schwarzen Strahlers bei der absoluten Temperatur, die auf jeder Kurve in Grad Kelvin angegeben ist

ELF040F1

Viele Laser, die in industriellen und medizinischen Prozessen verwendet werden, emittieren sehr hohe IR-Werte. Im Allgemeinen weist Laserstrahlung im Vergleich zu anderen Strahlungsquellen einige ungewöhnliche Eigenschaften auf, die das Risiko nach einer Exposition beeinflussen können, wie z. B. eine sehr kurze Pulsdauer oder eine extrem hohe Bestrahlungsstärke. Daher wird die Laserstrahlung an anderer Stelle in diesem Kapitel ausführlich behandelt.

Viele industrielle Prozesse erfordern die Verwendung von Quellen, die starke sichtbare und infrarote Strahlung emittieren, und daher sind eine große Anzahl von Arbeitern wie Bäcker, Glasbläser, Ofenarbeiter, Gießereiarbeiter, Schmiede, Schmelzer und Feuerwehrleute potenziell einem Expositionsrisiko ausgesetzt. Neben Lampen müssen auch solche Quellen wie Flammen, Gasbrenner, Acetylenbrenner, Pfützen aus geschmolzenem Metall und glühende Metallstangen berücksichtigt werden. Diese findet man in Gießereien, Stahlwerken und in vielen anderen Anlagen der Schwerindustrie. Tabelle 1 fasst einige Beispiele für IR-Quellen und ihre Anwendungen zusammen.

Tabelle 1. Verschiedene IR-Quellen, exponierte Bevölkerung und ungefähre Expositionsniveaus

Quelle

Anwendung oder exponierte Population

Belichtung

Sonnenlicht

Outdoor-Arbeiter, Landwirte, Bauarbeiter, Seeleute, allgemeine Öffentlichkeit

500 Watt-2

Glühlampen aus Wolfram

Allgemeine Bevölkerung und Arbeiter
Allgemeine Beleuchtung, Tinten- und Lacktrocknung

105-106 Wm-2sr-1

Wolfram-Halogen-Glühlampen

(Siehe Wolfram-Glühlampen)
Kopiersysteme (Fixieren), allgemeine Prozesse (Trocknen, Backen, Schrumpfen, Weichmachen)

50–200 Wm-2 (bei 50 cm)

Leuchtdioden (z. B. GaAs-Diode)

Spielwaren, Unterhaltungselektronik, Datenübertragungstechnik etc.

105 Wm-2sr-1

Xenon-Bogenlampen

Projektoren, Sonnensimulatoren, Suchscheinwerfer
Kameraleute in Druckereien, Optiklaboranten, Entertainer

107 Wm-2sr-1

Eisen schmelzen

Stahlofen, Stahlwerksarbeiter

105 Wm-2sr-1

Infrarotlampen-Arrays

Industrielle Heizung und Trocknung

103 zu 8.103 Wm-2

Infrarotlampen in Krankenhäusern

Labor-Inkubatoren

100–300 Wm-2

 

Biologische Wirkungen

Optische Strahlung dringt im Allgemeinen nicht sehr tief in biologisches Gewebe ein. Daher sind die Hauptziele einer IR-Exposition die Haut und das Auge. Unter den meisten Expositionsbedingungen ist der Hauptinteraktionsmechanismus von IR thermisch. Lediglich die sehr kurzen Laserpulse, die hier nicht betrachtet werden, können ebenfalls zu mechanothermischen Effekten führen. Effekte durch Ionisierung oder durch Aufbrechen chemischer Bindungen sind bei IR-Strahlung nicht zu erwarten, da die Teilchenenergie mit weniger als etwa 1.6 eV zu gering ist, um solche Effekte hervorzurufen. Aus dem gleichen Grund werden photochemische Reaktionen erst bei kürzeren Wellenlängen im sichtbaren und im ultravioletten Bereich bedeutsam. Die unterschiedlichen wellenlängenabhängigen gesundheitlichen Wirkungen von IR ergeben sich hauptsächlich aus den wellenlängenabhängigen optischen Eigenschaften des Gewebes – beispielsweise der spektralen Absorption der Augenmedien (Abbildung 2).

Abbildung 2. Spektrale Absorption der Augenmedien

ELF040F2

Auswirkungen auf das Auge

Im Allgemeinen ist das Auge gut angepasst, um sich gegen optische Strahlung aus der natürlichen Umgebung zu schützen. Darüber hinaus wird das Auge physiologisch vor Verletzungen durch helle Lichtquellen, wie die Sonne oder Lampen mit hoher Intensität, durch eine Aversionsreaktion geschützt, die die Expositionsdauer auf einen Bruchteil einer Sekunde (ungefähr 0.25 Sekunden) begrenzt.

IRA betrifft aufgrund der Transparenz der Augenmedien hauptsächlich die Netzhaut. Beim direkten Betrachten einer Punktquelle oder eines Laserstrahls machen die Fokussierungseigenschaften in der IRA-Region die Netzhaut zusätzlich viel anfälliger für Schäden als jeder andere Teil des Körpers. Bei kurzen Belichtungszeiten wird angenommen, dass die Erwärmung der Iris durch die Absorption von sichtbarem oder nahem Infrarot eine Rolle bei der Entwicklung von Trübungen in der Linse spielt.

Mit zunehmender Wellenlänge, oberhalb von etwa 1 μm, nimmt die Absorption durch Augenmedien zu. Daher wird angenommen, dass die Absorption von IRA-Strahlung sowohl durch die Linse als auch durch die pigmentierte Iris eine Rolle bei der Bildung von Linsentrübungen spielt. Schäden an der Linse werden Wellenlängen unter 3 μm zugeschrieben (IRA und IRB). Für Infrarotstrahlung mit Wellenlängen über 1.4 µm sind das Kammerwasser und die Linse besonders stark absorbierend.

Im IRB- und IRC-Bereich des Spektrums werden die Augenmedien durch die starke Absorption durch ihren Bestandteil Wasser undurchsichtig. Die Absorption in diesem Bereich erfolgt hauptsächlich in der Hornhaut und im Kammerwasser. Oberhalb von 1.9 μm ist die Hornhaut effektiv der einzige Absorber. Die Absorption langwelliger Infrarotstrahlung durch die Hornhaut kann aufgrund der Wärmeleitung zu erhöhten Temperaturen im Auge führen. Aufgrund einer schnellen Umsatzrate der oberflächlichen Hornhautzellen ist zu erwarten, dass jede auf die äußere Hornhautschicht begrenzte Schädigung vorübergehend ist. Im IRC-Band kann die Exposition ähnlich wie auf der Haut zu einer Verbrennung auf der Hornhaut führen. Hornhautverbrennungen sind jedoch aufgrund der Abneigungsreaktion, die durch das schmerzhafte Gefühl bei starker Exposition ausgelöst wird, nicht sehr wahrscheinlich.

Auswirkungen auf die Haut

Infrarotstrahlung dringt nicht sehr tief in die Haut ein. Daher kann die Exposition der Haut gegenüber sehr starkem IR zu lokalen thermischen Wirkungen unterschiedlicher Schwere und sogar zu schweren Verbrennungen führen. Die Auswirkungen auf die Haut hängen von den optischen Eigenschaften der Haut ab, wie z. B. der wellenlängenabhängigen Eindringtiefe (Abbildung 3 ). Insbesondere bei längeren Wellenlängen kann eine ausgedehnte Exposition zu einem hohen lokalen Temperaturanstieg und Verbrennungen führen. Die Schwellenwerte für diese Wirkungen sind aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Wärmetransportvorgänge in der Haut zeitabhängig. Eine Einstrahlung von 10 kWm-2, kann beispielsweise innerhalb von 5 Sekunden ein schmerzhaftes Gefühl hervorrufen, wohingegen eine Exposition von 2 kWm-2 innerhalb von Zeiträumen von weniger als etwa 50 Sekunden nicht die gleiche Reaktion hervorrufen.

Abbildung 3. Eindringtiefe in die Haut für verschiedene Wellenlängen

ELF040F3

Bei sehr langen Expositionen, auch bei Werten deutlich unterhalb der Schmerzgrenze, kann die Wärmebelastung des menschlichen Körpers groß sein. Vor allem, wenn die Exposition den ganzen Körper erfasst, wie zum Beispiel vor einer Stahlschmelze. Die Folge kann ein Ungleichgewicht des ansonsten physiologisch gut ausbalancierten Thermoregulationssystems sein. Die Tolerierschwelle einer solchen Exposition hängt von verschiedenen individuellen und Umweltbedingungen ab, wie der individuellen Kapazität des Thermoregulationssystems, dem tatsächlichen Körperstoffwechsel während der Exposition oder der Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung (Windgeschwindigkeit). Ohne körperliche Arbeit maximal 300 Wm-2 kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen über acht Stunden toleriert werden, aber dieser Wert sinkt auf etwa 140 Wm-2 bei schwerer körperlicher Arbeit.

Expositionsstandards

Die von der Wellenlänge und der Expositionsdauer abhängigen biologischen Wirkungen einer IR-Exposition sind nur bei Überschreitung bestimmter Intensitäts- oder Dosisschwellenwerte nicht tolerierbar. Zum Schutz vor solch unerträglichen Expositionsbedingungen haben internationale Organisationen wie die Weltgesundheitsorganisation (WHO), das Internationale Arbeitsamt (ILO), das Internationale Komitee für nichtionisierende Strahlung der International Radiation Protection Association (INIRC/IRPA) und ihre Als Nachfolger haben die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) und die American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) Expositionsgrenzwerte für Infrarotstrahlung sowohl von kohärenten als auch inkohärenten optischen Quellen vorgeschlagen. Die meisten nationalen und internationalen Vorschläge für Richtlinien zur Begrenzung der menschlichen Exposition gegenüber Infrarotstrahlung basieren entweder auf den vorgeschlagenen Schwellenwerten (TLVs), die von der ACGIH (1993/1994) veröffentlicht wurden, oder sind sogar identisch mit diesen. Diese Grenzwerte sind weithin anerkannt und werden häufig in beruflichen Situationen verwendet. Sie basieren auf aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen und sollen eine thermische Schädigung der Netz- und Hornhaut sowie mögliche Spätfolgen an der Augenlinse verhindern.

Die Überarbeitung der ACGIH-Expositionsgrenzwerte von 1994 lautet wie folgt:

1. Zum Schutz der Netzhaut vor thermischer Schädigung bei Einwirkung von sichtbarem Licht (z. B. bei starken Lichtquellen) die spektrale Strahldichte Lλ in W/(m² sr nm) gewichtet mit der retinalen thermischen Hazard-Funktion Rλ (siehe Tabelle 2) über das Wellenlängenintervall Δλ und summiert über den Wellenlängenbereich von 400 bis 1400 nm, sollte nicht überschreiten:

woher t ist die Betrachtungsdauer begrenzt auf Intervalle von 10-3 bis 10 Sekunden (d. h. für zufällige Betrachtungsbedingungen, nicht fixierte Betrachtung) und α die Winkelunterspannung der Quelle im Bogenmaß ist, berechnet durch α = maximale Ausdehnung der Quelle/Entfernung zur Quelle Rλ  (Tabelle 2 ).

2. Um die Netzhaut vor der Expositionsgefahr durch Infrarot-Wärmelampen oder andere nahe Infrarotquellen zu schützen, bei denen kein starker visueller Reiz vorhanden ist, wird die Infrarotstrahlung über den Wellenlängenbereich von 770 bis 1400 nm aus Sicht des Auges (basierend auf einer 7-mm-Pupille Durchmesser) für eine längere Dauer der Betrachtungsbedingungen sollte begrenzt werden auf:

Diese Grenze basiert auf einem Pupillendurchmesser von 7 mm, da in diesem Fall die Aversionsreaktion (z. B. Schließen des Auges) aufgrund des Fehlens von sichtbarem Licht möglicherweise nicht vorhanden ist.

3. Um mögliche verzögerte Wirkungen auf die Augenlinse, wie z. B. verzögerte Katarakt, zu vermeiden und die Hornhaut vor Überbelichtung zu schützen, sollte die Infrarotstrahlung bei Wellenlängen über 770 nm für Zeiträume von über 100 s auf 1,000 W/m² begrenzt werden und an:

oder für kürzere Zeiträume.

4. Für aphakische Patienten werden separate Gewichtungsfunktionen und resultierende TLVs für den Wellenlängenbereich von ultraviolettem und sichtbarem Licht (305–700 nm) angegeben.

Tabelle 2. Thermische Gefahrenfunktion der Netzhaut

Wellenlänge (nm)

Rλ

Wellenlänge (nm)

Rλ

400

1.0

460

8.0

405

2.0

465

7.0

410

4.0

470

6.2

415

8.0

475

5.5

420

9.0

480

4.5

425

9.5

485

4.0

430

9.8

490

2.2

435

10.0

495

1.6

440

10.0

500-700

1.0

445

9.7

700-1,050

10((700 - λ )/500)

450

9.4

1,050-1,400

0.2

455

9.0

   

Quelle: ACGIH 1996.

Messung

Es stehen zuverlässige radiometrische Techniken und Instrumente zur Verfügung, die es ermöglichen, das Risiko für Haut und Auge durch die Exposition gegenüber optischen Strahlungsquellen zu analysieren. Zur Charakterisierung einer konventionellen Lichtquelle ist es im Allgemeinen sehr hilfreich, die Strahldichte zu messen. Für die Definition gefährlicher Expositionsbedingungen durch optische Quellen sind die Bestrahlungsstärke und die Strahlenexposition von größerer Bedeutung. Die Bewertung breitbandiger Quellen ist komplexer als die Bewertung von Quellen, die bei einzelnen Wellenlängen oder sehr schmalbandig emittieren, da spektrale Eigenschaften und Quellengröße berücksichtigt werden müssen. Das Spektrum bestimmter Lampen besteht sowohl aus einer kontinuierlichen Emission über ein breites Wellenlängenband als auch aus einer Emission auf bestimmten einzelnen Wellenlängen (Linien). Signifikante Fehler können in die Darstellung dieser Spektren eingeführt werden, wenn der Energieanteil in jeder Linie nicht richtig zum Kontinuum hinzugefügt wird.

Zur Bewertung der Gesundheitsgefährdung müssen die Expositionswerte über einer Grenzöffnung gemessen werden, für die die Expositionsnormen festgelegt sind. Typischerweise wurde eine Öffnung von 1 mm als die kleinste praktische Öffnungsgröße betrachtet. Wellenlängen von mehr als 0.1 mm bereiten wegen signifikanter Beugungseffekte, die durch eine Öffnung von 1 mm erzeugt werden, Schwierigkeiten. Für dieses Wellenlängenband wurde eine Apertur von 1 cm² (11 mm Durchmesser) akzeptiert, da Hotspots in diesem Band größer sind als bei kürzeren Wellenlängen. Für die Bewertung der Netzhautgefährdung wurde die Größe der Öffnung durch eine durchschnittliche Pupillengröße bestimmt und daher eine Öffnung von 7 mm gewählt.

Generell sind Messungen im optischen Bereich sehr aufwendig. Messungen, die von ungeschultem Personal durchgeführt werden, können zu ungültigen Schlussfolgerungen führen. Eine ausführliche Zusammenfassung der Messverfahren findet sich in Sliney und Wolbarsht (1980).

Schutzmaßnahmen

Der wirksamste Standardschutz vor der Exposition gegenüber optischer Strahlung ist die vollständige Einhausung der Quelle und aller Strahlungspfade, die aus der Quelle austreten können. Durch solche Maßnahmen sollte die Einhaltung der Expositionsgrenzwerte in den meisten Fällen einfach zu erreichen sein. Wo dies nicht der Fall ist, gilt der Personenschutz. Beispielsweise sollte vorhandener Augenschutz in Form von geeigneten Schutzbrillen oder Visieren oder Schutzkleidung verwendet werden. Wenn die Arbeitsbedingungen die Anwendung solcher Maßnahmen nicht zulassen, können eine administrative Kontrolle und ein eingeschränkter Zugang zu sehr intensiven Quellen erforderlich sein. In manchen Fällen kann eine Reduzierung entweder der Leistung der Quelle oder der Arbeitszeit (Arbeitspausen zur Erholung von Hitzestress) oder beides eine mögliche Maßnahme zum Schutz des Arbeitnehmers sein.

Fazit

Im Allgemeinen stellt Infrarotstrahlung von den gebräuchlichsten Quellen wie Lampen oder von den meisten industriellen Anwendungen kein Risiko für Arbeitnehmer dar. An manchen Arbeitsplätzen kann IR jedoch ein Gesundheitsrisiko für den Arbeiter darstellen. Darüber hinaus nehmen der Einsatz und Einsatz von Speziallampen und Hochtemperaturprozessen in Industrie, Wissenschaft und Medizin rasant zu. Wenn die Exposition durch diese Anwendungen ausreichend hoch ist, können schädliche Wirkungen (hauptsächlich im Auge, aber auch auf der Haut) nicht ausgeschlossen werden. Es wird erwartet, dass die Bedeutung international anerkannter Standards für die Exposition gegenüber optischer Strahlung zunehmen wird. Um den Arbeitnehmer vor übermäßiger Exposition zu schützen, sollten Schutzmaßnahmen wie Abschirmung (Augenschutz) oder Schutzkleidung obligatorisch sein.

Die wichtigsten nachteiligen biologischen Wirkungen, die der Infrarotstrahlung zugeschrieben werden, sind Katarakte, bekannt als Glasbläser- oder Hochofenkatarakte. Langfristige Exposition selbst bei relativ geringen Mengen verursacht Hitzestress für den menschlichen Körper. Bei solchen Expositionsbedingungen müssen zusätzliche Faktoren wie Körpertemperatur und Verdunstungswärmeverlust sowie Umweltfaktoren berücksichtigt werden.

Um die Arbeitnehmer zu informieren und anzuleiten, wurden in den Industrieländern einige praktische Leitfäden entwickelt. Eine umfassende Zusammenfassung findet sich in Sliney und Wolbarsht (1980).

 

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Dienstag, 15 März 2011 15: 19

Licht und Infrarotstrahlung

Licht und infrarote (IR) Strahlungsenergie sind zwei Formen optischer Strahlung und bilden zusammen mit ultravioletter Strahlung das optische Spektrum. Innerhalb des optischen Spektrums haben verschiedene Wellenlängen beträchtlich unterschiedliche Potentiale, biologische Wirkungen hervorzurufen, und aus diesem Grund kann das optische Spektrum weiter unterteilt werden.

