Martes, 15 Marzo 2011 15: 01

Radiación infrarroja

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La radiación infrarroja es aquella parte del espectro de radiación no ionizante situada entre las microondas y la luz visible. Es una parte natural del entorno humano y, por lo tanto, las personas están expuestas a él en pequeñas cantidades en todas las áreas de la vida diaria, por ejemplo, en el hogar o durante actividades recreativas bajo el sol. Sin embargo, una exposición muy intensa puede resultar de ciertos procesos técnicos en el lugar de trabajo.

Muchos procesos industriales implican el curado térmico de varios tipos de materiales. Las fuentes de calor utilizadas o el propio material calentado suelen emitir niveles tan altos de radiación infrarroja que un gran número de trabajadores corren el riesgo de verse expuestos.

Conceptos y Cantidades

La radiación infrarroja (IR) tiene longitudes de onda que van desde 780 nm a 1 mm. Siguiendo la clasificación de la Comisión Internacional de Iluminación (CIE), esta banda se subdivide en IRA (de 780 nm a 1.4 μm), IRB (de 1.4 μm a 3 μm) e IRC (de 3 μm a 1 mm). Esta subdivisión sigue aproximadamente las características de absorción dependientes de la longitud de onda de los IR en el tejido y los diferentes efectos biológicos resultantes.

La cantidad y la distribución temporal y espacial de la radiación infrarroja se describen mediante diferentes cantidades y unidades radiométricas. Debido a las propiedades ópticas y fisiológicas, especialmente del ojo, se suele hacer una distinción entre fuentes “puntuales” pequeñas y fuentes “extendidas”. El criterio para esta distinción es el valor en radianes del ángulo (α) medido en el ojo subtendido por la fuente. Este ángulo se puede calcular como un cociente, la dimensión de la fuente de luz DL dividido por la distancia de visualización r. Las fuentes extendidas son aquellas que subtienden un ángulo de visión en el ojo mayor que αmin, que normalmente es de 11 miliradianes. Para todas las fuentes extendidas existe una distancia de visualización donde α es igual a αmin; a mayores distancias de visualización, la fuente se puede tratar como una fuente puntual. En la protección contra la radiación óptica, las magnitudes más importantes relativas a las fuentes extendidas son las resplandor (L, expresado en Wm-2sr-1) y el resplandor integrado en el tiempo (Lp en Jm-2sr-1), que describen el “brillo” de la fuente. Para la evaluación del riesgo para la salud, las cantidades más relevantes relativas a fuentes puntuales o exposiciones a distancias de la fuente donde α< αminson los irradiancia (E, expresado en Wm-2), que es equivalente al concepto de tasa de dosis de exposición, y el exposición radiante (H, en Jm-2), equivalente al concepto de dosis de exposición.

En algunas bandas del espectro, los efectos biológicos debidos a la exposición dependen en gran medida de la longitud de onda. Por lo tanto, se deben usar cantidades espectrorradiométricas adicionales (p. ej., la radiación espectral, Ll, expresado en Wm-2 sr-1 nm-1) para sopesar los valores de emisión física de la fuente frente al espectro de acción aplicable relacionado con el efecto biológico.

 

Fuentes y Exposición Ocupacional

La exposición a los resultados de IR de varias fuentes naturales y artificiales. La emisión espectral de estas fuentes puede limitarse a una sola longitud de onda (láser) o puede distribuirse en una amplia banda de longitudes de onda.

Los diferentes mecanismos de generación de radiación óptica en general son:

  • excitación térmica (radiación de cuerpo negro)
  • descarga de gas
  • amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (láser), siendo el mecanismo de descarga de gas de menor importancia en la banda IR.

