Le rayonnement infrarouge est la partie du spectre du rayonnement non ionisant située entre les micro-ondes et la lumière visible. C'est une partie naturelle de l'environnement humain et les gens y sont donc exposés en petites quantités dans tous les domaines de la vie quotidienne, par exemple à la maison ou lors d'activités récréatives au soleil. Une exposition très intense peut cependant résulter de certains processus techniques sur le lieu de travail.
De nombreux processus industriels impliquent le durcissement thermique de divers types de matériaux. Les sources de chaleur utilisées ou le matériau chauffé lui-même émettent généralement des niveaux de rayonnement infrarouge si élevés qu'un grand nombre de travailleurs risquent potentiellement d'être exposés.
Concepts et quantités
Le rayonnement infrarouge (IR) a des longueurs d'onde allant de 780 nm à 1 mm. Suite à la classification de la Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), cette bande est subdivisée en IRA (de 780 nm à 1.4 μm), IRB (de 1.4 μm à 3 μm) et IRC (de 3 μm à 1 mm). Cette subdivision suit approximativement les caractéristiques d'absorption dépendant de la longueur d'onde de l'IR dans les tissus et les différents effets biologiques qui en résultent.
La quantité et la distribution temporelle et spatiale du rayonnement infrarouge sont décrites par différentes grandeurs et unités radiométriques. En raison des propriétés optiques et physiologiques, notamment de l'œil, une distinction est généralement faite entre les petites sources « ponctuelles » et les sources « étendues ». Le critère de cette distinction est la valeur en radians de l'angle (α) mesuré à l'œil sous-tendu par la source. Cet angle peut être calculé comme un quotient, la dimension de la source lumineuse DL divisé par la distance de visualisation r. Les sources étendues sont celles qui sous-tendent un angle de vision à l'œil supérieur à αm., qui est normalement de 11 milliradians. Pour toutes les sources étendues, il existe une distance de visualisation où α est égal à αm.; à de plus grandes distances d'observation, la source peut être traitée comme une source ponctuelle. En radioprotection optique, les grandeurs les plus importantes concernant les sources étendues sont les éclat (L, exprimé en Wm-2sr-1) Et le éclat intégré dans le temps (Lp en Jm-2sr-1), qui décrivent la "luminosité" de la source. Pour l'évaluation des risques pour la santé, les grandeurs les plus pertinentes concernant les sources ponctuelles ou les expositions à des distances telles que la source où α< αm., sont les irradiation (E, exprimé en Wm-2), qui équivaut au concept de débit de dose d'exposition, et le exposition rayonnante (H, en Jm-2), équivalent au concept de dose d'exposition.
Dans certaines bandes du spectre, les effets biologiques dus à l'exposition dépendent fortement de la longueur d'onde. Par conséquent, des grandeurs spectroradiométriques supplémentaires doivent être utilisées (par exemple, la luminance spectrale, Ll, exprimé en Wm-2 sr-1 nm-1) pour peser les valeurs physiques d'émission de la source par rapport au spectre d'action applicable lié à l'effet biologique.
Sources et exposition professionnelle
L'exposition aux IR résulte de diverses sources naturelles et artificielles. L'émission spectrale de ces sources peut être limitée à une seule longueur d'onde (laser) ou peut être répartie sur une large bande de longueur d'onde.
Les différents mécanismes de génération de rayonnement optique en général sont :
- excitation thermique (rayonnement du corps noir)
- décharge de gaz
- amplification lumineuse par émission stimulée de rayonnement (laser), le mécanisme de décharge gazeuse étant moins important dans la bande IR.
