36. Luftdruck erhöht
Kapitel-Editor: TJR Francis
Inhaltsverzeichnis
Arbeiten unter erhöhtem Luftdruck
Eric Kindwall
Dees F. Gorman
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1. Anweisungen für Druckluftarbeiter
2. Dekompressionskrankheit: Überarbeitete Klassifizierung
37. Barometrischer Druck reduziert
Kapitel-Editor: Walter Dümmer
Atmungsakklimatisierung an große Höhen
John T. Reeves und John V. Weil
Physiologische Wirkungen von reduziertem Luftdruck
Kenneth I. Berger und William N. Rom
Gesundheitserwägungen für die Verwaltung der Arbeit in großen Höhen
John B. West
Prävention von Arbeitsgefahren in großen Höhen
Walter Dümmer
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38. Biologische Gefahren
Kapitel-Editor: Zuheir Ibrahim Fachri
Biogefahren am Arbeitsplatz
Zuheir I. Fachri
Wassertiere
D. Zanini
Terrestrische giftige Tiere
JA Rioux und B. Juminer
Klinische Merkmale des Schlangenbisses
David A. Warrell
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1. Berufliche Einstellungen mit biologischen Arbeitsstoffen
2. Viren, Bakterien, Pilze & Pflanzen am Arbeitsplatz
3. Tiere als Quelle berufsbedingter Gefahren
39. Katastrophen, natürliche und technologische
Kapitel-Editor: Pier Alberto Bertazzi
Katastrophen und Großunfälle
Pier Alberto Bertazzi
IAO-Übereinkommen zur Verhütung schwerer Industrieunfälle, 1993 (Nr. 174)
Katastrophenvorbereitung
Peter J. Baxter
Aktivitäten nach der Katastrophe
Benedetto Terracini und Ursula Ackermann-Liebrich
Wetterbedingte Probleme
Jean Franz
Lawinen: Gefahren und Schutzmaßnahmen
Gustav Pointtingl
Transport gefährlicher Materialien: Chemisch und radioaktiv
Donald M. Campbell
Strahlenunfälle
Pierre Verger und Denis Winter
Fallstudie: Was bedeutet Dosis?
Arbeitsschutzmaßnahmen in durch Radionuklide kontaminierten landwirtschaftlichen Gebieten: Die Tschernobyl-Erfahrung
Yuri Kundiev, Leonard Dobrovolsky und VI Chernyuk
Fallstudie: Feuer in der Spielzeugfabrik Kader
Casey Cavanaugh Grant
Auswirkungen von Katastrophen: Lehren aus medizinischer Sicht
José Luis Zeballos
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1. Definitionen von Katastrophentypen
2. 25 Jahre durchschnittlich # Opfer nach Art und Region – natürlicher Auslöser
3. 25 Jahre durchschnittlich # Opfer nach Art und Region – nicht natürlicher Auslöser
4. 25-jähriger Durchschnitt # Opfer nach Typ – natürlicher Auslöser (1969-1993)
5. 25-Jahre-Durchschnitt # Opfer nach Typ – nicht natürlicher Auslöser (1969-1993)
6. Natürlicher Auslöser von 1969 bis 1993: Ereignisse über 25 Jahre
7. Nicht natürlicher Auslöser von 1969 bis 1993: Ereignisse über 25 Jahre
8. Natürlicher Auslöser: Anzahl nach globaler Region und Art im Jahr 1994
9. Nicht natürlicher Auslöser: Anzahl nach globaler Region und Art im Jahr 1994
10 Beispiele für Industrieexplosionen
11 Beispiele für Großbrände
12 Beispiele für größere toxische Freisetzungen
13 Rolle des Managements von Großgefahrenanlagen bei der Gefahrenkontrolle
14 Arbeitsmethoden zur Gefährdungsbeurteilung
15 Kriterien der EG-Richtlinie für gefährliche Anlagen
16 Prioritäre Chemikalien, die bei der Identifizierung von Anlagen mit großer Gefährdung verwendet werden
17 Wetterbedingte Berufsrisiken
18 Typische Radionuklide mit ihren radioaktiven Halbwertszeiten
19 Vergleich verschiedener nuklearer Unfälle
20 Kontamination in der Ukraine, Weißrussland und Russland nach Tschernobyl
21 Kontamination Strontium-90 nach dem Unfall von Khyshtym (Ural 1957)
22 Radioaktive Quellen, an denen die breite Öffentlichkeit beteiligt war
23 Hauptunfälle mit industriellen Strahlern
24 Oak Ridge (US) Strahlenunfallregister (weltweit, 1944-88)
25 Muster der beruflichen Exposition gegenüber ionisierender Strahlung weltweit
26 Deterministische Effekte: Schwellenwerte für ausgewählte Organe
27 Patienten mit akutem Bestrahlungssyndrom (AIS) nach Tschernobyl
28 Epidemiologische Krebsstudien zu hochdosierter externer Bestrahlung
29 Schilddrüsenkrebs bei Kindern in Belarus, der Ukraine und Russland, 1981-94
30 Internationales Ausmaß nuklearer Zwischenfälle
31 Allgemeine Schutzmaßnahmen für die allgemeine Bevölkerung
32 Kriterien für Kontaminationszonen
33 Große Katastrophen in Lateinamerika und der Karibik, 1970-93
34 Schäden durch sechs Naturkatastrophen
35 Krankenhäuser und Krankenhausbetten durch 3 große Katastrophen beschädigt/zerstört
36 Opfer in 2 Krankenhäusern, die durch das Erdbeben von 1985 in Mexiko einstürzten
37 Verlust von Krankenhausbetten infolge des Erdbebens in Chile im März 1985
38 Risikofaktoren für Erdbebenschäden an der Krankenhausinfrastruktur
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40. Strom
Kapitel-Editor: Dominique Folliot
Elektrizität – Physiologische Wirkungen
Dominique Folliot
Statische Elektrizität
Claude Mengue
Prävention und Standards
Renzo Comini
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1. Schätzungen der Rate der Stromschläge-1988
2. Grundlegende Zusammenhänge in der Elektrostatik-Gleichungssammlung
3. Elektronenaffinitäten ausgewählter Polymere
4. Typische untere Entflammbarkeitsgrenzen
5. Spezifische Gebühr in Verbindung mit ausgewählten Industriebetrieben
6. Beispiele für elektrostatisch empfindliche Geräte
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41. Feuer
Kapitel-Editor: Casey C. Grant
Grundlegende Konzepte
Dougal Drysdale
Quellen von Brandgefahren
Tamás Banky
Brandschutzmaßnahmen
Peter F. Johnson
Maßnahmen zum passiven Brandschutz
Yngve Anderberg
Aktive Brandschutzmaßnahmen
Gary Taylor
Brandschutz organisieren
S. Dheri
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1. Untere und obere Entflammbarkeitsgrenzen in Luft
2. Flamm- und Brennpunkte von flüssigen und festen Brennstoffen
3. Zündquellen
4. Vergleich der für die Inertisierung erforderlichen Konzentrationen verschiedener Gase
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42. Hitze und Kälte
Kapitel-Editor: Jean-Jacques Vogt
Physiologische Reaktionen auf die thermische Umgebung
W. Larry Kenney
Auswirkungen von Hitzestress und Arbeit in der Hitze
Bodil Nielsen
Hitzestörungen
Tokuo Ogawa
Prävention von Hitzestress
Sarah A. Nunneley
Die physikalischen Grundlagen der Hitzearbeit
Jacques Malchaire
Bewertung von Hitzestress und Hitzestress-Indizes
Kenneth C. Parsons
Fallstudie: Wärmeindizes: Formeln und Definitionen
Wärmeaustausch durch Kleidung
Wouter A. Lotens
Kalte Umgebungen und kalte Arbeit
Ingvar Holmer, Per-Ola Granberg und Goran Dahlström
Vermeidung von Kältestress bei extremen Außenbedingungen
Jacques Bittel und Gustave Savourey
Kalte Indizes und Standards
Ingvar Holmer
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1. Elektrolytkonzentration in Blutplasma und Schweiß
2. Hitzestressindex und zulässige Expositionszeiten: Berechnungen
3. Interpretation der Hitzestressindexwerte
4. Anhaltswerte für Kriterien der thermischen Belastung & Dehnung
5. Modell mit Herzfrequenz zur Beurteilung von Hitzestress
6. WBGT-Referenzwerte
7. Arbeitspraktiken für heiße Umgebungen
8. Berechnung des SWreq-Index & Bewertungsverfahren: Gleichungen
9. Beschreibung der in ISO 7933 (1989b) verwendeten Begriffe
10 WBGT-Werte für vier Arbeitsphasen
11 Basisdaten für die analytische Bewertung nach ISO 7933
12 Analytische Bewertung nach ISO 7933
13 Lufttemperaturen verschiedener kalter Arbeitsumgebungen
14 Dauer von unkompensiertem Kältestress und damit verbundenen Reaktionen
15 Hinweis auf zu erwartende Wirkungen bei leichter und schwerer Kälteeinwirkung
16 Körpergewebetemperatur und körperliche Leistungsfähigkeit des Menschen
17 Menschliche Reaktionen auf Abkühlung: Indikative Reaktionen auf Hypothermie
18 Gesundheitsempfehlungen für Personal, das Kältestress ausgesetzt ist
19 Konditionierungsprogramme für kälteexponierte Arbeiter
20 Prävention & Linderung von Kältestress: Strategien
21 Strategien & Maßnahmen bezogen auf spezifische Faktoren & Ausstattung
22 Allgemeine Anpassungsmechanismen an Kälte
23 Anzahl der Tage, an denen die Wassertemperatur unter 15 ºC liegt
24 Lufttemperaturen verschiedener kalter Arbeitsumgebungen
25 Schematische Einteilung der Kaltarbeit
26 Klassifizierung der Stoffwechselrate
27 Beispiele für grundlegende Isolationswerte von Kleidung
28 Klassifizierung des thermischen Widerstands gegen Abkühlung von Handschuhen
29 Klassifizierung des thermischen Kontaktwiderstands von Handschuhen
30 Windchill-Index, Temperatur und Gefrierzeit von exponiertem Fleisch
31 Kühlende Kraft des Windes auf exponiertem Fleisch
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43. Arbeitszeit
Kapitel-Editor: Peter Knauth
Stunden der Arbeit
Peter Knauth
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1. Zeitintervalle vom Beginn der Schichtarbeit bis zu drei Erkrankungen
2. Schichtarbeit & Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen
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44. Raumluftqualität Indoor
Kapitel-Editor: Xavier Guardino Solá
Raumluftqualität: Einführung
Xavier Guardino Solá
Art und Quellen chemischer Schadstoffe in Innenräumen
Derrick Crump
Radon
Maria José Berenguer
Tabakrauch
Dietrich Hoffmann und Ernst L. Wynder
Raucherordnung
Xavier Guardino Solá
Messung und Bewertung chemischer Schadstoffe
M. Gracia Rosell Farrás
Biologische Kontamination
Brian Flannigan
Vorschriften, Empfehlungen, Richtlinien und Standards
Maria José Berenguer
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1. Klassifizierung von organischen Schadstoffen in Innenräumen
2. Formaldehydemission aus einer Vielzahl von Materialien
3. Ttl. flüchtige organische Verbindungen, Konz., Wand-/Bodenbeläge
4. Konsumgüter und andere Quellen flüchtiger organischer Verbindungen
5. Haupttypen und -konzentrationen im städtischen Vereinigten Königreich
6. Feldmessungen von Stickoxiden und Kohlenmonoxid
7. Giftige und tumorerzeugende Stoffe im Nebenstromrauch von Zigaretten
8. Giftige und tumorerzeugende Stoffe aus Tabakrauch
9. Cotinin im Urin bei Nichtrauchern
10 Methodik zur Probenentnahme
11 Nachweisverfahren für Gase in der Raumluft
12 Methoden zur Analyse chemischer Schadstoffe
13 Niedrigere Nachweisgrenzen für einige Gase
14 Arten von Pilzen, die Rhinitis und/oder Asthma verursachen können
15 Mikroorganismen und extrinsische allergische Alveolitis
16 Mikroorganismen in nichtindustrieller Raumluft und Staub
17 Standards der Luftqualität, die von der US EPA festgelegt wurden
18 WHO-Richtlinien für Nicht-Krebs- und Nicht-Geruchsbelästigung
19 WHO-Richtwerte basierend auf sensorischen Effekten oder Belästigung
20 Referenzwerte für Radon von drei Organisationen
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45. Raumklimakontrolle
Kapitel-Editor: Juan Guasch Farras
Kontrolle von Innenräumen: Allgemeine Grundsätze
A. Hernández Calleja
Raumluft: Methoden zur Kontrolle und Reinigung
E. Adán Liébana und A. Hernández Calleja
Ziele und Prinzipien der allgemeinen und verdünnten Belüftung
Emilio Castejon
Lüftungskriterien für nichtindustrielle Gebäude
A. Hernández Calleja
Heizungs- und Klimaanlagen
F. Ramos Pérez und J. Guasch Farrás
Raumluft: Ionisierung
E. Adán Liébana und J. Guasch Farrás
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1. Die häufigsten Schadstoffe in Innenräumen und ihre Quellen
2. Grundvoraussetzungen Verdünnungslüftungssystem
3. Kontrollmaßnahmen & ihre Auswirkungen
4. Anpassungen an Arbeitsumgebung & Effekten
5. Wirksamkeit von Filtern (ASHRAE-Standard 52-76)
6. Reagenzien, die als Absorptionsmittel für Verunreinigungen verwendet werden
7. Qualitätsstufen der Raumluft
8. Kontamination durch die Bewohner eines Gebäudes
9. Belegungsgrade verschiedener Gebäude
10 Kontamination durch das Gebäude
11 Qualitätsstufen der Außenluft
12 Vorgeschlagene Normen für Umweltfaktoren
13 Thermische Behaglichkeitstemperaturen (nach Fanger)
14 Eigenschaften von Ionen
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46. Beleuchtung
Kapitel-Editor: Juan Guasch Farras
Arten von Lampen und Beleuchtung
Richard Forster
Erforderliche Bedingungen für Visual
Fernando Ramos Pérez und Ana Hernández Calleja
Allgemeine Lichtverhältnisse
N. Alan Smith
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1. Verbesserte Leistung und Wattzahl von einigen 1,500-mm-Leuchtstoffröhrenlampen
2. Typische Lampenwirkungsgrade
3. International Lamp Coding System (ILCOS) für einige Lampentypen
4. Gängige Farben und Formen von Glühlampen und ILCOS-Codes
5. Arten von Natriumdampf-Hochdrucklampen
6. Farbkontraste
7. Reflexionsfaktoren verschiedener Farben & Materialien
8. Empfohlene Niveaus der aufrechterhaltenen Beleuchtungsstärke für Orte/Aufgaben
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47. Lärm
Kapitel-Editor: Alice H. Suter
Die Natur und Wirkung von Lärm
Alice H. Suter
Lärmmessung und Belastungsbewertung
Eduard I. Denisov und German A. Suworow
Technischer Lärmschutz
Dennis P. Driscoll
Hörerhaltungsprogramme
Larry H. Royster und Julia Doswell Royster
Normen und Vorschriften
Alice H. Suter
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1. Zulässige Expositionsgrenzwerte (PEL) für Lärmbelastung, nach Land
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48. Strahlung: Ionisierend
Kapitelherausgeber: Robert N. Cherry, Jr.
Einleitung
Robert N. Kirsche, Jr.
Strahlenbiologie und biologische Wirkungen
Arthur C. Upton
Quellen ionisierender Strahlung
Robert N. Kirsche, Jr.
Arbeitsplatzgestaltung für Strahlenschutz
Gordon M. Lodde
Strahlenschutz
Robert N. Kirsche, Jr.
Planung und Management von Strahlenunfällen
Sydney W. Porter, Jr.