 

La emisión de las fuentes más importantes utilizadas en muchos procesos industriales resulta de la excitación térmica y se puede aproximar utilizando las leyes físicas de la radiación de cuerpo negro si se conoce la temperatura absoluta de la fuente. La emisión total (M, en Wm-2) de un radiador de cuerpo negro (figura 1) se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann:

MONTE) = 5.67 x 10-8T4

y depende de la cuarta potencia de la temperatura (T, en K) del cuerpo radiante. La distribución espectral de la radiación se describe mediante la ley de radiación de Planck:

y la longitud de onda de máxima emisión (λmax) se describe de acuerdo con la ley de Wien por:

λmax = (2.898 x 10-8) / T

Figura 1. Radiancia espectral λmaxde un radiador de cuerpo negro a la temperatura absoluta mostrada en grados Kelvin en cada curva

ELF040F1

Muchos láseres utilizados en procesos industriales y médicos emiten niveles muy altos de IR. En general, en comparación con otras fuentes de radiación, la radiación láser tiene algunas características inusuales que pueden influir en el riesgo después de una exposición, como una duración de pulso muy corta o una irradiación extremadamente alta. Por lo tanto, la radiación láser se analiza en detalle en otra parte de este capítulo.

Muchos procesos industriales requieren el uso de fuentes que emiten altos niveles de radiación visible e infrarroja y, por lo tanto, un gran número de trabajadores como panaderos, sopladores de vidrio, trabajadores de hornos, trabajadores de fundición, herreros, fundidores y bomberos están potencialmente en riesgo de exposición. Además de las lámparas, se deben considerar fuentes tales como llamas, sopletes de gas, sopletes de acetileno, charcos de metal fundido y barras de metal incandescente. Estos se encuentran en fundiciones, acerías y en muchas otras plantas industriales pesadas. La Tabla 1 resume algunos ejemplos de fuentes IR y sus aplicaciones.

Tabla 1. Diferentes fuentes de IR, población expuesta y niveles de exposición aproximados

Fuente

Aplicación o población expuesta

Exposición

Luz del sol

Trabajadores al aire libre, agricultores, trabajadores de la construcción, gente de mar, público en general

500Wm-2

Lámparas de filamento de tungsteno

Población en general y trabajadores
Iluminación general, secado de tintas y pinturas

105-106 Wm-2sr-1

Lámparas de filamento halógeno de tungsteno

(Ver lámparas de filamento de tungsteno)
Sistemas de copia (fijación), procesos generales (secado, horneado, retractilado, suavizado)

50–200 Wm-2 (a 50cm)

Diodos emisores de luz (por ejemplo, diodo GaAs)

Juguetes, electrónica de consumo, tecnología de transmisión de datos, etc.

105 Wm-2sr-1

Lámparas de arco de xenón

Proyectores, simuladores solares, luces de búsqueda
Camarógrafos de plantas de impresión, trabajadores de laboratorios ópticos, animadores

107 Wm-2sr-1

Derretimiento de hierro

Hornos de acero, trabajadores de acerías

105 Wm-2sr-1

Matrices de lámparas infrarrojas

Calentamiento y secado industrial

103 al 8.103 Wm-2

Lámparas infrarrojas en hospitales

Incubadoras

100–300 Wm-2

 

Efectos biologicos

La radiación óptica en general no penetra muy profundamente en el tejido biológico. Por lo tanto, los objetivos principales de una exposición IR son la piel y los ojos. En la mayoría de las condiciones de exposición, el principal mecanismo de interacción de IR es térmico. Solo los pulsos muy cortos que pueden producir los láseres, pero que no se consideran aquí, también pueden provocar efectos mecanotérmicos. No se espera que los efectos de la ionización o de la ruptura de los enlaces químicos aparezcan con la radiación IR porque la energía de la partícula, siendo inferior a aproximadamente 1.6 eV, es demasiado baja para causar tales efectos. Por la misma razón, las reacciones fotoquímicas se vuelven significativas solo a longitudes de onda más cortas en la región visual y ultravioleta. Los diferentes efectos de la IR en la salud que dependen de la longitud de onda surgen principalmente de las propiedades ópticas del tejido que dependen de la longitud de onda, por ejemplo, la absorción espectral de los medios oculares (figura 2).