L'émission des sources les plus importantes utilisées dans de nombreux processus industriels résulte de l'excitation thermique et peut être approximée à l'aide des lois physiques du rayonnement du corps noir si la température absolue de la source est connue. L'émission totale (M, en Wm-2) d'un radiateur à corps noir (figure 1) est décrite par la loi de Stefan-Boltzmann :
M (T) = 5.67 x 10-8T4
et dépend de la puissance 4 de la température (T, en K) du corps rayonnant. La distribution spectrale de la luminance est décrite par la loi de rayonnement de Planck :
et la longueur d'onde d'émission maximale (λmax) est décrit selon la loi de Wien par :
λmax = (2.898x10-8) / T
Figure 1. Radiance spectrale λmaxd'un radiateur à corps noir à la température absolue indiquée en degrés Kelvin sur chaque courbe
De nombreux lasers utilisés dans les processus industriels et médicaux émettront des niveaux très élevés d'IR. En général, par rapport à d'autres sources de rayonnement, le rayonnement laser présente certaines caractéristiques inhabituelles qui peuvent influer sur le risque suivant une exposition, comme une durée d'impulsion très courte ou une irradiance extrêmement élevée. Par conséquent, le rayonnement laser est discuté en détail ailleurs dans ce chapitre.
De nombreux processus industriels nécessitent l'utilisation de sources émettant des niveaux élevés de rayonnement visible et infrarouge, et donc un grand nombre de travailleurs comme les boulangers, les souffleurs de verre, les travailleurs des fours, les fondeurs, les forgerons, les fondeurs et les pompiers sont potentiellement à risque d'exposition. En plus des lampes, des sources telles que des flammes, des chalumeaux à gaz, des chalumeaux à acétylène, des flaques de métal en fusion et des barres métalliques incandescentes doivent être prises en compte. On les rencontre dans les fonderies, les aciéries et dans de nombreuses autres installations industrielles lourdes. Le tableau 1 résume quelques exemples de sources IR et leurs applications.
Tableau 1. Différentes sources d'IR, population exposée et niveaux d'exposition approximatifs
Identifier |
Application ou population exposée |
Exposition |
Soleil |
Travailleurs de plein air, agriculteurs, ouvriers du bâtiment, gens de mer, grand public |
500 Wm-2 |
Lampes à filament de tungstène |
Population générale et travailleurs |
105-106 Wm-2sr-1 |
Lampes à incandescence halogène au tungstène |
(Voir lampes à filament de tungstène) |
50 à 200 Wm-2 (à 50cm) |
Diodes électroluminescentes (par exemple diode GaAs) |
Jouets, électronique grand public, technologie de transmission de données, etc. |
105 Wm-2sr-1 |
Lampes à arc au xénon |
Projecteurs, simulateurs solaires, projecteurs |
107 Wm-2sr-1 |
Fonte de fer |
Four en acier, ouvriers d'aciérie |
105 Wm-2sr-1 |
Réseaux de lampes infrarouges |
Chauffage et séchage industriels |
103 - 8.103 Wm-2 |
Lampes infrarouges dans les hôpitaux |
Incubateurs |
100 à 300 Wm-2 |
Effets biologiques
Le rayonnement optique en général ne pénètre pas très profondément dans les tissus biologiques. Par conséquent, les principales cibles d'une exposition aux infrarouges sont la peau et les yeux. Dans la plupart des conditions d'exposition, le principal mécanisme d'interaction de l'IR est thermique. Seules les impulsions très courtes que peuvent produire les lasers, mais qui ne sont pas considérées ici, peuvent également conduire à des effets mécanothermiques. Les effets de l'ionisation ou de la rupture des liaisons chimiques ne devraient pas apparaître avec le rayonnement infrarouge car l'énergie des particules, étant inférieure à environ 1.6 eV, est trop faible pour provoquer de tels effets. Pour la même raison, les réactions photochimiques ne deviennent significatives qu'à des longueurs d'onde plus courtes dans la région visuelle et ultraviolette. Les différents effets de l'IR sur la santé, dépendant de la longueur d'onde, découlent principalement des propriétés optiques dépendant de la longueur d'onde des tissus, par exemple, l'absorption spectrale du milieu oculaire (figure 2).