49. Strahlung, nichtionisierend
Kapitel-Editor: Bengt Knave
Elektrische und magnetische Felder und Gesundheitsergebnisse
Bengt Knave
Das elektromagnetische Spektrum: Grundlegende physikalische Eigenschaften
Kjell Hansson Mild
UV-Strahlung
David H. Sliney
Infrarotstrahlung
R. Matthes
Licht und Infrarotstrahlung
David H. Sliney
Laser
David H. Sliney
Hochfrequenzfelder und Mikrowellen
Kjell Hansson Mild
VLF und ELF Elektrische und magnetische Felder
Michael H. Repacholi
Statische elektrische und magnetische Felder
Martino Grandolfo
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1. Quellen und Expositionen für IR
2. Thermische Gefahrenfunktion der Netzhaut
3. Expositionsgrenzen für typische Laser
4. Anwendungen von Geräten mit einem Bereich > 0 bis 30 kHz
5. Berufliche Expositionsquellen gegenüber Magnetfeldern
6. Auswirkungen von Strömen, die durch den menschlichen Körper fließen
7. Biologische Effekte verschiedener Stromdichtebereiche
8. Arbeitsplatzgrenzwerte – elektrische/magnetische Felder
9. Studien an Tieren, die statischen elektrischen Feldern ausgesetzt waren
10 Wichtige Technologien und große statische Magnetfelder
11 ICNIRP-Empfehlungen für statische Magnetfelder
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50. Vibrationen
Kapitel-Editor: Michael J. Griffin
Vibration
Michael J. Griffin
Ganzkörper-Vibration
Helmut Seidel und Michael J. Griffin
Handübertragene Vibration
Massimo Bovenzi
Bewegungskrankheit
Alan J. Benson
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1. Aktivitäten mit negativen Auswirkungen von Ganzkörpervibrationen
2. Vorbeugende Maßnahmen bei Ganzkörpervibrationen
3. Von Hand übertragene Vibrationsbelastungen
4. Stages, Stockholm Workshop Scale, Hand-Arm-Vibrationssyndrom
5. Raynaud-Phänomen & Hand-Arm-Vibrationssyndrom
6. Grenzwerte für handübertragene Schwingungen
7. Richtlinie des Rates der Europäischen Union: Handübertragene Schwingungen (1994)
8. Vibrationsstärken zum Fingerblanchieren
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51. Gewalt
Kapitel-Editor: Leon J. Warschau
Gewalt am Arbeitsplatz
Leon J. Warschau
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1. Höchste Arbeitsmordraten, US-Arbeitsplätze, 1980-1989
2. Höchste Raten berufsbedingter Tötungsdelikte in den USA, 1980-1989
3. Risikofaktoren für Tötungsdelikte am Arbeitsplatz
4. Leitfäden für Programme zur Prävention von Gewalt am Arbeitsplatz
52. Visuelle Anzeigeeinheiten
Kapitel-Editor: Diana Berthelette
Überblick
Diana Berthelette
Merkmale von Bildschirmarbeitsplätzen
Ahmet Çakir
Augen- und Sehprobleme
Paule Rey und Jean-Jacques Meyer
Gefahren für die Fortpflanzung – Experimentelle Daten
Ulf Bergqvist
Auswirkungen auf die Fortpflanzung - menschliche Beweise
Claire Infante-Rivard
Fallstudie: Eine Zusammenfassung von Studien zu reproduktiven Ergebnissen
Störung des Bewegungsapparates
Gabriele Bammer
Hautprobleme
Mats Berg und Sture Lidén
Psychosoziale Aspekte der Bildschirmarbeit
Michael J. Smith und Pascale Carayon
Ergonomische Aspekte der Mensch-Computer-Interaktion
Jean Marc Robert
Ergonomie-Standards
Tom FM Stewart
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1. Verteilung von Computern in verschiedenen Regionen
2. Häufigkeit und Wichtigkeit von Ausrüstungselementen
3. Prävalenz von Augensymptomen
4. Teratologische Studien mit Ratten oder Mäusen
5. Teratologische Studien mit Ratten oder Mäusen
6. VDU-Nutzung als Faktor für ungünstige Schwangerschaftsergebnisse
7. Analysen zur Untersuchung verursacht muskuloskelettale Probleme
8. Faktoren, von denen angenommen wird, dass sie Muskel-Skelett-Probleme verursachen
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In Bezug auf die Heizung hängt der Bedarf einer bestimmten Person von vielen Faktoren ab. Sie können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden, diejenigen, die sich auf die Umgebung beziehen, und diejenigen, die sich auf menschliche Faktoren beziehen. Zu den Faktoren, die sich auf die Umgebung beziehen, zählen die Geografie (Breite und Höhe), das Klima, die Art der Exposition des Raums, in dem sich die Person befindet, oder die Barrieren, die den Raum vor der äußeren Umgebung schützen, usw. Zu den menschlichen Faktoren gehören die der Energieverbrauch des Arbeiters, das Arbeitstempo oder die für die Arbeit erforderliche Anstrengung, die Kleidung oder Kleidungsstücke, die gegen die Kälte verwendet werden, und persönliche Vorlieben oder Geschmäcker.
Der Heizbedarf ist in vielen Regionen saisonal bedingt, was jedoch nicht bedeutet, dass das Heizen in der kalten Jahreszeit entbehrlich ist. Kalte Umgebungsbedingungen beeinträchtigen die Gesundheit, geistige und körperliche Leistungsfähigkeit, Präzision und können gelegentlich das Unfallrisiko erhöhen. Das Ziel eines Heizsystems ist es, angenehme thermische Bedingungen aufrechtzuerhalten, die gesundheitliche Beeinträchtigungen verhindern oder minimieren.
Die physiologischen Eigenschaften des menschlichen Körpers erlauben es ihm, großen Schwankungen der thermischen Bedingungen standzuhalten. Menschen halten ihr thermisches Gleichgewicht durch den Hypothalamus mittels thermischer Rezeptoren in der Haut aufrecht; Die Körpertemperatur wird zwischen 36 und 38 °C gehalten, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Abbildung 1. Thermoregulationsmechanismen beim Menschen
Heizsysteme müssen über sehr präzise Steuerungsmechanismen verfügen, insbesondere wenn Arbeiter ihre Arbeit in einer sitzenden oder festen Position ausführen, die die Durchblutung der Extremitäten nicht anregt. Wo die geleistete Arbeit eine gewisse Mobilität zulässt, kann die Steuerung des Systems etwas ungenauer sein. Schließlich können, wenn die ausgeführten Arbeiten unter außergewöhnlich widrigen Bedingungen stattfinden, wie in Kühlkammern oder unter sehr kalten klimatischen Bedingungen, unterstützende Maßnahmen ergriffen werden, um spezielle Gewebe zu schützen, die unter diesen Bedingungen verbrachte Zeit zu regulieren oder Wärme durch eingebaute elektrische Systeme zu liefern in die Arbeiterkleidung.
Definition und Beschreibung der thermischen Umgebung
Eine Anforderung, die von jedem ordnungsgemäß funktionierenden Heizungs- oder Klimaanlagensystem verlangt werden kann, besteht darin, dass es die Steuerung der Variablen, die die thermische Umgebung definieren, innerhalb festgelegter Grenzen für jede Jahreszeit ermöglichen sollte. Diese Variablen sind
Es hat sich gezeigt, dass es eine sehr einfache Beziehung zwischen der Temperatur der Luft und der Wandoberflächen eines bestimmten Raums und den Temperaturen gibt, die in einem anderen Raum das gleiche wahrgenommene thermische Gefühl vermitteln. Diese Beziehung kann ausgedrückt werden als
woher
Tessen = äquivalente Lufttemperatur für eine gegebene thermische Empfindung
Tdbt = Lufttemperatur gemessen mit einem Trockenkugelthermometer
Tast = gemessene mittlere Oberflächentemperatur der Wände.
Wenn beispielsweise in einem bestimmten Raum die Luft und die Wände 20 °C haben, beträgt die entsprechende Temperatur 20 °C, und das wahrgenommene Wärmegefühl ist das gleiche wie in einem Raum, in dem die durchschnittliche Temperatur der Wände liegt 15°C und die Lufttemperatur 25°C, weil dieser Raum die gleiche äquivalente Temperatur hätte. Vom Standpunkt der Temperatur aus wäre das wahrgenommene Gefühl des thermischen Komforts das gleiche.
Eigenschaften feuchter Luft
Bei der Umsetzung eines Klimatisierungsplans müssen drei Dinge berücksichtigt werden: der thermodynamische Zustand der Luft im gegebenen Raum, der Außenluft und der Luft, die dem Raum zugeführt wird. Die Auswahl eines Systems, das in der Lage ist, die thermodynamischen Eigenschaften der dem Raum zugeführten Luft umzuwandeln, basiert dann auf den vorhandenen thermischen Belastungen jeder Komponente. Dazu müssen wir die thermodynamischen Eigenschaften feuchter Luft kennen. Sie sind wie folgt:
Tdbt = Trockenkugeltemperatur, gemessen mit einem vor Strahlungswärme isolierten Thermometer
Tdpt = der Messwert der Taupunkttemperatur. Dies ist die Temperatur, bei der ungesättigte trockene Luft den Sättigungspunkt erreicht
W = ein Feuchtigkeitsverhältnis, das von Null für trockene Luft bis W reichts für gesättigte Luft. Sie wird ausgedrückt als kg Wasserdampf pro kg trockener Luft
RH = relative Luftfeuchtigkeit
t* = thermodynamische Temperatur bei feuchter Kugel
v = spezifisches Luft- und Wasserdampfvolumen (ausgedrückt in Einheiten von m3/kg). Es ist die Umkehrung der Dichte
H = Enthalpie, kcal/kg trockene Luft und zugehöriger Wasserdampf.
Von den oben genannten Variablen sind nur drei direkt messbar. Dies sind die Trockenkugeltemperatur, die Taupunkttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit. Es gibt eine vierte experimentell messbare Variable, die als Feuchtkugeltemperatur definiert ist. Die Feuchtkugeltemperatur wird mit einem Thermometer gemessen, dessen Kugel angefeuchtet wurde und das typischerweise mit Hilfe einer Schlinge mit mäßiger Geschwindigkeit durch ungesättigte feuchte Luft bewegt wird. Diese Größe weicht nur unwesentlich von der thermodynamischen Temperatur bei einer Trockenkugel (3 Prozent) ab, sodass beide für Berechnungen ohne große Fehler verwendet werden können.
Psychrometrisches Diagramm
Die im vorigen Abschnitt definierten Eigenschaften stehen in einem funktionalen Zusammenhang und können grafisch dargestellt werden. Diese grafische Darstellung wird als psychrometrisches Diagramm bezeichnet. Es handelt sich um ein vereinfachtes Diagramm, das aus Tabellen der American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) abgeleitet wurde. An den Koordinaten des Diagramms sind Enthalpie und Feuchtegrad dargestellt; die eingezeichneten Linien zeigen trockene und feuchte Temperaturen, relative Luftfeuchtigkeit und spezifisches Volumen. Mit dem psychrometrischen Diagramm können Sie alle Eigenschaften feuchter Luft ableiten, wenn Sie zwei der oben genannten Variablen kennen.
Bedingungen für thermischen Komfort
Thermischer Komfort ist definiert als ein Geisteszustand, der Zufriedenheit mit der thermischen Umgebung ausdrückt. Sie wird von physikalischen und physiologischen Faktoren beeinflusst.
Es ist schwierig, allgemeine Bedingungen vorzuschreiben, die für den thermischen Komfort erfüllt werden sollten, da die Bedingungen in verschiedenen Arbeitssituationen unterschiedlich sind; Es könnten sogar unterschiedliche Bedingungen für denselben Arbeitsplatz erforderlich sein, wenn er von verschiedenen Personen besetzt ist. Aufgrund der unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und der unterschiedlichen Kleidungssitten kann eine technische Norm für die für den Komfort erforderlichen thermischen Bedingungen nicht auf alle Länder angewendet werden.
Es wurden Studien mit Arbeitern durchgeführt, die leichte Handarbeit verrichten, wobei eine Reihe von Kriterien für Temperatur, Geschwindigkeit und Feuchtigkeit aufgestellt wurden, die in Tabelle 1 aufgeführt sind (Bedford und Chrenko 1974).
Tabelle 1. Vorgeschlagene Normen für Umweltfaktoren
Umweltfaktor |
Vorgeschlagene Norm |
Lufttemperatur |
21 ° C |
Durchschnittliche Strahlungstemperatur |
≥ 21 °C |
Relative Luftfeuchte |
30-70% |
Geschwindigkeit des Luftstroms |
0.05–0.1 Meter/Sekunde |
Temperaturgradient (von Kopf bis Fuß) |
≤ 2.5 ° C |
Die oben genannten Faktoren sind miteinander verknüpft und erfordern eine niedrigere Lufttemperatur in Fällen, in denen eine hohe Wärmestrahlung vorhanden ist, und eine höhere Lufttemperatur, wenn die Geschwindigkeit des Luftstroms ebenfalls höher ist.
Im Allgemeinen sollten folgende Korrekturen durchgeführt werden:
Die Lufttemperatur sollte erhöht werden:
Die Lufttemperatur sollte gesenkt werden:
Für ein gutes Gefühl thermischer Behaglichkeit ist die wünschenswerteste Situation eine Situation, in der die Umgebungstemperatur etwas höher ist als die Temperatur der Luft, und in der der Strom der abgestrahlten Wärmeenergie in alle Richtungen gleich ist und nicht übermäßig hoch ist. Der Temperaturanstieg durch die Höhe sollte minimiert werden, um die Füße warm zu halten, ohne eine zu große thermische Belastung über Kopf zu erzeugen. Ein wichtiger Faktor, der das thermische Komfortempfinden beeinflusst, ist die Geschwindigkeit des Luftstroms. Es gibt Diagramme, die empfohlene Luftgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der ausgeübten Tätigkeit und der Art der verwendeten Kleidung angeben (Abbildung 2).
Abbildung 2. Komfortzonen basierend auf Messwerten der Gesamttemperatur und der Geschwindigkeit der Luftströmungen
In einigen Ländern gibt es Normen für minimale Umgebungstemperaturen, aber optimale Werte wurden noch nicht festgelegt. Typischerweise wird der Maximalwert für die Lufttemperatur mit 20°C angegeben. Mit den jüngsten technischen Verbesserungen hat die Komplexität der Messung des thermischen Komforts zugenommen. Viele Indizes sind erschienen, darunter der Index der effektiven Temperatur (ET) und der Index der effektiven Temperatur, korrigiert (CET); der Index der Kalorienüberladung; der Hitzestressindex (HSI); die Feuchtkugeltemperatur (WBGT); und unter anderem der Fanger-Index der Medianwerte (IMV). Der WBGT-Index ermöglicht es uns, die erforderlichen Ruhepausen in Abhängigkeit von der Intensität der geleisteten Arbeit zu bestimmen, um thermische Belastungen unter Arbeitsbedingungen auszuschließen. Dies wird ausführlicher in dem Kapitel besprochen Hitze und Kälte.
Thermische Komfortzone in einem psychrometrischen Diagramm
Der Bereich des psychrometrischen Diagramms, der den Bedingungen entspricht, unter denen ein Erwachsener thermischen Komfort wahrnimmt, wurde sorgfältig untersucht und in der ASHRAE-Norm basierend auf der effektiven Temperatur definiert, die als die mit einem Trockenkugelthermometer in einem einheitlichen Raum mit 50 gemessene Temperatur definiert ist Prozent relative Luftfeuchtigkeit, wo Menschen den gleichen Wärmeaustausch durch Strahlungsenergie, Konvektion und Verdunstung hätten wie bei der Luftfeuchtigkeit in der gegebenen lokalen Umgebung. Die Skala der effektiven Temperatur wird von ASHRAE für ein Bekleidungsniveau von 0.6 clo definiert – clo ist eine Isolationseinheit; 1 clo entspricht der Isolierung eines normalen Kleidungsstücks – das setzt eine Wärmeisolierung von 0.155 K m voraus2W-1, wobei K der Wärmeaustausch durch Leitung ist, gemessen in Watt pro Quadratmeter (W m-2) für eine Luftbewegung von 0.2 ms-1 (in Ruhe), für eine Exposition von einer Stunde bei einer gewählten sitzenden Aktivität von 1 Met (Einheit der Stoffwechselrate = 50 Kcal/m2h). Diese Komfortzone ist in Abbildung 2 zu sehen und kann für thermische Umgebungen verwendet werden, in denen die durch Strahlungswärme gemessene Temperatur ungefähr der von einem Trockenkugelthermometer gemessenen Temperatur entspricht und in der die Geschwindigkeit des Luftstroms unter 0.2 ms liegt-1 für leicht bekleidete Personen mit sitzender Tätigkeit.
Komfort-Formel: Die Fanger-Methode
Das von PO Fanger entwickelte Verfahren basiert auf einer Formel, die die Variablen Umgebungstemperatur, durchschnittliche Strahlungstemperatur, relative Geschwindigkeit des Luftstroms, Wasserdampfdruck in der Umgebungsluft, Aktivitätsgrad und Wärmewiderstand der getragenen Kleidung in Beziehung setzt. Ein von der Komfortformel abgeleitetes Beispiel ist in Tabelle 2 dargestellt, das in Abhängigkeit von der getragenen Kleidung, der Stoffwechselrate der ausgeübten Aktivität und der Geschwindigkeit des Luftstroms in praktischen Anwendungen zum Erreichen einer angenehmen Temperatur verwendet werden kann.
