赤外線は、マイクロ波と可視光の間に位置する非電離放射線スペクトルの一部です。 それは人間の環境の自然な部分であるため、人々は日常生活のあらゆる分野で少量ですが、例えば、家庭や太陽の下でのレクリエーション活動中にさらされています. しかし、非常に強いばく露は、職場での特定の技術的プロセスに起因する可能性があります。
多くの産業プロセスには、さまざまな種類の材料の熱硬化が含まれます。 使用される熱源または加熱された材料自体は、通常、非常に高レベルの赤外線放射を放出するため、多数の作業員がさらされる危険にさらされる可能性があります。
コンセプトと量
赤外線 (IR) の波長範囲は 780 nm から 1 mm です。 国際照明委員会 (CIE) による分類に従って、このバンドは IRA (780 nm から 1.4 μm まで)、IRB (1.4 μm から 3 μm まで)、および IRC (3 μm から 1 mm まで) に細分されます。 この細分化は、組織内の IR の波長依存吸収特性と、その結果生じるさまざまな生物学的効果にほぼ従います。
赤外線放射の量と時間的および空間的分布は、さまざまな放射量と単位で表されます。 特に目の光学的および生理学的特性により、通常、小さな「点」光源と「拡張」光源が区別されます。 この区別の基準は、光源によって定められた目で測定された角度 (α) の値 (ラジアン) です。 この角度は商、光源の寸法として計算できます。 DL 視聴距離で割った値 r. 拡張光源とは、目の視野角が α より大きいものです。分、通常は 11 ミリラジアンです。 すべての拡張光源には、α が等しい視距離があります。 α分; 距離が離れていれば、光源を点光源のように扱うことができます。 光放射線防護において、拡張光源に関する最も重要な量は、 輝き (L、Wmで表される-2sr-1）と 時間積分放射輝度 (Lp Jmで-2sr-1)、ソースの「明るさ」を表します。 健康リスク評価の場合、α< α となるような線源からの距離における点線源または曝露に関する最も関連性の高い量分、 放射照度 (E、Wmで表される-2）、これは被ばく線量率の概念に相当し、 放射露光 (H、Jm-2)、被ばく線量の概念に相当します。
スペクトルの一部の帯域では、曝露による生物学的影響は波長に大きく依存します。 したがって、追加の分光放射量を使用する必要があります (たとえば、分光放射輝度、 Ll、Wmで表される-2 sr-1 nm-1) 生物学的影響に関連する適用可能な作用スペクトルに対して、発生源の物理的放出値を比較検討する。
発生源と職業被ばく
IR への暴露は、さまざまな自然および人工の発生源に起因します。 これらの光源からのスペクトル放射は、単一の波長 (レーザー) に限定されるか、または広い波長帯域に分布する可能性があります。
一般的な光放射の生成メカニズムには、次のようなものがあります。
- 熱励起 (黒体放射)
- ガス排出
- 誘導放射 (レーザー) による光増幅。ガス放電のメカニズムは IR バンドではあまり重要ではありません。
多くの産業プロセスで使用される最も重要なソースからの放射は、熱励起の結果であり、ソースの絶対温度がわかっている場合は、黒体放射の物理法則を使用して概算できます。 総排出量 (M、Wm 単位)-2) は、ステファン・ボルツマンの法則によって記述されます (図 1)。
M(T) = 5.67 × 10-8T4
温度の 4 乗に依存します (T、K) 放射体の。 放射輝度のスペクトル分布は、プランクの放射法則によって記述されます。
および最大発光の波長 (λマックス) は、ウィーンの法則に従って次のように記述されます。
λマックス =（2.898 x 10-8）/ T
図 1. 分光放射輝度 λマックス各曲線にケルビン度で示される絶対温度での黒体ラジエーターの
産業および医療プロセスで使用される多くのレーザーは、非常に高レベルの IR を放出します。 一般に、他の放射線源と比較して、レーザー放射線には、非常に短いパルス持続時間や非常に高い放射照度など、曝露後のリスクに影響を与える可能性のあるいくつかの異常な特徴があります。 したがって、レーザー放射については、この章の別の場所で詳しく説明します。
多くの産業プロセスでは、高レベルの可視および赤外線放射を放出する放射源を使用する必要があるため、パン職人、ガラス吹き職人、キルン作業員、鋳造作業員、鍛冶屋、製錬所、消防士などの多数の作業員が潜在的に被ばくの危険にさらされています。 ランプに加えて、炎、ガストーチ、アセチレントーチ、溶融金属のプール、白熱金属棒などのソースを考慮する必要があります。 これらは、鋳造所、製鉄所、および他の多くの重工業プラントで見られます。 表 1 は、IR 光源とそのアプリケーションの例をまとめたものです。
