紅外輻射是位於微波和可見光之間的非電離輻射光譜的一部分。 它是人類環境的自然組成部分，因此人們在日常生活的所有領域都會少量接觸到它——例如，在家里或在陽光下的娛樂活動中。 但是，工作場所的某些技術過程可能會導致非常強烈的暴露。
許多工業過程涉及各種材料的熱固化。 所使用的熱源或加熱材料本身通常會發出高水平的紅外輻射，以至於大量工人有可能被暴露在外。
概念和數量
紅外輻射 (IR) 的波長范圍為 780 nm 至 1 mm。 根據國際照明委員會 (CIE) 的分類，該波段細分為 IRA（從 780 nm 到 1.4 μm）、IRB（從 1.4 μm 到 3 μm）和 IRC（從 3 μm 到 1 mm）。 這種細分大致遵循了IR在組織中的波長依賴性吸收特性以及由此產生的不同生物學效應。
紅外輻射的數量和時空分佈用不同的輻射量和單位來描述。 由於光學和生理特性，尤其是眼睛的特性，通常會在小“點”源和“擴展”源之間進行區分。 這種區分的標準是在眼睛處測量的光源對向的角度 (α) 的弧度值。 這個角度可以計算為商，即光源尺寸 DL 除以觀看距離 r. 擴展光源是那些在眼睛處的視角大於 α 的光源分鐘，通常為 11 毫弧度。 對於所有擴展源，都有一個觀看距離，其中 α 等於 α分鐘; 在更遠的觀看距離上，可以將源視為點源。 在光輻射防護中，與擴展源相關的最重要的量是 輻射 (L, 以 Wm 表示 - 2sr - 1）和 時間積分輻射 (Lp 在Jm - 2sr - 1)，它描述了源的“亮度”。 對於健康風險評估，與點源或距源距離為 α< α 的暴露最相關的量分鐘，是 輻照度 (E, 以 Wm 表示 - 2)，相當於照射劑量率的概念，而 輻射照射 (H, 單位為 - 2), 相當於暴露劑量的概念。
在光譜的某些波段，暴露引起的生物效應在很大程度上取決於波長。 因此，必須使用額外的光譜輻射量（例如，光譜輻射， Ll, 以 Wm 表示 - 2 sr - 1 nm - 1) 權衡源的物理髮射值與與生物效應相關的適用作用譜。
來源和職業暴露
暴露於 IR 的結果來自各種自然和人工來源。 這些來源的光譜發射可能僅限於單一波長（激光），也可能分佈在很寬的波長帶上。
產生光輻射的不同機制通常是：
- 熱激發（黑體輻射）
- 氣體放電
- 通過受激發射的輻射（激光）進行光放大，氣體放電機制在 IR 波段中不太重要。
許多工業過程中使用的最重要來源的輻射是由熱激發產生的，如果已知來源的絕對溫度，則可以使用黑體輻射的物理定律對其進行近似計算。 總排放量（M，Wm - 2) 的黑體輻射體（圖 1）由 Stefan-Boltzmann 定律描述：
公噸） = 5.67 × 10-8T4
並取決於溫度的 4 次方 (T, K) 的輻射體。 輻射的光譜分佈由普朗克輻射定律描述：
和最大發射波長 (λ最大) 根據維恩定律描述為：
λ最大 =（2.898×10-8）/ T
圖 1. 光譜輻射率 λ最大在每條曲線上以開爾文度數顯示的絕對溫度下的黑體輻射體
工業和醫療過程中使用的許多激光器會發出非常高水平的紅外線。 一般來說，與其他輻射源相比，激光輻射具有一些不尋常的特徵，這些特徵可能會影響暴露後的風險，例如非常短的脈衝持續時間或極高的輻照度。 因此，本章其他地方將詳細討論激光輻射。
許多工業過程需要使用發出高水平可見光和紅外輻射的光源，因此麵包師、玻璃吹製工、窯爐工人、鑄造廠工人、鐵匠、冶煉廠和消防員等大量工人都可能面臨暴露的風險。 除了燈之外，還必須考慮火焰、氣炬、乙炔炬、熔融金屬池和白熾金屬棒等來源。 這些在鑄造廠、鋼廠和許多其他重工業工廠中都會遇到。 表 1 總結了 IR 源及其應用的一些示例。
表 1. 不同的 IR 來源、暴露人群和大致暴露水平
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資源 |
應用或暴露人群 |
曝光 |
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陽光 |
戶外工作者、農民、建築工人、海員、公眾 |
500瓦米 - 2 |
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鎢絲燈 |
一般人口和工人 |
105 - 106 Wm - 2sr - 1 |
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鹵鎢燈絲燈 |
（見鎢絲燈） |
50–200 瓦米 - 2 （在 50 厘米處） |
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發光二極管（例如 GaAs 二極管） |
玩具、消費電子、數據傳輸技術等 |