Figure 2. Absorption spectrale du milieu oculaire
Effets sur les yeux
En général, l'œil est bien adapté pour se protéger des rayonnements optiques du milieu naturel. De plus, l'œil est physiologiquement protégé contre les blessures causées par des sources lumineuses vives, telles que le soleil ou les lampes à haute intensité, par une réponse d'aversion qui limite la durée d'exposition à une fraction de seconde (environ 0.25 seconde).
L'IRA affecte principalement la rétine, en raison de la transparence des milieux oculaires. Lors de la visualisation directe d'une source ponctuelle ou d'un faisceau laser, les propriétés de focalisation dans la région IRA rendent en outre la rétine beaucoup plus susceptible d'être endommagée que toute autre partie du corps. Pour de courtes périodes d'exposition, l'échauffement de l'iris dû à l'absorption de l'infrarouge visible ou proche est considéré comme jouant un rôle dans le développement d'opacités dans le cristallin.
Avec l'augmentation de la longueur d'onde, au-dessus d'environ 1 μm, l'absorption par les milieux oculaires augmente. Par conséquent, l'absorption du rayonnement IRA par le cristallin et l'iris pigmenté est considérée comme jouant un rôle dans la formation des opacités lenticulaires. Les dommages à la lentille sont attribués aux longueurs d'onde inférieures à 3 μm (IRA et IRB). Pour un rayonnement infrarouge de longueurs d'onde supérieures à 1.4 µm, l'humeur aqueuse et la lentille sont particulièrement absorbantes.
Dans la région IRB et IRC du spectre, les milieux oculaires deviennent opaques en raison de la forte absorption par leur eau constitutive. L'absorption dans cette région se fait principalement dans la cornée et dans l'humeur aqueuse. Au-delà de 1.9 μm, la cornée est effectivement le seul absorbeur. L'absorption du rayonnement infrarouge à grande longueur d'onde par la cornée peut entraîner une augmentation des températures dans l'œil en raison de la conduction thermique. En raison d'un taux de renouvellement rapide des cellules cornéennes de surface, on peut s'attendre à ce que tout dommage limité à la couche cornéenne externe soit temporaire. Dans la bande IRC, l'exposition peut provoquer une brûlure de la cornée similaire à celle de la peau. Les brûlures cornéennes sont cependant peu susceptibles de se produire en raison de la réaction d'aversion déclenchée par la sensation douloureuse provoquée par une forte exposition.
Effets sur la peau
Le rayonnement infrarouge ne pénétrera pas la peau très profondément. Par conséquent, l'exposition de la peau à des infrarouges très puissants peut entraîner des effets thermiques locaux de gravité différente, voire des brûlures graves. Les effets sur la peau dépendent des propriétés optiques de la peau, telles que la profondeur de pénétration dépendant de la longueur d'onde (figure 3 ). Surtout à des longueurs d'onde plus longues, une exposition prolongée peut provoquer une forte élévation de température locale et des brûlures. Les valeurs seuils de ces effets dépendent du temps, en raison des propriétés physiques des processus de transport thermique dans la peau. Un rayonnement de 10 kWm-2, par exemple, peut provoquer une sensation douloureuse en 5 secondes, alors qu'une exposition de 2 kWm-2 ne provoquera pas la même réaction dans des périodes inférieures à environ 50 secondes.
Figure 3. Profondeur de pénétration dans la peau pour différentes longueurs d'onde
Si l'exposition est prolongée sur de très longues périodes, même à des valeurs bien inférieures au seuil de douleur, la charge de chaleur sur le corps humain peut être importante. Surtout si l'exposition couvre tout le corps comme, par exemple, devant une fonte d'acier. Le résultat peut être un déséquilibre du système de thermorégulation autrement physiologiquement bien équilibré. Le seuil de tolérance d'une telle exposition dépendra de différentes conditions individuelles et environnementales, telles que la capacité individuelle du système de thermorégulation, le métabolisme corporel réel pendant l'exposition ou la température, l'humidité et le mouvement de l'air (vitesse du vent) de l'environnement. Sans aucun travail physique, une exposition maximale de 300 Wm-2 peut être toléré plus de huit heures dans certaines conditions environnementales, mais cette valeur diminue à environ 140 Wm-2 lors d'efforts physiques intenses.