Die ! sollte Wellenlängen der Strahlungsenergie zwischen 400 und 760 nm vorbehalten bleiben, die eine visuelle Reaktion auf der Netzhaut hervorrufen (CIE 1987). Licht ist der wesentliche Bestandteil der Leistung von Beleuchtungslampen, visuellen Displays und einer Vielzahl von Beleuchtungsgeräten. Abgesehen von der Bedeutung der Beleuchtung für das Sehen können einige Lichtquellen jedoch unerwünschte physiologische Reaktionen hervorrufen, wie z. Die Emission von intensivem Licht ist auch eine potenziell gefährliche Nebenwirkung einiger industrieller Prozesse, wie z. B. des Lichtbogenschweißens.

Infrarotstrahlung (IRR, Wellenlängen 760 nm bis 1 mm) kann auch ganz allgemein als bezeichnet werden Wärmestrahlung (oder ausstrahlende Hitze) und wird von jedem warmen Objekt abgegeben (heiße Motoren, geschmolzene Metalle und andere Gießereiquellen, wärmebehandelte Oberflächen, elektrische Glühlampen, Strahlungsheizungen usw.). Infrarotstrahlung wird auch von einer Vielzahl elektrischer Geräte wie Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren und verschiedenen elektronischen Geräten emittiert.

Infrarotstrahlung ist ein beitragender Faktor bei Hitzestress. Eine hohe Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit sowie ein geringer Grad an Luftzirkulation können in Verbindung mit Strahlungswärme zu Hitzestress mit der Möglichkeit von Hitzeschäden führen. In kühleren Umgebungen können auch unerwünschte oder schlecht konstruierte Strahlungswärmequellen unangenehm sein – eine ergonomische Überlegung.

Biologische Wirkungen

Berufsbedingte Gefahren für Auge und Haut durch sichtbare und infrarote Strahlung werden durch die Abneigung des Auges gegenüber hellem Licht und das Schmerzempfinden der Haut infolge intensiver Strahlungserwärmung begrenzt. Das Auge ist gut angepasst, um sich selbst gegen eine akute Verletzung durch optische Strahlung (aufgrund von ultravioletter, sichtbarer oder infraroter Strahlungsenergie) durch Umgebungssonnenlicht zu schützen. Es ist durch eine natürliche Abneigung gegen das Betrachten heller Lichtquellen geschützt, die es normalerweise vor Verletzungen schützt, die durch die Einwirkung von Quellen wie Sonne, Bogenlampen und Schweißlichtbögen entstehen, da diese Abneigung die Einwirkungsdauer auf einen Bruchteil (etwa zwei bis drei Minuten) begrenzt. Zehntelsekunde). IRR-reiche Quellen ohne starken visuellen Stimulus können jedoch bei chronischer Exposition für die Augenlinse gefährlich sein. Man kann sich auch dazu zwingen, in die Sonne, einen Lichtbogen oder ein Schneefeld zu starren und dadurch einen vorübergehenden (und manchmal dauerhaften) Sehverlust erleiden. In einer industriellen Umgebung, in der helles Licht tief im Sichtfeld erscheint, sind die Schutzmechanismen des Auges weniger effektiv, und Gefahrenvorkehrungen sind besonders wichtig.

Es gibt mindestens fünf verschiedene Arten von Gefahren für Augen und Haut durch intensives Licht und IRR-Quellen, und Schutzmaßnahmen müssen mit dem Verständnis für jede gewählt werden. Zusätzlich zu den potenziellen Gefahren, die von ultravioletter Strahlung (UVR) einiger intensiver Lichtquellen ausgehen, sollte man die folgenden Gefahren berücksichtigen (Sliney und Wolbarsht 1980; WHO 1982):

  1. Thermische Schädigung der Netzhaut, die bei Wellenlängen von 400 nm bis 1,400 nm auftreten kann. Normalerweise geht die Gefahr dieser Art von Verletzungen nur von Lasern, einer sehr intensiven Xenonbogenquelle oder einem nuklearen Feuerball aus. Durch die lokale Verbrennung der Netzhaut entsteht ein blinder Fleck (Skotom).
  2. Photochemische Verletzung der Netzhaut durch blaues Licht (eine Gefahr, die hauptsächlich mit blauem Licht mit Wellenlängen von 400 nm bis 550 nm verbunden ist) (Ham 1989). Die Verletzung wird allgemein als „Blaulicht“-Photoretinitis bezeichnet; eine bestimmte Form dieser Verletzung wird nach ihrer Quelle benannt, solare Retinitis. Solare Retinitis wurde früher als „Sonnenfinsternisblindheit“ und damit verbundene „Netzhautverbrennung“ bezeichnet. Erst in den letzten Jahren wurde klar, dass die Photoretinitis aus einem photochemischen Schädigungsmechanismus resultiert, nachdem die Netzhaut kürzeren Wellenlängen im sichtbaren Spektrum ausgesetzt wurde, nämlich violettem und blauem Licht. Bis in die 1970er Jahre wurde angenommen, dass dies das Ergebnis eines thermischen Verletzungsmechanismus ist. Im Gegensatz zu blauem Licht ist IRA-Strahlung sehr unwirksam bei der Erzeugung von Netzhautverletzungen. (Ham 1989; Sliney und Wolbarsht 1980).
  3. Thermische Gefahren im nahen Infrarotbereich für die Linse (in Verbindung mit Wellenlängen von etwa 800 nm bis 3,000 nm) mit Potenzial für industriellen Hitzekatarakt. Die durchschnittliche Hornhautbelastung durch Infrarotstrahlung im Sonnenlicht liegt in der Größenordnung von 10 W/m2. Zum Vergleich: Glas- und Stahlarbeiter, die Infrarotstrahlung in der Größenordnung von 0.8 bis 4 kW/m ausgesetzt waren2 täglich für 10 bis 15 Jahre haben Berichten zufolge Linsentrübungen entwickelt (Sliney und Wolbarsht 1980). Diese Spektralbänder umfassen IRA und IRB (siehe Abbildung 1). Die Richtlinie der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) für die IRA-Exposition des vorderen Augenabschnitts ist eine zeitgewichtete Gesamtbestrahlungsstärke von 100 W/m2 für Expositionsdauern über 1,000 s (16.7 min) (ACGIH 1992 und 1995).
  4. Thermische Schädigung der Horn- und Bindehaut (bei Wellenlängen von ca. 1,400 nm bis 1 mm). Diese Art der Verletzung ist fast ausschließlich auf die Exposition gegenüber Laserstrahlung beschränkt.
  5. Thermische Verletzung der Haut. Dies ist bei herkömmlichen Quellen selten, kann aber über das gesamte optische Spektrum auftreten.

Die Bedeutung von Wellenlänge und Belichtungszeit

Thermische Verletzungen (1) und (4) oben sind im Allgemeinen auf sehr kurze Expositionsdauern beschränkt, und Augenschutz ist darauf ausgelegt, diese akuten Verletzungen zu verhindern. Allerdings können bei niedrigen Dosisleistungen, verteilt über den gesamten Arbeitstag, photochemische Schädigungen, wie sie oben unter (2) genannt sind, auftreten. Das Produkt aus Dosisleistung und Expositionsdauer ergibt immer die Dosis (die Dosis bestimmt den Grad der photochemischen Gefährdung). Wie bei jedem photochemischen Verletzungsmechanismus muss man das Aktionsspektrum berücksichtigen, das die relative Wirksamkeit verschiedener Wellenlängen bei der Hervorrufung eines photobiologischen Effekts beschreibt. Zum Beispiel erreicht das Wirkungsspektrum für photochemische Netzhautverletzungen bei etwa 440 nm seinen Höhepunkt (Ham 1989). Die meisten photochemischen Effekte sind auf einen sehr engen Wellenlängenbereich beschränkt; wohingegen ein thermischer Effekt bei jeder Wellenlänge im Spektrum auftreten kann. Daher muss ein Augenschutz für diese spezifischen Wirkungen nur ein relativ schmales Spektralband blockieren, um wirksam zu sein. Normalerweise muss im Augenschutz für eine breitbandige Quelle mehr als ein Spektralband gefiltert werden.

Quellen optischer Strahlung

Sonnenlicht

Die größte berufliche Exposition gegenüber optischer Strahlung ergibt sich aus der Exposition von im Freien Beschäftigten gegenüber Sonnenstrahlen. Das Sonnenspektrum erstreckt sich von der stratosphärischen Ozonschichtgrenze von etwa 290–295 nm im ultravioletten Band bis mindestens 5,000 nm (5 μm) im infraroten Band. Die Sonneneinstrahlung kann bis zu 1 kW/m erreichen2 während der Sommermonate. Je nach Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit kann es zu Hitzestress kommen.

Künstliche Quellen

Zu den bedeutendsten künstlichen Quellen der Exposition des Menschen gegenüber optischer Strahlung gehören:

  1. Schweißen und Schneiden. Schweißer und ihre Mitarbeiter sind typischerweise nicht nur intensiver UV-Strahlung ausgesetzt, sondern auch intensiver sichtbarer und IR-Strahlung, die von dem Lichtbogen emittiert wird. In seltenen Fällen haben diese Quellen eine akute Verletzung der Netzhaut des Auges verursacht. Augenschutz ist für diese Umgebungen obligatorisch.
  2. Metallindustrie und Gießereien. Die bedeutendste Quelle sichtbarer und infraroter Strahlung sind geschmolzene und heiße Metalloberflächen in der Stahl- und Aluminiumindustrie und in Gießereien. Die Arbeiterexposition liegt typischerweise im Bereich von 0.5 bis 1.2 kW/m2.
  3. Bogenlampen. Viele industrielle und kommerzielle Prozesse, wie z. B. solche mit photochemischen Härtungslampen, geben intensives, kurzwelliges sichtbares (blaues) Licht sowie UV- und IR-Strahlung ab. Während die Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Exposition aufgrund der Abschirmung gering ist, kann es in einigen Fällen zu einer versehentlichen Exposition kommen.
  4. Infrarotlampen. Diese Lampen emittieren überwiegend im IRA-Bereich und werden im Allgemeinen für Wärmebehandlung, Lacktrocknung und verwandte Anwendungen verwendet. Diese Lampen stellen keine signifikante Expositionsgefahr für Menschen dar, da das Unbehagen, das bei der Exposition entsteht, die Exposition auf ein sicheres Niveau begrenzt.
  5. Medizinische Behandlung. Infrarotlampen werden in der physikalischen Medizin für vielfältige diagnostische und therapeutische Zwecke eingesetzt. Die Belastung des Patienten ist je nach Art der Behandlung sehr unterschiedlich, und IR-Lampen erfordern einen sorgfältigen Umgang mit den Mitarbeitern.
  6. Allgemeine Beleuchtung. Leuchtstofflampen emittieren sehr wenig Infrarot und sind im Allgemeinen nicht hell genug, um eine potenzielle Gefahr für das Auge darzustellen. Wolfram- und Wolfram-Halogen-Glühlampen geben einen großen Teil ihrer Strahlungsenergie im Infraroten ab. Darüber hinaus kann das von Wolfram-Halogenlampen emittierte blaue Licht eine Gefahr für die Netzhaut darstellen, wenn eine Person auf den Glühfaden starrt. Glücklicherweise verhindert die Abneigung des Auges gegenüber hellem Licht auch auf kurze Distanz akute Verletzungen. Das Anbringen von Wärmefiltern aus Glas über diesen Lampen sollte diese Gefahr minimieren/eliminieren.
  7. Optische Projektoren und andere Geräte. Intensive Lichtquellen werden in Suchscheinwerfern, Filmprojektoren und anderen Lichtstrahl-Kollimationsgeräten verwendet. Diese können bei direktem Strahl aus sehr geringen Entfernungen eine Gefahr für die Netzhaut darstellen.

 

Messung von Quelleigenschaften

Das wichtigste Merkmal jeder optischen Quelle ist ihre spektrale Leistungsverteilung. Diese wird mit einem Spektroradiometer gemessen, das aus einer geeigneten Eingangsoptik, einem Monochromator und einem Photodetektor besteht.

In vielen praktischen Situationen wird ein optisches Breitbandradiometer verwendet, um einen gegebenen Spektralbereich auszuwählen. Sowohl für die sichtbare Beleuchtung als auch für Sicherheitszwecke wird die Spektralempfindlichkeit des Instruments so zugeschnitten, dass sie einer biologischen Spektralempfindlichkeit folgt; Beispielsweise sind Luxmeter auf die photopische (visuelle) Reaktion des Auges ausgerichtet. Abgesehen von UVR-Gefahrenmessgeräten ist die Messung und Gefahrenanalyse von intensiven Lichtquellen und Infrarotquellen normalerweise zu komplex für Routine-Arbeitsschutzspezialisten. Bei der Standardisierung der Sicherheitskategorien von Lampen werden Fortschritte erzielt, so dass keine Messungen durch den Benutzer erforderlich sind, um potenzielle Gefahren zu ermitteln.

Expositionsgrenzwerte für den Menschen

Aus der Kenntnis der optischen Parameter des menschlichen Auges und der Strahldichte einer Lichtquelle lassen sich Bestrahlungsstärken (Dosisleistungen) an der Netzhaut berechnen. Die Bestrahlung der vorderen Strukturen des menschlichen Auges mit Infrarotstrahlung kann ebenfalls von Interesse sein, und es sollte ferner berücksichtigt werden, dass die relative Position der Lichtquelle und der Grad des Lidschlusses die richtige Berechnung einer Augenbelichtung stark beeinflussen können Dosis. Bei Aufnahmen mit ultraviolettem und kurzwelligem Licht ist auch die spektrale Verteilung der Lichtquelle wichtig.

Eine Reihe nationaler und internationaler Gruppen hat Arbeitsplatzgrenzwerte (ELs) für optische Strahlung empfohlen (ACGIH 1992 und 1994; Sliney 1992). Obwohl die meisten dieser Gruppen ELs für UV- und Laserstrahlung empfohlen haben, hat nur eine Gruppe ELs für sichtbare Strahlung (dh Licht) empfohlen, nämlich die ACGIH, eine auf dem Gebiet der Arbeitsmedizin bekannte Agentur. Der ACGIH bezeichnet seine ELs als Schwellenwerte oder TLVs, und da diese jährlich herausgegeben werden, besteht die Möglichkeit einer jährlichen Überarbeitung (ACGIH 1992 und 1995). Sie basieren zum großen Teil auf Daten zu Augenverletzungen aus Tierversuchen und auf Daten von Netzhautverletzungen beim Menschen, die durch Sonneneinstrahlung und Lichtbogenschweißen verursacht wurden. TLVs basieren außerdem auf der zugrunde liegenden Annahme, dass die Exposition gegenüber sichtbarer Strahlungsenergie im Freien normalerweise nicht gefährlich für das Auge ist, außer in sehr ungewöhnlichen Umgebungen wie Schneefeldern und Wüsten oder wenn man die Augen tatsächlich auf die Sonne richtet.

Bewertung der optischen Strahlungssicherheit

Da eine umfassende Gefährdungsbeurteilung komplexe Messungen der spektralen Bestrahlungsstärke und Strahldichte der Quelle und manchmal auch sehr spezialisierte Instrumente und Berechnungen erfordert, wird sie selten vor Ort von Industriehygienikern und Sicherheitsingenieuren durchgeführt. Stattdessen wird die einzusetzende Augenschutzausrüstung durch Sicherheitsvorschriften in gefährlichen Umgebungen vorgeschrieben. Forschungsstudien bewerteten eine breite Palette von Lichtbögen, Lasern und Wärmequellen, um umfassende Empfehlungen für praktische, einfacher anzuwendende Sicherheitsstandards zu entwickeln.

Schutzmaßnahmen

Die berufliche Exposition gegenüber sichtbarer und IR-Strahlung ist selten gefährlich und in der Regel von Vorteil. Einige Quellen geben jedoch eine beträchtliche Menge an sichtbarer Strahlung ab, und in diesem Fall wird die natürliche Abneigungsreaktion hervorgerufen, sodass die Wahrscheinlichkeit einer versehentlichen Überbelichtung der Augen gering ist. Andererseits ist eine unbeabsichtigte Exposition bei künstlichen Quellen, die nur Strahlung im nahen Infrarot emittieren, sehr wahrscheinlich. Zu den Maßnahmen, die ergriffen werden können, um die unnötige Exposition des Personals gegenüber IR-Strahlung zu minimieren, gehören die ordnungsgemäße Konstruktion des verwendeten optischen Systems, das Tragen geeigneter Schutzbrillen oder Gesichtsvisiere, die Beschränkung des Zugangs auf Personen, die direkt mit der Arbeit befasst sind, und die Sicherstellung, dass die Arbeitnehmer sich dessen bewusst sind die potenziellen Gefahren, die mit der Exposition gegenüber intensiven sichtbaren und IR-Strahlungsquellen verbunden sind. Wartungspersonal, das Bogenlampen auswechselt, muss angemessen geschult sein, um eine gefährliche Exposition auszuschließen. Es ist nicht hinnehmbar, dass Arbeiter Hautrötungen oder Photokeratitis erleiden. Wenn diese Bedingungen auftreten, sollten die Arbeitspraktiken überprüft und Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass eine übermäßige Exposition in Zukunft unwahrscheinlich wird. Schwangere Operateure sind im Hinblick auf die Unversehrtheit ihrer Schwangerschaft keinem besonderen Risiko durch optische Strahlung ausgesetzt.

Design und Standards für Augenschutz

Die Entwicklung von Schutzbrillen zum Schweißen und für andere Tätigkeiten, die Quellen industrieller optischer Strahlung darstellen (z. B. Gießereiarbeiten, Stahl- und Glasherstellung), begann zu Beginn dieses Jahrhunderts mit der Entwicklung von Crooke-Glas. Später entwickelte Augenschutzstandards folgten dem allgemeinen Prinzip, dass, da Infrarot- und Ultraviolettstrahlung zum Sehen nicht benötigt werden, diese Spektralbänder so gut wie möglich durch derzeit verfügbare Glasmaterialien blockiert werden sollten.

Die empirischen Standards für Augenschutzausrüstungen wurden in den 1970er Jahren getestet und zeigten, dass große Sicherheitsfaktoren für Infrarot- und Ultraviolettstrahlung enthalten waren, als die Transmissionsfaktoren mit aktuellen Arbeitsplatzgrenzwerten verglichen wurden, während die Schutzfaktoren für blaues Licht gerade ausreichend waren. Die Anforderungen einiger Standards wurden daher angepasst.

