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
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
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Quelle |
Anwendung oder exponierte Population |
Belichtung |
|
Sonnenlicht |
Outdoor-Arbeiter, Landwirte, Bauarbeiter, Seeleute, allgemeine Öffentlichkeit |
500 Watt-2 |
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Glühlampen aus Wolfram |
Allgemeine Bevölkerung und Arbeiter |
105-106 Wm-2sr-1 |
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Wolfram-Halogen-Glühlampen |
(Siehe Wolfram-Glühlampen) |
50–200 Wm-2 (bei 50 cm) |
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Leuchtdioden (z. B. GaAs-Diode) |
Spielwaren, Unterhaltungselektronik, Datenübertragungstechnik etc. |
105 Wm-2sr-1 |
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Xenon-Bogenlampen |
Projektoren, Sonnensimulatoren, Suchscheinwerfer |
107 Wm-2sr-1 |
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Eisen schmelzen |
Stahlofen, Stahlwerksarbeiter |
105 Wm-2sr-1 |
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Infrarotlampen-Arrays |
Industrielle Heizung und Trocknung |
103 zu 8.103 Wm-2 |
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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
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
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).