表 1. IR のさまざまなソース、暴露された人口、おおよその暴露レベル
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ソース |
アプリケーションまたは暴露集団 |
暴露 |
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日光 |
屋外作業員、農業従事者、建設作業員、船員、一般市民 |
500Wm-2 |
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タングステンフィラメントランプ |
一般人口と労働者 |
105-106 Wm-2sr-1 |
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タングステンハロゲンフィラメントランプ |
(タングステン フィラメント ランプを参照) |
50～200Wm-2 (50cm時) |
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発光ダイオード（GaAsダイオードなど） |
玩具、家電、データ伝送技術など |
105 Wm-2sr-1 |
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キセノンアークランプ |
プロジェクター、ソーラーシミュレーター、サーチライト |
107 Wm-2sr-1 |
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溶鉄 |
製鋼炉、製鉄所の労働者 |
105 Wm-2sr-1 |
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赤外線ランプアレイ |
工業用加熱および乾燥 |
103 8へ.103 Wm-2 |
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病院の赤外線ランプ |
インキュベーター |
100～300Wm-2 |
生物学的効果
一般に、光放射は生体組織に深く浸透しません。 したがって、赤外線暴露の主なターゲットは皮膚と目です。 ほとんどの暴露条件下では、IR の主な相互作用メカニズムは熱です。 レーザーが生成する非常に短いパルスのみが、ここでは考慮されていませんが、メカノサーマル効果を引き起こす可能性があります。 イオン化または化学結合の切断による影響は、約 1.6 eV 未満である粒子エネルギーが低すぎてそのような影響を引き起こすことができないため、IR 放射では発生しないと予想されます。 同じ理由で、光化学反応は視覚および紫外領域のより短い波長でのみ重要になります。 IR のさまざまな波長に依存する健康への影響は、主に、組織の波長に依存する光学的特性 (たとえば、眼球媒体のスペクトル吸収) から生じます (図 2)。
図 2. 眼媒質のスペクトル吸収
目への影響
一般に、目は自然環境からの光放射から身を守るように適応しています。 さらに、眼は太陽や高輝度ランプなどの明るい光源からの損傷から、露出時間を数分の 0.25 秒 (約 XNUMX 秒) に制限する嫌悪反応によって生理学的に保護されています。
IRA は、眼の媒質が透明であるため、主に網膜に影響を与えます。 点光源またはレーザー ビームを直接見ると、IRA 領域の集束特性により、網膜は体の他のどの部分よりも損傷を受けやすくなります。 短時間の暴露では、可視または近赤外線の吸収による虹彩の加熱が、レンズの混濁の発生に関与すると考えられています。
波長が長くなるにつれて、約 1 μm を超えると、眼球媒質による吸収が増加します。 したがって、水晶体と色素性虹彩の両方による IRA 放射の吸収は、レンズ状の不透明度の形成に役割を果たすと考えられます。 レンズの損傷は、3 μm 未満の波長 (IRA および IRB) に起因します。 波長が 1.4 μm を超える赤外線は、房水と水晶体が特に強く吸収します。
スペクトルの IRB および IRC 領域では、眼の媒質は、それらの構成水による強い吸収の結果として不透明になります。 この領域での吸収は、主に角膜と房水で行われます。 1.9 μm を超えると、角膜が実質的に唯一の吸収体になります。 角膜による長波長赤外線放射の吸収は、熱伝導により目の温度を上昇させる可能性があります。 表面の角膜細胞のターンオーバー速度が速いため、角膜外層に限定された損傷は一時的なものであると予想できます。 IRC バンドでは、曝露によって角膜に皮膚と同様の火傷が生じる可能性があります。 しかし、角膜熱傷は、強い暴露による痛みを伴う嫌悪反応のため、発生する可能性はあまり高くありません。
皮膚への影響