Schutz vor ultravioletter und infraroter Strahlung

Eine Reihe spezialisierter UV-Lampen werden in der Industrie zur Fluoreszenzdetektion und zur Photohärtung von Tinten, Kunststoffharzen, Dentalpolymeren usw. verwendet. Obwohl UVA-Quellen normalerweise ein geringes Risiko darstellen, können diese Quellen entweder Spuren von gefährlichem UVB enthalten oder ein Blendungsproblem darstellen (durch Fluoreszenz der Augenlinse). UV-Filterlinsen aus Glas oder Kunststoff mit sehr hohen Dämpfungsfaktoren sind weit verbreitet, um vor dem gesamten UV-Spektrum zu schützen. Ein leichter gelblicher Farbton kann erkennbar sein, wenn Schutz bis 400 nm gewährt wird. Bei dieser Art von Brillen (und bei industriellen Sonnenbrillen) ist es von größter Bedeutung, das periphere Sichtfeld zu schützen. Seitenschutz oder umlaufende Konstruktionen sind wichtig, um gegen die Fokussierung temporaler, schräger Strahlen in den nasalen äquatorialen Bereich der Linse zu schützen, wo häufig kortikaler Katarakt seinen Ursprung hat.

Nahezu alle Glas- und Kunststofflinsenmaterialien blockieren ultraviolette Strahlung unter 300 nm und Infrarotstrahlung bei Wellenlängen über 3,000 nm (3 μm), und bei einigen Lasern und optischen Quellen bieten gewöhnliche schlagfeste, durchsichtige Schutzbrillen guten Schutz (z. klare Polycarbonatgläser blockieren effektiv Wellenlängen von mehr als 3 μm). Es müssen jedoch Absorber wie Metalloxide in Glas oder organische Farbstoffe in Kunststoffen hinzugefügt werden, um UV bis etwa 380–400 nm und Infrarot über 780 nm bis 3 μm zu eliminieren. Je nach Material kann dies entweder einfach oder sehr schwierig oder teuer sein, und die Stabilität des Absorbers kann etwas variieren. Filter, die den ANSI Z87.1-Standard des American National Standards Institute erfüllen, müssen in jedem kritischen Spektralband die entsprechenden Dämpfungsfaktoren aufweisen.

Schutz in verschiedenen Branchen

Feuer bekämpfen

Feuerwehrleute können intensiver Nahinfrarotstrahlung ausgesetzt sein, und neben dem äußerst wichtigen Kopf- und Gesichtsschutz werden häufig IRR-Dämpfungsfilter vorgeschrieben. Auch hier ist der Aufprallschutz wichtig.

Brillen für die Gießerei- und Glasindustrie

Brillen und Schutzbrillen, die zum Schutz der Augen vor Infrarotstrahlung bestimmt sind, haben im Allgemeinen eine leicht grünliche Tönung, obwohl die Tönung dunkler sein kann, wenn ein gewisser Komfort gegen sichtbare Strahlung gewünscht wird. Solche Augenschützer sollten nicht mit den blauen Linsen verwechselt werden, die bei Stahl- und Gießereiarbeiten verwendet werden, wo das Ziel darin besteht, die Temperatur der Schmelze visuell zu überprüfen; Diese blaue Brille bietet keinen Schutz und sollte nur kurz getragen werden.

Schweiß-

Filtereigenschaften für Infrarot- und Ultraviolettstrahlung können Glasfiltern leicht durch Zusätze wie Eisenoxid verliehen werden, aber der Grad der streng sichtbaren Abschwächung bestimmt dies Farbnummer, was ein logarithmischer Ausdruck der Dämpfung ist. Normalerweise wird beim Gasschweißen (wozu eine Schutzbrille erforderlich ist) eine Schutzstufe von 3 bis 4 verwendet, beim Lichtbogenschweißen und Plasmalichtbogenschweißen eine Schutzstufe von 10 bis 14 (hier ist ein Helmschutz erforderlich). Als Faustregel gilt, dass, wenn der Schweißer den Lichtbogen bequem zu sehen findet, eine angemessene Dämpfung gegen Gefahren für die Augen bereitgestellt wird. Vorgesetzte, Schweißerhelfer und andere Personen im Arbeitsbereich können Filter mit einer relativ niedrigen Schattierungszahl (z. B. 3 bis 4) zum Schutz vor Photokeratitis („Lichtbogenauge“ oder „Schweißerblitz“) benötigen. In den letzten Jahren ist eine neue Art von Schweißerfilter, der selbstverdunkelnde Filter, auf der Bildfläche erschienen. Unabhängig von der Art des Filters sollte er die Standards ANSI Z87.1 und Z49.1 für feste Schweißfilter erfüllen, die für dunkle Tönung spezifiziert sind (Buhr und Sutter 1989; CIE 1987).

Selbstverdunkelnde Schweißfilter

Der selbstverdunkelnde Schweißfilter, dessen Schattierungszahl mit der Intensität der auf ihn auftreffenden optischen Strahlung zunimmt, stellt einen wichtigen Fortschritt für Schweißer dar, um effizienter und ergonomischer Schweißnähte mit gleichbleibend hoher Qualität herzustellen. Früher musste der Schweißer den Helm oder Filter jedes Mal absenken und anheben, wenn ein Lichtbogen gezündet und gelöscht wurde. Der Schweißer musste kurz vor dem Zünden des Lichtbogens „blind“ arbeiten. Darüber hinaus wird der Helm üblicherweise mit einem scharfen Einrasten des Halses und des Kopfes abgesenkt und angehoben, was zu Nackenverspannungen oder ernsthafteren Verletzungen führen kann. Angesichts dieses unbequemen und umständlichen Verfahrens zünden einige Schweißer den Lichtbogen häufig mit einem herkömmlichen Helm in angehobener Position, was zu Photokeratitis führt. Unter normalen Umgebungslichtbedingungen kann ein Schweißer, der einen Helm mit automatischem Verdunklungsfilter trägt, mit aufgesetztem Augenschutz gut genug sehen, um Aufgaben wie das Ausrichten der zu schweißenden Teile, das präzise Positionieren der Schweißausrüstung und das Zünden des Lichtbogens auszuführen. Bei den typischsten Helmdesigns erkennen Lichtsensoren den Lichtbogen praktisch sofort, wenn er auftritt, und weisen eine elektronische Antriebseinheit an, einen Flüssigkristallfilter von einem hellen Farbton auf einen vorgewählten dunklen Farbton umzuschalten, wodurch die Notwendigkeit für das Umständliche und Gefährliche entfällt Manöver, die mit Fixed-Shade-Filtern geübt werden.

Häufig wird die Frage gestellt, ob sich bei selbstverdunkelnden Filtern versteckte Sicherheitsprobleme ergeben können. Können beispielsweise am Arbeitsplatz erlebte Nachbilder („Blitzblindheit“) zu einer dauerhaften Beeinträchtigung des Sehvermögens führen? Bieten die neuen Filtertypen wirklich einen gleichwertigen oder besseren Schutz als herkömmliche Festfilter? Obwohl man die zweite Frage bejahen kann, muss klar sein, dass nicht alle automatischen Verdunklungsfilter gleichwertig sind. Filterreaktionsgeschwindigkeiten, die Werte der hellen und dunklen Farbtöne, die bei einer bestimmten Beleuchtungsstärke erreicht werden, und das Gewicht jeder Einheit können von einem Gerätemuster zum anderen variieren. Die Temperaturabhängigkeit der Geräteleistung, die Schwankung des Verschattungsgrades bei elektrischer Batteriedegradation, die „Ruhezustandsverschattung“ und andere technische Faktoren variieren je nach Herstellerdesign. Diese Überlegungen werden in neuen Standards berücksichtigt.

Da alle Systeme eine angemessene Filterdämpfung bieten, ist die wichtigste Eigenschaft, die von den Herstellern automatisch verdunkelnder Filter angegeben wird, die Geschwindigkeit der Filterumschaltung. Aktuelle automatische Verdunklungsfilter variieren in der Schaltgeschwindigkeit von einer Zehntelsekunde bis zu schneller als 1/10,000stel Sekunde. Buhr und Sutter (1989) haben ein Mittel angegeben, um die maximale Umschaltzeit anzugeben, aber ihre Formulierung variiert relativ zum zeitlichen Verlauf des Umschaltens. Die Schaltgeschwindigkeit ist entscheidend, da sie den besten Hinweis auf das äußerst wichtige (aber nicht spezifizierte) Maß dafür gibt, wie viel Licht in das Auge eintritt, wenn der Lichtbogen gezündet wird, im Vergleich zu dem Licht, das von einem festen Filter mit derselben Arbeitsschattierungsnummer eingelassen wird . Wenn zu viel Licht bei jedem Wechsel während des Tages in das Auge gelangt, erzeugt die akkumulierte Lichtenergiedosis eine „vorübergehende Anpassung“ und Beschwerden über „Augenbelastung“ und andere Probleme. (Transiente Anpassung ist das visuelle Erlebnis, das durch plötzliche Änderungen der Lichtumgebung verursacht wird und durch Unbehagen, Blendungsgefühl und vorübergehenden Verlust des Detailsehens gekennzeichnet sein kann.) Aktuelle Produkte mit Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von zehn Millisekunden bietet einen besseren Schutz vor Photoretinitis. Die kürzeste Schaltzeit – in der Größenordnung von 0.1 ms – hat jedoch den Vorteil, transiente Anpassungseffekte zu reduzieren (Eriksen 1985; Sliney 1992).

Dem Schweißer stehen neben umfangreichen Laborprüfungen einfache Kontrollprüfungen zur Verfügung. Man könnte dem Schweißer vorschlagen, dass er oder sie sich einfach eine Seite mit detailliertem Druck durch eine Reihe von automatisch verdunkelnden Filtern ansieht. Dies gibt einen Hinweis auf die optische Qualität jedes Filters. Als nächstes kann der Schweißer aufgefordert werden, zu versuchen, einen Lichtbogen zu zünden, während er ihn durch jeden Filter beobachtet, der zum Kauf in Betracht gezogen wird. Glücklicherweise kann man sich darauf verlassen, dass ein für Sehzwecke angenehmes Licht nicht gefährlich ist. Die Wirksamkeit der UV- und IR-Filterung sollte im Datenblatt des Herstellers überprüft werden, um sicherzustellen, dass unnötige Banden herausgefiltert werden. Ein paar wiederholte Zündungen des Lichtbogens sollten dem Schweißer ein Gefühl dafür geben, ob durch die vorübergehende Anpassung Unbehagen empfunden wird, obwohl ein eintägiger Versuch am besten wäre.

Die Schattierungszahl eines selbstverdunkelnden Filters im Ruhe- oder Ausfallzustand (ein Ausfallzustand tritt auf, wenn die Batterie ausfällt) sollte einen 100%igen Schutz für die Augen des Schweißers für mindestens eine bis mehrere Sekunden bieten. Einige Hersteller verwenden einen dunklen Zustand als „Aus“-Position und andere verwenden eine Zwischenschattierung zwischen den dunklen und den hellen Schattierungszuständen. In jedem Fall sollte die Durchlässigkeit des Filters im Ruhezustand deutlich niedriger sein als die Durchlässigkeit im hellen Schatten, um eine Netzhautgefährdung auszuschließen. In jedem Fall sollte das Gerät dem Benutzer eine klare und deutliche Anzeige darüber geben, wann der Filter abgeschaltet ist oder wenn ein Systemausfall auftritt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schweißer im Voraus gewarnt wird, falls der Filter nicht eingeschaltet ist oder nicht ordnungsgemäß funktioniert, bevor mit dem Schweißen begonnen wird. Andere Merkmale, wie Akkulaufzeit oder Leistung unter extremen Temperaturbedingungen, können für bestimmte Benutzer von Bedeutung sein.

Schlussfolgerungen

Obwohl die technischen Spezifikationen für Geräte, die das Auge vor optischen Strahlungsquellen schützen, etwas komplex erscheinen können, gibt es Sicherheitsnormen, die Schattierungsnummern spezifizieren, und diese Normen bieten einen konservativen Sicherheitsfaktor für den Träger.

 

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Dienstag, 15 März 2011 15: 24

Laser

Ein Laser ist ein Gerät, das kohärente elektromagnetische Strahlungsenergie innerhalb des optischen Spektrums vom extremen Ultraviolett bis zum fernen Infrarot (Submillimeter) erzeugt. Der Begriff laser ist eigentlich ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Obwohl das Laserverfahren 1916 von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt wurde, wurde der erste erfolgreiche Laser erst 1960 demonstriert. In den letzten Jahren haben Laser ihren Weg aus dem Forschungslabor in die Industrie, Medizin und Büroumgebung sowie auf Baustellen und sogar gefunden Haushalte. Bei vielen Anwendungen, wie Videodisk-Playern und optischen Faserkommunikationssystemen, ist die Strahlungsenergie des Lasers eingeschlossen, der Benutzer ist keinem Gesundheitsrisiko ausgesetzt, und das Vorhandensein eines in das Produkt eingebetteten Lasers ist für den Benutzer möglicherweise nicht offensichtlich. Bei einigen medizinischen, industriellen oder Forschungsanwendungen ist die emittierte Strahlungsenergie des Lasers jedoch zugänglich und kann eine potenzielle Gefahr für Augen und Haut darstellen.

Da der Laserprozess (manchmal als „Lasern“ bezeichnet) einen stark kollimierten Strahl optischer Strahlung (d. h. ultraviolette, sichtbare oder infrarote Strahlungsenergie) erzeugen kann, kann ein Laser aus großer Entfernung eine Gefahr darstellen – ganz anders als die meisten Gefahren, denen man begegnet am Arbeitsplatz. Vielleicht ist es vor allem diese Eigenschaft, die zu besonderen Bedenken von Arbeitnehmern und Arbeitsschutzexperten geführt hat. Dennoch können Laser sicher verwendet werden, wenn geeignete Gefahrenkontrollen angewendet werden. Normen für den sicheren Umgang mit Lasern existieren weltweit, die meisten sind untereinander „harmonisiert“ (ANSI 1993; IEC 1993). Alle Normen verwenden ein Gefahrenklassifizierungssystem, das Laserprodukte entsprechend der Ausgangsleistung oder -energie des Lasers und seiner Fähigkeit, Schäden zu verursachen, in eine von vier breiten Gefahrenklassen einteilt. Entsprechend der Gefahreneinstufung werden dann Sicherheitsmaßnahmen angewandt (Cleuet und Mayer 1980; Duchene, Lakey und Repacholi 1991).

Laser arbeiten mit diskreten Wellenlängen, und obwohl die meisten Laser monochromatisch sind (sie emittieren eine Wellenlänge oder eine einzelne Farbe), ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Laser mehrere diskrete Wellenlängen emittiert. Beispielsweise emittiert der Argonlaser mehrere verschiedene Linien innerhalb des nahen Ultraviolett- und sichtbaren Spektrums, ist jedoch im Allgemeinen so ausgelegt, dass er nur eine grüne Linie (Wellenlänge) bei 514.5 nm und/oder eine blaue Linie bei 488 nm emittiert. Bei der Betrachtung potenzieller Gesundheitsgefahren ist es immer entscheidend, die Ausgangswellenlänge(n) festzulegen.

Alle Laser haben drei grundlegende Bausteine:

  1. ein aktives Medium (fest, flüssig oder gasförmig), das die möglichen Emissionswellenlängen definiert
  2. eine Energiequelle (z. B. elektrischer Strom, Pumplampe oder chemische Reaktion)
  3. ein Resonanzhohlraum mit Ausgangskoppler (in der Regel zwei Spiegel).

 

Die meisten praktischen Lasersysteme außerhalb des Forschungslabors haben auch ein Strahlführungssystem, wie z. B. eine optische Faser oder einen Gelenkarm mit Spiegeln, um den Strahl auf eine Arbeitsstation zu lenken, und Fokussierlinsen, um den Strahl auf ein zu schweißendes Material zu konzentrieren usw In einem Laser werden identische Atome oder Moleküle durch Energie, die von der Pumplampe geliefert wird, in einen angeregten Zustand gebracht. Wenn sich die Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand befinden, kann ein Photon („Partikel“ von Lichtenergie) ein angeregtes Atom oder Molekül dazu anregen, ein zweites Photon mit derselben Energie (Wellenlänge) zu emittieren, das sich in Phase (kohärent) und in derselben bewegt Richtung wie das anregende Photon. Somit hat eine Lichtverstärkung um einen Faktor zwei stattgefunden. Derselbe Vorgang, der in einer Kaskade wiederholt wird, bewirkt, dass ein Lichtstrahl entsteht, der zwischen den Spiegeln des Resonanzhohlraums hin und her reflektiert wird. Da einer der Spiegel teilweise transparent ist, verlässt etwas Lichtenergie den Resonanzhohlraum und bildet den emittierten Laserstrahl. Obwohl in der Praxis die beiden parallelen Spiegel oft gekrümmt sind, um einen stabileren Resonanzzustand zu erzeugen, gilt das Grundprinzip für alle Laser.

Obwohl mehrere tausend verschiedene Laserlinien (dh diskrete Laserwellenlängen, die für verschiedene aktive Medien charakteristisch sind) im Physiklabor demonstriert wurden, wurden nur etwa 20 kommerziell bis zu dem Punkt entwickelt, an dem sie routinemäßig in der Alltagstechnologie angewendet werden. Es wurden Lasersicherheitsrichtlinien und -normen entwickelt und veröffentlicht, die grundsätzlich alle Wellenlängen des optischen Spektrums abdecken, um derzeit bekannte Laserlinien und zukünftige Laser zu berücksichtigen.