Tabelle 2. Thermische Behaglichkeitstemperaturen (°C), bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit (basierend auf der Formel von PO Fanger)
Stoffwechsel (Watt) |
105 |
|||
Strahlungstemperatur |
clo |
20 ° C |
25 ° C |
30 ° C |
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
30.5 |
29.0 |
27.0 |
|
1.5 |
30.6 |
29.5 |
28.3 |
|
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
26.7 |
24.3 |
22.7 |
|
1.5 |
27.0 |
25.7 |
24.5 |
|
Stoffwechsel (Watt) |
157 |
|||
Strahlungstemperatur |
clo |
20 ° C |
25 ° C |
30 ° C |
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
23.0 |
20.7 |
18.3 |
|
1.5 |
23.5 |
23.3 |
22.0 |
|
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
16.0 |
14.0 |
11.5 |
|
1.5 |
18.3 |
17.0 |
15.7 |
|
Stoffwechsel (Watt) |
210 |
|||
Strahlungstemperatur |
clo |
20 ° C |
25 ° C |
30 ° C |
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
15.0 |
13.0 |
7.4 |
|
1.5 |
18.3 |
17.0 |
16.0 |
|
Kleidung (clo) |
|
|
|
|
0.5 |
-1.5 |
-3.0 |
/ |
|
1.5 |
-5.0 |
2.0 |
1.0 |
Heizsysteme
Das Design eines Heizsystems sollte in direktem Zusammenhang mit den auszuführenden Arbeiten und den Eigenschaften des Gebäudes stehen, in dem es installiert wird. Bei Industriegebäuden ist es schwierig, Projekte zu finden, bei denen der Wärmebedarf der Arbeiter berücksichtigt wird, oft weil die Prozesse und Arbeitsplätze noch definiert werden müssen. Normalerweise werden Systeme mit sehr freier Reichweite ausgelegt, wobei nur die Wärmelasten berücksichtigt werden, die im Gebäude vorhanden sein werden, und die Wärmemenge, die zugeführt werden muss, um eine bestimmte Temperatur im Gebäude aufrechtzuerhalten, ohne Rücksicht auf die Wärmeverteilung, die Situation der Arbeitsplätze und andere ähnlich weniger allgemeine Faktoren. Dies führt zu Mängeln in der Konstruktion bestimmter Gebäude, die sich in Mängeln wie kalten Stellen, Zugluft, einer unzureichenden Anzahl von Heizelementen und anderen Problemen niederschlagen.
Um am Ende bei der Planung eines Gebäudes auf ein gutes Heizsystem zu kommen, sollten unter anderem folgende Überlegungen angestellt werden:
Bei Beheizung mit Brennern ohne Abgaskamine ist besonders auf das Einatmen der Verbrennungsprodukte zu achten. Wenn die brennbaren Materialien Heizöl, Gas oder Koks sind, erzeugen sie normalerweise Schwefeldioxid, Stickoxide, Kohlenmonoxid und andere Verbrennungsprodukte. Es gibt Grenzwerte für die Exposition des Menschen für diese Verbindungen, und sie sollten kontrolliert werden, insbesondere in geschlossenen Räumen, in denen die Konzentration dieser Gase schnell ansteigen und die Effizienz der Verbrennungsreaktion abnehmen kann.
Bei der Planung einer Heizungsanlage müssen immer verschiedene Überlegungen wie niedrige Anschaffungskosten, Flexibilität der Dienstleistung, Energieeffizienz und Anwendbarkeit gegeneinander abgewogen werden. Daher könnte beispielsweise die Nutzung von Strom außerhalb der Spitzenzeiten, wenn er möglicherweise billiger ist, elektrische Heizungen rentabel machen. Eine weitere Option ist der Einsatz chemischer Systeme zur Wärmespeicherung, die dann bei Bedarfsspitzen zum Einsatz kommen können (z. B. mit Natriumsulfid). Es ist auch möglich, die Platzierung mehrerer verschiedener Systeme zusammen zu untersuchen, damit sie so funktionieren, dass die Kosten optimiert werden können.
Besonders interessant ist der Einbau von Heizungen, die mit Gas oder Heizöl betrieben werden können. Die direkte Nutzung von Strom bedeutet den Verbrauch erstklassiger Energie, die sich in vielen Fällen als kostspielig erweisen kann, aber unter Umständen die erforderliche Flexibilität ermöglicht. Wärmepumpen und andere KWK-Anlagen, die Restwärme nutzen, können wirtschaftlich sehr vorteilhafte Lösungen bieten. Das Problem bei diesen Systemen sind ihre hohen Anschaffungskosten.
Heizungs- und Klimaanlagen zielen heute tendenziell auf optimale Funktion und Energieeinsparung ab. Neue Systeme umfassen daher Sensoren und Steuerungen, die in den zu beheizenden Räumen verteilt sind und nur während der Zeiten Wärme liefern, die zur Erzielung eines thermischen Komforts erforderlich sind. Diese Systeme können bis zu 30 % der Heizenergiekosten einsparen. Abbildung 3 zeigt einige der verfügbaren Heizsysteme mit ihren positiven Eigenschaften und ihren Nachteilen.
Abbildung 3. Eigenschaften der am häufigsten auf Baustellen eingesetzten Heizsysteme
Klimaanlagen
Die Erfahrung zeigt, dass Industrieumgebungen, die während der Sommermonate nahe an der Komfortzone liegen, die Produktivität steigern, tendenziell weniger Unfälle verzeichnen, weniger Fehlzeiten aufweisen und im Allgemeinen zu besseren zwischenmenschlichen Beziehungen beitragen. Bei Einzelhandelsgeschäften, Krankenhäusern und Gebäuden mit großen Flächen muss die Klimaanlage normalerweise so eingestellt werden, dass sie thermischen Komfort bieten kann, wenn die Außenbedingungen dies erfordern.
In bestimmten industriellen Umgebungen, in denen die äußeren Bedingungen sehr streng sind, ist das Ziel von Heizsystemen eher darauf ausgerichtet, genügend Wärme bereitzustellen, um mögliche schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit zu verhindern, als genügend Wärme für eine angenehme thermische Umgebung bereitzustellen. Faktoren, die sorgfältig überwacht werden sollten, sind die Wartung und die ordnungsgemäße Verwendung der Klimaanlagen, insbesondere wenn sie mit Luftbefeuchtern ausgestattet sind, da sie zu Quellen mikrobieller Kontamination mit den Risiken werden können, die diese Verunreinigungen für die menschliche Gesundheit darstellen können.
Heutzutage decken Lüftungs- und Klimatisierungssysteme in der Regel gemeinsam und oft mit derselben Installation den Bedarf zum Heizen, Kühlen und Konditionieren der Luft eines Gebäudes. Für Kühlsysteme können mehrere Klassifizierungen verwendet werden.
Abhängig von der Konfiguration des Systems können sie wie folgt klassifiziert werden:
Abhängig von der Deckung, die sie bieten, können sie wie folgt klassifiziert werden:
Die Probleme, die diese Art von Systemen am häufigsten plagen, sind übermäßiges Heizen oder Kühlen, wenn das System nicht angepasst ist, um auf Schwankungen der thermischen Belastung zu reagieren, oder mangelnde Belüftung, wenn das System nicht eine minimale Menge Außenluft einführt, um die Zirkulation zu erneuern Innenluft. Dadurch entsteht ein abgestandenes Innenraumklima, in dem sich die Luftqualität verschlechtert.
Die Grundelemente aller Klimaanlagen sind (siehe auch Abbildung 4):
Abbildung 4. Vereinfachtes Schema der Klimaanlage
Die Ionisierung ist eine der Techniken, die verwendet wird, um Partikel aus der Luft zu entfernen. Ionen wirken als Kondensationskerne für kleine Partikel, die beim Zusammenkleben wachsen und ausfallen.
Die Ionenkonzentration in geschlossenen Innenräumen ist in der Regel und wenn keine zusätzlichen Ionenquellen vorhanden sind, geringer als in offenen Räumen. Daher die Überzeugung, dass eine Erhöhung der Konzentration negativer Ionen in der Raumluft die Luftqualität verbessert.
Einige Studien, die auf epidemiologischen Daten und geplanter experimenteller Forschung basieren, behaupten, dass eine Erhöhung der Konzentration negativer Ionen in Arbeitsumgebungen zu einer verbesserten Arbeitseffizienz führt und die Stimmung der Mitarbeiter verbessert, während positive Ionen eine negative Wirkung haben. Parallele Studien zeigen jedoch, dass die vorhandenen Daten zu den Auswirkungen negativer Ionisierung auf die Produktivität der Arbeitnehmer inkonsistent und widersprüchlich sind. Daher scheint es immer noch nicht möglich zu sein, eindeutig zu behaupten, dass die Erzeugung negativer Ionen wirklich vorteilhaft ist.
Natürliche Ionisierung
Einzelne Gasmoleküle in der Atmosphäre können durch Aufnahme eines Elektrons negativ oder durch Abgabe eines Elektrons positiv ionisiert werden. Damit dies geschehen kann, muss ein bestimmtes Molekül zunächst genügend Energie gewinnen – normalerweise als Energie bezeichnet Ionisationsenergie dieses bestimmten Moleküls. In der Natur kommen viele Energiequellen sowohl kosmischen als auch terrestrischen Ursprungs vor, die dieses Phänomen hervorrufen können: Hintergrundstrahlung in der Atmosphäre; elektromagnetische Sonnenwellen (insbesondere ultraviolette), kosmische Strahlung, Zerstäubung von Flüssigkeiten wie der Sprühnebel von Wasserfällen, die Bewegung großer Luftmassen über der Erdoberfläche, elektrische Phänomene wie Blitze und Stürme, Verbrennungsprozesse und radioaktive Substanzen .
Die elektrischen Konfigurationen der auf diese Weise gebildeten Ionen scheinen, obwohl sie noch nicht vollständig bekannt sind, die Ionen der Karbonisierung und des H einzuschließen+, H3O+, The+, N+, OH-, H2O- und O2-. Diese ionisierten Moleküle können sich durch Adsorption an schwebenden Partikeln (Nebel, Kieselsäure und andere Verunreinigungen) ansammeln. Ionen werden nach ihrer Größe und ihrer Mobilität klassifiziert. Letzteres ist definiert als eine Geschwindigkeit in einem elektrischen Feld, ausgedrückt als Einheit wie Zentimeter pro Sekunde mal Spannung pro Zentimeter (cm/s/V/cm), oder, kompakter,
Atmosphärische Ionen neigen dazu, durch Rekombination zu verschwinden. Ihre Halbwertszeit hängt von ihrer Größe ab und ist umgekehrt proportional zu ihrer Mobilität. Negative Ionen sind statistisch kleiner und haben eine Halbwertszeit von mehreren Minuten, während positive Ionen größer sind und ihre Halbwertszeit etwa eine halbe Stunde beträgt. Das räumliche Ladung ist der Quotient aus der Konzentration positiver Ionen und der Konzentration negativer Ionen. Der Wert dieser Beziehung ist größer als eins und hängt von Faktoren wie Klima, Standort und Jahreszeit ab. In Wohnräumen kann dieser Koeffizient Werte kleiner eins annehmen. Die Eigenschaften sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1. Eigenschaften von Ionen mit bestimmten Mobilitäten und Durchmessern
Mobilität (cm2/Vs) |
Durchmesser (mm) |
Eigenschaften |
3.0-0.1 |
0.001-0.003 |
Klein, hohe Mobilität, kurze Lebensdauer |
0.1-0.005 |
0.003-0.03 |
Mittelstufe, langsamer als kleine Ionen |
0.005-0.002 |
> 0.03 |
Langsame Ionen, Aggregate auf Partikeln |
Künstliche Ionisation
Menschliche Aktivitäten verändern die natürliche Ionisierung der Luft. Künstliche Ionisierung kann durch industrielle und nukleare Prozesse und Brände verursacht werden. In der Luft schwebender Feinstaub begünstigt die Bildung von Langevin-Ionen (auf Feinstaub aggregierte Ionen). Elektrische Strahler erhöhen die Konzentration positiver Ionen erheblich. Auch Klimaanlagen erhöhen die räumliche Aufladung der Raumluft.
An Arbeitsplätzen gibt es Maschinen, die gleichzeitig positive und negative Ionen produzieren, wie im Fall von Maschinen, die wichtige lokale Quellen mechanischer Energie (Pressen, Spinn- und Webmaschinen), elektrischer Energie (Motoren, elektronische Drucker, Kopierer, Hochspannungsleitungen und -installationen) sind ), elektromagnetische Energie (Kathodenstrahlbildschirme, Fernseher, Computermonitore) oder radioaktive Energie (Kobalt-42-Therapie). Diese Art von Ausrüstung schafft Umgebungen mit höheren Konzentrationen an positiven Ionen aufgrund der höheren Halbwertszeit der letzteren im Vergleich zu negativen Ionen.
Umweltkonzentrationen von Ionen
Konzentrationen von Ionen variieren mit Umgebungs- und meteorologischen Bedingungen. In Gebieten mit geringer Verschmutzung, wie in Wäldern und Bergen oder in großen Höhen, wächst die Konzentration kleiner Ionen; In Gebieten in der Nähe von radioaktiven Quellen, Wasserfällen oder Stromschnellen können die Konzentrationen Tausende kleiner Ionen pro Kubikzentimeter erreichen. In Meeresnähe und bei hoher Luftfeuchtigkeit kommt es hingegen zu einem Überschuss an großen Ionen. Im Allgemeinen beträgt die durchschnittliche Konzentration negativer und positiver Ionen in sauberer Luft 500 bzw. 600 Ionen pro Kubikzentimeter.
Einige Winde können große Konzentrationen positiver Ionen transportieren – der Föhn in der Schweiz, der Santa Ana in den Vereinigten Staaten, der Sirocco in Nordafrika, der Chinook in den Rocky Mountains und der Sharav im Nahen Osten.
An Arbeitsplätzen, an denen keine nennenswerten ionisierenden Faktoren vorhanden sind, kommt es häufig zu einer Ansammlung großer Ionen. Dies gilt zum Beispiel besonders an hermetisch abgeriegelten Orten und in Bergwerken. Die Konzentration negativer Ionen nimmt in Innenräumen und in kontaminierten oder staubigen Bereichen deutlich ab. Es gibt viele Gründe, warum die Konzentration negativer Ionen auch in Innenräumen mit Klimaanlagen abnimmt. Ein Grund dafür ist, dass negative Ionen in Luftkanälen und Luftfiltern eingeschlossen bleiben oder von positiv geladenen Oberflächen angezogen werden. Kathodenstrahlbildschirme und Computermonitore beispielsweise sind positiv geladen und erzeugen in ihrer unmittelbaren Umgebung ein Mikroklima ohne negative Ionen. Luftfiltersysteme, die für „Reinräume“ entwickelt wurden, die erfordern, dass die Kontamination mit Partikeln auf einem sehr niedrigen Minimum gehalten wird, scheinen auch negative Ionen zu eliminieren.
Andererseits kondensiert ein Überschuss an Feuchtigkeit Ionen, während ein Mangel an Feuchtigkeit trockene Umgebungen mit großen Mengen elektrostatischer Aufladung schafft. Diese elektrostatischen Aufladungen reichern sich in Kunststoffen und Kunstfasern an, sowohl im Raum als auch am Menschen.
Ionengeneratoren
Generatoren ionisieren Luft, indem sie eine große Energiemenge liefern. Diese Energie kann von einer Alphastrahlungsquelle (wie Tritium) oder von einer Elektrizitätsquelle durch Anlegen einer Hochspannung an eine spitz zulaufende Elektrode stammen. Radioaktive Quellen sind in den meisten Ländern wegen der sekundären Probleme der Radioaktivität verboten.
Elektrische Generatoren bestehen aus einer spitzen Elektrode, die von einer Krone umgeben ist; Die Elektrode wird mit einer negativen Spannung von Tausenden Volt versorgt und die Krone ist geerdet. Negative Ionen werden ausgestoßen, während positive Ionen vom Generator angezogen werden. Die Menge der erzeugten negativen Ionen steigt proportional zur angelegten Spannung und zur Anzahl der enthaltenen Elektroden. Generatoren mit einer größeren Anzahl von Elektroden und einer niedrigeren Spannung sind sicherer, da der Generator bei einer Spannung von mehr als 8,000 bis 10,000 Volt nicht nur Ionen, sondern auch Ozon und einige Stickoxide erzeugt. Die Verbreitung von Ionen wird durch elektrostatische Abstoßung erreicht.
Die Wanderung von Ionen hängt von der Ausrichtung des Magnetfelds ab, das zwischen dem Emissionspunkt und den Objekten, die ihn umgeben, erzeugt wird. Die Konzentration von Ionen, die die Generatoren umgeben, ist nicht homogen und nimmt mit zunehmendem Abstand von ihnen deutlich ab. In diesem Gerät installierte Ventilatoren vergrößern die Ionenverteilungszone. Es ist wichtig, daran zu denken, dass die aktiven Elemente der Generatoren regelmäßig gereinigt werden müssen, um eine ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen.