赤外線は皮膚の奥まで浸透しません。 したがって、非常に強い赤外線に皮膚をさらすと、さまざまな程度の局所的な熱影響、さらには重度の火傷を引き起こす可能性があります。 皮膚への影響は、波長に依存する浸透の深さなど、皮膚の光学特性によって異なります (図 3 ）。 特により長い波長では、広範囲にさらされると、局所的な温度上昇や火傷を引き起こす可能性があります。 これらの効果のしきい値は、皮膚の熱輸送プロセスの物理的特性のため、時間に依存します。 10kWmの照射-2たとえば、5 kWm のばく露では 2 秒以内に痛みを感じることがあります。-2 約 50 秒より短い時間内に同じ反応を起こすことはありません。
図 3. 異なる波長の皮膚への浸透の深さ
暴露が非常に長期間にわたって続く場合、たとえ痛みの閾値をはるかに下回る値であっても、人体への熱の負担は大きくなる可能性があります。 特に、溶鋼の前など、露出が全身を覆っている場合はなおさらです。 その結果、生理学的にバランスのとれた体温調節システムの不均衡が生じる可能性があります。 このような暴露に耐えるための閾値は、体温調節システムの個々の能力、暴露中の実際の身体代謝、または環境温度、湿度、空気の動き (風速) など、さまざまな個人および環境条件によって異なります。 物理的な作業なしで、最大 300 Wm の露出-2 特定の環境条件下では 140 時間以上許容される場合がありますが、この値は約 XNUMX Wm に減少します。-2 激しい肉体労働中。
暴露基準
波長と照射時間に依存する IR 照射の生物学的影響は、特定のしきい値強度または線量値を超えた場合にのみ許容できなくなります。 このような耐え難い被ばく条件から保護するために、世界保健機関 (WHO)、国際労働局 (ILO)、国際放射線防護協会の非電離放射線国際委員会 (INIRC/IRPA) などの国際機関、およびその後継者である国際非電離放射線防護委員会 (ICNIRP) と米国政府産業衛生士会議 (ACGIH) は、コヒーレント光源とインコヒーレント光源の両方からの赤外線放射に対する曝露限界を提案しました。 赤外線放射への人間の曝露を制限するためのガイドラインに関する国内および国際的な提案のほとんどは、ACGIH (1993/1994) によって公開された提案された限界値 (TLV) に基づいているか、または同じです。 これらの制限は広く認識されており、職業上の状況で頻繁に使用されています。 それらは現在の科学的知識に基づいており、網膜と角膜の熱損傷を防ぎ、眼の水晶体への遅延効果の可能性を回避することを目的としています.
ACGIH 曝露限界の 1994 年改訂は次のとおりです。
1. 可視光にさらされた場合 (たとえば、強力な光源の場合) に網膜を熱損傷から保護するために、分光放射輝度 Lλ 網膜熱ハザード関数に対して重み付けされた W/(m² sr nm) で Rλ (表 2 を参照) 波長間隔 Δλ 波長 400 ～ 1400 nm の範囲で合計すると、次の値を超えてはなりません。
コラボレー t 10からの間隔に制限された視聴期間です-3 から 10 秒 (つまり、凝視ではなく偶発的な表示条件の場合)、および α は、α = ソースの最大延長/ソースまでの距離によって計算されるラジアン単位のソースの角度サブテンスです。 Rλ (表 2)。
2. 強い視覚刺激が存在しない赤外線加熱ランプまたは近赤外線源の曝露の危険から網膜を保護するために、目で見たときの波長範囲 770 ～ 1400 nm の赤外線放射輝度 (7 mm の瞳孔に基づく)直径) 長時間の観察条件では、以下に制限する必要があります。
この制限は、7 mm の瞳孔径に基づいています。この場合、可視光がないために嫌悪反応 (目を閉じるなど) が存在しない可能性があるためです。
3. 遅発性白内障などの目の水晶体への遅延効果の可能性を回避し、角膜を過度の露出から保護するために、770 nm を超える波長の赤外線放射は、100 秒を超える期間で 1,000 W/m² に制限する必要があります。そしてへ：
またはより短い期間。
4. 無水晶体患者の場合、紫外光と可視光の波長範囲 (305 ～ 700 nm) について、個別の重み付け関数と結果の TLV が与えられます。
表 2. 網膜熱ハザード関数
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波長 (nm) |
Rλ |
波長 (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） |
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450 |
9.4 |
1,050-1,400 |
0.2 |
|
455 |
9.0 |
出典: ACGIH 1996.