Lasergefahrenklassifizierung

Aktuelle Lasersicherheitsnormen auf der ganzen Welt folgen der Praxis, alle Laserprodukte in Gefahrenklassen zu kategorisieren. Im Allgemeinen folgt das Schema einer Gruppierung von vier breiten Gefahrenklassen, 1 bis 4. Laser der Klasse 1 können keine potenziell gefährliche Laserstrahlung abgeben und stellen kein Gesundheitsrisiko dar. Die Klassen 2 bis 4 stellen eine zunehmende Gefahr für Augen und Haut dar. Das Klassifizierungssystem ist sinnvoll, da für jede Laserklasse Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben sind. Für die höchsten Klassen sind strengere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Klasse 1 gilt als „augensichere“, risikofreie Gruppierung. Die meisten vollständig geschlossenen Laser (z. B. Laser-CD-Recorder) gehören zur Klasse 1. Für einen Laser der Klasse 1 sind keine Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Klasse 2 bezieht sich auf sichtbare Laser, die eine sehr geringe Leistung emittieren, die nicht gefährlich wäre, selbst wenn die gesamte Strahlleistung in das menschliche Auge eindringt und auf die Netzhaut fokussiert würde. Die natürliche Abneigungsreaktion des Auges auf das Betrachten sehr heller Lichtquellen schützt das Auge vor Netzhautverletzungen, wenn die in das Auge eintretende Energie nicht ausreicht, um die Netzhaut innerhalb der Abneigungsreaktion zu schädigen. Die Abneigungsreaktion besteht aus dem Blinzelreflex (ca. 0.16–0.18 Sekunden) und einer Drehung des Auges und einer Bewegung des Kopfes, wenn er solch hellem Licht ausgesetzt wird. Aktuelle Sicherheitsstandards definieren die Aversionsreaktion konservativ als 0.25 Sekunden dauernd. Somit haben Laser der Klasse 2 eine Ausgangsleistung von 1 Milliwatt (mW) oder weniger, was der zulässigen Expositionsgrenze für 0.25 Sekunden entspricht. Beispiele für Laser der Klasse 2 sind Laserpointer und einige Ausrichtungslaser.

Einige Sicherheitsstandards beinhalten auch eine Unterkategorie der Klasse 2, die als „Klasse 2A“ bezeichnet wird. Laser der Klasse 2A sind bis zu 1,000 s (16.7 min) ungefährlich, wenn man hineinblickt. Die meisten Laserscanner, die in Verkaufsstellen (Supermarktkassen) und Inventarscannern verwendet werden, sind Klasse 2A.

Laser der Klasse 3 stellen eine Gefahr für das Auge dar, da die Abneigungsreaktion nicht schnell genug ist, um die Exposition der Netzhaut auf ein vorübergehend sicheres Niveau zu begrenzen, und auch andere Strukturen des Auges (z. B. Hornhaut und Linse) geschädigt werden könnten. Hautgefahren bestehen normalerweise nicht bei zufälliger Exposition. Beispiele für Laser der Klasse 3 sind viele Forschungslaser und militärische Laser-Entfernungsmesser.

Eine spezielle Unterkategorie der Klasse 3 wird als „Klasse 3A“ bezeichnet (wobei die verbleibenden Laser der Klasse 3 als „Klasse 3B“ bezeichnet werden). Laser der Klasse 3A sind solche mit einer Ausgangsleistung zwischen dem Ein- und Fünffachen der Grenzwerte für zugängliche Emissionen (AEL) für die Klasse 1 oder Klasse 2, aber mit einer Ausgangsbestrahlungsstärke, die den relevanten Arbeitsplatzgrenzwert für die niedrigere Klasse nicht überschreitet. Beispiele sind viele Laserausrichtungs- und Vermessungsinstrumente.

Laser der Klasse 4 können eine potenzielle Brandgefahr, eine erhebliche Gefahr für die Haut oder eine Gefahr durch diffuse Reflexion darstellen. Praktisch alle chirurgischen Laser und Materialbearbeitungslaser, die zum Schweißen und Schneiden verwendet werden, sind Klasse 4, wenn sie nicht eingeschlossen sind. Alle Laser mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von mehr als 0.5 W gehören zur Klasse 4. Wenn eine höhere Leistung der Klasse 3 oder Klasse 4 vollständig umschlossen ist, sodass gefährliche Strahlungsenergie nicht zugänglich ist, könnte das gesamte Lasersystem Klasse 1 sein Gehäuse wird als ein bezeichnet eingebetteter Laser.

Arbeitsplatzgrenzwerte

Die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP 1995) hat Richtlinien für Grenzwerte für die menschliche Exposition gegenüber Laserstrahlung veröffentlicht, die regelmäßig aktualisiert werden. Repräsentative Expositionsgrenzwerte (ELs) sind in Tabelle 1 für mehrere typische Laser aufgeführt. Nahezu alle Laserstrahlen überschreiten die zulässigen Belastungsgrenzen. Daher werden die Expositionsgrenzwerte in der Praxis nicht routinemäßig zur Festlegung von Sicherheitsmaßnahmen verwendet. Stattdessen wird das Laserklassifizierungsschema – das auf den unter realistischen Bedingungen angewendeten ELs basiert – wirklich zu diesem Zweck angewendet.

Tabelle 1. Expositionsgrenzwerte für typische Laser

Art des Lasers

Hauptwellenlänge(n)

Belastungsgrenze

Argonfluorid

193 nm

3.0 mJ/cm2 über 8 Std

Xenonchlorid

308 nm

40 mJ/cm2 über 8 Std

Argonion

488, 514.5 Nanometer

3.2 mW/cm2 für 0.1 s

Kupferdampf

510, 578 Nanometer

2.5 mW/cm2 für 0.25 s

Helium-Neon

632.8 nm

1.8 mW/cm2 für 10 s

Golddampf

628 nm

1.0 mW/cm2 für 10 s

Krypton-Ion

568, 647 Nanometer

1.0 mW/cm2 für 10 s

Neodym-YAG

1,064 nm
1,334 nm

5.0 μJ/cm2 für 1 ns bis 50 μs
Kein MPE für t <1 ns,
5 mW/cm2 für 10 s

Kohlendioxid

10–6 μm

100 mW/cm2 für 10 s

Kohlenmonoxid

≈5 μm

bis 8 h, begrenzter Bereich
10 mW/cm2 für >10 s
für den größten Teil des Körpers

Alle Standards/Richtlinien haben MPEs bei anderen Wellenlängen und Expositionsdauern.

Hinweis: Zur Umrechnung von MPE in mW/cm2 zu mJ/cm2, multiplizieren mit der Belichtungszeit t in Sekunden. Beispielsweise beträgt der He-Ne- oder Argon-MPE bei 0.1 s 0.32 mJ/cm2.

Quelle: ANSI-Standard Z-136.1 (1993); ACGIH TLVs (1995) und Duchene, Lakey und Repacholi (1991).

Lasersicherheitsnormen

Viele Nationen haben Lasersicherheitsnormen veröffentlicht, und die meisten sind mit der internationalen Norm der International Electrotechnical Commission (IEC) harmonisiert. Für Hersteller gilt die IEC-Norm 825-1 (1993); Es enthält jedoch auch einige eingeschränkte Sicherheitshinweise für Benutzer. Die oben beschriebene Lasergefahrenklassifizierung muss auf allen kommerziellen Laserprodukten angegeben werden. Auf allen Produkten der Klassen 2 bis 4 sollte ein der Klasse entsprechender Warnhinweis angebracht sein.

Sicherheitsmaßnahmen

Das Lasersicherheits-Klassifizierungssystem erleichtert die Bestimmung geeigneter Sicherheitsmaßnahmen erheblich. Lasersicherheitsnormen und Verhaltenskodizes erfordern routinemäßig den Einsatz immer restriktiverer Kontrollmaßnahmen für jede höhere Klassifizierung.

In der Praxis ist es immer wünschenswerter, den Laser und den Strahlengang vollständig einzuschließen, damit keine möglicherweise gefährliche Laserstrahlung zugänglich ist. Mit anderen Worten, wenn am Arbeitsplatz nur Laserprodukte der Klasse 1 eingesetzt werden, ist eine sichere Verwendung gewährleistet. In vielen Situationen ist dies jedoch einfach nicht praktikabel, und eine Schulung der Arbeiter in sicherer Verwendung und Maßnahmen zur Gefahrenabwehr ist erforderlich.

Abgesehen von der offensichtlichen Regel, einen Laser nicht auf die Augen einer Person zu richten, sind für ein Laserprodukt der Klasse 2 keine Kontrollmaßnahmen erforderlich. Für Laser höherer Klassen sind eindeutig Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Wenn eine vollständige Einhausung eines Lasers der Klasse 3 oder 4 nicht machbar ist, kann die Verwendung von Strahleinhausungen (z. B. Röhren), Leitblechen und optischen Abdeckungen das Risiko einer gefährlichen Augenexposition in den meisten Fällen praktisch eliminieren.

Wenn Einhausungen für Laser der Klassen 3 und 4 nicht machbar sind, sollte ein laserkontrollierter Bereich mit kontrolliertem Zugang eingerichtet werden, und die Verwendung von Laser-Augenschutz ist im Allgemeinen innerhalb der nominellen Gefahrenzone (NHZ) des Laserstrahls vorgeschrieben. Obwohl in den meisten Forschungslabors, in denen kollimierte Laserstrahlen verwendet werden, die NHZ den gesamten kontrollierten Laborbereich umfasst, kann die NHZ für Anwendungen mit fokussiertem Strahl überraschend begrenzt sein und nicht den gesamten Raum umfassen.

Um sich vor Missbrauch und möglichen gefährlichen Handlungen seitens unbefugter Laserbenutzer zu schützen, sollte die Schlüsselkontrolle verwendet werden, die auf allen kommerziell hergestellten Laserprodukten zu finden ist.

Der Schlüssel sollte gesichert werden, wenn der Laser nicht verwendet wird, wenn Personen Zugang zum Laser erhalten können.

Während der Laserausrichtung und der Ersteinrichtung sind besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, da die Gefahr schwerer Augenverletzungen dann sehr groß ist. Laserpersonal muss vor der Einrichtung und Ausrichtung des Lasers in sicheren Praktiken geschult werden.

Laserschutzbrillen wurden entwickelt, nachdem Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz festgelegt und Spezifikationen erstellt worden waren, um die optischen Dichten (oder ODs, ein logarithmisches Maß des Schwächungsfaktors) bereitzustellen, die als Funktion von Wellenlänge und Expositionsdauer für bestimmte erforderlich wären Laser. Obwohl es in Europa spezielle Normen für den Augenlaserschutz gibt, werden in den Vereinigten Staaten weitere Richtlinien vom American National Standards Institute unter den Bezeichnungen ANSI Z136.1 und ANSI Z136.3 bereitgestellt.

Schulung

Bei der Untersuchung von Laserunfällen sowohl im Labor als auch in der Industrie taucht ein gemeinsames Element auf: Mangel an angemessener Ausbildung. Das Lasersicherheitstraining sollte sowohl angemessen als auch ausreichend für die Laseroperationen sein, mit denen jeder Mitarbeiter arbeiten wird. Die Schulung sollte spezifisch für den Lasertyp und die Aufgabe sein, der der Arbeiter zugewiesen ist.

Medizinische Überwachung

Die Anforderungen an die medizinische Überwachung von Laserarbeitern sind von Land zu Land gemäß den örtlichen arbeitsmedizinischen Vorschriften unterschiedlich. Zu einer Zeit, als Laser auf das Forschungslabor beschränkt waren und wenig über ihre biologischen Wirkungen bekannt war, war es ganz typisch, dass jeder Laserarbeiter regelmäßig einer gründlichen allgemeinen ophthalmologischen Untersuchung mit Fundus- (Netzhaut-) Fotografie unterzogen wurde, um den Zustand des Auges zu überwachen . Anfang der 1970er Jahre wurde diese Praxis jedoch in Frage gestellt, da die klinischen Befunde fast immer negativ waren und klar wurde, dass solche Untersuchungen nur akute Verletzungen identifizieren konnten, die subjektiv feststellbar waren. Dies veranlasste die WHO-Arbeitsgruppe zu Lasern, die 1975 in Don Leaghreigh, Irland, zusammentrat, von solchen komplizierten Überwachungsprogrammen abzuraten und das Testen der Sehfunktion zu betonen. Seitdem haben die meisten nationalen arbeitsmedizinischen Gruppen die Anforderungen an die ärztliche Untersuchung kontinuierlich reduziert. Heutzutage sind vollständige augenärztliche Untersuchungen allgemein nur im Falle einer Augenlaserverletzung oder des Verdachts einer Überexposition erforderlich, und ein visuelles Screening vor der Platzierung ist im Allgemeinen erforderlich. In einigen Ländern können zusätzliche Prüfungen erforderlich sein.

Lasermessungen

Im Gegensatz zu einigen Gefahren am Arbeitsplatz besteht im Allgemeinen keine Notwendigkeit, Messungen zur Arbeitsplatzüberwachung gefährlicher Laserstrahlung durchzuführen. Aufgrund der stark begrenzten Strahlabmessungen der meisten Laserstrahlen, der Wahrscheinlichkeit, dass sich die Strahlengänge ändern, und der Schwierigkeit und Kosten von Laserradiometern betonen aktuelle Sicherheitsstandards Kontrollmaßnahmen basierend auf der Gefahrenklasse und nicht auf Messungen am Arbeitsplatz (Überwachung). Messungen müssen vom Hersteller durchgeführt werden, um die Einhaltung der Lasersicherheitsnormen und die richtige Gefahrenklassifizierung sicherzustellen. Tatsächlich bezog sich eine der ursprünglichen Begründungen für die Gefahrenklassifizierung durch Laser auf die große Schwierigkeit, geeignete Messungen zur Gefahrenbewertung durchzuführen.

Schlussfolgerungen

Obwohl der Laser am Arbeitsplatz relativ neu ist, wird er schnell allgegenwärtig, ebenso wie Programme zur Lasersicherheit. Der Schlüssel zum sicheren Umgang mit Lasern liegt zunächst darin, die Laserstrahlungsenergie nach Möglichkeit einzuschließen, aber wenn dies nicht möglich ist, angemessene Kontrollmaßnahmen einzurichten und alle mit Lasern arbeitenden Personen zu schulen.

 

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Dienstag, 15 März 2011 15: 26

Hochfrequenzfelder und Mikrowellen

Hochfrequente (HF) elektromagnetische Energie und Mikrowellenstrahlung werden in einer Vielzahl von Anwendungen in Industrie, Gewerbe, Medizin und Forschung sowie im Haushalt eingesetzt. Im Frequenzbereich von 3 bis 3 x 108 kHz (d. h. 300 GHz) erkennen wir leicht Anwendungen wie Radio- und Fernsehübertragung, Kommunikation (Ferntelefon, Mobiltelefon, Funkkommunikation), Radar, dielektrische Heizgeräte, Induktionsheizgeräte, Schaltnetzteile und Computermonitore.

Hochleistungs-HF-Strahlung ist eine Quelle thermischer Energie, die alle bekannten Auswirkungen des Erhitzens auf biologische Systeme mit sich bringt, einschließlich Verbrennungen, vorübergehender und dauerhafter Veränderungen in der Fortpflanzung, Katarakt und Tod. Für den breiten Bereich von Radiofrequenzen ist die kutane Wahrnehmung von Wärme und thermischen Schmerzen unzuverlässig für die Erkennung, da sich die thermischen Rezeptoren in der Haut befinden und die durch diese Felder verursachte tiefe Erwärmung des Körpers nicht ohne weiteres wahrnehmen. Expositionsgrenzwerte sind erforderlich, um sich vor diesen gesundheitsschädlichen Wirkungen einer Hochfrequenzfeld-Exposition zu schützen.

Exposition durch Beruf

Induktionsheizung

Durch Anlegen eines starken magnetischen Wechselfeldes kann ein leitendes Material induziert erhitzt werden Wirbelströme. Eine solche Erwärmung wird zum Schmieden, Glühen, Hartlöten und Weichlöten verwendet. Betriebsfrequenzen reichen von 50/60 bis zu mehreren Millionen Hz. Da die Abmessungen der Magnetfelder erzeugenden Spulen oft klein sind, ist das Risiko einer hohen Ganzkörperexposition gering; Die Exposition gegenüber den Händen kann jedoch hoch sein.

Dielektrische Heizung

Hochfrequenzenergie von 3 bis 50 MHz (hauptsächlich bei Frequenzen von 13.56, 27.12 und 40.68 MHz) wird in der Industrie für eine Vielzahl von Erwärmungsprozessen verwendet. Zu den Anwendungen gehören das Versiegeln und Prägen von Kunststoffen, die Leimtrocknung, die Stoff- und Textilverarbeitung, die Holzbearbeitung und die Herstellung so unterschiedlicher Produkte wie Planen, Schwimmbäder, Wasserbetteneinlagen, Schuhe, Reisecheckmappen und so weiter.

In der Literatur berichtete Messungen (Hansson Mild 1980; IEEE COMAR 1990a, 1990b, 1991) zeigen, dass in vielen Fällen elektrisch und magnetisch Leckagefelder sind in der Nähe dieser HF-Geräte sehr hoch. Oft sind die Operateure Frauen im gebärfähigen Alter (also 18 bis 40 Jahre). Die Leckagefelder sind in einigen beruflichen Situationen oft großflächig, was zu einer Ganzkörperexposition der Bediener führt. Bei vielen Geräten übersteigen die Belastungswerte durch elektrische und magnetische Felder alle bestehenden HF-Sicherheitsrichtlinien.

Da diese Geräte zu einer sehr hohen Absorption von HF-Energie führen können, ist es von Interesse, die von ihnen ausgehenden Streufelder zu kontrollieren. Daher wird eine regelmäßige HF-Überwachung unerlässlich, um festzustellen, ob ein Expositionsproblem vorliegt.

Kommunikationssysteme

Beschäftigte in den Bereichen Kommunikation und Radar sind in den meisten Situationen nur geringen Feldstärken ausgesetzt. Die Exposition von Arbeitern, die UKW-/Fernsehtürme besteigen müssen, kann jedoch intensiv sein, und Sicherheitsvorkehrungen sind erforderlich. Die Exposition kann auch in der Nähe von Senderschränken, deren Verriegelungen aufgehoben und die Türen offen sind, erheblich sein.

Medizinische Exposition

Eine der frühesten Anwendungen von HF-Energie war die Kurzwellen-Diathermie. Üblicherweise werden dazu ungeschirmte Elektroden verwendet, die möglicherweise zu hohen Streufeldern führen.

Kürzlich wurden HF-Felder in Verbindung mit statischen Magnetfeldern verwendet Magnetresonanztomographie (MRT). Da die verwendete HF-Energie gering ist und das Feld fast vollständig in der Patienteneinhausung enthalten ist, ist die Exposition der Bediener vernachlässigbar.