Die Generatoren können auch auf der Zerstäubung von Wasser, auf thermoelektrischen Effekten oder auf ultravioletten Strahlen basieren. Es gibt viele verschiedene Arten und Größen von Generatoren. Sie können an Decken und Wänden installiert werden oder können überall platziert werden, wenn sie vom kleinen, tragbaren Typ sind.
Ionen messen
Ionenmessgeräte werden hergestellt, indem zwei leitfähige Platten im Abstand von 0.75 cm angeordnet und eine variable Spannung angelegt werden. Gesammelte Ionen werden mit einem Picoamperemeter gemessen und die Stromstärke registriert. Variable Spannungen erlauben die Messung von Konzentrationen von Ionen mit unterschiedlichen Mobilitäten. Die Ionenkonzentration (N) errechnet sich aus der Stärke des erzeugten elektrischen Stroms nach folgender Formel:
woher I ist der Strom in Ampere, V ist die Geschwindigkeit des Luftstroms, q ist die Ladung eines einwertigen Ions (1.6x10-19) in Coulomb und A ist die effektive Fläche der Kollektorplatten. Es wird angenommen, dass alle Ionen eine einzige Ladung haben und alle im Kollektor zurückgehalten werden. Es sollte beachtet werden, dass diese Methode aufgrund von Hintergrundstrom und dem Einfluss anderer Faktoren wie Feuchtigkeit und statischer Elektrizitätsfelder ihre Grenzen hat.
Die Auswirkungen von Ionen auf den Körper
Kleine negative Ionen sind diejenigen, die aufgrund ihrer größeren Mobilität die größte biologische Wirkung haben sollen. Hohe Konzentrationen negativer Ionen können mikroskopisch kleine Krankheitserreger abtöten oder deren Wachstum blockieren, es wurden jedoch keine nachteiligen Auswirkungen auf den Menschen beschrieben.
Einige Studien deuten darauf hin, dass die Exposition gegenüber hohen Konzentrationen negativer Ionen bei manchen Menschen biochemische und physiologische Veränderungen hervorruft, die eine entspannende Wirkung haben, Anspannung und Kopfschmerzen reduzieren, die Wachsamkeit verbessern und die Reaktionszeit verkürzen. Diese Effekte könnten auf die Unterdrückung des neuralen Hormons Serotonin (5-HT) und von Histamin in mit negativen Ionen belasteten Umgebungen zurückzuführen sein; diese Faktoren könnten einen überempfindlichen Teil der Bevölkerung betreffen. Andere Studien kommen jedoch zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen bezüglich der Auswirkungen negativer Ionen auf den Körper. Daher sind die Vorteile der negativen Ionisierung immer noch offen für Diskussionen und weitere Studien sind erforderlich, bevor die Angelegenheit entschieden wird.
Eine Lampe ist ein Energiewandler. Obwohl es sekundäre Funktionen erfüllen kann, ist sein Hauptzweck die Umwandlung elektrischer Energie in sichtbare elektromagnetische Strahlung. Es gibt viele Möglichkeiten, Licht zu erzeugen. Das Standardverfahren zur Erzeugung von Allgemeinbeleuchtung ist die Umwandlung elektrischer Energie in Licht.
Arten von Licht
Glühen
Wenn Festkörper und Flüssigkeiten erhitzt werden, geben sie bei Temperaturen über 1,000 K sichtbare Strahlung ab; dies wird als Glühen bezeichnet.
Eine solche Erwärmung ist die Grundlage der Lichterzeugung in Glühlampen: Ein elektrischer Strom fließt durch einen dünnen Wolframdraht, dessen Temperatur je nach Lampentyp und Anwendung auf etwa 2,500 bis 3,200 K ansteigt.
Dieser Methode ist eine Grenze gesetzt, die durch das Plancksche Gesetz für die Leistung eines schwarzen Strahlers beschrieben wird, wonach die spektrale Verteilung der abgestrahlten Energie mit der Temperatur zunimmt. Bei etwa 3,600 K und darüber gibt es eine deutliche Verstärkung der Emission sichtbarer Strahlung, und die Wellenlänge der maximalen Leistung verschiebt sich in den sichtbaren Bereich. Diese Temperatur liegt nahe am Schmelzpunkt von Wolfram, das für das Filament verwendet wird, sodass die praktische Temperaturgrenze bei etwa 2,700 K liegt, oberhalb derer die Filamentverdampfung übermäßig wird. Eine Folge dieser spektralen Verschiebungen ist, dass ein Großteil der emittierten Strahlung nicht als Licht, sondern als Wärme im Infrarotbereich abgegeben wird. Filamentlampen können daher effektive Heizgeräte sein und werden in Lampen verwendet, die zum Trocknen von Drucken, zur Lebensmittelzubereitung und zur Tieraufzucht bestimmt sind.
Elektrische Entladung
Elektrische Entladung ist eine Technik, die in modernen Lichtquellen für Gewerbe und Industrie wegen der effizienteren Lichterzeugung verwendet wird. Einige Lampentypen kombinieren die elektrische Entladung mit Photolumineszenz.
Ein durch ein Gas geleiteter elektrischer Strom regt die Atome und Moleküle an, Strahlung mit einem für die vorhandenen Elemente charakteristischen Spektrum auszusenden. Üblicherweise werden zwei Metalle verwendet, Natrium und Quecksilber, da ihre Eigenschaften nützliche Strahlungen innerhalb des sichtbaren Spektrums ergeben. Keines der Metalle emittiert ein kontinuierliches Spektrum und Entladungslampen haben selektive Spektren. Ihre Farbwiedergabe wird niemals mit kontinuierlichen Spektren identisch sein. Entladungslampen werden oft als Hochdruck oder Niederdruck klassifiziert, obwohl diese Begriffe nur relativ sind, und eine Hochdrucknatriumlampe bei unter einer Atmosphäre arbeitet.
Arten von Lumineszenz
Photolumineszenz tritt auf, wenn Strahlung von einem Festkörper absorbiert und dann mit einer anderen Wellenlänge wieder emittiert wird. Wenn die reemittierte Strahlung innerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, wird der Prozess aufgerufen Fluoreszenz or Phosphoreszenz.
Elektrolumineszenz tritt auf, wenn Licht durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, der durch bestimmte Festkörper, wie z. B. Phosphormaterialien, geleitet wird. Es wird für selbstleuchtende Schilder und Instrumententafeln verwendet, hat sich jedoch nicht als praktische Lichtquelle für die Beleuchtung von Gebäuden oder Außenbereichen erwiesen.
Evolution der elektrischen Lampen
Obwohl der technologische Fortschritt die Herstellung verschiedener Lampen ermöglicht hat, waren die Hauptfaktoren, die ihre Entwicklung beeinflussten, externe Marktkräfte. Beispielsweise war die Herstellung von Glühlampen, die zu Beginn dieses Jahrhunderts verwendet wurden, erst möglich, nachdem gute Vakuumpumpen und das Ziehen von Wolframdraht verfügbar waren. Es war jedoch die groß angelegte Erzeugung und Verteilung von Strom zur Deckung der Nachfrage nach elektrischer Beleuchtung, die das Marktwachstum bestimmte. Elektrische Beleuchtung bot viele Vorteile gegenüber gas- oder ölerzeugtem Licht, wie z. B. Dauerlicht, das nur selten gewartet werden muss, sowie die erhöhte Sicherheit, dass keine offene Flamme und keine lokalen Nebenprodukte der Verbrennung vorhanden sind.
In der Zeit des Aufschwungs nach dem Zweiten Weltkrieg stand die Produktivität im Vordergrund. Die Leuchtstoffröhre wurde zur dominierenden Lichtquelle, weil sie eine schattenfreie und vergleichsweise wärmefreie Beleuchtung von Fabriken und Büros bei maximaler Raumnutzung ermöglichte. Die Anforderungen an Lichtleistung und Wattleistung für eine typische 1,500-mm-Leuchtstoffröhre sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1. Verbesserte Lichtleistung und Leistungsanforderungen einiger typischer 1,500-mm-Leuchtstoffröhrenlampen
Bewertung (W) |
Durchmesser (mm) |
Gasfüllung |
Lichtleistung (Lumen) |
80 |
38 |
Argon |
4,800 |
65 |
38 |
Argon |
4,900 |
58 |
25 |
Krypton |
5,100 |
50 |
25 |
Argon |
5,100 |
In den 1970er Jahren stiegen die Ölpreise und die Energiekosten wurden zu einem erheblichen Teil der Betriebskosten. Der Markt forderte Leuchtstofflampen, die bei geringerem Stromverbrauch die gleiche Lichtmenge erzeugen. Das Lampendesign wurde in mehrfacher Hinsicht verfeinert. Mit dem Ende des Jahrhunderts wächst das Bewusstsein für globale Umweltprobleme. Die bessere Nutzung knapper werdender Rohstoffe, das Recycling oder die sichere Entsorgung von Produkten und die anhaltende Sorge um den Energieverbrauch (insbesondere aus fossilen Brennstoffen gewonnene Energie) wirken sich auf aktuelle Lampendesigns aus.
Leistungskriterien
Die Leistungskriterien variieren je nach Anwendung. Im Allgemeinen gibt es keine besondere Wichtigkeitshierarchie dieser Kriterien.
Lichtleistung: Die Lumenleistung einer Lampe bestimmt ihre Eignung in Bezug auf den Umfang der Installation und die erforderliche Beleuchtungsmenge.
Farbeindruck und Farbwiedergabe: Für Farbeindruck und Farbwiedergabe gelten separate Skalen und Zahlenwerte. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Zahlen nur Richtwerte darstellen und einige nur Annäherungen sind. Eignungsbewertungen sollten nach Möglichkeit mit tatsächlichen Lampen und mit den für die Situation zutreffenden Farben oder Materialien vorgenommen werden.
Lebensdauer der Lampe: Die meisten Lampen müssen während der Lebensdauer der Beleuchtungsanlage mehrmals ausgetauscht werden, und Designer sollten die Unannehmlichkeiten für die Bewohner durch ungewöhnliche Ausfälle und Wartungsarbeiten minimieren. Lampen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Die erwartete durchschnittliche Lebensdauer ist oft ein Kompromiss zwischen Kosten und Leistung. Beispielsweise hat die Lampe eines Diaprojektors eine Lebensdauer von einigen hundert Stunden, da die maximale Lichtleistung für die Bildqualität wichtig ist. Im Gegensatz dazu dürfen einige Straßenbeleuchtungslampen alle zwei Jahre ausgetauscht werden, was etwa 8,000 Brennstunden entspricht.
Außerdem wird die Lampenlebensdauer von den Betriebsbedingungen beeinflusst, und daher gibt es keine einfache Zahl, die unter allen Bedingungen zutrifft. Außerdem kann die effektive Lampenlebensdauer durch unterschiedliche Fehlermodi bestimmt werden. Einem physikalischen Versagen, wie z. B. einem Glühfaden- oder Lampenbruch, kann eine Verringerung der Lichtleistung oder eine Veränderung des Farberscheinungsbildes vorausgehen. Die Lampenlebensdauer wird durch äußere Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Vibration, Starthäufigkeit, Schwankungen der Versorgungsspannung, Ausrichtung usw. beeinflusst.
Es sollte beachtet werden, dass die für einen Lampentyp angegebene durchschnittliche Lebensdauer die Zeit für 50 % Ausfall einer Charge von Testlampen ist. Diese Definition des Lebens ist wahrscheinlich nicht auf viele gewerbliche oder industrielle Anlagen anwendbar; Daher ist die praktische Lampenlebensdauer normalerweise geringer als die veröffentlichten Werte, die nur zum Vergleich verwendet werden sollten.
Effizienz: Als allgemeine Regel gilt, dass sich die Effizienz eines bestimmten Lampentyps mit zunehmender Nennleistung verbessert, da die meisten Lampen einen festen Verlust haben. Unterschiedliche Arten von Lampen weisen jedoch deutliche Unterschiede in der Effizienz auf. Es sollten Lampen mit der höchsten Effizienz verwendet werden, sofern die Kriterien Größe, Farbe und Lebensdauer ebenfalls erfüllt werden. Energieeinsparungen sollten nicht zu Lasten des Sehkomforts oder der Leistungsfähigkeit der Bewohner gehen. Einige typische Wirksamkeiten sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2. Typische Lampenwirkungsgrade
Lampenwirkungsgrade |
|
100-W-Glühlampe |
14 Lumen/Watt |
58 W Leuchtstoffröhre |
89 Lumen/Watt |
400 W Hochdrucknatrium |
125 Lumen/Watt |
131 W Niederdruck-Natrium |
198 Lumen/Watt |
Hauptlampentypen
Im Laufe der Jahre wurden mehrere Nomenklatursysteme durch nationale und internationale Standards und Register entwickelt.
1993 veröffentlichte die International Electrotechnical Commission (IEC) ein neues Internationales Lampencodierungssystem (ILCOS), das bestehende nationale und regionale Codierungssysteme ersetzen soll. Eine Liste einiger ILCOS-Kurzformcodes für verschiedene Lampen ist in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3. International Lamp Coding System (ILCOS) Kurzform-Codierungssystem für einige Lampentypen
Typschlüssel) |
Übliche Nennwerte (Watt) |
Farbwiedergabe |
Farbtemperatur (K) |
Lebensdauer (Stunden) |
Kompaktleuchtstofflampen (FS) |
5-55 |
gut |
2,700-5,000 |
5,000-10,000 |
Quecksilber-Hochdrucklampen (QE) |
80-750 |
Messe |
3,300-3,800 |
20,000 |
Natriumdampf-Hochdrucklampen (S-) |
50-1,000 |
schlecht bis gut |
2,000-2,500 |
6,000-24,000 |
Glühlampen (I) |
5-500 |
gut |
2,700 |
1,000-3,000 |
Induktionslampen (XF) |
23-85 |
gut |
3,000-4,000 |
10,000-60,000 |
Niederdruck-Natriumlampen (LS) |
26-180 |
monochromatische gelbe Farbe |
1,800 |
16,000 |
Niedervolt-Halogenglühlampen (HS) |
12-100 |
gut |
3,000 |
2,000-5,000 |
Halogen-Metalldampflampen (M-) |
35-2,000 |
gut bis großartig |
3,000-5,000 |
6,000-20,000 |
Stabförmige Leuchtstofflampen (FD) |
4-100 |
fair bis gut |
2,700-6,500 |
10,000-15,000 |
Halogenglühlampen (HS) |
100-2,000 |
gut |
3,000 |
2,000-4,000 |
Glühlampen
Diese Lampen verwenden einen Wolframfaden in einem Inertgas oder Vakuum mit einer Glashülle. Das Inertgas unterdrückt die Wolframverdampfung und verringert die Hüllschwärzung. Es gibt eine große Vielfalt an Lampenformen, die überwiegend dekorativ wirken. Der Aufbau einer typischen Lampe des General Lighting Service (GLS) ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Aufbau einer GLS-Lampe
Glühlampen sind auch in einer großen Auswahl an Farben und Oberflächen erhältlich. Die ILCOS-Codes und einige typische Formen sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Tabelle 4. Gängige Farben und Formen von Glühlampen mit ihren ILCOS-Codes
Farbe/Form |
Code |
Auswahl aufheben |
/C |
vereist |
/F |
Weiß |
/W |
Rot |
/R |
Blau |
/B |
Grün |
/G |
Gelb |
/Y |
Birnenförmig (GLS) |
IA |
Duftkerze |
IB |
Konisch |
IC |
Kugelförmig |
IG |
Mushroom |
IM |
Glühlampen sind aufgrund ihrer geringen Kosten und kompakten Größe immer noch beliebt für die Haushaltsbeleuchtung. Bei kommerzieller und industrieller Beleuchtung verursacht die geringe Effizienz jedoch sehr hohe Betriebskosten, sodass Entladungslampen die normale Wahl sind. Eine 100-W-Lampe hat eine typische Effizienz von 14 Lumen/Watt im Vergleich zu 96 Lumen/Watt für eine 36-W-Leuchtstofflampe.
Glühlampen lassen sich einfach durch Reduzierung der Versorgungsspannung dimmen und werden immer noch dort eingesetzt, wo Dimmen ein gewünschtes Steuerungsmerkmal ist.
Der Wolframfaden ist eine kompakte Lichtquelle, die durch Reflektoren oder Linsen leicht fokussiert werden kann. Glühlampen sind nützlich für die Beleuchtung von Displays, bei denen eine Richtungssteuerung erforderlich ist.