Figura 2. Absorción espectral de los medios oculares

ELF040F2

Efectos en el ojo

En general, el ojo está bien adaptado para protegerse contra la radiación óptica del entorno natural. Además, el ojo está fisiológicamente protegido contra lesiones por fuentes de luz brillante, como el sol o lámparas de alta intensidad, mediante una respuesta de aversión que limita la duración de la exposición a una fracción de segundo (aproximadamente 0.25 segundos).

La IRA afecta principalmente a la retina, debido a la transparencia de los medios oculares. Al ver directamente una fuente puntual o un rayo láser, las propiedades de enfoque en la región IRA hacen que la retina sea mucho más susceptible al daño que cualquier otra parte del cuerpo. Para períodos de exposición cortos, se considera que el calentamiento del iris debido a la absorción de IR visible o cercano juega un papel en el desarrollo de opacidades en la lente.

Con el aumento de la longitud de onda, por encima de aproximadamente 1 μm, aumenta la absorción por los medios oculares. Por lo tanto, se considera que la absorción de la radiación IRA tanto por el cristalino como por el iris pigmentado desempeña un papel en la formación de opacidades lenticulares. El daño del cristalino se atribuye a longitudes de onda inferiores a 3 μm (IRA e IRB). Para la radiación infrarroja de longitudes de onda superiores a 1.4 μm, el humor acuoso y el cristalino son especialmente absorbentes.

En la región del espectro IRB e IRC, los medios oculares se vuelven opacos como resultado de la fuerte absorción por parte del agua que los constituye. La absorción en esta región es principalmente en la córnea y en el humor acuoso. Más allá de 1.9 μm, la córnea es efectivamente el único absorbente. La absorción de radiación infrarroja de longitud de onda larga por parte de la córnea puede provocar un aumento de la temperatura en el ojo debido a la conducción térmica. Debido a la rápida tasa de recambio de las células superficiales de la córnea, se puede esperar que cualquier daño limitado a la capa externa de la córnea sea temporal. En la banda IRC, la exposición puede causar una quemadura en la córnea similar a la de la piel. Sin embargo, no es muy probable que ocurran quemaduras en la córnea, debido a la reacción de aversión provocada por la sensación dolorosa causada por una fuerte exposición.

Efectos sobre la piel.

La radiación infrarroja no penetrará muy profundamente en la piel. Por lo tanto, la exposición de la piel a IR muy fuerte puede provocar efectos térmicos locales de diferente gravedad e incluso quemaduras graves. Los efectos sobre la piel dependen de las propiedades ópticas de la piel, como la profundidad de penetración dependiente de la longitud de onda (figura 3 ). Especialmente a longitudes de onda más largas, una exposición extensa puede provocar un aumento de la temperatura local y quemaduras. Los valores de umbral para estos efectos dependen del tiempo, debido a las propiedades físicas de los procesos de transporte térmico en la piel. Una irradiación de 10 kWm-2, por ejemplo, puede causar una sensación dolorosa en 5 segundos, mientras que una exposición de 2 kWm-2 no provocará la misma reacción en períodos inferiores a aproximadamente 50 segundos.

Figura 3. Profundidad de penetración en la piel para diferentes longitudes de onda

ELF040F3

Si la exposición se prolonga durante períodos muy largos, incluso a valores muy por debajo del umbral del dolor, la carga de calor para el cuerpo humano puede ser grande. Especialmente si la exposición cubre todo el cuerpo como, por ejemplo, frente a una fundición de acero. El resultado puede ser un desequilibrio del sistema de termorregulación fisiológicamente bien equilibrado. El umbral para tolerar tal exposición dependerá de diferentes condiciones individuales y ambientales, como la capacidad individual del sistema de termorregulación, el metabolismo corporal real durante la exposición o la temperatura ambiental, la humedad y el movimiento del aire (velocidad del viento). Sin ningún trabajo físico, una exposición máxima de 300 Wm-2 puede ser tolerado durante ocho horas bajo ciertas condiciones ambientales, pero este valor disminuye a aproximadamente 140 Wm-2 durante el trabajo físico pesado.