Biologische Wirkungen

Die spezifische Absorptionsrate (SAR, gemessen in Watt pro Kilogramm) wird häufig als dosimetrische Größe verwendet, und Expositionsgrenzwerte können von SARs abgeleitet werden. Die SAR eines biologischen Körpers hängt von Expositionsparametern wie Frequenz der Strahlung, Intensität, Polarisation, Konfiguration der Strahlungsquelle und des Körpers, Reflexionsflächen und Körpergröße, Form und elektrischen Eigenschaften ab. Darüber hinaus ist die räumliche SAR-Verteilung im Körper sehr ungleichmäßig. Eine ungleichmäßige Energieabscheidung führt zu einer ungleichmäßigen Erhitzung des tiefen Körpers und kann interne Temperaturgradienten erzeugen. Bei Frequenzen über 10 GHz wird die Energie nahe an der Körperoberfläche deponiert. Die maximale SAR tritt bei etwa 70 MHz für das Standardsubjekt auf und bei etwa 30 MHz, wenn die Person in Kontakt mit HF-Erde steht. Bei extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen wird erwartet, dass Ganzkörper-SARs von 1 bis 4 W/kg bei 70 MHz bei gesunden Menschen einen Anstieg der Kerntemperatur von etwa 2 °C in einer Stunde verursachen.

Die HF-Erwärmung ist ein Wechselwirkungsmechanismus, der ausführlich untersucht wurde. Thermische Effekte wurden bei weniger als 1 W/kg beobachtet, aber für diese Effekte wurden im Allgemeinen keine Temperaturschwellenwerte festgelegt. Bei der Beurteilung biologischer Wirkungen ist das Zeit-Temperatur-Profil zu berücksichtigen.

Biologische Wirkungen treten auch dort auf, wo eine HF-Erwärmung weder ein angemessener noch ein möglicher Mechanismus ist. Diese Effekte beinhalten oft modulierte HF-Felder und Millimeterwellenlängen. Es wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen, die jedoch noch keine nützlichen Informationen für die Ableitung von Expositionsgrenzwerten für den Menschen erbracht haben. Es ist notwendig, die grundlegenden Wechselwirkungsmechanismen zu verstehen, da es nicht praktikabel ist, jedes HF-Feld auf seine charakteristischen biophysikalischen und biologischen Wechselwirkungen hin zu untersuchen.

Human- und Tierstudien weisen darauf hin, dass HF-Felder aufgrund übermäßiger Erwärmung des inneren Gewebes schädliche biologische Wirkungen haben können. Die Wärmesensoren des Körpers befinden sich in der Haut und nehmen eine Erwärmung tief im Körper nicht ohne weiteres wahr. Arbeiter können daher beträchtliche Mengen an HF-Energie absorbieren, ohne sofort das Vorhandensein von Streufeldern wahrzunehmen. Es wurde berichtet, dass Personal, das HF-Feldern von Radargeräten, HF-Heizgeräten und Versiegelungen sowie Radio-TV-Türmen ausgesetzt war, einige Zeit nach der Exposition ein Wärmegefühl verspürt hat.

Es gibt kaum Hinweise darauf, dass HF-Strahlung beim Menschen Krebs auslösen kann. Dennoch deutet eine Studie darauf hin, dass es bei Tieren als Krebspromotor wirken könnte (Szmigielski et al. 1988). Epidemiologische Studien an Personal, das HF-Feldern ausgesetzt war, sind zahlreich und allgemein begrenzt (Silverman 1990; NCRP 1986; WHO 1981). In der ehemaligen Sowjetunion und in osteuropäischen Ländern wurden mehrere Erhebungen unter beruflich exponierten Arbeitern durchgeführt (Roberts und Michaelson 1985). Diese Studien sind jedoch nicht schlüssig in Bezug auf gesundheitliche Auswirkungen.

Untersuchungen am Menschen und epidemiologische Studien über Benutzer von RF-Sealern in Europa (Kolmodin-Hedman et al. 1988; Bini et al. 1986) berichten, dass die folgenden spezifischen Probleme auftreten können:

  • HF-Verbrennungen oder Verbrennungen durch Kontakt mit thermisch heißen Oberflächen
  • Taubheit (dh Parästhesie) in Händen und Fingern; gestörtes oder verändertes Tastempfinden
  • Augenreizung (möglicherweise durch Dämpfe von vinylhaltigem Material)
  • erhebliche Erwärmung und Beschwerden der Beine des Bedieners (möglicherweise aufgrund des Stromflusses durch die Beine zum Boden).

 

Mobiltelefone

Die Verwendung von persönlichen Funktelefonen nimmt schnell zu und dies hat zu einer Zunahme der Anzahl von Basisstationen geführt. Diese befinden sich oft in öffentlichen Bereichen. Die Exposition gegenüber der Öffentlichkeit von diesen Stationen ist jedoch gering. Die Systeme arbeiten normalerweise auf Frequenzen nahe 900 MHz oder 1.8 GHz und verwenden entweder analoge oder digitale Technologie. Die Handgeräte sind kleine Funksender mit geringer Leistung, die bei Gebrauch in unmittelbarer Nähe des Kopfes gehalten werden. Ein Teil der von der Antenne abgestrahlten Leistung wird vom Kopf absorbiert. Numerische Berechnungen und Messungen in Phantomköpfen zeigen, dass die SAR-Werte in der Größenordnung von wenigen W/kg liegen können (siehe weitere ICNIRP-Erklärung, 1996). Die Besorgnis der Öffentlichkeit über die Gesundheitsgefährdung durch elektromagnetische Felder hat zugenommen, und mehrere Forschungsprogramme widmen sich dieser Frage (McKinley et al., unveröffentlichter Bericht). Derzeit laufen mehrere epidemiologische Studien in Bezug auf die Nutzung von Mobiltelefonen und Hirntumoren. Bisher wurde nur eine Tierstudie (Repacholi et al. 1997) mit transgenen Mäusen publiziert, die 1 Monate lang 18 h pro Tag einem Signal ausgesetzt wurden, das dem der digitalen Mobilkommunikation ähnelt. Am Ende der Experimente hatten 43 von 101 exponierten Tieren Lymphome, verglichen mit 22 von 100 in der schein-exponierten Gruppe. Der Anstieg war statistisch signifikant (p > 0.001). Diese Ergebnisse können nicht ohne Weiteres mit Relevanz für die menschliche Gesundheit interpretiert werden, und es bedarf weiterer Forschung dazu.

Normen und Richtlinien

Mehrere Organisationen und Regierungen haben Standards und Richtlinien zum Schutz vor übermäßiger Belastung durch HF-Felder herausgegeben. Eine Übersicht über weltweite Sicherheitsstandards wurde von Grandolfo und Hansson Mild (1989) gegeben; die Diskussion bezieht sich hier nur auf die von IRPA (1988) herausgegebenen Richtlinien und den IEEE-Standard C 95.1 1991.

Die vollständige Begründung für HF-Expositionsgrenzwerte ist in IRPA (1988) dargestellt. Zusammenfassend haben die IRPA-Richtlinien einen grundlegenden SAR-Grenzwert von 4 W/kg festgelegt, oberhalb dessen als zunehmende Wahrscheinlichkeit gesundheitliche Beeinträchtigungen infolge der Absorption von HF-Energie angesehen werden. Es wurden keine gesundheitsschädlichen Wirkungen aufgrund akuter Expositionen unterhalb dieses Niveaus beobachtet. Unter Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors von zehn zur Berücksichtigung möglicher Folgen einer Langzeitexposition wird 0.4 W/kg als Basisgrenzwert zur Ableitung von Expositionsgrenzwerten für die berufliche Exposition verwendet. Ein weiterer Sicherheitsfaktor von fünf wird eingearbeitet, um Grenzwerte für die Allgemeinheit abzuleiten.

Abgeleitete Expositionsgrenzwerte für die elektrische Feldstärke (E), die magnetische Feldstärke (H) und die Leistungsdichte angegeben in V/m, A/m und W/m2 jeweils, sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Quadrate der E und H Felder werden über sechs Minuten gemittelt, und es wird empfohlen, dass die momentane Exposition die zeitlich gemittelten Werte nicht um mehr als den Faktor 100 überschreitet. Außerdem sollte der Körper-Erde-Strom 200 mA nicht überschreiten.

Abbildung 1. IRPA (1988) Expositionsgrenzwerte für elektrische Feldstärke E, magnetische Feldstärke H und Leistungsdichte

ELF060F1

Der 95.1 vom IEEE festgelegte Standard C 1991 gibt Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz (kontrollierte Umgebung) von 0.4 W/kg für die durchschnittliche SAR über den gesamten Körper einer Person und 8 W/kg für die SAR-Spitze an, die auf ein beliebiges Gramm abgegeben wird des Gewebes für 6 Minuten oder länger. Die entsprechenden Werte für die Exposition der Allgemeinheit (unkontrollierte Umgebung) betragen 0.08 W/kg für die Ganzkörper-SAR und 1.6 W/kg für die Spitzen-SAR. Der Körper-Erde-Strom sollte 100 mA in einer kontrollierten Umgebung und 45 mA in einer unkontrollierten Umgebung nicht überschreiten. (Siehe IEEE 1991 für weitere Einzelheiten.) Die abgeleiteten Grenzwerte sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Expositionsgrenzwerte nach IEEE (1991) für elektrische Feldstärke E, magnetische Feldstärke H und Leistungsdichte

ELF060F2

Weitere Informationen zu hochfrequenten Feldern und Mikrowellen finden sich beispielsweise in Elder et al. 1989, Greene 1992 und Polk und Postow 1986.

 

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Extrem niederfrequente (ELF) und sehr niederfrequente (VLF) elektrische und magnetische Felder umfassen den Frequenzbereich oberhalb statischer (> 0 Hz) Felder bis 30 kHz. Für diese Arbeit ist ELF im Frequenzbereich > 0 bis 300 Hz und VLF im Bereich > 300 Hz bis 30 kHz definiert. Im Frequenzbereich > 0 bis 30 kHz variieren die Wellenlängen von ∞ (unendlich) bis 10 km, sodass elektrische und magnetische Felder im Wesentlichen unabhängig voneinander wirken und getrennt behandelt werden müssen. Die elektrische Feldstärke (E) wird in Volt pro Meter (V/m) gemessen, die magnetische Feldstärke (H) wird in Ampere pro Meter (A/m) gemessen und die magnetische Flussdichte (B) in Tesla (T).

Beträchtliche Debatten über mögliche nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit wurden von Arbeitern geäußert, die Geräte verwenden, die in diesem Frequenzbereich arbeiten. Die weitaus häufigste Frequenz ist 50/60 Hz, die für die Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie verwendet wird. Bedenken, dass die Exposition bei 50/60 Hz-Magnetfeldern mit einer erhöhten Krebsinzidenz verbunden sein könnte, wurden durch Medienberichte, die Verbreitung von Fehlinformationen und die anhaltende wissenschaftliche Debatte geschürt (Repacholi 1990; NRC 1996).

Der Zweck dieses Artikels ist es, einen Überblick über die folgenden Themenbereiche zu geben:

  • Quellen, Berufe und Anwendungen
  • Dosimetrie und Messung
  • Wechselwirkungsmechanismen und biologische Wirkungen
  • Studien am Menschen und Auswirkungen auf die Gesundheit
  • Schutzmaßnahmen
  • berufliche Expositionsstandards.

 

Es werden zusammenfassende Beschreibungen bereitgestellt, um die Arbeiter über die Arten und Stärken von Feldern aus Hauptquellen von ELF und VLF, biologische Wirkungen, mögliche gesundheitliche Folgen und aktuelle Expositionsgrenzwerte zu informieren. Außerdem wird ein Überblick über Sicherheitsvorkehrungen und Schutzmaßnahmen gegeben. Während viele Arbeitnehmer visuelle Anzeigeeinheiten (VDUs) verwenden, werden in diesem Artikel nur kurze Details gegeben, da sie an anderer Stelle in ausführlicher behandelt werden Enzyklopädie.

Vieles von dem hier enthaltenen Material kann ausführlicher in einer Reihe neuerer Übersichten gefunden werden (WHO 1984, 1987, 1989, 1993; IRPA 1990; ILO 1993; NRPB 1992, 1993; IEEE 1991; Greene 1992; NRC 1996).

Quellen beruflicher Exposition

Die Höhe der beruflichen Exposition ist sehr unterschiedlich und hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab. Tabelle 1 gibt einen Überblick über typische Anwendungen von Frequenzen im Bereich > 0 bis 30 kHz.

Tabelle 1. Anwendungen von Geräten, die im Bereich > 0 bis 30 kHz arbeiten

Frequenz

Wellenlänge (km)

Typische Anwendungen

16.67, 50, 60 Hertz

18,000-5,000

Stromerzeugung, -übertragung und -nutzung, elektrolytische Prozesse, Induktionserwärmung, Lichtbogen- und Pfannenöfen, Schweißen, Transport usw., jede industrielle, kommerzielle, medizinische oder Forschungsnutzung elektrischer Energie

0.3–3 kHz

1,000-100

Broadcast-Modulation, medizinische Anwendungen, Elektroöfen, Induktionserwärmung, Härten, Löten, Schmelzen, Veredeln

3–30 kHz

100-10

Sehr weitreichende Kommunikation, Funknavigation, Rundfunkmodulation, medizinische Anwendungen, Induktionserwärmung, Härten, Löten, Schmelzen, Raffinieren, Bildschirme

 

Stromerzeugung und -verteilung

Die hauptsächlichen künstlichen Quellen elektrischer und magnetischer 50/60-Hz-Felder sind solche, die an der Stromerzeugung und -verteilung beteiligt sind, sowie alle Geräte, die elektrischen Strom verwenden. Die meisten dieser Geräte arbeiten mit Netzfrequenzen von 50 Hz in den meisten Ländern und 60 Hz in Nordamerika. Einige elektrische Zugsysteme arbeiten mit 16.67 Hz.

Hochspannungsleitungen (HV) und Umspannwerke sind mit den stärksten elektrischen Feldern verbunden, denen Arbeiter routinemäßig ausgesetzt sein können. Leiterhöhe, geometrische Konfiguration, seitlicher Abstand von der Leitung und die Spannung der Übertragungsleitung sind bei weitem die wichtigsten Faktoren bei der Betrachtung der maximalen elektrischen Feldstärke in Bodennähe. Bei seitlichen Abständen von etwa der doppelten Linienhöhe nimmt die elektrische Feldstärke mit der Entfernung etwa linear ab (Zaffanella und Deno 1978). Innerhalb von Gebäuden in der Nähe von Hochspannungsleitungen sind die elektrischen Feldstärken typischerweise etwa um den Faktor 100,000 niedriger als das ungestörte Feld, abhängig von der Konfiguration des Gebäudes und den Baumaterialien.

Magnetfeldstärken von Freileitungen sind in der Regel relativ gering im Vergleich zu industriellen Anwendungen mit hohen Strömen. Mitarbeiter von Energieversorgungsunternehmen, die in Umspannwerken oder bei der Wartung von Hochspannungsleitungen arbeiten, bilden eine besondere Gruppe, die größeren Feldern (in einigen Fällen von 5 mT und höher) ausgesetzt sind. In Abwesenheit von ferromagnetischen Materialien bilden die magnetischen Feldlinien konzentrische Kreise um den Leiter. Die maximale magnetische Flussdichte wird neben der Geometrie des Stromleiters nur durch die Stromstärke bestimmt. Das Magnetfeld unter Hochspannungsleitungen ist hauptsächlich quer zur Leitungsachse gerichtet. Die maximale Flussdichte in Bodennähe kann je nach Phasenbeziehung zwischen den Leitern unter der Mittellinie oder unter den Außenleitern liegen. Die maximale magnetische Flussdichte in Bodennähe für ein typisches 500-kV-Freileitungssystem mit Doppelkreis beträgt ungefähr 35 μT pro Kiloampere übertragenem Strom (Bernhardt und Matthes 1992). Typische Werte für die magnetische Flussdichte bis 0.05 mT treten an Arbeitsplätzen in der Nähe von Freileitungen, in Umspannwerken und in Kraftwerken mit Frequenzen von 16 2/3, 50 oder 60 Hz auf (Krause 1986).

Industrieller Prozess

Berufliche Exposition gegenüber Magnetfeldern entsteht hauptsächlich durch Arbeiten in der Nähe von Industrieanlagen mit hohen Strömen. Zu diesen Geräten gehören solche, die beim Schweißen, bei der Elektroschlacke-Raffination, beim Erhitzen (Öfen, Induktionserhitzer) und beim Rühren verwendet werden.

In Kanada (Stuchly und Lecuyer 1985), in Polen (Aniolczyk 1981), in Australien (Repacholi, unveröffentlichte Daten) und in Schweden (Lövsund, Oberg und Nilsson 1982) durchgeführte Erhebungen über in der Industrie verwendete Induktionsheizgeräte zeigen magnetische Flussdichten bei Bedienerstandorte im Bereich von 0.7 μT bis 6 mT, abhängig von der verwendeten Frequenz und der Entfernung von der Maschine. Lövsund, Oberg und Nilsson (1982) stellten in ihrer Studie über Magnetfelder von industriellen Elektrostahl- und Schweißgeräten fest, dass Punktschweißmaschinen (50 Hz, 15 bis 106 kA) und Pfannenöfen (50 Hz, 13 bis 15 kA) erzeugten Felder bis zu 10 mT bei Entfernungen bis zu 1 m. In Australien wurde festgestellt, dass eine Induktionsheizanlage, die im Bereich von 50 Hz bis 10 kHz arbeitet, an Positionen, an denen Bediener stehen können, maximale Felder von bis zu 2.5 mT (50-Hz-Induktionsöfen) liefert. Zusätzlich betrugen die maximalen Felder um Induktionsheizungen, die bei anderen Frequenzen betrieben wurden, 130 μT bei 1.8 kHz, 25 μT bei 2.8 kHz und über 130 μT bei 9.8 kHz.

Da die Abmessungen der Spulen, die die Magnetfelder erzeugen, oft klein sind, kommt es selten zu einer hohen Ganzkörperbelastung, sondern eher zu einer lokalen Belastung vor allem der Hände. Die magnetische Flussdichte an den Händen des Bedieners kann 25 mT erreichen (Lövsund und Mild 1978; Stuchly und Lecuyer 1985). In den meisten Fällen beträgt die Flussdichte weniger als 1 mT. Die elektrische Feldstärke in der Nähe der Induktionsheizung ist normalerweise gering.

Arbeiter in der elektrochemischen Industrie können aufgrund von Elektroöfen oder anderen Geräten, die hohe Ströme verwenden, hohen elektrischen und magnetischen Feldstärken ausgesetzt sein. Beispielsweise können in der Nähe von Induktionsöfen und industriellen Elektrolysezellen magnetische Flussdichten von bis zu 50 mT gemessen werden.