Wolfram-Halogenlampen
Diese ähneln Glühlampen und erzeugen Licht auf die gleiche Weise aus einem Wolframfaden. Der Kolben enthält jedoch Halogengas (Brom oder Jod), das bei der Kontrolle der Wolframverdampfung aktiv ist. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2. Der Halogenkreislauf
Grundlegend für den Halogenkreislauf ist eine Kolbenwandtemperatur von mindestens 250 °C, damit das Wolframhalogenid gasförmig bleibt und nicht an der Kolbenwand kondensiert. Diese Temperatur bedeutet Kolben aus Quarz anstelle von Glas. Mit Quarz ist es möglich, die Kolbengröße zu reduzieren.
Die meisten Wolfram-Halogenlampen haben eine längere Lebensdauer als vergleichbare Glühlampen, und der Glühfaden hat eine höhere Temperatur, wodurch mehr Licht und eine weißere Farbe erzeugt werden.
Wolfram-Halogenlampen sind dort populär geworden, wo geringe Größe und hohe Leistung die Hauptanforderung sind. Typische Beispiele sind Bühnenbeleuchtung, einschließlich Film und Fernsehen, wo Richtungssteuerung und Dimmen übliche Anforderungen sind.
Niedervolt-Halogen-Wolframlampen
Diese wurden ursprünglich für Dia- und Filmprojektoren entwickelt. Bei 12 V wird das Filament für die gleiche Wattzahl wie 230 V kleiner und dicker. Diese lässt sich effizienter fokussieren, und die größere Filamentmasse ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur, wodurch die Lichtausbeute steigt. Das dicke Filament ist robuster. Diese Vorteile wurden als nützlich für den kommerziellen Displaymarkt erkannt, und obwohl ein Abwärtstransformator erforderlich ist, dominieren diese Lampen jetzt die Schaufensterbeleuchtung. Siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Dichroitische Niedervolt-Reflektorlampe
Nutzer von Filmprojektoren wollen zwar möglichst viel Licht, aber zu viel Hitze schadet dem Dia-Medium. Es wurde ein spezieller Reflektortyp entwickelt, der nur die sichtbare Strahlung reflektiert und Infrarotstrahlung (Wärme) durch die Rückseite der Lampe passieren lässt. Dieses Feature ist mittlerweile Bestandteil vieler Niedervolt-Reflektorlampen für die Displaybeleuchtung sowie Projektorausrüstung.
Spannungsempfindlichkeit: Alle Glühlampen reagieren empfindlich auf Spannungsschwankungen, wodurch Lichtleistung und Lebensdauer beeinträchtigt werden. Die europaweite „Harmonisierung“ der Versorgungsspannung bei 230 V wird durch eine Erweiterung der Toleranzen erreicht, mit denen die Erzeugungsbehörden operieren können. Die Bewegung geht in Richtung ±10 %, was einem Spannungsbereich von 207 bis 253 V entspricht. Glüh- und Halogenlampen können in diesem Bereich nicht sinnvoll betrieben werden, daher muss die tatsächliche Versorgungsspannung an die Lampenleistung angepasst werden. Siehe Abbildung 4.
Abbildung 4. GLS-Glühlampen und Versorgungsspannung
Entladungslampen werden ebenfalls von dieser großen Spannungsschwankung beeinflusst, daher wird die richtige Spezifikation der Betriebsgeräte wichtig.
Röhrenförmige Leuchtstofflampen
Dies sind Niederdruck-Quecksilberlampen und als „Heißkathoden“- und „Kaltkathoden“-Versionen erhältlich. Ersteres ist die herkömmliche Leuchtstoffröhre für Büros und Fabriken; „Heißkathode“ bezieht sich auf das Starten der Lampe durch Vorheizen der Elektroden, um eine ausreichende Ionisierung des Gases und des Quecksilberdampfes zum Aufbau der Entladung zu erzeugen.
Kaltkathodenlampen werden hauptsächlich für Schilder und Werbung verwendet. Siehe Abbildung 5.
Abbildung 5. Prinzip einer Leuchtstofflampe
Leuchtstofflampen benötigen externe Vorschaltgeräte zum Starten und zur Steuerung des Lampenstroms. Neben der geringen Menge Quecksilberdampf gibt es ein Startgas (Argon oder Krypton).
Der niedrige Quecksilberdruck erzeugt eine Entladung von blassblauem Licht. Der Großteil der Strahlung liegt im UV-Bereich bei 254 nm, einer für Quecksilber charakteristischen Strahlungsfrequenz. Innerhalb der Röhrenwand befindet sich eine dünne Phosphorbeschichtung, die das UV absorbiert und die Energie als sichtbares Licht abstrahlt. Die Farbqualität des Lichts wird durch die Phosphorbeschichtung bestimmt. Es ist eine Reihe von Leuchtstoffen mit unterschiedlichem Farberscheinungsbild und Farbwiedergabe erhältlich.
In den 1950er Jahren boten die verfügbaren Leuchtstoffe eine Auswahl an angemessener Wirksamkeit (60 Lumen/Watt) mit Lichtmangel in Rot und Blau oder eine verbesserte Farbwiedergabe von „Deluxe“-Leuchtstoffen mit geringerer Effizienz (40 Lumen/Watt).
In den 1970er Jahren wurden neue, schmalbandige Leuchtstoffe entwickelt. Diese strahlten separat rotes, blaues und grünes Licht aus, erzeugten aber kombiniert weißes Licht. Die Anpassung der Proportionen ergab eine Reihe unterschiedlicher Farberscheinungen, alle mit einer ähnlich hervorragenden Farbwiedergabe. Diese drei Leuchtstoffe sind effizienter als die früheren Typen und stellen die beste wirtschaftliche Beleuchtungslösung dar, auch wenn die Lampen teurer sind. Verbesserte Wirksamkeit reduziert Betriebs- und Installationskosten.
Das Tri-Phosphor-Prinzip wurde durch Multi-Phosphor-Lampen erweitert, wo eine kritische Farbwiedergabe erforderlich ist, wie z. B. für Kunstgalerien und industrielle Farbabstimmung.
Die modernen Schmalband-Leuchtstoffe sind haltbarer, haben eine bessere Lichtstromerhaltung und verlängern die Lampenlebensdauer.
Kompaktleuchtstofflampen
Die Leuchtstoffröhre ist aufgrund ihrer linearen Form kein praktischer Ersatz für die Glühlampe. Kleine Röhren mit schmaler Bohrung können auf ungefähr die gleiche Größe wie die Glühlampe konfiguriert werden, aber dies erlegt dem Leuchtstoffmaterial eine viel höhere elektrische Belastung auf. Die Verwendung von Tri-Phosphoren ist wesentlich, um eine akzeptable Lampenlebensdauer zu erreichen. Siehe Abbildung 6.
Abbildung 6. Kompaktleuchtstofflampe mit vier Beinen
Alle Kompaktleuchtstofflampen verwenden Tri-Phosphores, wenn sie also zusammen mit linearen Leuchtstofflampen verwendet werden, sollten letztere ebenfalls Tri-Phosphor sein, um Farbkonsistenz zu gewährleisten.
Einige Kompaktlampen beinhalten das Betriebsgerät, um Nachrüstgeräte für Glühlampen zu bilden. Das Sortiment wächst und ermöglicht eine einfache Aufrüstung bestehender Installationen auf energieeffizientere Beleuchtung. Diese integrierten Einheiten sind nicht zum Dimmen geeignet, wo dies Teil der ursprünglichen Steuerung war.
Elektronisches Hochfrequenz-Vorschaltgerät: Wird die normale Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz auf 30 kHz erhöht, ergibt sich ein 10 %iger Wirkungsgradgewinn von Leuchtstoffröhren. Elektronische Schaltungen können einzelne Lampen mit solchen Frequenzen betreiben. Die elektronische Schaltung ist so ausgelegt, dass sie bei reduzierter Lampenleistung die gleiche Lichtleistung wie drahtgewickelte Vorschaltgeräte liefert. Dies bietet Kompatibilität des Lumenpakets mit dem Vorteil, dass eine reduzierte Lampenbelastung die Lampenlebensdauer erheblich verlängert. Elektronische Vorschaltgeräte können über einen Bereich von Versorgungsspannungen betrieben werden.
Es gibt keinen gemeinsamen Standard für elektronische Vorschaltgeräte, und die Lampenleistung kann von den veröffentlichten Informationen der Lampenhersteller abweichen.
Die Verwendung elektronischer Hochfrequenzgeräte beseitigt das normale Problem des Flimmerns, auf das einige Insassen möglicherweise empfindlich reagieren.
Induktionslampen
Lampen, die das Induktionsprinzip verwenden, sind kürzlich auf dem Markt erschienen. Sie sind Quecksilber-Niederdrucklampen mit Tri-Phosphor-Beschichtung und ähneln als Lichterzeuger Leuchtstofflampen. Die Energie wird durch hochfrequente Strahlung mit etwa 2.5 MHz von einer zentral in der Lampe positionierten Antenne auf die Lampe übertragen. Es gibt keine physische Verbindung zwischen dem Lampenkolben und der Spule. Ohne Elektroden oder andere Drahtverbindungen ist der Aufbau des Entladungsgefäßes einfacher und haltbarer. Die Lampenlebensdauer wird hauptsächlich durch die Zuverlässigkeit der elektronischen Komponenten und den Lichtstromerhalt der Phosphorbeschichtung bestimmt.
Hochdruck-Quecksilberlampen
Hochdruckentladungen sind kompakter und haben höhere elektrische Lasten; daher benötigen sie Quarzentladungsröhren, um dem Druck und der Temperatur standzuhalten. Die Lichtbogenröhre ist in einer äußeren Glashülle mit einer Stickstoff- oder Argon-Stickstoff-Atmosphäre enthalten, um Oxidation und Lichtbogenbildung zu reduzieren. Der Kolben filtert effektiv die UV-Strahlung von der Lichtbogenröhre. Siehe Abbildung 7.
Abbildung 7. Konstruktion der Quecksilberlampe
Bei hohem Druck ist die Quecksilberentladung hauptsächlich blaue und grüne Strahlung. Zur Verbesserung der Farbe fügt eine Phosphorbeschichtung des Außenkolbens rotes Licht hinzu. Es gibt Deluxe-Versionen mit erhöhtem Rotanteil, die eine höhere Lichtausbeute und eine verbesserte Farbwiedergabe bieten.
Alle Hochdruckentladungslampen brauchen Zeit, um ihre volle Leistung zu erreichen. Die anfängliche Entladung erfolgt über die leitende Gasfüllung, und das Metall verdampft, wenn die Lampentemperatur ansteigt.
Bei stabilem Druck startet die Lampe ohne spezielle Vorschaltgeräte nicht sofort neu. Es gibt eine Verzögerung, während der die Lampe ausreichend abkühlt und der Druck abfällt, so dass die normale Versorgungsspannung oder der Zündschaltkreis ausreichen, um den Lichtbogen wiederherzustellen.
Entladungslampen haben eine negative Widerstandscharakteristik, und daher ist das externe Vorschaltgerät erforderlich, um den Strom zu steuern. Aufgrund dieser Vorschaltgerätekomponenten treten Verluste auf, daher sollte der Benutzer die Gesamtwattzahl berücksichtigen, wenn er die Betriebskosten und die elektrische Installation berücksichtigt. Es gibt eine Ausnahme für Hochdruck-Quecksilberlampen, und ein Typ enthält einen Wolframfaden, der sowohl als Strombegrenzungsvorrichtung fungiert als auch der blau/grünen Entladung warme Farben hinzufügt. Dies ermöglicht den direkten Austausch von Glühlampen.
Obwohl Quecksilberlampen eine lange Lebensdauer von etwa 20,000 Stunden haben, fällt die Lichtleistung am Ende dieses Zeitraums auf etwa 55 % der Anfangsleistung ab, und daher kann die wirtschaftliche Lebensdauer kürzer sein.
Halogen-Metalldampflampen
Die Farbe und Lichtleistung von Quecksilberentladungslampen kann verbessert werden, indem dem Quecksilberbogen verschiedene Metalle hinzugefügt werden. Für jede Lampe ist die Dosis gering, und für eine genaue Anwendung ist es bequemer, die Metalle in Pulverform als Halogenide zu handhaben. Dieser zerfällt beim Aufwärmen der Lampe und gibt das Metall frei.
Eine Metallhalogenidlampe kann eine Reihe verschiedener Metalle verwenden, die jeweils eine bestimmte charakteristische Farbe abgeben. Diese beinhalten:
Es gibt keine Standardmischung von Metallen, daher sind Metallhalogenidlampen verschiedener Hersteller möglicherweise nicht in Aussehen oder Betriebsleistung kompatibel. Für Lampen mit niedrigeren Nennleistungen von 35 bis 150 W besteht eine engere physikalische und elektrische Kompatibilität mit einem gemeinsamen Standard.
Halogen-Metalldampflampen erfordern Vorschaltgeräte, aber die mangelnde Kompatibilität bedeutet, dass jede Kombination von Lampe und Vorschaltgerät aufeinander abgestimmt werden muss, um korrekte Start- und Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Niederdruck-Natriumdampflampen
Die Lichtbogenröhre hat eine ähnliche Größe wie die Leuchtstoffröhre, besteht jedoch aus speziellem Schichtglas mit einer natriumbeständigen Innenbeschichtung. Die Lichtbogenröhre hat eine schmale „U“-Form und ist in einem äußeren Vakuummantel enthalten, um die thermische Stabilität zu gewährleisten. Während des Startvorgangs leuchten die Lampen durch die Neongasfüllung stark rot.
Die charakteristische Strahlung von Niederdruck-Natriumdampf ist ein monochromatisches Gelb. Dies liegt nahe an der Spitzenempfindlichkeit des menschlichen Auges, und Niederdruck-Natriumlampen sind mit fast 200 Lumen/Watt die effizientesten Lampen, die es gibt. Die Anwendungen sind jedoch auf Orte beschränkt, an denen die Farbunterscheidung keine visuelle Bedeutung hat, wie Fernstraßen und Unterführungen sowie Wohnstraßen.
In vielen Situationen werden diese Lampen durch Natriumdampf-Hochdrucklampen ersetzt. Ihre kleinere Größe bietet eine bessere optische Kontrolle, insbesondere für die Straßenbeleuchtung, bei der die Besorgnis über übermäßiges Himmelslicht wächst.
Natriumdampf-Hochdrucklampen
Diese Lampen ähneln Hochdruck-Quecksilberlampen, bieten jedoch eine bessere Effizienz (über 100 Lumen/Watt) und eine hervorragende Lichtstromerhaltung. Die reaktive Natur von Natrium erfordert, dass die Lichtbogenröhre aus durchscheinendem polykristallinem Aluminiumoxid hergestellt wird, da Glas oder Quarz ungeeignet sind. Der äußere Glaskolben enthält ein Vakuum, um Lichtbögen und Oxidation zu verhindern. Es gibt keine UV-Strahlung von der Natriumentladung, daher sind Phosphorbeschichtungen wertlos. Einige Glühbirnen sind mattiert oder beschichtet, um die Lichtquelle zu streuen. Siehe Abbildung 8.
Abbildung 8. Aufbau einer Natriumdampf-Hochdrucklampe
Wenn der Natriumdruck erhöht wird, wird die Strahlung zu einem breiten Band um den gelben Peak herum, und das Erscheinungsbild ist goldweiß. Mit zunehmendem Druck sinkt jedoch der Wirkungsgrad. Derzeit sind drei verschiedene Arten von Natriumdampf-Hochdrucklampen erhältlich, wie in Tabelle 5 dargestellt.
Tabelle 5. Arten von Hochdrucknatriumlampen
Lampentyp (Code) |
Farbe (K) |
Wirksamkeit (Lumen/Watt) |
Lebensdauer (Stunden) |
Normen |
2,000 |
110 |
24,000 |
Luxus- |
2,200 |
80 |
14,000 |
Weiß (Sohn) |
2,500 |
50 |
Im Allgemeinen werden die Standardlampen für die Außenbeleuchtung, Luxuslampen für industrielle Innenräume und White SON für kommerzielle/Display-Anwendungen verwendet.
Dimmen von Entladungslampen
Die Hochdrucklampen können nicht zufriedenstellend gedimmt werden, da eine Veränderung der Lampenleistung den Druck und damit die grundsätzlichen Eigenschaften der Lampe verändert.
Leuchtstofflampen können unter Verwendung von Hochfrequenzversorgungen gedimmt werden, die typischerweise innerhalb der elektronischen Vorschaltgeräte erzeugt werden. Das Farbbild bleibt sehr konstant. Darüber hinaus ist die Lichtleistung ungefähr proportional zur Lampenleistung, was zu einer Einsparung an elektrischer Energie führt, wenn die Lichtleistung reduziert wird. Durch Integrieren der Lichtleistung der Lampe in das vorherrschende Niveau des natürlichen Tageslichts kann in einem Innenraum eine nahezu konstante Beleuchtungsstärke bereitgestellt werden.