測定
光放射源への曝露による皮膚や眼へのリスクを分析できる、信頼性の高い放射測定技術と機器が利用可能です。 従来の光源を特徴付けるには、一般に放射輝度を測定することが非常に役立ちます。 光源からの危険な曝露条件を定義するには、放射照度と放射曝露がより重要になります。 広帯域光源の評価は、スペクトル特性と光源サイズを考慮する必要があるため、単一波長または非常に狭い帯域で放射する光源の評価よりも複雑です。 特定のランプのスペクトルは、広い波長帯域にわたる連続発光と、特定の単一波長 (線) の発光の両方で構成されています。 各ラインのエネルギーの一部が連続体に適切に追加されていない場合、これらのスペクトルの表現に重大なエラーが発生する可能性があります。
健康被害の評価では、曝露値は、曝露基準が指定されている制限アパーチャで測定する必要があります。 通常、1 mm の開口が実用的な最小の開口サイズであると考えられてきました。 波長が 0.1 mm を超えると、1 mm のアパーチャによって大きな回折効果が生じるため、問題が生じます。 この波長帯のホット スポットは短波長よりも大きいため、この波長帯では 1 cm² (直径 11 mm) の開口が受け入れられました。 網膜ハザードの評価では、開口部のサイズは平均瞳孔サイズによって決定され、したがって 7 mm の開口部が選択されました。
一般に、光学領域での測定は非常に複雑です。 訓練を受けていない担当者による測定は、無効な結論につながる可能性があります。 測定手順の詳細な要約は、Sliney と Wolbarsht (1980) に記載されています。
保護対策
光放射への暴露に対する最も効果的な標準的な保護は、放射源の完全なエンクロージャーと、放射源から出る可能性のあるすべての放射経路です。 このような手段により、ほとんどの場合、暴露限度の順守は容易に達成できるはずです。 そうでない場合は、個人保護が適用されます。 たとえば、適切なゴーグルやバイザー、または防護服の形で入手可能な目の保護具を使用する必要があります。 作業条件がそのような措置を適用できない場合、管理上の制御と非常に強い情報源へのアクセス制限が必要になる場合があります。 場合によっては、作業者を保護するために、電源の電力または作業時間 (熱ストレスから回復するために作業を一時停止する) のいずれか、またはその両方を減らすことが考えられる場合があります。
まとめ
一般に、ランプなどの最も一般的な光源やほとんどの産業用途からの赤外線放射は、作業者に危険を及ぼすことはありません。 ただし、一部の職場では、IR が労働者の健康リスクを引き起こす可能性があります。 さらに、特殊用途のランプの適用と使用、および工業、科学、および医療における高温プロセスが急速に増加しています。 これらのアプリケーションからの暴露が十分に高い場合、有害な影響 (主に目だけでなく皮膚への影響) を除外することはできません。 国際的に認められた光放射曝露基準の重要性が高まることが予想されます。 労働者を過度の被ばくから保護するために、シールド (アイシールド) や防護服などの保護手段を必須にする必要があります。
赤外線放射に起因する主な生物学的悪影響は白内障であり、吹きガラスや炉工の白内障として知られています。 比較的低レベルであっても、長期暴露は人体に熱ストレスを引き起こします。 このような暴露条件では、体温や蒸発熱損失、環境要因などの追加要因を考慮する必要があります。
労働者に情報を提供し、指導するために、いくつかの実用的なガイドが先進国で開発されました。 包括的な要約は、Sliney と Wolbarsht (1980) にあります。