Visuelle Anzeigeeinheiten

Die Verwendung von visuellen Anzeigeeinheiten (VDUs) oder Videoanzeigeterminals (VDTs), wie sie auch genannt werden, nimmt mit immer größerer Geschwindigkeit zu. VDT-Betreiber haben Bedenken hinsichtlich möglicher Auswirkungen von Emissionen schwacher Strahlung geäußert. Magnetfelder (Frequenz 15 bis 125 kHz) von bis zu 0.69 A/m (0.9 μT) wurden unter Worst-Case-Bedingungen nahe der Bildschirmoberfläche gemessen (Bureau of Radiological Health 1981). Dieses Ergebnis wurde durch viele Untersuchungen bestätigt (Roy et al. 1984; Repacholi 1985 IRPA 1988). Umfassende Überprüfungen von Messungen und Erhebungen von Bildschirmarbeitsplätzen durch nationale Behörden und einzelne Experten kamen zu dem Schluss, dass es keine Strahlungsemissionen von Bildschirmarbeitsplätzen gibt, die irgendwelche Folgen für die Gesundheit haben würden (Repacholi 1985; IRPA 1988; ILO 1993a). Routinemäßige Strahlungsmessungen sind nicht erforderlich, da die Emissionswerte selbst unter Worst-Case- oder Ausfallbedingungen deutlich unter den Grenzwerten internationaler oder nationaler Standards liegen (IRPA 1988).

Eine umfassende Übersicht über Emissionen, eine Zusammenfassung der einschlägigen wissenschaftlichen Literatur, Normen und Richtlinien wurde in dem Dokument (ILO 1993a) bereitgestellt.

Medizinische Anwendungen

Patienten mit Knochenbrüchen, die nicht gut heilen oder sich nicht verbinden, wurden mit gepulsten Magnetfeldern behandelt (Bassett, Mitchell und Gaston 1982; Mitbreit und Manyachin 1984). Es werden auch Studien zur Verwendung gepulster Magnetfelder zur Verbesserung der Wundheilung und Geweberegeneration durchgeführt.

Zur Stimulierung des Knochenwachstums werden verschiedene Geräte verwendet, die Magnetfeldimpulse erzeugen. Ein typisches Beispiel ist das Gerät, das eine durchschnittliche magnetische Flussdichte von etwa 0.3 mT, eine Spitzenstärke von etwa 2.5 mT erzeugt und im Knochen elektrische Spitzenfeldstärken im Bereich von 0.075 bis 0.175 V/m induziert (Bassett, Pawluk and Pille 1974). In der Nähe der Oberfläche des exponierten Gliedes erzeugt das Gerät eine magnetische Spitzenflussdichte in der Größenordnung von 1.0 mT, was Spitzenionenstromdichten von etwa 10 bis 100 mA/m verursacht2 (1 bis 10 μA/cm2) im Gewebe.

Messung

Vor Beginn der Messung von ELF- oder VLF-Feldern ist es wichtig, möglichst viele Informationen über die Eigenschaften der Quelle und die Expositionssituation zu erhalten. Diese Informationen werden für die Abschätzung der zu erwartenden Feldstärken und die Auswahl der am besten geeigneten Messinstrumente benötigt (Tell 1983).

Angaben zur Quelle sollten enthalten:

  • vorhandene Frequenzen, einschließlich Oberwellen
  • übertragene Leistung
  • Polarisierung (Orientierung von E Feld)
  • Modulationseigenschaften (Spitzen- und Mittelwerte)
  • Arbeitszyklus, Impulsbreite und Impulsfolgefrequenz
  • Antenneneigenschaften wie Typ, Gewinn, Strahlbreite und Abtastrate.

 

Angaben zur Expositionssituation müssen enthalten:

  • Entfernung von der Quelle
  • Vorhandensein von Streuobjekten. Streuung an ebenen Flächen kann dies verstärken E Feld um den Faktor 2. Eine noch stärkere Verstärkung kann durch gekrümmte Oberflächen erfolgen, z. B. Eckreflektoren.

 

Ergebnisse von Befragungen im beruflichen Umfeld sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2. Berufliche Expositionsquellen gegenüber Magnetfeldern

Quelle

Magnetischer Fluss
Dichten (mT)

Entfernung (m)

VDTs

Bis zu 2.8 x 10-4

0.3

HV-Leitungen

max. 0.4

unterstreichen

Kraftwerke

max. 0.27

1

Lichtbögen (0–50 Hz)

0.1-5.8

0-0.8

Induktionsheizungen (50–10 kHz)

0.9-65

0.1-1

50 Hz Pfannenofen

0.2-8

0.5-1

50 Hz Lichtbogenofen

max. 1

2

10 Hz Induktionsrührer

0.2-0.3

2

50 Hz Elektroschlackeschweißen

0.5-1.7

0.2-0.9

Therapeutische Geräte

1-16

1

Quelle: Allen 1991; Bernhardt 1988; Krause 1986; Lövsund, Oberg und Nilsson 1982; Repacholi, unveröffentlichte Daten; Stuchly 1986; Stuchly und Lecuyer 1985, 1989.

Anzeigen / Instrumente

Ein Instrument zur Messung elektrischer oder magnetischer Felder besteht aus drei grundlegenden Teilen: der Sonde, den Leitungen und dem Monitor. Um angemessene Messungen zu gewährleisten, sind die folgenden Geräteeigenschaften erforderlich oder wünschenswert:

  • Die Sonde muss nur auf die reagieren E Feld oder die H Feld und nicht auf beide gleichzeitig.
  • Die Sonde darf keine signifikante Störung des Feldes erzeugen.
  • Die Leitungen von der Sonde zum Monitor dürfen das Feld an der Sonde nicht wesentlich stören oder Energie aus dem Feld einkoppeln.
  • Der Frequenzgang der Sonde muss den zu messenden Frequenzbereich abdecken.
  • Bei Verwendung im reaktiven Nahfeld sollten die Abmessungen des Sondensensors vorzugsweise kleiner als ein Viertel einer Wellenlänge bei der höchsten vorhandenen Frequenz sein.
  • Das Instrument sollte den quadratischen Mittelwert (rms) des gemessenen Feldparameters anzeigen.
  • Die Ansprechzeit des Instruments sollte bekannt sein. Es ist wünschenswert, eine Ansprechzeit von etwa 1 Sekunde oder weniger zu haben, damit intermittierende Felder leicht erkannt werden.
  • Die Sonde sollte auf alle Polarisationskomponenten des Feldes ansprechen. Dies kann entweder durch inhärente isotrope Reaktion oder durch physikalische Rotation der Sonde durch drei orthogonale Richtungen erreicht werden.
  • Guter Überlastschutz, Batteriebetrieb, Tragbarkeit und robuste Bauweise sind weitere wünschenswerte Eigenschaften.
  • Instrumente geben einen Hinweis auf einen oder mehrere der folgenden Parameter: Durchschnitt E Feld (V/m) oder mittleres Quadrat E Feld (v2/m2); durchschnittlich H Feld (A/m) oder mittleres Quadrat H Feld (A2/m2).

 

Umfragen

Normalerweise werden Erhebungen durchgeführt, um festzustellen, ob die am Arbeitsplatz vorhandenen Felder unterhalb der durch nationale Normen festgelegten Grenzwerte liegen. Daher muss die Person, die die Messungen durchführt, mit diesen Standards vollständig vertraut sein.

Alle besetzten und zugänglichen Orte sollten vermessen werden. Der Bediener der zu testenden Ausrüstung und der Besichtiger sollten so weit wie möglich vom Testbereich entfernt sein. Alle normalerweise vorhandenen Gegenstände, die Energie reflektieren oder absorbieren können, müssen in Position sein. Der Vermessungsingenieur sollte Vorkehrungen gegen Hochfrequenz (HF)-Verbrennungen und -Stöße treffen, insbesondere in der Nähe von Hochleistungs-Niederfrequenzsystemen.

Wechselwirkungsmechanismen und biologische Wirkungen

Interaktionsmechanismen

Die einzigen etablierten Mechanismen, durch die ELF- und VLF-Felder mit biologischen Systemen interagieren, sind:

  • Elektrische Felder, die auf einem exponierten Körper eine Oberflächenladung induzieren, die zu Strömen führt (gemessen in mA/m2) im Inneren des Körpers, dessen Größe mit der Oberflächenladungsdichte zusammenhängt. Je nach Expositionsbedingungen, Größe, Form und Position des exponierten Körpers im Feld kann die Oberflächenladungsdichte stark variieren, was zu einer variablen und ungleichmäßigen Verteilung der Ströme innerhalb des Körpers führt.
  • Magnetfelder wirken auch auf Menschen, indem sie elektrische Felder und Ströme im Körper induzieren.
  • Elektrische Ladungen, die in einem leitenden Objekt (z. B. einem Auto) induziert werden, das elektrischen ELF- oder VLF-Feldern ausgesetzt ist, können dazu führen, dass Strom durch eine damit in Kontakt kommende Person fließt.
  • Die Kopplung eines Magnetfelds mit einem Leiter (z. B. einem Drahtzaun) bewirkt, dass elektrische Ströme (mit derselben Frequenz wie das exponierende Feld) durch den Körper einer damit in Kontakt stehenden Person fließen.
  • Transiente Entladungen (Funken) können auftreten, wenn Personen und metallische Gegenstände, die einem starken elektrischen Feld ausgesetzt sind, in ausreichender Nähe zueinander kommen.
  • Elektrische oder magnetische Felder können implantierte medizinische Geräte (z. B. unipolare Herzschrittmacher) stören und Fehlfunktionen des Geräts verursachen.

 

Die ersten beiden oben aufgeführten Interaktionen sind Beispiele für eine direkte Kopplung zwischen Personen und ELF- oder VLF-Feldern. Die letzten vier Wechselwirkungen sind Beispiele für indirekte Kopplungsmechanismen, da sie nur auftreten können, wenn sich der exponierte Organismus in der Nähe anderer Körper befindet. Diese Körper können andere Menschen oder Tiere und Objekte wie Autos, Zäune oder implantierte Geräte umfassen.

Während andere Wechselwirkungsmechanismen zwischen biologischen Geweben und ELF- oder VLF-Feldern postuliert wurden oder es einige Beweise gibt, die ihre Existenz stützen (WHO 1993; NRPB 1993; NRC 1996), hat sich keiner als verantwortlich für irgendwelche nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit erwiesen.

Auswirkungen auf die Gesundheit

Die Beweise deuten darauf hin, dass die meisten nachgewiesenen Wirkungen der Exposition bei elektrischen und magnetischen Feldern im Frequenzbereich > 0 bis 30 kHz auf akute Reaktionen auf Oberflächenladung und induzierte Stromdichte zurückzuführen sind. Menschen können die Auswirkungen der oszillierenden Oberflächenladung wahrnehmen, die durch elektrische ELF-Felder (aber nicht durch magnetische Felder) auf ihren Körper induziert werden; diese Effekte werden störend, wenn sie ausreichend intensiv sind. Eine Zusammenfassung der Auswirkungen von Strömen durch den menschlichen Körper (Schwellenwerte für Wahrnehmung, Loslassen oder Tetanus) sind in Tabelle 3 angegeben.

Tabelle 3. Auswirkungen von Strömen, die durch den menschlichen Körper fließen

Ergebnisse

Betreff

Schwellenstrom in mA

   

50 und 60 Hz

300 Hz

1000 Hz

10 kHz

30 kHz

Wahrnehmung

Männer

Damen

Kinder

1.1

0.7

0.55

1.3

0.9

0.65

2.2

1.5

1.1

15

10

9

50

35

30

Schwellenschock loslassen

Männer

Damen

Kinder

9

6

4.5

11.7

7.8

5.9

16.2

10.8

8.1

55

37

27

126

84

63

thorakale Tetanisierung;
schwerer Schock

Männer

Damen

Kinder

23

15

12

30

20

15

41

27

20.5

94

63

47

320

214

160

Quelle: Bernhardt 1988a.

Menschliche Nerven- und Muskelzellen wurden durch die durch Magnetfelder von mehreren mT und 1 bis 1.5 kHz induzierten Ströme stimuliert; Es wird angenommen, dass die Schwellenstromdichten über 1 A/m liegen2. Flimmernde visuelle Empfindungen können im menschlichen Auge durch die Exposition gegenüber Magnetfeldern von nur etwa 5 bis 10 mT (bei 20 Hz) oder direkt an den Kopf angelegten elektrischen Strömen induziert werden. Die Berücksichtigung dieser Reaktionen und der Ergebnisse neurophysiologischer Studien legt nahe, dass subtile Funktionen des Zentralnervensystems, wie z. B. logisches Denken oder Gedächtnis, durch Stromdichten über 10 mA/m beeinträchtigt werden können2 (NRPB 1993). Schwellwerte bleiben wahrscheinlich bis etwa 1 kHz konstant, steigen danach aber mit zunehmender Frequenz an.

. in vitro Studien (WHO 1993; NRPB 1993) haben über metabolische Veränderungen, wie Veränderungen der Enzymaktivität und des Proteinstoffwechsels und verringerte Zytotoxizität von Lymphozyten, in verschiedenen Zelllinien berichtet, die elektrischen ELF- und VLF-Feldern und direkt an die Zellkultur angelegten Strömen ausgesetzt waren. Die meisten Wirkungen wurden bei Stromdichten zwischen etwa 10 und 1,000 mA/m berichtet2, obwohl diese Antworten weniger klar definiert sind (Sienkiewicz, Saunder und Kowalczuk 1991). Es ist jedoch erwähnenswert, dass die durch die elektrische Aktivität von Nerven und Muskeln erzeugten endogenen Stromdichten typischerweise bis zu 1 mA/m betragen2 und kann bis zu 10 mA/m erreichen2 im Herzen. Diese Stromdichten wirken sich nicht nachteilig auf Nerven, Muskeln und andere Gewebe aus. Solche biologischen Effekte werden vermieden, indem die induzierte Stromdichte auf weniger als 10 mA/m begrenzt wird2 bei Frequenzen bis etwa 1 kHz.

Einige mögliche Bereiche biologischer Wechselwirkungen, die viele gesundheitliche Auswirkungen haben und über die unser Wissen begrenzt ist, umfassen: mögliche Änderungen des nächtlichen Melatoninspiegels in der Zirbeldrüse und Änderungen des circadianen Rhythmus, die bei Tieren durch die Exposition gegenüber elektrischen oder magnetischen ELF-Feldern induziert werden, und mögliche Auswirkungen von ELF-Magnetfeldern auf die Prozesse der Entwicklung und Karzinogenese. Darüber hinaus gibt es einige Hinweise auf biologische Reaktionen auf sehr schwache elektrische und magnetische Felder: Dazu gehören die veränderte Mobilität von Calciumionen im Gehirngewebe, Veränderungen in neuronalen Feuermustern und ein verändertes Operandenverhalten. Es wurde sowohl über Amplituden- als auch Frequenzfenster berichtet, die die herkömmliche Annahme in Frage stellen, dass das Ausmaß einer Reaktion mit zunehmender Dosis zunimmt. Diese Wirkungen sind nicht gut belegt und bieten keine Grundlage für die Festlegung von Beschränkungen für die Exposition des Menschen, obwohl weitere Untersuchungen gerechtfertigt sind (Sienkievicz, Saunder und Kowalczuk 1991; WHO 1993; NRC 1996).

Tabelle 4 gibt die ungefähren Bereiche der induzierten Stromdichten für verschiedene biologische Wirkungen beim Menschen an.

Tabelle 4. Ungefähre Stromdichtebereiche für verschiedene biologische Wirkungen

Ergebnisse

Stromdichte (mA/m2)

Direkte Nerven- und Muskelstimulation

1,000-10,000

Modulation der Aktivität des Zentralnervensystems
Veränderungen im Zellstoffwechsel in vitro

100-1,000

Veränderungen der Netzhautfunktion
Wahrscheinliche Veränderungen im Zentralnervensystem
Veränderungen im Zellstoffwechsel in vitro


10-100

Endogene Stromdichte

1-10

Quelle: Sienkiewicz et al. 1991.

Berufsbedingte Expositionsstandards

Nahezu alle Normen mit Grenzwerten im Bereich > 0–30 kHz haben als Begründung die Notwendigkeit, induzierte elektrische Felder und Ströme auf einem sicheren Niveau zu halten. Üblicherweise sind die induzierten Stromdichten auf weniger als 10 mA/m begrenzt2. Tabelle 5 gibt eine Zusammenfassung einiger aktueller Arbeitsplatzgrenzwerte.

Tabelle 5. Berufliche Expositionsgrenzwerte bei elektrischen und magnetischen Feldern im Frequenzbereich > 0 bis 30 kHz (beachten Sie, dass f in Hz angegeben ist)

Land/Referenz

Frequenzbereich

Elektrisches Feld (V/m)

Magnetfeld (A/m)

International (IRPA 1990)

50 / 60 Hz

10,000

398

USA (IEEE 1991)

3–30 kHz

614

163

USA (ACGIH 1993)

1–100 Hz

100–4,000 Hz

4–30 kHz

25,000

2.5 x 106/f

625

60 /f

60 /f

60 /f

Deutschland (1996)

50 / 60 Hz

10,000

1,600

Großbritannien (NRPB 1993)

1–24 Hz

24–600 Hz

600–1,000 Hz

1–30 kHz

25,000

6 x 105/f

1,000

1,000

64,000 /f

64,000 /f

64,000 /f

64

 

Schutzmaßnahmen

Berufsbedingte Expositionen, die in der Nähe von Hochspannungsleitungen auftreten, hängen vom Standort des Arbeiters ab, entweder am Boden oder am Leiter während Arbeiten unter Spannung unter Hochspannung. Bei Arbeiten unter Spannung darf Schutzkleidung getragen werden, um die elektrische Feldstärke und Stromdichte im Körper auf ähnliche Werte wie bei Arbeiten am Boden zu reduzieren. Schutzkleidung schwächt den Einfluss des Magnetfeldes nicht ab.