Menschen besitzen eine außergewöhnliche Fähigkeit, sich an ihre Umwelt und ihre unmittelbare Umgebung anzupassen. Von allen Arten von Energie, die der Mensch nutzen kann, ist Licht die wichtigste. Licht ist ein Schlüsselelement für unsere Sehfähigkeit, und es ist notwendig, die Form, die Farbe und die Perspektive der Objekte, die uns in unserem täglichen Leben umgeben, zu schätzen. Die meisten Informationen, die wir durch unsere Sinne erhalten, erhalten wir durch das Sehen – fast 80 %. Sehr oft, und weil wir es so gewohnt sind, es zur Verfügung zu haben, nehmen wir es als selbstverständlich hin. Wir sollten jedoch nicht vergessen, dass Aspekte des menschlichen Wohlergehens, wie unser Geisteszustand oder unser Ermüdungsgrad, von der Beleuchtung und der Farbe der Dinge, die uns umgeben, beeinflusst werden. Aus Sicht der Arbeitssicherheit sind Sehleistung und Sehkomfort von außerordentlicher Bedeutung. Dies liegt daran, dass viele Unfälle unter anderem auf Beleuchtungsmängel oder Fehler des Arbeiters zurückzuführen sind, weil er oder sie Schwierigkeiten hat, Gegenstände oder die mit Maschinen, Transportmitteln, gefährlichen Containern usw. verbundenen Risiken zu identifizieren.
Sehstörungen im Zusammenhang mit Mängeln im Beleuchtungssystem sind am Arbeitsplatz üblich. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit des Sehvermögens an Situationen mit unzureichender Beleuchtung werden diese Aspekte manchmal nicht so ernst genommen, wie sie sein sollten.
Das richtige Design eines Beleuchtungssystems sollte optimale Bedingungen für Sehkomfort bieten. Zur Erreichung dieses Ziels sollte eine frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Architekten, Lichtplanern und den für die Hygiene auf der Baustelle Verantwortlichen etabliert werden. Diese Zusammenarbeit sollte dem Beginn des Projekts vorangehen, um Fehler zu vermeiden, die nach Abschluss des Projekts schwer zu korrigieren wären. Zu den wichtigsten Aspekten, die beachtet werden sollten, gehören der verwendete Lampentyp und das zu installierende Beleuchtungssystem, die Verteilung der Leuchtdichte, die Beleuchtungseffizienz und die spektrale Zusammensetzung des Lichts.
Die Tatsache, dass Licht und Farbe die Produktivität und das psychophysiologische Wohlbefinden des Arbeiters beeinflussen, sollte die Initiativen von Beleuchtungstechnikern, Physiologen und Ergonomen ermutigen, die günstigsten Licht- und Farbbedingungen an jedem Arbeitsplatz zu untersuchen und zu bestimmen. Die Kombination der Beleuchtung, der Kontrast der Leuchtdichten, die Lichtfarbe, die Farbwiedergabe oder die Auswahl der Farben sind die Elemente, die das Farbklima und den Sehkomfort bestimmen.
Faktoren, die den visuellen Komfort bestimmen
Die Voraussetzungen, die ein Beleuchtungssystem erfüllen muss, um die Voraussetzungen für den Sehkomfort zu schaffen, sind folgende:
Es ist wichtig, Licht am Arbeitsplatz nicht nur nach quantitativen, sondern auch nach qualitativen Kriterien zu betrachten. Der erste Schritt besteht darin, den Arbeitsplatz, die erforderliche Genauigkeit der ausgeführten Aufgaben, den Arbeitsumfang, die Mobilität des Arbeitnehmers usw. zu untersuchen. Licht sollte sowohl diffuse als auch direkte Strahlungsanteile enthalten. Das Ergebnis der Kombination erzeugt Schatten von größerer oder geringerer Intensität, die es dem Arbeiter ermöglichen, die Form und Position von Objekten am Arbeitsplatz wahrzunehmen. Störende Spiegelungen, die das Erkennen von Details erschweren, sollten ebenso eliminiert werden wie übermäßige Blendung oder tiefe Schatten.
Die regelmäßige Wartung der Beleuchtungsanlage ist sehr wichtig. Ziel ist es, die Alterung von Lampen und die Ansammlung von Staub auf den Leuchten zu verhindern, was zu einem ständigen Lichtverlust führt. Aus diesem Grund ist es wichtig, wartungsfreundliche Lampen und Systeme auszuwählen. Eine Glühbirne behält ihre Effizienz bis kurz vor dem Ausfall bei, aber das ist bei Leuchtstoffröhren nicht der Fall, deren Leistung nach tausend Betriebsstunden auf 75 % sinken kann.
Beleuchtungsstufen
Jede Aktivität erfordert ein bestimmtes Beleuchtungsniveau in dem Bereich, in dem die Aktivität stattfindet. Generell gilt, je höher die Schwierigkeit der visuellen Wahrnehmung, desto höher sollte auch die durchschnittliche Beleuchtungsstärke sein. In verschiedenen Veröffentlichungen gibt es Richtlinien für Mindestbeleuchtungsstärken in Verbindung mit verschiedenen Aufgaben. Konkret wurden die in Abbildung 1 aufgeführten Werte den europäischen Normen CENTC 169 entnommen und basieren mehr auf Erfahrung als auf wissenschaftlichen Erkenntnissen.
Abbildung 1. Beleuchtungsstärke als Funktion der durchgeführten Aufgaben
Die Beleuchtungsstärke wird mit einem Luxometer gemessen, das Lichtenergie in ein elektrisches Signal umwandelt, das dann verstärkt wird und ein einfaches Ablesen auf einer kalibrierten Lux-Skala ermöglicht. Bei der Auswahl einer bestimmten Beleuchtungsstärke für einen bestimmten Arbeitsplatz sollten die folgenden Punkte beachtet werden:
Einheiten und Größen der Beleuchtung
Auf dem Gebiet der Beleuchtung werden üblicherweise mehrere Größen verwendet. Die grundlegenden sind:
Lichtstrom: Von einer Lichtquelle pro Zeiteinheit abgegebene Lichtenergie. Einheit: Lumen (lm).
Leuchtstärke: Lichtstrom, der von einem nicht gleichmäßig verteilten Licht in eine bestimmte Richtung ausgestrahlt wird. Einheit: Candela (CD).
Beleuchtungsstärke: Beleuchtungsstärke einer Fläche von einem Quadratmeter bei einem Lichtstrom von einem Lumen. Einheit: Lux = lm/m2.
Leuchtdichte oder photometrische Brillanz: Wird für eine Fläche in einer bestimmten Richtung definiert und ist das Verhältnis zwischen der Lichtstärke und der von einem in derselben Richtung befindlichen Beobachter gesehenen Fläche (scheinbare Fläche). Einheit: cd/m²2.
Kontrast: Unterschied in der Leuchtdichte zwischen einem Objekt und seiner Umgebung oder zwischen verschiedenen Teilen eines Objekts.
Reflectance: Lichtanteil, der von einer Oberfläche reflektiert wird. Es ist eine dimensionslose Größe. Sein Wert liegt zwischen 0 und 1.
Faktoren, die die Sichtbarkeit von Objekten beeinflussen
Der Grad der Sicherheit, mit dem eine Aufgabe ausgeführt wird, hängt zu einem großen Teil von der Qualität der Beleuchtung und von der Sehleistung ab. Die Sichtbarkeit eines Objekts kann auf viele Arten verändert werden. Einer der wichtigsten ist der Kontrast von Leuchtdichten aufgrund von Reflexionsfaktoren, Schatten oder Farben des Objekts selbst und den Reflexionsfaktoren der Farbe. Was das Auge wirklich wahrnimmt, sind die Leuchtdichteunterschiede zwischen einem Objekt und seiner Umgebung oder zwischen verschiedenen Teilen desselben Objekts. Tabelle 1 listet die Kontraste zwischen Farben in absteigender Reihenfolge auf.
Die Leuchtdichte eines Objekts, seiner Umgebung und des Arbeitsbereichs beeinflusst die Leichtigkeit, mit der ein Objekt gesehen wird. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Bereich, in dem die Sehaufgabe ausgeführt wird, und seine Umgebung sorgfältig analysiert werden.
Tabelle 1. Farbkontraste
Farbkontraste in absteigender Reihenfolge |
|
Farbe des Objekts |
Farbe des Hintergrunds |
Schwarz |
Gelb |
Grün |
Weiß |
Rot |
Weiß |
Blau |
Weiß |
Weiß |
Blau |
Schwarz |
Weiß |
Gelb |
Schwarz |
Weiß |
Rot |
Weiß |
Grün |
Weiß |
Schwarz |
Ein weiterer Faktor ist die Größe des zu beobachtenden Objekts, die je nach Entfernung und Blickwinkel des Betrachters ausreichend sein kann oder nicht. Diese letzten beiden Faktoren bestimmen die Anordnung des Arbeitsplatzes und klassifizieren verschiedene Zonen entsprechend ihrer Übersichtlichkeit. Wir können im Arbeitsbereich fünf Zonen einrichten (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2. Verteilung der Sichtzonen am Arbeitsplatz
Ein weiterer Faktor ist der Zeitrahmen, in dem das Sehen auftritt. Die Belichtungszeit ist länger oder kürzer, je nachdem, ob das Objekt und der Beobachter statisch sind oder ob einer oder beide sich bewegen. Auch die adaptive Fähigkeit des Auges, sich automatisch an unterschiedliche Beleuchtungen von Objekten anzupassen, kann einen erheblichen Einfluss auf die Sichtbarkeit haben.
Lichtverteilung; Blendung
Schlüsselfaktoren für die Bedingungen, die das Sehvermögen beeinflussen, sind die Lichtverteilung und der Kontrast der Leuchtdichten. Hinsichtlich der Lichtverteilung ist eine gute Allgemeinbeleuchtung einer punktuellen Beleuchtung vorzuziehen, um Blendung zu vermeiden. Aus diesem Grund sollte elektrisches Zubehör möglichst gleichmäßig verteilt werden, um Lichtstärkeunterschiede zu vermeiden. Ständiges Hin- und Herfahren durch nicht gleichmäßig ausgeleuchtete Bereiche führt zu einer Ermüdung der Augen, was mit der Zeit zu einer verminderten Sehleistung führen kann.
Blendung entsteht, wenn eine brillante Lichtquelle im Gesichtsfeld vorhanden ist; das Ergebnis ist eine Verringerung der Fähigkeit, Objekte zu unterscheiden. Arbeitnehmer, die ständig und sukzessive unter Blendeinwirkungen leiden, können unter Augenbelastungen sowie Funktionsstörungen leiden, obwohl sie sich dessen in vielen Fällen nicht bewusst sind.
Blendung kann direkt sein, wenn sie von hellen Lichtquellen direkt in der Blickrichtung ausgeht, oder durch Reflexion, wenn Licht auf Oberflächen mit hohem Reflexionsgrad reflektiert wird. Die Faktoren, die an der Blendung beteiligt sind, sind:
Abbildung 3. Ungefähre Leuchtdichtewerte
Abbildung 4. Faktoren, die die Blendung beeinflussen
Generell kommt es bei niedriger montierten Lichtquellen oder bei Installation in großen Räumen zu mehr Blendung, da Lichtquellen in großen Räumen oder zu niedrige Lichtquellen leicht in den blendenden Blickwinkel geraten können.
3. Leuchtdichteverteilung auf verschiedene Objekte und Oberflächen: Je größer die Leuchtdichteunterschiede zwischen den Objekten im Sichtfeld sind, desto stärker wird die Blendung erzeugt und desto stärker verschlechtert sich das Sehvermögen durch die Effekte über die adaptiven Prozesse des Sehens. Die maximal empfohlenen Leuchtdichteunterschiede sind:
4. Zeitrahmen der Belichtung: Selbst Lichtquellen mit geringer Leuchtdichte können Blendung verursachen, wenn die Belichtungsdauer zu lang ist.
Die Vermeidung von Blendung ist relativ einfach und kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, Gitter unter den Beleuchtungsquellen zu platzieren oder umhüllende Diffusoren oder Parabolreflektoren zu verwenden, die das Licht richtig lenken können, oder die Lichtquellen so zu installieren, dass sie den Winkel von nicht stören Vision. Bei der Gestaltung des Arbeitsplatzes ist die richtige Leuchtdichteverteilung ebenso wichtig wie die Ausleuchtung selbst, jedoch ist auch zu bedenken, dass eine zu gleichmäßige Leuchtdichteverteilung die dreidimensionale und räumliche Wahrnehmung von Objekten erschwert.
Beleuchtungssysteme
Das Interesse an natürlicher Beleuchtung hat in letzter Zeit zugenommen. Das liegt weniger an der Lichtqualität, die sie bietet, als am Wohlbefinden, das sie vermittelt. Da das Beleuchtungsniveau natürlicher Quellen jedoch nicht gleichmäßig ist, ist ein künstliches Beleuchtungssystem erforderlich.
Die am häufigsten verwendeten Beleuchtungssysteme sind die folgenden:
Allgemein gleichmäßige Ausleuchtung
Bei diesem System werden Lichtquellen unabhängig von der Position der Arbeitsstationen gleichmäßig verteilt. Die durchschnittliche Beleuchtungsstärke sollte der Beleuchtungsstärke entsprechen, die für die auszuführende Aufgabe erforderlich ist. Diese Systeme werden hauptsächlich an Arbeitsplätzen mit nicht festen Arbeitsplätzen eingesetzt.
Es sollte drei grundlegenden Eigenschaften entsprechen: Erstens muss es mit Blendschutzvorrichtungen (Gitter, Diffusoren, Reflektoren usw.) ausgestattet sein. Die zweite ist, dass sie einen Teil des Lichts zur Decke und zum oberen Teil der Wände verteilen sollte. Und drittens sollten die Lichtquellen so hoch wie möglich installiert werden, um die Blendung zu minimieren und eine möglichst homogene Ausleuchtung zu erreichen. (Siehe Abbildung 5)
Abbildung 5. Beleuchtungssysteme
Dieses System versucht, das allgemeine Beleuchtungsschema zu verstärken, indem Lampen in der Nähe der Arbeitsflächen platziert werden. Diese Arten von Lampen erzeugen oft Blendung, und Reflektoren sollten so platziert werden, dass sie die Lichtquelle vor der direkten Sicht des Arbeiters schützen. Die Verwendung einer lokalisierten Beleuchtung wird für Anwendungen empfohlen, bei denen die visuellen Anforderungen sehr kritisch sind, wie z. B. Beleuchtungsstärken von 1,000 Lux oder mehr. Im Allgemeinen nimmt die Sehfähigkeit mit dem Alter des Arbeitnehmers ab, was es erforderlich macht, das Niveau der allgemeinen Beleuchtung zu erhöhen oder durch örtliche Beleuchtung zu unterstützen. Dieses Phänomen ist in Abbildung 6 deutlich zu erkennen.
Abbildung 6. Verlust der Sehschärfe mit dem Alter
Allgemeine lokalisierte Beleuchtung
Diese Art der Beleuchtung besteht aus Deckenquellen, die unter Berücksichtigung von zwei Dingen verteilt werden – den Beleuchtungseigenschaften der Geräte und den Beleuchtungsanforderungen jeder Arbeitsstation. Diese Art der Beleuchtung ist für Räume oder Arbeitsbereiche angezeigt, die ein hohes Maß an Beleuchtung erfordern, und es erfordert, den zukünftigen Standort jedes Arbeitsplatzes vor der Planungsphase zu kennen.
Farbe: Grundkonzepte
Die Auswahl einer geeigneten Farbe für eine Baustelle trägt viel zur Effizienz, Sicherheit und zum allgemeinen Wohlbefinden der Mitarbeiter bei. Ebenso trägt die Veredelung der Oberflächen und der Ausstattung der Arbeitsumgebung dazu bei, angenehme Sichtverhältnisse und ein angenehmes Arbeitsumfeld zu schaffen.
Gewöhnliches Licht besteht aus elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen, die den einzelnen Bändern des sichtbaren Spektrums entsprechen. Durch Mischen von rotem, gelbem und blauem Licht können wir die meisten sichtbaren Farben, einschließlich Weiß, erhalten. Unsere Wahrnehmung der Farbe eines Objekts hängt von der Farbe des Lichts ab, mit dem es beleuchtet wird, und von der Art und Weise, wie das Objekt selbst Licht reflektiert.
Lampen können je nach Aussehen des von ihnen abgegebenen Lichts in drei Kategorien eingeteilt werden:
Farben können auch entsprechend ihrer Tonalität als warm oder kalt klassifiziert werden (siehe Abbildung 7).