Normes d'exposition
Les effets biologiques de l'exposition aux IR, qui dépendent de la longueur d'onde et de la durée d'exposition, ne sont intolérables que si certaines valeurs seuils d'intensité ou de dose sont dépassées. Pour se prémunir contre ces conditions d'exposition intolérables, des organisations internationales telles que l'Organisation mondiale de la santé (OMS), le Bureau international du travail (BIT), le Comité international des rayonnements non ionisants de l'Association internationale de radioprotection (INIRC/IRPA) et ses successeur, la Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants (ICNIRP) et la Conférence américaine des hygiénistes industriels gouvernementaux (ACGIH) ont suggéré des limites d'exposition au rayonnement infrarouge provenant de sources optiques cohérentes et incohérentes. La plupart des suggestions nationales et internationales sur les lignes directrices pour limiter l'exposition humaine aux rayonnements infrarouges sont basées sur ou même identiques aux valeurs limites de seuil suggérées (TLV) publiées par l'ACGIH (1993/1994). Ces limites sont largement reconnues et sont fréquemment utilisées dans des situations professionnelles. Ils sont basés sur les connaissances scientifiques actuelles et sont destinés à prévenir les lésions thermiques de la rétine et de la cornée et à éviter d'éventuels effets différés sur le cristallin.
La révision de 1994 des limites d'exposition de l'ACGIH est la suivante :
1. Pour la protection de la rétine contre les lésions thermiques en cas d'exposition à la lumière visible (par exemple, dans le cas de sources lumineuses puissantes), le rayonnement spectral Lλ en W/(m² sr nm) pondéré par la fonction de risque thermique rétinien Rλ (voir tableau 2) sur l'intervalle de longueur d'onde Δλ et additionnées sur la gamme de longueurs d'onde de 400 à 1400 nm, ne doivent pas dépasser :
De t est la durée de visualisation limitée à des intervalles de 10-3 à 10 secondes (c'est-à-dire pour des conditions d'observation accidentelles et non fixes), et α est le sous-tendu angulaire de la source en radians calculé par α = extension maximale de la source/distance à la source Rλ (Tableau 2 ).
2. Pour protéger la rétine des risques d'exposition des lampes chauffantes infrarouges ou de toute source infrarouge proche où un fort stimulus visuel est absent, la luminance infrarouge sur la plage de longueurs d'onde de 770 à 1400 nm telle que vue par l'œil (basée sur une pupille de 7 mm diamètre) pour une durée prolongée des conditions d'observation doit être limitée à :
Cette limite est basée sur un diamètre pupillaire de 7 mm car, dans ce cas, la réponse d'aversion (fermeture de l'œil par exemple) peut ne pas exister du fait de l'absence de lumière visible.
3. Pour éviter d'éventuels effets retardés sur le cristallin, comme une cataracte retardée, et pour protéger la cornée d'une surexposition, le rayonnement infrarouge à des longueurs d'onde supérieures à 770 nm doit être limité à 100 W/m² pendant des périodes supérieures à 1,000 XNUMX s et à:
ou pour des périodes plus courtes.
4. Pour les patients aphaques, des fonctions de pondération distinctes et les TLV résultantes sont données pour la gamme de longueurs d'onde de la lumière ultraviolette et visible (305–700 nm).
Tableau 2. Fonction de risque thermique rétinien
Longueur d'onde (nm) |
Rλ |
Longueur d'onde (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 |
Source : ACGIH 1996.