105 Wm - 2sr - 1 |
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氙弧燈 |
投影儀、太陽能模擬器、探照燈 |
107 Wm - 2sr - 1 |
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鐵熔體 |
煉鋼爐、鋼廠工人 |
105 Wm - 2sr - 1 |
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紅外燈陣列 |
工業加熱乾燥 |
103 到8.103 Wm - 2 |
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醫院紅外線燈 |
孵化器 |
100–300 瓦米 - 2 |
生物效應
光輻射通常不會很深地穿透到生物組織中。 因此，IR 暴露的主要目標是皮膚和眼睛。 在大多數曝光條件下，IR 的主要相互作用機制是熱。 只有激光可能產生的非常短的脈衝，但這裡沒有考慮，也會導致機械熱效應。 電離或化學鍵斷裂的影響預計不會出現在 IR 輻射中，因為粒子能量低於大約 1.6 eV，太低而不會引起此類影響。 出於同樣的原因，光化學反應僅在可見光和紫外線區域的較短波長下才變得重要。 紅外線對健康的不同波長依賴性影響主要來自組織的波長依賴性光學特性——例如，眼部介質的光譜吸收（圖 2）。
圖 2. 眼部介質的光譜吸收
對眼睛的影響
一般來說，眼睛非常適合保護自己免受自然環境的光輻射。 此外，通過將暴露時間限制在幾分之一秒（約 0.25 秒）內的厭惡反應，眼睛在生理上受到保護，免受明亮光源（例如太陽或高強度燈）的傷害。
由於眼部介質的透明度，IRA 主要影響視網膜。 當直接觀察點光源或激光束時，IRA 區域的聚焦特性還使視網膜比身體的任何其他部位更容易受到損傷。 對於短時間曝光，虹膜因吸收可見光或近紅外光而發熱被認為在晶狀體混濁的發展中發揮了作用。
隨著波長增加，超過約 1 μm，眼部介質的吸收增加。 因此，晶狀體和有色虹膜對 IRA 輻射的吸收被認為在晶狀體混濁的形成中起作用。 透鏡的損壞歸因於低於 3 μm 的波長（IRA 和 IRB）。 對於波長超過 1.4 μm 的紅外輻射，房水和晶狀體的吸收能力特別強。
在光譜的 IRB 和 IRC 區域，眼部介質由於其成分水的強烈吸收而變得不透明。 該區域的吸收主要在角膜和房水中。 超過 1.9 μm，角膜實際上是唯一的吸收器。 由於熱傳導，角膜吸收長波紅外輻射可能會導致眼睛溫度升高。 由於表面角膜細胞的更新速度很快，任何僅限於角膜外層的損傷都可以預期是暫時的。 在 IRC 波段，暴露會導致角膜灼傷，類似於皮膚灼傷。 然而，角膜灼傷不太可能發生，因為強烈暴露引起的疼痛感會引發厭惡反應。
對皮膚的影響
紅外輻射不會很深地穿透皮膚。 因此，皮膚暴露在非常強的紅外線下可能會導致不同程度的局部熱效應，甚至嚴重的灼傷。 對皮膚的影響取決於皮膚的光學特性，例如與波長相關的穿透深度（圖 3 ). 特別是在較長波長下，大量暴露可能會導致局部溫度升高和灼傷。 由於皮膚中熱傳輸過程的物理特性，這些影響的閾值取決於時間。 10 kWm 的輻射 - 2，例如，可能會在 5 秒內引起疼痛感，而 2 kWm 的照射 - 2 不會在短於大約 50 秒的時間內引起相同的反應。
圖 3. 不同波長穿透皮膚的深度
如果暴露時間很長，即使數值遠低於疼痛閾值，熱對人體的負擔也可能很大。 特別是如果暴露覆蓋整個身體，例如在鋼熔體前。 結果可能是生理上平衡良好的體溫調節系統失衡。 耐受這種暴露的閾值將取決於不同的個體和環境條件，例如體溫調節系統的個體能力、暴露期間的實際身體新陳代謝或環境溫度、濕度和空氣流動（風速）。 無需任何體力勞動，最大暴露量為 300 Wm - 2 在某些環境條件下可以容忍超過 140 小時，但該值會降低到大約 XNUMX Wm - 2 在繁重的體力勞動中。
暴露標準
IR 暴露的生物學效應取決於波長和暴露持續時間，僅當超過特定閾值強度或劑量值時才無法忍受。 為了防止這種無法忍受的暴露條件，國際組織，如世界衛生組織 (WHO)、國際勞工局 (ILO)、國際輻射防護協會 (INIRC/IRPA) 的國際非電離輻射委員會，及其繼任者國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP) 和美國政府工業衛生學家會議 (ACGIH) 已經建議了來自相干和非相干光源的紅外輻射的暴露限值。 大多數關於限制人類暴露於紅外輻射的準則的國家和國際建議都是基於甚至與 ACGIH (1993/1994) 發布的建議閾限值 (TLV) 相同的。 這些限制得到廣泛認可，並經常在職業情況下使用。 它們基於當前的科學知識，旨在防止視網膜和角膜的熱損傷，並避免對眼睛晶狀體可能產生的延遲影響。