Abbildung 7. Tonalität von „warmen“ und „kalten“ Farben
Kontrast und Temperatur verschiedener Farben
Farbkontraste werden durch die gewählte Lichtfarbe beeinflusst, weshalb die Beleuchtungsqualität von der für eine Anwendung gewählten Lichtfarbe abhängt. Die Auswahl der zu verwendenden Lichtfarbe sollte auf der Grundlage der zu erfüllenden Aufgabe getroffen werden. Wenn die Farbe weiß ist, sind die Farbwiedergabe und die Lichtstreuung besser. Je mehr sich das Licht dem roten Ende des Spektrums nähert, desto schlechter wird die Farbwiedergabe, aber die Umgebung wird wärmer und einladender.
Die farbliche Erscheinung einer Beleuchtung hängt nicht nur von der Lichtfarbe, sondern auch von der Höhe der Lichtstärke ab. Den unterschiedlichen Beleuchtungsformen ist eine Farbtemperatur zugeordnet. Das Gefühl der Zufriedenheit mit der Beleuchtung einer bestimmten Umgebung hängt von dieser Farbtemperatur ab. So hat beispielsweise eine 100-W-Glühlampe eine Farbtemperatur von 2,800 K, eine Leuchtstoffröhre eine Farbtemperatur von 4,000 K und ein bedeckter Himmel eine Farbtemperatur von 10,000 K.
Kruithof definierte durch empirische Beobachtungen ein Diagramm des Wohlbefindens für verschiedene Beleuchtungsstärken und Farbtemperaturen in einer bestimmten Umgebung (siehe Abbildung 8). Damit demonstrierte er, dass es möglich ist, sich in bestimmten Umgebungen mit geringer Beleuchtung wohlzufühlen, wenn auch die Farbtemperatur niedrig ist – beispielsweise bei einer Beleuchtungsstärke von einer Kerze mit einer Farbtemperatur von 1,750 K.
Abbildung 8. Komfortdiagramm in Abhängigkeit von Beleuchtung und Farbtemperatur
Die Farben von elektrischen Lampen lassen sich in Bezug auf ihre Farbtemperatur in drei Gruppen einteilen:
Kombination und Auswahl von Farben
Die Auswahl der Farben ist sehr relevant, wenn wir sie zusammen mit den Funktionen betrachten, bei denen die Identifizierung der zu manipulierenden Objekte wichtig ist. Es ist auch relevant, wenn Kommunikationswege abgegrenzt werden und bei Aufgaben, die scharfe Kontraste erfordern.
Die Auswahl der Tonalität ist keine so wichtige Frage wie die Auswahl der richtigen Reflexionsqualitäten einer Oberfläche. Es gibt mehrere Empfehlungen, die für diesen Aspekt von Arbeitsflächen gelten:
Decken: Die Oberfläche einer Decke sollte so weiß wie möglich sein (mit einem Reflexionsfaktor von 75 %), da das Licht dann diffus von ihr reflektiert wird, Dunkelheit zerstreut und die Blendung durch andere Oberflächen verringert wird. Das bedeutet auch Einsparungen bei der künstlichen Beleuchtung.
Wände und Böden: Die Oberflächen von Wänden in Augenhöhe können blenden. Für Wände sind helle Farben mit einem Reflexionsgrad von 50 bis 75 % eher ausreichend. Während glänzende Farben tendenziell länger halten als matte Farben, sind sie reflektierender. Wände sollten daher matt oder halbglänzend sein.
Böden sollten in etwas dunkleren Farben als Wände und Decken ausgeführt werden, um Blendung zu vermeiden. Der Reflexionsgrad von Fußböden sollte zwischen 20 und 25 % liegen.
Ausrüstung: Arbeitsflächen, Maschinen und Tische sollten einen Reflexionsgrad zwischen 20 und 40 % aufweisen. Die Ausrüstung sollte ein dauerhaft reines Finish haben – helle Braun- oder Grautöne – und das Material sollte nicht glänzend sein.
Der richtige Einsatz von Farben im Arbeitsumfeld fördert das Wohlbefinden, steigert die Produktivität und kann sich positiv auf die Qualität auswirken. Es kann auch zu einer besseren Organisation und Unfallverhütung beitragen.
Es besteht die allgemeine Überzeugung, dass das Aufhellen der Wände und Decken und das Bereitstellen einer angemessenen Beleuchtungsstärke alles ist, was möglicherweise getan werden kann, was den Sehkomfort der Mitarbeiter betrifft. Diese Komfortfaktoren können jedoch verbessert werden, indem Weiß mit anderen Farben kombiniert wird, wodurch die Ermüdung und Langeweile vermieden wird, die monochromatische Umgebungen charakterisieren. Farben wirken sich auch auf das Stimulationsniveau einer Person aus; Warme Farben wirken eher aktivierend und entspannend, während kalte Farben verwendet werden, um den Einzelnen dazu zu bringen, seine Energie freizusetzen oder zu befreien.
Die Farbe des Lichts, seine Verteilung und die in einem bestimmten Raum verwendeten Farben sind unter anderem Schlüsselfaktoren, die die Empfindungen einer Person beeinflussen. Angesichts der vielen Farben und Komfortfaktoren, die es gibt, ist es unmöglich, genaue Richtlinien festzulegen, zumal alle diese Faktoren entsprechend den Eigenschaften und Anforderungen eines bestimmten Arbeitsplatzes kombiniert werden müssen. Einige grundlegende und allgemeine Praxisregeln lassen sich jedoch aufführen, die helfen können, ein lebenswertes Umfeld zu schaffen:
Objekte durch Farbe erkennen
Die Auswahl von Farben kann die Wirksamkeit von Beleuchtungssystemen beeinflussen, indem sie den Anteil des reflektierten Lichts beeinflusst. Aber auch bei der Identifizierung von Objekten spielt die Farbe eine wichtige Rolle. Mit brillanten und auffälligen Farben oder Farbkontrasten können wir Situationen oder Objekte hervorheben, die besondere Aufmerksamkeit erfordern. Tabelle 2 listet einige der Reflexionsfaktoren für verschiedene Farben und Materialien auf.
Tabelle 2. Reflexionsfaktoren verschiedener Farben und Materialien bei Beleuchtung mit weißem Licht
Farbe/Material |
Reflexionsfaktor (%) |
Weiß |
100 |
WHITE PAPER |
80-85 |
Elfenbein, limettengelb |
70-75 |
Hellgelb, heller Ocker, hellgrün, pastellblau, hellrosa, creme |
60-65 |
Lindgrün, hellgrau, rosa, orange, blaugrau |
50-55 |
Helles Holz, blauer Himmel |
40-45 |
Eiche, trockener Beton |
30-35 |
Tiefrot, blattgrün, olivgrün, wiesengrün |
20-25 |
Dunkelblau, lila |
10-15 |
Schwarz |
0 |
Auf jeden Fall sollte die farbliche Kennzeichnung nur dann eingesetzt werden, wenn es wirklich notwendig ist, da die farbliche Kennzeichnung nur dann richtig funktioniert, wenn nicht zu viele Objekte farblich hervorgehoben werden. Im Folgenden finden Sie einige Empfehlungen zur Identifizierung verschiedener Elemente anhand der Farbe:
Beleuchtung wird in Innenräumen bereitgestellt, um die folgenden Anforderungen zu erfüllen:
Die Bereitstellung einer sicheren Arbeitsumgebung muss ganz oben auf der Prioritätenliste stehen, und im Allgemeinen wird die Sicherheit erhöht, indem Gefahren deutlich sichtbar gemacht werden. Die Rangfolge der beiden anderen Anforderungen hängt weitgehend von der Nutzung des Innenraums ab. Die Aufgabenleistung kann verbessert werden, indem sichergestellt wird, dass Aufgabendetails leichter zu erkennen sind, während geeignete visuelle Umgebungen entwickelt werden, indem die Betonung der Beleuchtung auf Objekte und Oberflächen innerhalb eines Innenraums variiert wird.
Unser allgemeines Wohlbefinden, einschließlich Moral und Müdigkeit, wird durch Licht und Farbe beeinflusst. Bei schwacher Beleuchtung würden Objekte wenig oder keine Farbe oder Form haben und es würde zu einem Verlust der Perspektive kommen. Umgekehrt kann ein Lichtüberschuss ebenso unerwünscht sein wie ein Lichtmangel.
Generell wird ein Raum mit Tageslicht einem fensterlosen Raum vorgezogen. Darüber hinaus gilt der Kontakt zur Außenwelt als förderlich für das Wohlbefinden. Die Einführung automatischer Beleuchtungssteuerungen in Verbindung mit hochfrequentem Dimmen von Leuchtstofflampen hat es ermöglicht, Innenräume mit einer kontrollierten Kombination aus Tages- und Kunstlicht zu versorgen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass Energiekosten eingespart werden.
Die Wahrnehmung des Charakters eines Innenraums wird sowohl von der Helligkeit als auch von der Farbe der sichtbaren Oberflächen im Innen- und Außenbereich beeinflusst. Die allgemeinen Lichtverhältnisse innerhalb eines Innenraums können durch den Einsatz von Tageslicht oder Kunstlicht oder eher durch eine Kombination aus beidem erreicht werden.
Bewertung der Beleuchtung
Allgemeine Anforderungen
Beleuchtungssysteme, die in kommerziellen Innenräumen verwendet werden, können in drei Hauptkategorien unterteilt werden – allgemeine Beleuchtung, lokalisierte Beleuchtung und lokale Beleuchtung.
Allgemeinbeleuchtungsanlagen liefern typischerweise eine ungefähr gleichmäßige Beleuchtungsstärke über die gesamte Arbeitsebene. Solche Systeme basieren oft auf der Lumen-Designmethode, bei der eine durchschnittliche Beleuchtungsstärke ist:
Durchschnittliche Beleuchtungsstärke (Lux) =
Lokale Beleuchtungssysteme sorgen für Beleuchtungsstärke auf allgemeinen Arbeitsbereichen bei gleichzeitig reduzierter Beleuchtungsstärke in angrenzenden Bereichen.
Lokale Beleuchtungssysteme liefern Beleuchtungsstärke für relativ kleine Bereiche mit Sehaufgaben. Solche Systeme werden normalerweise durch ein bestimmtes Maß an Allgemeinbeleuchtung ergänzt. Abbildung 1 verdeutlicht die typischen Unterschiede zwischen den beschriebenen Systemen.
Abbildung 1. Beleuchtungssysteme
Bei der Erfüllung von Sehaufgaben ist es unerlässlich, eine geforderte Beleuchtungsstärke zu erreichen und die Umstände zu berücksichtigen, die ihre Qualität beeinflussen.
Die Nutzung von Tageslicht zur Beleuchtung von Aufgaben hat sowohl Vorteile als auch Grenzen. Fenster, die Tageslicht in einen Innenraum lassen, bieten eine gute dreidimensionale Modellierung, und obwohl die spektrale Verteilung des Tageslichts im Laufe des Tages variiert, wird seine Farbwiedergabe im Allgemeinen als ausgezeichnet angesehen.
Eine konstante Beleuchtungsstärke für eine Aufgabe kann jedoch aufgrund seiner großen Variabilität nicht nur durch natürliches Tageslicht bereitgestellt werden, und wenn sich die Aufgabe im selben Sichtfeld wie ein heller Himmel befindet, tritt wahrscheinlich eine störende Blendung auf, wodurch die Aufgabenleistung beeinträchtigt wird . Die Nutzung des Tageslichts für die aufgabenbezogene Beleuchtung ist nur teilweise erfolgreich, und die künstliche Beleuchtung, die stärker kontrolliert werden kann, spielt eine große Rolle.
Da das menschliche Auge Oberflächen und Gegenstände nur durch von ihnen reflektiertes Licht wahrnimmt, beeinflussen Oberflächeneigenschaften und Reflexionswerte zusammen mit der Quantität und Qualität des Lichts das Erscheinungsbild der Umgebung.
Bei der Betrachtung der Beleuchtung eines Innenraums ist es wichtig, die zu bestimmen Beleuchtungsstärke und mit den empfohlenen Niveaus für verschiedene Aufgaben zu vergleichen (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1. Typische empfohlene Niveaus der aufrechterhaltenen Beleuchtungsstärke für verschiedene Orte oder Sehaufgaben
|
Typisches empfohlenes Niveau der aufrechterhaltenen Beleuchtungsstärke (Lux) |
Allgemeine Büros |
500 |
Computerarbeitsplätze |
500 |
Montagebereiche der Fabrik |
|
Harte Arbeit |
300 |
Mittlere Arbeit |
500 |
Gute Arbeit |
750 |
Sehr feine Arbeit |
|
Instrumentenmontage |
1,000 |
Montage/Reparatur von Schmuck |
1,500 |
Operationssäle von Krankenhäusern |
50,000 |
Beleuchtung für Sehaufgaben
Die Fähigkeit des Auges, Details zu erkennen –Sehschärfe– wird maßgeblich von der Aufgabengröße, dem Kontrast und der Sehleistung des Betrachters beeinflusst. Die Erhöhung der Quantität und Qualität der Beleuchtung wird sich ebenfalls deutlich verbessern visuelle Leistung. Die Wirkung der Beleuchtung auf die Aufgabenleistung wird durch die Größe der kritischen Details der Aufgabe und durch den Kontrast zwischen Aufgabe und umgebendem Hintergrund beeinflusst. Abbildung 2 zeigt die Auswirkungen der Beleuchtungsstärke auf die Sehschärfe. Bei der Beleuchtung der Sehaufgabe ist es wichtig, die Fähigkeit des Auges zu berücksichtigen, die Sehaufgabe sowohl schnell als auch genau auszuführen. Diese Kombination ist bekannt als visuelle Leistung. Abbildung 3 zeigt typische Auswirkungen der Beleuchtungsstärke auf die Sehleistung bei einer bestimmten Aufgabe.
Abbildung 2. Typische Beziehung zwischen Sehschärfe und Beleuchtungsstärke
Abbildung 3. Typische Beziehung zwischen Sehleistung und Beleuchtungsstärke
Die Vorhersage der Beleuchtungsstärke, die eine Arbeitsfläche erreicht, ist von größter Bedeutung in der Lichtplanung. Das menschliche Sehsystem reagiert jedoch auf die Verteilung der Leuchtdichte innerhalb des Gesichtsfelds. Die Szene in einem Gesichtsfeld wird interpretiert, indem zwischen Oberflächenfarbe, Reflexion und Beleuchtung unterschieden wird. Die Leuchtdichte hängt sowohl von der Beleuchtungsstärke als auch dem Reflexionsgrad einer Oberfläche ab. Sowohl die Beleuchtungsstärke als auch die Leuchtdichte sind objektive Größen. Die Reaktion auf die Helligkeit ist jedoch subjektiv.
Um eine Umgebung zu schaffen, die visuelle Zufriedenheit, Komfort und Leistung bietet, müssen die Leuchtdichten innerhalb des Sichtfelds ausgeglichen sein. Idealerweise sollten die Leuchtdichten rund um eine Aufgabe allmählich abnehmen, um so harte Kontraste zu vermeiden. Die vorgeschlagene Variation der Leuchtdichte über eine Aufgabe hinweg ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Variation der Leuchtdichte über eine Aufgabe hinweg
Die Lumen-Methode der Lichtplanung führt zu einer durchschnittlichen horizontalen Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsebene, und es ist möglich, die Methode zu verwenden, um durchschnittliche Beleuchtungsstärkewerte an Wänden und Decken innerhalb eines Innenraums zu ermitteln. Aus Angaben zum mittleren Reflexionsgrad der Raumoberflächen ist es möglich, mittlere Beleuchtungsstärkewerte in mittlere Leuchtdichtewerte umzurechnen.
Die Gleichung für Leuchtdichte und Beleuchtungsstärke lautet:
Abbildung 5. Typische relative Beleuchtungsstärkewerte zusammen mit empfohlenen Reflexionswerten
Abbildung 5 zeigt ein typisches Büro mit relativen Beleuchtungsstärkewerten (von einem allgemeinen Deckenbeleuchtungssystem) auf den Hauptraumoberflächen zusammen mit vorgeschlagenen Reflexionsgraden. Das menschliche Auge neigt dazu, von dem Teil der visuellen Szene angezogen zu werden, der am hellsten ist. Daraus folgt, dass in einem Sehaufgabenbereich üblicherweise höhere Leuchtdichtewerte auftreten. Das Auge erkennt Details innerhalb einer visuellen Aufgabe, indem es zwischen helleren und dunkleren Teilen der Aufgabe unterscheidet. Die Helligkeitsvariation einer Sehaufgabe wird aus der Berechnung der bestimmt Helligkeitskontrast:
woher
Lt = Helligkeit der Aufgabe
Lb = Helligkeit des Hintergrunds
und beide Leuchtdichten werden in cd·m gemessen-2
Die vertikalen Linien in dieser Gleichung bedeuten, dass alle Werte des Helligkeitskontrasts als positiv anzusehen sind.