Die Verantwortlichkeiten für den Schutz von Arbeitnehmern und der allgemeinen Öffentlichkeit vor den potenziell nachteiligen Auswirkungen der Exposition gegenüber elektrischen und magnetischen ELF- oder VLF-Feldern sollten klar zugewiesen werden. Den zuständigen Behörden wird empfohlen, die folgenden Schritte in Erwägung zu ziehen:

  • Entwicklung und Annahme von Expositionsgrenzwerten und die Umsetzung eines Compliance-Programms
  • Entwicklung technischer Standards zur Verringerung der Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen, beispielsweise für Herzschrittmacher
  • Entwicklung von Standards zur Definition von Zonen mit eingeschränktem Zugang um Quellen starker elektrischer und magnetischer Felder aufgrund elektromagnetischer Interferenz (z. B. für Herzschrittmacher und andere implantierte Geräte). Die Verwendung geeigneter Warnschilder sollte in Erwägung gezogen werden.
  • Erfordernis der spezifischen Zuordnung einer Person, die für die Sicherheit der Arbeitnehmer und der Öffentlichkeit an jedem Standort mit hohem Expositionspotential verantwortlich ist
  • Entwicklung standardisierter Messverfahren und Erhebungstechniken
  • Anforderungen an die Ausbildung von Arbeitnehmern über die Auswirkungen der Exposition gegenüber elektrischen und magnetischen ELF- oder VLF-Feldern und die Maßnahmen und Vorschriften, die zu ihrem Schutz dienen
  • Erstellung von Richtlinien oder Verfahrensregeln für den Arbeitsschutz in ELF- oder VLF-elektrischen und magnetischen Feldern. ILO (1993a) bietet eine hervorragende Anleitung für einen solchen Kodex.

 

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Dienstag, 15 März 2011 15: 39

Statische elektrische und magnetische Felder

Sowohl unsere natürliche als auch unsere künstliche Umgebung erzeugen elektrische und magnetische Kräfte unterschiedlicher Größenordnung – im Freien, in Büros, Haushalten und an Industriearbeitsplätzen. Dies wirft zwei wichtige Fragen auf: (1) Haben diese Expositionen irgendwelche nachteiligen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, und (2) welche Grenzwerte können festgelegt werden, um „sichere“ Grenzwerte für solche Expositionen festzulegen?

Diese Diskussion konzentriert sich auf statische elektrische und magnetische Felder. Es werden Studien an Arbeitern in verschiedenen Industriezweigen und auch an Tieren beschrieben, die keine eindeutigen nachteiligen biologischen Wirkungen bei den üblicherweise auftretenden Expositionsniveaus bei elektrischen und magnetischen Feldern zeigen konnten. Dennoch wird versucht, die Bemühungen einer Reihe internationaler Organisationen zu erörtern, Richtlinien zum Schutz von Arbeitnehmern und anderen Personen vor möglichen gefährlichen Expositionen aufzustellen.

Definition der Begriffe

Wenn eine Spannung oder ein elektrischer Strom an ein Objekt wie einen elektrischen Leiter angelegt wird, wird der Leiter aufgeladen und Kräfte beginnen, auf andere Ladungen in der Nähe zu wirken. Zwei Arten von Kräften können unterschieden werden: Kräfte, die von stationären elektrischen Ladungen herrühren, bekannt als die Elektrostatische Kraft, und solche, die nur erscheinen, wenn sich Ladungen bewegen (wie bei einem elektrischen Strom in einem Leiter), bekannt als die Magnetkraft. Um die Existenz und räumliche Verteilung dieser Kräfte zu beschreiben, haben Physiker und Mathematiker das Konzept von geschaffen Feld. Man spricht also von einem Kraftfeld oder einfach von elektrischen und magnetischen Feldern.

Die statisch beschreibt eine Situation, in der alle Ladungen im Raum fixiert sind oder sich als stetiger Fluss bewegen. Dadurch sind sowohl Ladungen als auch Stromdichten zeitlich konstant. Bei festen Ladungen haben wir ein elektrisches Feld, dessen Stärke an jedem Punkt im Raum vom Wert und der Geometrie aller Ladungen abhängt. Bei einem stationären Strom in einem Stromkreis haben wir sowohl ein zeitlich konstantes elektrisches als auch ein magnetisches Feld (statische Felder), da sich die Ladungsdichte an keinem Punkt des Stromkreises ändert.

Elektrizität und Magnetismus sind unterschiedliche Phänomene, solange Ladungen und Ströme statisch sind; jede Verbindung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern verschwindet in dieser statischen Situation und kann daher getrennt behandelt werden (anders als bei zeitlich veränderlichen Feldern). Statische elektrische und magnetische Felder sind eindeutig durch konstante, zeitunabhängige Stärken gekennzeichnet und entsprechen der Nullfrequenzgrenze des extrem niedrigen Frequenzbands (ELF).

Statische elektrische Felder

Natürliche und berufliche Exposition

Statische elektrische Felder werden durch elektrisch geladene Körper erzeugt, bei denen eine elektrische Ladung auf der Oberfläche eines Objekts innerhalb eines statischen elektrischen Felds induziert wird. Infolgedessen kann das elektrische Feld an der Oberfläche eines Objekts, insbesondere dort, wo der Radius klein ist, wie z. B. an einem Punkt, größer sein als das ungestörte elektrische Feld (dh das Feld ohne Vorhandensein des Objekts). Das Feld innerhalb des Objekts kann sehr klein oder null sein. Elektrische Felder werden von elektrisch geladenen Objekten als Kraft empfunden; beispielsweise wird eine Kraft auf das Körperhaar ausgeübt, die von der Person wahrgenommen werden kann.

Im Durchschnitt ist die Oberflächenladung der Erde negativ, während die obere Atmosphäre eine positive Ladung trägt. Das resultierende statische elektrische Feld nahe der Erdoberfläche hat eine Stärke von etwa 130 V/m. Dieses Feld nimmt mit der Höhe ab und sein Wert beträgt etwa 100 V/m bei 100 m Höhe, 45 V/m bei 1 km und weniger als 1 V/m bei 20 km. Die tatsächlichen Werte variieren stark, abhängig vom lokalen Temperatur- und Feuchtigkeitsprofil und dem Vorhandensein von ionisierten Verunreinigungen. Unter Gewitterwolken zum Beispiel und selbst wenn sich Gewitterwolken nähern, treten in Bodennähe große Feldschwankungen auf, weil normalerweise der untere Teil einer Wolke negativ geladen ist, während der obere Teil eine positive Ladung enthält. Außerdem gibt es eine Raumladung zwischen Wolke und Erde. Wenn sich die Wolke nähert, kann das Feld in Bodennähe zunächst ansteigen und sich dann umkehren, wobei der Boden positiv geladen wird. Dabei können auch ohne lokale Blitze Felder von 100 V/m bis 3 kV/m beobachtet werden; Feldumkehrungen können sehr schnell stattfinden, innerhalb von 1 Minute, und hohe Feldstärken können für die Dauer des Sturms bestehen bleiben. Gewöhnliche Wolken sowie Gewitterwolken enthalten elektrische Ladungen und beeinflussen daher das elektrische Feld in Bodennähe stark. Auch bei Nebel, Regen und natürlich vorkommenden kleinen und großen Ionen ist mit großen Abweichungen vom Schönwetterfeld bis zu 200 % zu rechnen. Auch bei ganz schönem Wetter ist mit elektrischen Feldänderungen im Tageszyklus zu rechnen: ziemlich regelmäßige Änderungen der lokalen Ionisation, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit und daraus resultierende Änderungen der atmosphärischen elektrischen Leitfähigkeit in Bodennähe sowie mechanische Ladungsübertragung durch lokale Luftbewegungen, sind wahrscheinlich für diese tageszeitlichen Schwankungen verantwortlich.

Typische Niveaus künstlicher elektrostatischer Felder liegen im Bereich von 1 bis 20 kV/m in Büros und Haushalten; Diese Felder werden häufig in der Nähe von Hochspannungsgeräten wie Fernsehgeräten und Videoanzeigegeräten (VDUs) oder durch Reibung erzeugt. Gleichstrom-Übertragungsleitungen (DC) erzeugen sowohl statische elektrische als auch magnetische Felder und sind ein wirtschaftliches Mittel zur Energieverteilung bei großen Entfernungen.

Statische elektrische Felder werden häufig in Branchen wie Chemie, Textil, Luftfahrt, Papier und Gummi sowie im Transportwesen eingesetzt.

Biologische Effekte

Experimentelle Studien liefern nur wenige biologische Beweise für negative Auswirkungen statischer elektrischer Felder auf die menschliche Gesundheit. Die wenigen Tierversuche, die durchgeführt wurden, scheinen auch keine Daten ergeben zu haben, die nachteilige Wirkungen auf die Genetik, das Tumorwachstum oder auf das endokrine oder kardiovaskuläre System belegen. (Tabelle 1 fasst diese Tierversuche zusammen.)

Tabelle 1. Studien an Tieren, die statischen elektrischen Feldern ausgesetzt waren

Biologische Endpunkte

Gemeldete Auswirkungen

Belichtungsbedingungen

Hämatologie und Immunologie

Veränderungen in den Albumin- und Globulinfraktionen von Serumproteinen bei Ratten.
Antworten nicht konsistent

Keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl der Blutkörperchen, Blutproteine ​​oder Blut
Chemie bei Mäusen

Kontinuierliche Exposition gegenüber Feldern zwischen 2.8 und 19.7 kV/m
im Alter von 22 bis 52 Tagen

Exposition gegenüber 340 kV/m für 22 h/Tag für insgesamt 5,000 h

Nervensystem

Induktion signifikanter Veränderungen, die in den EEGs von Ratten beobachtet wurden. Allerdings kein eindeutiger Hinweis auf eine konsequente Reaktion

Keine signifikanten Änderungen in den Konzentrationen und Nutzungsraten von
verschiedene Neurotransmitter im Gehirn männlicher Ratten

Belastung durch elektrische Feldstärken bis zu 10 kV/m

Exposition bei einem 3 kV/m-Feld für bis zu 66 h

Verhalten

Neuere, gut durchgeführte Studien, die darauf hindeuten, dass es keine Auswirkungen auf Nagetiere gibt
Verhalten

Erzeugung eines dosisabhängigen Vermeidungsverhaltens bei männlichen Ratten ohne Einfluss von Luftionen

Exposition gegenüber Feldstärken bis zu 12 kV/m

Exposition gegenüber elektrischen HVD-Feldern im Bereich von 55 bis 80 kV/m

Fortpflanzung und Entwicklung

Keine signifikanten Unterschiede in der Gesamtzahl der Nachkommen noch in der
Prozentsatz, der bei Mäusen überlebt

Exposition gegenüber 340 kV/m für 22 h/Tag vor, während und nach
Schwangerschaft

 

Nein in vitro Es wurden Studien durchgeführt, um die Wirkung der Exposition von Zellen gegenüber statischen elektrischen Feldern zu bewerten.

Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass ein statisches elektrisches Feld eine Ladung auf der Oberfläche exponierter Personen induziert, die wahrgenommen werden kann, wenn sie auf ein geerdetes Objekt entladen wird. Bei einer ausreichend hohen Spannung wird die Luft ionisiert und kann einen elektrischen Strom beispielsweise zwischen einem geladenen Objekt und einer geerdeten Person leiten. Das Die Spannung unterbrechen hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Form des geladenen Objekts und der atmosphärischen Bedingungen. Typische Werte entsprechender elektrischer Feldstärken liegen zwischen 500 und 1,200 kV/m.

Berichte aus einigen Ländern weisen darauf hin, dass bei einer Reihe von Bildschirmbedienern Hauterkrankungen aufgetreten sind, deren genaue Beziehung zur Bildschirmarbeit jedoch unklar ist. Statische elektrische Felder an Bildschirmarbeitsplätzen wurden als mögliche Ursache dieser Hauterkrankungen vorgeschlagen, und es ist möglich, dass die elektrostatische Aufladung des Bedieners ein relevanter Faktor sein kann. Jegliche Beziehung zwischen elektrostatischen Feldern und Hauterkrankungen muss jedoch auf der Grundlage verfügbarer Forschungsergebnisse immer noch als hypothetisch betrachtet werden.

Messungen, Prävention, Expositionsstandards

Messungen der statischen elektrischen Feldstärke können auf Messungen von Spannungen oder elektrischen Ladungen reduziert werden. Mehrere elektrostatische Voltmeter sind im Handel erhältlich, die genaue Messungen von elektrostatischen oder anderen hochohmigen Quellen ohne physischen Kontakt ermöglichen. Einige verwenden einen elektrostatischen Chopper für geringe Drift und negative Rückkopplung für Genauigkeit und Unempfindlichkeit zwischen Sonde und Oberfläche. In einigen Fällen „blickt“ die elektrostatische Elektrode durch ein kleines Loch an der Basis der Sondenbaugruppe auf die zu messende Oberfläche. Das an dieser Elektrode induzierte zerhackte Wechselstromsignal ist proportional zur Differenzspannung zwischen der zu messenden Oberfläche und der Sondenanordnung. Gradientenadapter werden auch als Zubehör für elektrostatische Voltmeter verwendet und ermöglichen deren Verwendung als elektrostatische Feldstärkemessgeräte; direktes Ablesen in Volt pro Meter Abstand zwischen der zu prüfenden Oberfläche und der geerdeten Platte des Adapters ist möglich.

Es gibt keine aussagekräftigen Daten, die als Richtlinie dienen könnten, um grundlegende Grenzwerte für die Exposition von Menschen gegenüber statischen elektrischen Feldern festzulegen. Aus der Mindestdurchschlagsspannung für Luft könnte prinzipiell ein Expositionsgrenzwert abgeleitet werden; Die Feldstärke, die eine Person in einem statischen elektrischen Feld erfährt, variiert jedoch je nach Körperausrichtung und -form, und dies muss bei dem Versuch, einen angemessenen Grenzwert zu erreichen, berücksichtigt werden.

Schwellenwerte (TLVs) wurden von der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH 1995) empfohlen. Diese TLVs beziehen sich auf die maximale ungeschützte statische elektrische Feldstärke am Arbeitsplatz, die Bedingungen darstellt, denen fast alle Arbeitnehmer wiederholt ohne nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit ausgesetzt sein können. Laut ACGIH sollten berufliche Expositionen eine statische elektrische Feldstärke von 25 kV/m nicht überschreiten. Dieser Wert sollte als Richtwert für die Kontrolle der Exposition verwendet werden und sollte aufgrund der individuellen Empfindlichkeit nicht als klare Grenze zwischen sicheren und gefährlichen Werten angesehen werden. (Dieser Grenzwert bezieht sich auf die Feldstärke in der Luft, entfernt von den Oberflächen von Leitern, wo Funkenentladungen und Kontaktströme erhebliche Gefahren darstellen können, und ist sowohl für Teilkörper- als auch für Ganzkörperexpositionen vorgesehen.) Vorsicht ist geboten ungeerdete Gegenstände zu beseitigen, solche Gegenstände zu erden oder isolierte Handschuhe zu tragen, wenn ungeerdete Gegenstände gehandhabt werden müssen. Vorsicht gebietet die Verwendung von Schutzvorrichtungen (z. B. Anzüge, Handschuhe und Isolierung) in allen Bereichen, die 15 kV/m überschreiten.

Laut ACGIH reichen die vorliegenden Informationen über menschliche Reaktionen und mögliche gesundheitliche Auswirkungen statischer elektrischer Felder nicht aus, um einen zuverlässigen TLV für zeitgewichtete durchschnittliche Expositionen festzulegen. Mangels spezifischer Informationen des Herstellers zu elektromagnetischen Störungen wird empfohlen, die Exposition von Trägern von Herzschrittmachern und anderen medizinischen elektronischen Geräten bei oder unter 1 kV/m zu halten.

In Deutschland sollen nach einer DIN-Norm berufliche Expositionen eine statische elektrische Feldstärke von 40 kV/m nicht überschreiten. Für kurze Expositionen (bis zu zwei Stunden pro Tag) ist eine höhere Grenze von 60 kV/m zulässig.

1993 gab das National Radiological Protection Board (NRPB 1993) Ratschläge zu angemessenen Beschränkungen der Exposition von Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern und Strahlung. Dies umfasst sowohl statische elektrische als auch magnetische Felder. Im NRPB-Dokument werden Untersuchungsstufen zum Zweck des Vergleichs von Werten gemessener Feldgrößen bereitgestellt, um festzustellen, ob die Einhaltung der Basisbeschränkungen erreicht wurde oder nicht. Übersteigt das Feld, dem eine Person ausgesetzt ist, die jeweilige Ermittlungsstufe, ist die Einhaltung der Basisgrenzwerte zu prüfen. Faktoren, die bei einer solchen Bewertung berücksichtigt werden könnten, umfassen beispielsweise die Effizienz der Kopplung der Person an das Feld, die räumliche Verteilung des Felds über das von der Person eingenommene Volumen und die Expositionsdauer.

Laut NRPB ist es nicht möglich, grundlegende Beschränkungen zur Vermeidung direkter Wirkungen der Exposition von Menschen gegenüber statischen elektrischen Feldern zu empfehlen; Es wird eine Anleitung gegeben, um lästige Auswirkungen der direkten Wahrnehmung der elektrischen Oberflächenladung und indirekte Auswirkungen wie einen elektrischen Schlag zu vermeiden. Für die meisten Menschen tritt die lästige Wahrnehmung einer elektrischen Oberflächenladung, die direkt auf den Körper einwirkt, nicht auf, wenn sie statischen elektrischen Feldstärken von weniger als etwa 25 kV/m ausgesetzt sind, d. h. der gleichen Feldstärke, die von ACGIH empfohlen wird. Um zu vermeiden, dass Funkenentladungen (indirekte Effekte) Stress verursachen, empfiehlt NRPB, dass DC-Kontaktströme auf weniger als 2 mA begrenzt werden. Ein Stromschlag durch Quellen mit niedriger Impedanz kann verhindert werden, indem die für solche Geräte relevanten etablierten elektrischen Sicherheitsverfahren befolgt werden.

Statische Magnetfelder

Natürliche und berufliche Exposition

Der Körper ist relativ durchlässig für statische Magnetfelder; solche Felder interagieren direkt mit magnetisch anisotropen Materialien (die Eigenschaften mit unterschiedlichen Werten zeigen, wenn sie entlang von Achsen in verschiedenen Richtungen gemessen werden) und sich bewegenden Ladungen.