Estándares de exposición

Los efectos biológicos de la exposición a los IR, que dependen de la longitud de onda y de la duración de la exposición, son intolerables solo si se superan determinados valores umbral de intensidad o dosis. Para protegerse contra condiciones de exposición tan intolerables, organizaciones internacionales como la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Oficina Internacional del Trabajo (OIT), el Comité Internacional para la Radiación No Ionizante de la Asociación Internacional de Protección Radiológica (INIRC/IRPA) y sus Su sucesor, la Comisión Internacional sobre Protección contra la Radiación No Ionizante (ICNIRP) y la Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) han sugerido límites de exposición para la radiación infrarroja de fuentes ópticas tanto coherentes como incoherentes. La mayoría de las sugerencias nacionales e internacionales sobre pautas para limitar la exposición humana a la radiación infrarroja se basan o incluso son idénticas a los valores límite de umbral sugeridos (TLV) publicados por la ACGIH (1993/1994). Estos límites son ampliamente reconocidos y se utilizan con frecuencia en situaciones laborales. Se basan en los conocimientos científicos actuales y están destinados a prevenir lesiones térmicas de la retina y la córnea y evitar posibles efectos retardados en el cristalino del ojo.

La revisión de 1994 de los límites de exposición de la ACGIH es la siguiente:

1. Para la protección de la retina contra lesiones térmicas en caso de exposición a la luz visible (por ejemplo, en el caso de fuentes de luz potentes), la radiación espectral Lλ en W/(m² sr nm) ponderado frente a la función de riesgo térmico de la retina Rλ (ver tabla 2) sobre el intervalo de longitud de onda Δλ y sumado en el rango de longitud de onda de 400 a 1400 nm, no debe exceder:

donde t es la duración de visualización limitada a intervalos de 10-3 a 10 segundos (es decir, para condiciones de visualización accidental, visualización no fija), y α es el subtiempo angular de la fuente en radianes calculado por α = extensión máxima de la fuente/distancia a la fuente Rλ  (Tabla 2 ).

2. Para proteger la retina de los peligros de exposición de las lámparas de calor infrarrojas o cualquier fuente de infrarrojos cercano donde no hay un estímulo visual fuerte, la radiación infrarroja en el rango de longitud de onda de 770 a 1400 nm como se ve a simple vista (basado en una pupila de 7 mm de diámetro) para una duración prolongada de las condiciones de visualización debe limitarse a:

Este límite se basa en un diámetro de pupila de 7 mm ya que, en este caso, la respuesta de aversión (cerrar el ojo, por ejemplo) puede no existir debido a la ausencia de luz visible.

3. Para evitar posibles efectos retardados en el cristalino del ojo, como la catarata retardada, y para proteger la córnea de una sobreexposición, la radiación infrarroja en longitudes de onda superiores a 770 nm debe limitarse a 100 W/m² durante períodos superiores a 1,000 s. y para:

o por períodos más cortos.

4. Para pacientes afáquicos, se proporcionan funciones de ponderación separadas y TLV resultantes para el rango de longitud de onda de la luz ultravioleta y visible (305–700 nm).

Tabla 2. Función de riesgo térmico retinal

Longitud de onda (nm)

Rλ

Longitud de onda (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

   

Fuente: ACGIH 1996.