Mesure
Des techniques et instruments radiométriques fiables permettent d'analyser le risque cutané et oculaire lié à l'exposition à des sources de rayonnement optique. Pour caractériser une source lumineuse classique, il est généralement très utile de mesurer la luminance. Pour définir les conditions d'exposition dangereuses à partir de sources optiques, l'irradiance et l'exposition radiante sont d'une plus grande importance. L'évaluation des sources à large bande est plus complexe que l'évaluation des sources qui émettent à des longueurs d'onde uniques ou à des bandes très étroites, car les caractéristiques spectrales et la taille de la source doivent être prises en compte. Le spectre de certaines lampes se compose à la fois d'une émission continue sur une large bande de longueurs d'onde et d'une émission sur certaines longueurs d'onde uniques (raies). Des erreurs importantes peuvent être introduites dans la représentation de ces spectres si la fraction d'énergie dans chaque ligne n'est pas correctement ajoutée au continuum.
Pour l'évaluation des risques pour la santé, les valeurs d'exposition doivent être mesurées sur une ouverture limite pour laquelle les normes d'exposition sont spécifiées. Généralement, une ouverture de 1 mm a été considérée comme la plus petite taille d'ouverture pratique. Les longueurs d'onde supérieures à 0.1 mm présentent des difficultés en raison des effets de diffraction importants créés par une ouverture de 1 mm. Pour cette bande de longueur d'onde, une ouverture de 1 cm² (11 mm de diamètre) a été acceptée, car les points chauds dans cette bande sont plus grands qu'aux longueurs d'onde plus courtes. Pour l'évaluation des risques rétiniens, la taille de l'ouverture a été déterminée par une taille de pupille moyenne et donc une ouverture de 7 mm a été choisie.
En général, les mesures dans le domaine optique sont très complexes. Les mesures prises par du personnel non formé peuvent conduire à des conclusions invalides. Un résumé détaillé des procédures de mesure se trouve dans Sliney et Wolbarsht (1980).
Mesures protectives
La protection standard la plus efficace contre l'exposition aux rayonnements optiques est l'enceinte totale de la source et de toutes les voies de rayonnement qui peuvent sortir de la source. Par de telles mesures, le respect des limites d'exposition devrait être facile à réaliser dans la majorité des cas. Lorsque ce n'est pas le cas, la protection personnelle est applicable. Par exemple, une protection oculaire disponible sous la forme de lunettes ou de visières appropriées ou de vêtements de protection doit être utilisée. Si les conditions de travail ne permettent pas l'application de telles mesures, un contrôle administratif et un accès restreint à des sources très intenses peuvent être nécessaires. Dans certains cas, une réduction de la puissance de la source ou du temps de travail (pauses de travail pour récupérer du stress thermique), ou des deux, pourrait être une mesure possible pour protéger le travailleur.
Conclusion
En général, le rayonnement infrarouge des sources les plus courantes telles que les lampes, ou de la plupart des applications industrielles, ne causera aucun risque pour les travailleurs. Cependant, sur certains lieux de travail, les IR peuvent entraîner un risque pour la santé du travailleur. De plus, il y a une augmentation rapide de l'application et de l'utilisation des lampes à usage spécial et des processus à haute température dans l'industrie, la science et la médecine. Si l'exposition due à ces applications est suffisamment élevée, des effets nocifs (principalement dans les yeux mais aussi sur la peau) ne peuvent être exclus. On s'attend à ce que l'importance des normes d'exposition aux rayonnements optiques internationalement reconnues augmente. Pour protéger le travailleur d'une exposition excessive, des mesures de protection telles que des écrans protecteurs (écrans oculaires) ou des vêtements de protection devraient être obligatoires.
Les principaux effets biologiques néfastes attribués au rayonnement infrarouge sont les cataractes, appelées cataractes du souffleur de verre ou du fourneau. Une exposition à long terme, même à des niveaux relativement faibles, provoque un stress thermique pour le corps humain. Dans de telles conditions d'exposition, des facteurs supplémentaires tels que la température corporelle et la perte de chaleur par évaporation ainsi que des facteurs environnementaux doivent être pris en compte.
Afin d'informer et d'instruire les travailleurs, des guides pratiques ont été élaborés dans les pays industrialisés. Un résumé complet peut être trouvé dans Sliney et Wolbarsht (1980).