Das natürliche Magnetfeld ist die Summe aus einem internen Feld, das von der Erde als Permanentmagnet herrührt, und einem externen Feld, das in der Umgebung durch Faktoren wie Sonnenaktivität oder Atmosphäre erzeugt wird. Das innere Magnetfeld der Erde entsteht durch den elektrischen Strom, der in der oberen Schicht des Erdkerns fließt. Es gibt erhebliche lokale Unterschiede in der Stärke dieses Feldes, dessen durchschnittliche Größe von etwa 28 A/m am Äquator (entsprechend einer magnetischen Flussdichte von etwa 35 mT in einem nichtmagnetischen Material wie Luft) bis etwa 56 A variiert /m über den geomagnetischen Polen (entspricht etwa 70 mT in Luft).

Künstliche Felder sind um viele Größenordnungen stärker als solche natürlichen Ursprungs. Zu den künstlichen Quellen statischer Magnetfelder gehören alle Geräte, die Drähte enthalten, die Gleichstrom führen, einschließlich vieler Geräte und Anlagen in der Industrie.

In Gleichstrom-Hochspannungsleitungen werden statische Magnetfelder durch bewegte Ladungen (einen elektrischen Strom) in einer Zweidrahtleitung erzeugt. Bei einer Freileitung beträgt die magnetische Flussdichte in Bodennähe etwa 20 mT bei einer  500-kV-Leitung. Bei einer unterirdischen Übertragungsleitung, die in 1.4 m Tiefe vergraben ist und einen maximalen Strom von etwa 1 kA führt, beträgt die maximale magnetische Flussdichte weniger als 10 mT in Bodennähe.

Wichtige Technologien, die die Verwendung großer statischer Magnetfelder beinhalten, sind in Tabelle 2 zusammen mit ihren entsprechenden Expositionsniveaus aufgeführt.

Tabelle 2. Wichtige Technologien, bei denen große statische Magnetfelder verwendet werden, und entsprechende Expositionsniveaus

Verfahren

Expositionsstufen

Energietechnologien

Kernfusionsreaktoren

Randfelder bis 50 mT in für Personal zugänglichen Bereichen.
Unter 0.1 mT außerhalb des Reaktorgeländes

Magnetohydrodynamische Systeme

ca. 10 mT bei ca. 50 m; 100 mT nur bei Entfernungen über 250 m

Energiespeichersysteme mit supraleitenden Magneten

Randfelder bis zu 50 mT an für Bediener zugänglichen Stellen

Supraleitende Generatoren und Übertragungsleitungen

Randfelder werden auf weniger als 100 mT projiziert

Forschungseinrichtungen

Blasenkammern

Beim Filmkassettenwechsel beträgt das Feld in Fußhöhe etwa 0.4–0.5 T und in Kopfhöhe etwa 50 mT

Supraleitende Spektrometer

Etwa 1 T an bedienerzugänglichen Stellen

Teilchenbeschleuniger

Das Personal ist aufgrund des Ausschlusses aus der Hochstrahlungszone selten exponiert. Ausnahmen treten nur während der Wartung auf

Einheiten zur Isotopentrennung

Kurzzeitige Exposition gegenüber Feldern bis zu 50 mT
Üblicherweise liegen die Feldstärken unter 1 mT

Branche

Aluminiumproduktion

Pegel bis zu 100 mT an für Bediener zugänglichen Stellen

Elektrolytische Prozesse

Mittlere und maximale Feldstärken von etwa 10 bzw. 50 mT

Herstellung von Magneten

2–5 mT durch die Hände des Arbeiters; im Bereich von 300 bis 500 mT auf Brust- und Kopfhöhe

Medizin

Kernspintomographie und Spektroskopie

Ein nicht abgeschirmter 1-T-Magnet erzeugt etwa 0.5 mT bei 10 m, und ein nicht abgeschirmter 2-T-Magnet erzeugt die gleiche Exposition bei etwa 13 m

 

Biologische Effekte

Beweise aus Experimenten mit Labortieren zeigen, dass es keine signifikanten Auswirkungen auf die vielen Entwicklungs-, Verhaltens- und physiologischen Faktoren gibt, die bei statischen magnetischen Flussdichten von bis zu 2 T bewertet wurden. Auch haben Studien an Mäusen keine Schädigung des Fötus durch die Exposition bei Magnetfeldern gezeigt bis 1 T.

Theoretisch könnten magnetische Effekte den Blutfluss in einem starken Magnetfeld verzögern und einen Anstieg des Blutdrucks bewirken. Bei 5 T war eine Durchflussreduzierung von höchstens einigen Prozent zu erwarten, bei Untersuchungen wurde jedoch keine bei menschlichen Probanden bei 1.5 T beobachtet.

Einige Studien an Arbeitern, die an der Herstellung von Permanentmagneten beteiligt sind, haben über verschiedene subjektive Symptome und funktionelle Störungen berichtet: Reizbarkeit, Müdigkeit, Kopfschmerzen, Appetitlosigkeit, Bradykardie (langsamer Herzschlag), Tachykardie (schneller Herzschlag), niedriger Blutdruck, verändertes EEG , Juckreiz, Brennen und Taubheit. Das Fehlen einer statistischen Analyse oder Bewertung der Auswirkungen physikalischer oder chemischer Gefahren in der Arbeitsumgebung verringert jedoch die Aussagekraft dieser Berichte erheblich und erschwert ihre Bewertung. Obwohl die Studien nicht schlüssig sind, deuten sie doch darauf hin, dass, wenn tatsächlich Langzeitwirkungen auftreten, diese sehr subtil sind; Es wurden keine kumulativen Bruttoeffekte gemeldet.

Es wurde berichtet, dass Personen, die einer magnetischen Flussdichte von 4 T ausgesetzt waren, sensorische Effekte im Zusammenhang mit Bewegung im Feld erfahren, wie z. B. Schwindel, Übelkeitsgefühl, metallischer Geschmack und magnetische Empfindungen bei Augen- oder Kopfbewegungen. Zwei epidemiologische Erhebungen zu allgemeinen Gesundheitsdaten bei Arbeitern, die chronisch statischen Magnetfeldern ausgesetzt waren, ergaben jedoch keine signifikanten gesundheitlichen Auswirkungen. Gesundheitsdaten von 320 Arbeitern wurden in Werken erhoben, die große Elektrolysezellen für chemische Trennverfahren verwenden, wo der durchschnittliche statische Feldpegel in der Arbeitsumgebung 7.6 mT und das maximale Feld 14.6 mT betrug. Bei der exponierten Gruppe wurden im Vergleich zu den 186 Kontrollen geringfügige Veränderungen in der Anzahl der weißen Blutkörperchen festgestellt, die jedoch noch im Normbereich lagen. Keine der beobachteten vorübergehenden Änderungen des Blutdrucks oder anderer Blutwerte wurde als Hinweis auf eine signifikante nachteilige Wirkung im Zusammenhang mit der Magnetfeld-Exposition angesehen. In einer weiteren Studie wurde die Krankheitsprävalenz bei 792 Arbeitern untersucht, die beruflich statischen Magnetfeldern ausgesetzt waren. Die Kontrollgruppe bestand aus 792 nicht exponierten Arbeitern, die nach Alter, Rasse und sozioökonomischem Status zusammenpassten. Der Bereich der Magnetfeld-Expositionen variierte von 0.5 mT für lange Zeiträume bis 2 T für Zeiträume von mehreren Stunden. In der exponierten Gruppe wurde im Vergleich zu den Kontrollen keine statistisch signifikante Veränderung der Prävalenz von 19 Krankheitskategorien beobachtet. Es wurde kein Unterschied in der Prävalenz der Krankheit zwischen einer Untergruppe von 198, die Expositionen von 0.3 T oder mehr über einen Zeitraum von einer Stunde oder länger ausgesetzt waren, im Vergleich zum Rest der exponierten Population oder den entsprechenden Kontrollen gefunden.

Ein Bericht über Arbeiter in der Aluminiumindustrie wies auf eine erhöhte Leukämie-Sterblichkeitsrate hin. Obwohl diese epidemiologische Studie ein erhöhtes Krebsrisiko für Personen berichtete, die direkt an der Aluminiumproduktion beteiligt sind, wo Arbeiter großen statischen Magnetfeldern ausgesetzt sind, gibt es derzeit keine eindeutigen Beweise dafür, welche krebserregenden Faktoren im Arbeitsumfeld dafür verantwortlich sind. Der zur Aluminiumreduktion verwendete Prozess erzeugt Kohlenteer, flüchtige Pechstoffe, Fluoriddämpfe, Schwefeloxide und Kohlendioxid, und einige davon könnten eher Kandidaten für krebserregende Wirkungen sein als eine Magnetfeld-Exposition.

In einer Studie an französischen Aluminiumarbeitern wurde festgestellt, dass sich die Krebssterblichkeit und die Sterblichkeit aus allen Ursachen nicht signifikant von den Beobachtungen für die allgemeine männliche Bevölkerung Frankreichs unterscheiden (Mur et al. 1987).

Ein weiterer negativer Befund, der Magnetfeld-Expositionen mit möglichen Krebsfolgen in Verbindung bringt, stammt aus einer Studie mit einer Gruppe von Arbeitern in einer Chloralkali-Anlage, wo die 100-kA-Gleichströme, die für die elektrolytische Chlorproduktion verwendet wurden, zu statischen magnetischen Flussdichten an den Standorten der Arbeiter führten von 4 bis 29 mT. Die beobachtete gegenüber der erwarteten Krebsinzidenz bei diesen Arbeitern über einen Zeitraum von 25 Jahren zeigte keine signifikanten Unterschiede.

Messungen, Prävention und Expositionsstandards

In den letzten dreißig Jahren hat die Messung von Magnetfeldern eine beträchtliche Entwicklung erfahren. Fortschritte in der Technik haben es ermöglicht, neue Messmethoden zu entwickeln und alte zu verbessern.

Die beiden beliebtesten Arten von Magnetfeldsonden sind eine abgeschirmte Spule und eine Hall-Sonde. Die meisten handelsüblichen Magnetfeldmessgeräte verwenden einen davon. Kürzlich wurden andere Halbleitervorrichtungen, nämlich bipolare Transistoren und FET-Transistoren, als Magnetfeldsensoren vorgeschlagen. Sie bieten einige Vorteile gegenüber Hall-Sonden, wie z. B. eine höhere Empfindlichkeit, eine größere räumliche Auflösung und einen breiteren Frequenzgang.

Das Prinzip der Kernspinresonanz (NMR)-Messtechnik besteht darin, die Resonanzfrequenz des Prüflings im zu messenden Magnetfeld zu bestimmen. Es ist eine absolute Messung, die mit sehr großer Genauigkeit durchgeführt werden kann. Der Messbereich dieser Methode liegt bei etwa 10 mT bis 10 T, ohne eindeutige Grenzen. Bei Feldmessungen mit dem Protonen-Magnetresonanzverfahren wird eine Genauigkeit von 10-4 ist mit einfachen Geräten und einer Genauigkeit von 10 leicht zu erhalten-6 mit umfangreichen Vorkehrungen und raffinierter Ausrüstung zu erreichen. Der inhärente Mangel des NMR-Verfahrens ist seine Beschränkung auf ein Feld mit einem geringen Gradienten und das Fehlen von Informationen über die Feldrichtung.

Kürzlich wurden auch mehrere Personendosimeter entwickelt, die zur Überwachung von Expositionen gegenüber statischen Magnetfeldern geeignet sind.

Schutzmaßnahmen für die industrielle und wissenschaftliche Nutzung von Magnetfeldern können kategorisiert werden als konstruktive Maßnahmen, die Einhaltung des Trennungsabstands und behördliche Kontrollen. Eine andere allgemeine Kategorie von Gefahrenabwehrmaßnahmen, die persönliche Schutzausrüstung (z. B. spezielle Kleidung und Gesichtsmasken) umfassen, gibt es für Magnetfelder nicht. Schutzmaßnahmen gegen potenzielle Gefahren durch magnetische Interferenzen mit Notfall- oder medizinischen elektronischen Geräten und für chirurgische und zahnärztliche Implantate sind jedoch ein besonderes Anliegen. Die mechanischen Kräfte, die auf ferromagnetische (Eisen-)Implantate und lose Gegenstände in Hochfeldanlagen ausgeübt werden, erfordern, dass Vorkehrungen getroffen werden, um Gesundheits- und Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Techniken zur Minimierung einer unangemessenen Exposition gegenüber hochintensiven Magnetfeldern in der Nähe von großen Forschungs- und Industrieanlagen lassen sich im Allgemeinen in vier Arten einteilen:

    1. Entfernung und Zeit
    2. magnetische Abschirmung
    3. elektromagnetische Interferenz (EMI) und Kompatibilität
    4. administrative Maßnahmen.

           

          Die Verwendung von Warnschildern und speziellen Zugangsbereichen zur Begrenzung der Exposition von Personal in der Nähe von großen Magnetanlagen war für die Kontrolle der Exposition von größtem Nutzen. Administrative Kontrollen wie diese sind im Allgemeinen einer magnetischen Abschirmung vorzuziehen, die extrem teuer sein kann. Lose ferromagnetische und paramagnetische (alle magnetisierenden Substanzen) Objekte können in gefährliche Geschosse umgewandelt werden, wenn sie starken Magnetfeldgradienten ausgesetzt werden. Diese Gefahr kann nur vermieden werden, indem lose metallische Gegenstände aus dem Bereich und vom Personal entfernt werden. Gegenstände wie Scheren, Nagelfeilen, Schraubendreher und Skalpelle sollten aus der unmittelbaren Umgebung verbannt werden.

          Die frühesten Richtlinien für statische Magnetfelder wurden als inoffizielle Empfehlung in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt. Grundlage dieser Norm waren klinische Untersuchungen, die darauf hindeuteten, dass die statische Magnetfeldstärke am Arbeitsplatz 8 kA/m (10 mT) nicht überschreiten sollte.

          Die American Conference of Governmental Industrial Hygienists hat TLVs statischer magnetischer Flussdichten herausgegeben, denen die meisten Arbeiter Tag für Tag ohne nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit ausgesetzt sein könnten. Wie bei elektrischen Feldern sollten diese Werte als Richtwerte für die Kontrolle der Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern verwendet werden, sie sollten jedoch nicht als scharfe Grenze zwischen sicheren und gefährlichen Werten angesehen werden. Laut ACGIH sollten routinemäßige berufliche Expositionen 60 mT im Durchschnitt über den ganzen Körper oder 600 mT an den Extremitäten auf täglicher, zeitgewichteter Basis nicht überschreiten. Als Obergrenze wird eine Flussdichte von 2 T empfohlen. Durch die mechanischen Kräfte, die das Magnetfeld auf ferromagnetische Werkzeuge und medizinische Implantate ausübt, können Sicherheitsrisiken bestehen.

          1994 hat die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP 1994) Richtlinien zu Grenzwerten für die Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern fertiggestellt und veröffentlicht. In diesen Leitlinien wird zwischen Expositionsgrenzwerten für Arbeitnehmer und der allgemeinen Öffentlichkeit unterschieden. Die von der ICNIRP empfohlenen Grenzwerte für berufliche und allgemeine öffentliche Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Wenn magnetische Flussdichten 3 mT überschreiten, sollten Vorkehrungen getroffen werden, um Gefahren durch herumfliegende metallische Objekte zu vermeiden. Analoguhren, Kreditkarten, Magnetbänder und Computerdisketten können durch die Exposition gegenüber 1 mT beeinträchtigt werden, dies wird jedoch nicht als Sicherheitsbedenken für Menschen angesehen.

          Tabelle 3. Von der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) empfohlene Expositionsgrenzwerte bei statischen Magnetfeldern

          Belichtungseigenschaften

          Magnetflußdichte

          Beruflich

          Ganzer Arbeitstag (zeitlich gewichteter Durchschnitt)

          200 mT

          Höchstwert

          2 T

          Gliedmaßen

          5 T

          Allgemeine Öffentlichkeit

          Kontinuierliche Exposition

          40 mT

           

          Der gelegentliche Zugang der Öffentlichkeit zu speziellen Einrichtungen, in denen magnetische Flussdichten 40 mT überschreiten, kann unter angemessen kontrollierten Bedingungen gestattet werden, vorausgesetzt, dass der entsprechende Arbeitsplatzgrenzwert nicht überschritten wird.

          ICNIRP-Expositionsgrenzwerte wurden für ein homogenes Feld festgelegt. Bei inhomogenen Feldern (Schwankungen innerhalb des Feldes) muss die mittlere magnetische Flussdichte auf einer Fläche von 100 cm gemessen werden2.

          Laut einem kürzlich erschienenen NRPB-Dokument wird die Beschränkung der akuten Exposition gegenüber weniger als 2 T akute Reaktionen wie Schwindel oder Übelkeit und nachteilige gesundheitliche Auswirkungen aufgrund von Herzrhythmusstörungen (unregelmäßiger Herzschlag) oder beeinträchtigter geistiger Funktion vermeiden. Trotz des relativen Mangels an Beweisen aus Studien an exponierten Bevölkerungsgruppen hinsichtlich möglicher Langzeitwirkungen hoher Felder hält es der Ausschuss für ratsam, die langfristige, zeitgewichtete Exposition über 24 Stunden auf weniger als 200 mT (ein Zehntel des Ausgangswerts) zu beschränken davon, um akute Reaktionen zu verhindern). Diese Werte sind den von ICNIRP empfohlenen sehr ähnlich; ACGIH-TLVs sind etwas niedriger.

          Personen mit Herzschrittmachern und anderen elektrisch aktivierten implantierten Geräten oder mit ferromagnetischen Implantaten sind durch die hier angegebenen Grenzwerte möglicherweise nicht ausreichend geschützt. Es ist unwahrscheinlich, dass die meisten Herzschrittmacher durch eine Exposition bei Feldern unter 0.5 mT beeinträchtigt werden. Personen mit einigen ferromagnetischen Implantaten oder elektrisch aktivierten Geräten (außer Herzschrittmachern) können von Feldern über einigen mT betroffen sein.

          Es gibt weitere Richtlinien, die Grenzwerte für die berufliche Exposition empfehlen: Drei davon werden in Hochenergiephysiklabors (Stanford Linear Accelerator Center und Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, CERN-Beschleunigerlabor in Genf) durchgesetzt, und eine vorläufige Richtlinie des US-Ministeriums Energie (DOE).

          In Deutschland sollen nach einer DIN-Norm berufliche Expositionen eine statische Magnetfeldstärke von 60 kA/m (ca. 75 mT) nicht überschreiten. Wenn nur die Extremitäten exponiert sind, liegt diese Grenze bei 600 kA/m; Für kurze Ganzkörperexpositionen (bis 150 min pro Stunde) sind Feldstärkengrenzen bis 5 kA/m zulässig.

           

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