Measurement

Se dispone de técnicas e instrumentos radiométricos fiables que permiten analizar el riesgo para la piel y el ojo de la exposición a fuentes de radiación óptica. Para caracterizar una fuente de luz convencional, generalmente es muy útil medir la radiancia. Para definir condiciones de exposición peligrosas de fuentes ópticas, la irradiancia y la exposición radiante son de mayor importancia. La evaluación de fuentes de banda ancha es más compleja que la evaluación de fuentes que emiten en longitudes de onda únicas o en bandas muy estrechas, ya que se deben considerar las características espectrales y el tamaño de la fuente. El espectro de ciertas lámparas consta tanto de una emisión continua en una amplia banda de longitudes de onda como de una emisión en ciertas longitudes de onda individuales (líneas). Se pueden introducir errores significativos en la representación de esos espectros si la fracción de energía en cada línea no se agrega correctamente al continuo.

Para la evaluación de riesgos para la salud, los valores de exposición deben medirse sobre una apertura límite para la cual se especifican los estándares de exposición. Por lo general, se ha considerado que una apertura de 1 mm es el tamaño de apertura práctico más pequeño. Las longitudes de onda superiores a 0.1 mm presentan dificultades debido a los efectos de difracción significativos creados por una apertura de 1 mm. Para esta banda de longitud de onda se aceptó una apertura de 1 cm² (11 mm de diámetro), porque los puntos calientes en esta banda son más grandes que en longitudes de onda más cortas. Para la evaluación de los riesgos para la retina, el tamaño de la apertura se determinó por un tamaño de pupila promedio y, por lo tanto, se eligió una apertura de 7 mm.

En general, las medidas en la región óptica son muy complejas. Las mediciones realizadas por personal no capacitado pueden conducir a conclusiones no válidas. Un resumen detallado de los procedimientos de medición se encuentra en Sliney y Wolbarsht (1980).

Medidas de protección

La protección estándar más efectiva contra la exposición a la radiación óptica es el aislamiento total de la fuente y todas las vías de radiación que pueden salir de la fuente. Mediante tales medidas, el cumplimiento de los límites de exposición debería ser fácil de lograr en la mayoría de los casos. Cuando este no sea el caso, la protección personal es aplicable. Por ejemplo, se debe usar la protección ocular disponible en forma de gafas o visores adecuados o ropa protectora. Si las condiciones de trabajo no permiten aplicar tales medidas, puede ser necesario el control administrativo y el acceso restringido a fuentes muy intensas. En algunos casos, una posible medida para proteger al trabajador puede ser una reducción de la potencia de la fuente o del tiempo de trabajo (pausas laborales para recuperarse del estrés por calor), o de ambos.

Conclusión

En general, la radiación infrarroja de las fuentes más comunes, como las lámparas, o de la mayoría de las aplicaciones industriales, no supondrá ningún riesgo para los trabajadores. En algunos lugares de trabajo, sin embargo, IR puede causar un riesgo para la salud del trabajador. Además, hay un rápido aumento en la aplicación y el uso de lámparas especiales y en procesos de alta temperatura en la industria, la ciencia y la medicina. Si la exposición de esas aplicaciones es suficientemente alta, no se pueden excluir los efectos perjudiciales (principalmente en los ojos, pero también en la piel). Se espera que aumente la importancia de las normas de exposición a la radiación óptica reconocidas internacionalmente. Para proteger al trabajador de una exposición excesiva, deberían ser obligatorias las medidas de protección como protección (protectores para los ojos) o ropa de protección.

Los principales efectos biológicos adversos atribuidos a la radiación infrarroja son las cataratas, conocidas como cataratas del soplador de vidrio o del horno. La exposición a largo plazo, incluso a niveles relativamente bajos, provoca estrés por calor en el cuerpo humano. En tales condiciones de exposición, se deben considerar factores adicionales como la temperatura corporal y la pérdida de calor por evaporación, así como factores ambientales.

Con el fin de informar e instruir a los trabajadores, se desarrollaron algunas guías prácticas en los países industrializados. Se puede encontrar un resumen completo en Sliney y Wolbarsht (1980).

 

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Contenido

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