1994 年修訂的 ACGIH 暴露限值如下：
1. 為了保護視網膜在暴露於可見光的情況下免受熱損傷，（例如，在強光源的情況下），光譜輻射 Lλ 以 W/(m² sr nm) 為單位加權視網膜熱危害函數 Rλ （見表2）在波長間隔Δλ 並在 400 至 1400 nm 波長范圍內求和，不應超過：
哪裡 t 觀看持續時間是否限於從 10-3 到 10 秒（即，對於意外觀察條件，而不是固定觀察），α 是以弧度計算的源的對向角，由 α = 源的最大擴展/到源的距離計算 Rλ （表 2）。
2. 為了保護視網膜免受紅外熱燈或任何沒有強烈視覺刺激的近紅外源的暴露危害，眼睛觀察到的 770 至 1400 nm 波長范圍內的紅外輻射（基於 7 mm 瞳孔）直徑）延長觀察條件的持續時間應限於：
此限制基於 7 毫米的瞳孔直徑，因為在這種情況下，由於沒有可見光，可能不存在厭惡反應（例如閉眼）。
3. 為避免對眼睛晶狀體可能產生的延遲影響，例如遲發性白內障，並保護角膜免受過度曝光，波長大於 770 nm 的紅外輻射應限制在 100 W/m²，持續時間大於 1,000 s並：
或更短的時間。
4. 對於無晶狀體患者，針對紫外線和可見光 (305–700 nm) 的波長范圍給出單獨的加權函數和由此產生的 TLV。
表 2. 視網膜熱危害函數
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波長（納米） |
Rλ |
波長（納米） |
Rλ |
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400 |
1.0 |
460 |
8.0 |
|
405 |
2.0 |
465 |
7.0 |
|
410 |
4.0 |
470 |
6.2 |
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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 |
資料來源：ACGIH 1996。
測量
可靠的輻射測量技術和儀器可以用來分析皮膚和眼睛暴露於光輻射源的風險。 為了表徵傳統光源，測量輻射亮度通常非常有用。 為了定義來自光源的危險暴露條件，輻照度和輻射暴露更為重要。 寬帶光源的評估比單一波長或非常窄波段發射的光源的評估更複雜，因為必須考慮光譜特性和光源尺寸。 某些燈的光譜包括寬波長帶上的連續譜發射和某些單一波長（線）上的發射。 如果每條線中的能量分數未正確添加到連續譜中，則可能會在這些光譜的表示中引入重大錯誤。
對於健康危害評估，必須在指定暴露標準的限制孔徑上測量暴露值。 通常 1 毫米孔徑被認為是最小的實際孔徑尺寸。 大於 0.1 毫米的波長存在困難，因為 1 毫米孔徑會產生顯著的衍射效應。 對於該波段，可接受 1 cm²（直徑 11 毫米）的孔徑，因為該波段中的熱點比較短波長處的熱點大。 對於視網膜危害的評估，孔徑的大小由平均瞳孔大小決定，因此選擇 7 mm 的孔徑。
通常，光學區域的測量非常複雜。 由未經培訓的人員進行的測量可能會得出無效的結論。 在 Sliney 和 Wolbarsht (1980) 中可以找到測量程序的詳細總結。
保護措施
防止暴露於光輻射的最有效的標准保護是光源的整個外殼和可能從光源發出的所有輻射路徑。 通過這些措施，在大多數情況下應該很容易達到接觸限值的要求。 如果不是這種情況，則適用個人保護。 例如，應使用合適的護目鏡或面罩或防護服形式的可用眼部保護裝置。 如果工作條件不允許採取此類措施，則可能需要進行行政控制和限制對高強度源的訪問。 在某些情況下，減少電源功率或工作時間（工作暫停以從熱應激中恢復）或兩者都可能是保護工人的可能措施。
結論
一般來說，來自燈等最常見來源或大多數工業應用的紅外輻射不會對工人造成任何風險。 然而，在某些工作場所，紅外線會給工人帶來健康風險。 此外，工業、科學和醫學中特殊用途燈和高溫過程的應用和使用也迅速增加。 如果這些應用程序的暴露量足夠高，則不能排除有害影響（主要是在眼睛中，但也在皮膚上）。 國際公認的光輻射暴露標準的重要性預計會增加。 為保護工人免受過度暴露，應強制採取防護措施，如防護（眼罩）或防護服。
歸因於紅外輻射的主要不利生物效應是白內障，稱為吹玻璃工或熔爐工人白內障。 即使在相對較低的水平下長期接觸也會對人體造成熱應激。 在這種暴露條件下，必須考慮其他因素，例如體溫和蒸發熱損失以及環境因素。
為了告知和指導工人，工業國家製定了一些實用指南。 在 Sliney 和 Wolbarsht (1980) 中可以找到全面的總結。