Der Kontrast einer Sehaufgabe wird durch die Reflexionseigenschaften der Aufgabe selbst beeinflusst. Siehe Abbildung 5.
Optische Steuerung der Beleuchtung
Wenn eine nackte Lampe in einer Leuchte verwendet wird, ist die Lichtverteilung wahrscheinlich nicht akzeptabel und das System wird mit ziemlicher Sicherheit unwirtschaftlich sein. In solchen Situationen ist die nackte Lampe wahrscheinlich eine Blendquelle für die Rauminsassen, und obwohl schließlich etwas Licht die Arbeitsebene erreichen kann, wird die Wirksamkeit der Installation aufgrund der Blendung wahrscheinlich ernsthaft verringert.
Es ist offensichtlich, dass eine gewisse Form der Lichtsteuerung erforderlich ist, und die am häufigsten eingesetzten Verfahren sind unten im Detail aufgeführt.
Behinderung
Wenn eine Lampe in einem undurchsichtigen Gehäuse mit nur einer einzigen Öffnung für den Lichtaustritt installiert wird, ist die Lichtverteilung sehr begrenzt, wie in Abbildung 6 gezeigt.
Abbildung 6. Lichtleistungssteuerung durch Hindernis
Betrachtung
Dieses Verfahren verwendet reflektierende Oberflächen, die von einer hochmatten Oberfläche bis zu einer hochglänzenden oder spiegelähnlichen Oberfläche variieren können. Diese Steuerungsmethode ist effizienter als eine Versperrung, da Streulicht gesammelt und dorthin umgeleitet wird, wo es benötigt wird. Das zugrunde liegende Prinzip ist in Abbildung 7 dargestellt.
Abbildung 7. Steuerung der Lichtleistung durch Reflexion
Rundfunk
Wird eine Lampe in ein lichtdurchlässiges Material eingebaut, vergrößert sich die scheinbare Größe der Lichtquelle bei gleichzeitiger Verringerung ihrer Helligkeit. Praktische Diffusoren absorbieren leider einen Teil des abgegebenen Lichts, was folglich die Gesamteffizienz der Leuchte verringert. Abbildung 8 veranschaulicht das Prinzip der Diffusion.
Abbildung 8. Steuerung der Lichtleistung durch Diffusion
Brechung
Dieses Verfahren nutzt den „Prismeneffekt“, bei dem typischerweise ein Prismenmaterial aus Glas oder Kunststoff die Lichtstrahlen „krümmt“ und so das Licht dorthin lenkt, wo es benötigt wird. Diese Methode eignet sich hervorragend für die allgemeine Innenbeleuchtung. Sie hat den Vorteil, eine gute Entblendung mit einem akzeptablen Wirkungsgrad zu kombinieren. Abbildung 9 zeigt, wie die Brechung die optische Kontrolle unterstützt.
In vielen Fällen verwendet eine Leuchte eine Kombination der beschriebenen Methoden der optischen Lenkung.
Abbildung 9. Steuerung der Lichtleistung durch Brechung
Leuchtdichteverteilung
Die Lichtaustrittsverteilung einer Leuchte bestimmt maßgeblich die später erlebten Sehbedingungen. Jedes der vier beschriebenen Verfahren der optischen Steuerung erzeugt unterschiedliche Lichtausgangsverteilungseigenschaften der Leuchte.
Verhüllende Reflexionen treten häufig in Bereichen auf, in denen Bildschirme installiert sind. Die üblichen Symptome, die in solchen Situationen auftreten, sind eine verminderte Fähigkeit, den Text auf einem Bildschirm richtig zu lesen, aufgrund des Erscheinens unerwünschter Bilder mit hoher Leuchtdichte auf dem Bildschirm selbst, typischerweise von Deckenleuchten. Es kann eine Situation entstehen, in der verschleierende Reflexionen auch auf Papier auf einem Schreibtisch in einem Innenraum erscheinen.
Wenn die Leuchten in einem Innenraum eine starke vertikal nach unten gerichtete Komponente der Lichtabgabe haben, dann wird jedes Papier auf einem Schreibtisch unter einer solchen Leuchte die Lichtquelle in die Augen eines Betrachters reflektieren, der auf dem Papier liest oder daran arbeitet. Wenn das Papier eine glänzende Oberfläche hat, wird die Situation verschlimmert.
Die Lösung des Problems besteht darin, die eingesetzten Leuchten mit einer überwiegend schräg zur Senkrechten nach unten gerichteten Lichtverteilung auszustatten, so dass die Reflexblendung den Grundgesetzen der Physik (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) folgt minimiert werden. Abbildung 10 zeigt ein typisches Beispiel sowohl für das Problem als auch für die Lösung. Die zur Lösung des Problems verwendete Lichtabgabeverteilung der Leuchte wird als a bezeichnet Fledermausverteilung.
Abbildung 10. Verschleierende Reflexionen
Auch die Lichtverteilung von Leuchten kann dazu führen direkte Blendung, und um dieses Problem zu lösen, sollten lokale Beleuchtungseinheiten außerhalb des „verbotenen Winkels“ von 45 Grad installiert werden, wie in Abbildung 11 gezeigt.
Abbildung 11. Schematische Darstellung des verbotenen Winkels
Optimale Lichtverhältnisse für Sehkomfort und Leistung
Bei der Untersuchung der Lichtverhältnisse im Hinblick auf Sehkomfort und Sehleistung ist es angebracht, die Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf die Fähigkeit auswirken, Details zu sehen. Diese lassen sich in zwei Kategorien unterteilen – Eigenschaften des Beobachters und Eigenschaften der Aufgabe.
Eigenschaften des Beobachters.
Diese umfassen:
Merkmale der Aufgabe.
Diese umfassen:
Bezogen auf bestimmte Aufgaben sind folgende Fragen zu beantworten:
Um optimale Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz zu schaffen, ist es wichtig, die Anforderungen an die Beleuchtungsanlage zu berücksichtigen. Im Idealfall sollte die Arbeitsplatzbeleuchtung Farbe, Größe, Relief und Oberflächenqualitäten einer Aufgabe sichtbar machen und gleichzeitig die Entstehung potenziell gefährlicher Schatten, Blendung und „rauer“ Umgebungen für die Aufgabe selbst vermeiden.
Blendung.
Blendung tritt auf, wenn im Sichtfeld eine übermäßige Leuchtdichte vorhanden ist. Die Auswirkungen der Blendung auf das Sehen können in zwei Gruppen eingeteilt werden, die als bezeichnet werden Behinderung Blendung und Unbehagen Blendung.
Betrachten Sie das Beispiel der Blendung durch die Scheinwerfer eines entgegenkommenden Fahrzeugs bei Dunkelheit. Das Auge kann sich nicht gleichzeitig an die Scheinwerfer des Fahrzeugs und an die viel geringere Helligkeit der Straße anpassen. Dies ist ein Beispiel für Behinderungsblendung, da die Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte aufgrund der Streuung von Licht in den optischen Medien einen Behinderungseffekt erzeugen. Die Blendung durch Behinderung ist proportional zur Intensität der störenden Lichtquelle.
Unbequeme Blendung, die eher in Innenräumen auftritt, kann reduziert oder sogar vollständig beseitigt werden, indem der Kontrast zwischen der Aufgabe und ihrer Umgebung verringert wird. Matte, diffus reflektierende Oberflächen auf Arbeitsflächen sind glänzenden oder spiegelnd reflektierenden Oberflächen vorzuziehen, und die Position störender Lichtquellen sollte außerhalb des normalen Sichtfeldes liegen. Im Allgemeinen tritt eine erfolgreiche visuelle Leistung auf, wenn die Aufgabe selbst heller ist als ihre unmittelbare Umgebung, aber nicht übermäßig.
Der Größe der unangenehmen Blendung wird ein numerischer Wert gegeben und mit Referenzwerten verglichen, um vorherzusagen, ob das Ausmaß der unangenehmen Blendung akzeptabel sein wird. Die im Vereinigten Königreich und anderswo verwendete Methode zur Berechnung der Blendungsindexwerte wird unter „Messung“ betrachtet.
Messung
Umfragen zur Beleuchtung
Eine häufig verwendete Vermessungstechnik beruht auf einem Raster von Messpunkten über das gesamte betrachtete Gebiet. Die Grundlage dieser Technik besteht darin, den gesamten Innenraum in eine Anzahl gleicher Bereiche zu unterteilen, von denen jeder idealerweise quadratisch ist. Die Beleuchtungsstärke in der Mitte jedes Bereichs wird auf Schreibtischhöhe (normalerweise 0.85 Meter über dem Boden) gemessen und ein Durchschnittswert der Beleuchtungsstärke berechnet. Die Genauigkeit des Wertes der mittleren Beleuchtungsstärke wird durch die Anzahl der verwendeten Messpunkte beeinflusst.
Es besteht eine Beziehung, die es ermöglicht Minimum Anzahl der zu berechnenden Messpunkte aus dem Wert von Zimmerindex anwendbar auf den betrachteten Innenraum.
Dabei beziehen sich Länge und Breite auf die Raummaße und die Montagehöhe auf den senkrechten Abstand zwischen Lichtquellenmittelpunkt und Arbeitsebene.
Die genannte Beziehung ist gegeben als:
Minimale Anzahl von Messpunkten = (x + 2)2
wo "x” ist der Wert des Raumindex, der zur nächsthöheren ganzen Zahl genommen wird, außer dass für alle Werte von RI gleich oder größer als 3, x wird als 4 angenommen. Diese Gleichung gibt die minimale Anzahl von Messpunkten an, aber die Bedingungen erfordern oft die Verwendung von mehr als dieser minimalen Anzahl von Punkten.
Bei der Betrachtung der Beleuchtung eines Aufgabenbereichs und seiner unmittelbaren Umgebung sind Abweichungen in der Beleuchtungsstärke bzw Einheitlichkeit der Beleuchtungsstärke berücksichtigt werden.
Über jedem Arbeitsbereich und seiner unmittelbaren Umgebung sollte die Gleichmäßigkeit nicht weniger als 0.8 betragen.
An vielen Arbeitsplätzen ist es unnötig, alle Bereiche gleich stark auszuleuchten. Örtliche oder punktuelle Beleuchtung kann ein gewisses Maß an Energieeinsparung bieten, aber welches System auch immer verwendet wird, die Varianz der Beleuchtungsstärke in einem Innenraum darf nicht übermäßig sein.
Das Vielfalt der Beleuchtungsstärke wird ausgedrückt als:
An keiner Stelle im Hauptbereich des Innenraums sollte die Diversität der Beleuchtungsstärke 5:1 überschreiten.
Instrumente, die zum Messen von Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte verwendet werden, haben typischerweise spektrale Empfindlichkeiten, die von der Empfindlichkeit des menschlichen Sehsystems abweichen. Die Antworten werden korrigiert, häufig durch die Verwendung von Filtern. Wenn Filter eingebaut sind, werden die Instrumente als bezeichnet Farbe korrigiert.
Bei Beleuchtungsstärkemessgeräten wird eine weitere Korrektur angewendet, die die Richtung des einfallenden Lichts kompensiert, das auf die Detektorzelle fällt. Instrumente, die in der Lage sind, die Beleuchtungsstärke aus verschiedenen Richtungen des einfallenden Lichts genau zu messen, sollen es sein Kosinus korrigiert.
Messung des Blendindex
Das im Vereinigten Königreich häufig verwendete System, mit Variationen anderswo, ist im Wesentlichen ein zweistufiger Prozess. Die erste Stufe etabliert eine unkorrigierter Blendindex Wert (UGI). Abbildung 12 zeigt ein Beispiel.
Abbildung 12. Aufriss und Draufsicht eines typischen Innenraums, der im Beispiel verwendet wird
Die Höhe H ist der vertikale Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Lichtquelle und der Augenhöhe eines sitzenden Beobachters, die normalerweise mit 1.2 Metern über dem Boden angesetzt wird. Die Hauptabmessungen des Raums werden dann in Vielfache von H umgerechnet. Da also H = 3.0 Meter ist, ist Länge = 4H und Breite = 3H. Es müssen vier separate UGI-Berechnungen durchgeführt werden, um das Worst-Case-Szenario gemäß den in Abbildung 13 gezeigten Layouts zu bestimmen.
Abbildung 13. Mögliche Kombinationen von Leuchtenausrichtung und Blickrichtung innerhalb des im Beispiel betrachteten Innenraums
Von Herstellern von Beleuchtungsgeräten werden Tabellen erstellt, die für gegebene Werte des Stoffreflexionsvermögens in einem Raum Werte des unkorrigierten Blendungsindex für jede Kombination von Werten von X und Y spezifizieren.
Die zweite Stufe des Prozesses besteht darin, Korrekturfaktoren auf die UGI-Werte in Abhängigkeit von den Werten des Lampenausgangsflusses und der Höhenabweichung (H) anzuwenden.
Der endgültige Blendungsindexwert wird dann mit dem Grenzblendungsindexwert für bestimmte Innenräume verglichen, der in Referenzen wie dem CIBSE-Code für Innenbeleuchtung (1994) angegeben ist.
Die allgegenwärtige Natur des Berufslärms
Lärm ist eine der häufigsten Gefahren am Arbeitsplatz. In den Vereinigten Staaten sind beispielsweise mehr als 9 Millionen Arbeiter einem täglichen durchschnittlichen A-bewerteten Lärmpegel von 85 Dezibel (hier abgekürzt als 85 dBA) ausgesetzt. Diese Geräuschpegel sind potenziell schädlich für ihr Gehör und können auch andere nachteilige Auswirkungen haben. Etwa 5.2 Millionen Arbeitnehmer sind in der Fertigung und in Versorgungsunternehmen Lärmpegeln über diesen Werten ausgesetzt, was etwa 35 % der Gesamtzahl der Arbeitnehmer in der US-amerikanischen Fertigungsindustrie entspricht.
Gefährliche Lärmpegel sind leicht zu identifizieren, und es ist technisch machbar, übermäßigen Lärm in den allermeisten Fällen durch den Einsatz von handelsüblicher Technologie, durch die Neugestaltung der Ausrüstung oder des Prozesses oder durch die Nachrüstung lauter Maschinen zu kontrollieren. Aber allzu oft wird nichts getan. Dafür gibt es mehrere Gründe. Erstens, obwohl viele Lärmschutzlösungen bemerkenswert kostengünstig sind, können andere kostspielig sein, insbesondere wenn das Ziel darin besteht, die Lärmgefährdung auf Werte von 85 oder 80 dBA zu reduzieren.
Ein sehr wichtiger Grund für das Fehlen von Lärmschutz- und Gehörschutzprogrammen ist, dass Lärm leider oft als „notwendiges Übel“ akzeptiert wird, als Teil der Geschäftstätigkeit, als unvermeidlicher Teil eines Industriejobs. Gefährlicher Lärm verursacht kein Blutvergießen, bricht keine Knochen, produziert kein seltsam aussehendes Gewebe, und wenn die Arbeiter es schaffen, die ersten Tage oder Wochen der Exposition zu überstehen, haben sie oft das Gefühl, dass sie sich an den Lärm „gewöhnt“ haben. Was jedoch höchstwahrscheinlich passiert ist, ist, dass sie begonnen haben, einen vorübergehenden Hörverlust zu erleiden, der ihre Hörempfindlichkeit während des Arbeitstages dämpft und oft während der Nacht nachlässt. Der Fortschritt des lärmbedingten Hörverlusts ist also schleichend, da er sich im Laufe der Monate und Jahre weitestgehend unbemerkt schleicht, bis er behindernde Ausmaße erreicht.
Ein weiterer wichtiger Grund dafür, dass die Gefahren von Lärm nicht immer erkannt werden, ist die Stigmatisierung der daraus resultierenden Hörschädigung. Wie Raymond Hétu an anderer Stelle in diesem Artikel über die Rehabilitation von lärmbedingtem Hörverlust so deutlich gezeigt hat Enzyklopädie, Menschen mit Hörbehinderungen werden oft als älter, geistig langsam und allgemein inkompetent angesehen, und diejenigen, die von Beeinträchtigungen bedroht sind, zögern aus Angst, stigmatisiert zu werden, entweder ihre Beeinträchtigungen oder das Risiko anzuerkennen. Dies ist eine unglückliche Situation, da lärmbedingte Hörverluste dauerhaft werden und, wenn sie zu dem mit dem Alter auftretenden Hörverlust hinzukommen, im mittleren und höheren Alter zu Depressionen und Vereinsamung führen können. Es ist an der Zeit, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, bevor der Hörverlust beginnt.
Der Umfang der Lärmbelastung
Wie oben erwähnt, ist Lärm besonders in der Fertigungsindustrie weit verbreitet. Das US-Arbeitsministerium hat geschätzt, dass 19.3 % der Arbeitnehmer in der Fertigung und in Versorgungsunternehmen einem täglichen durchschnittlichen Lärmpegel von 90 dBA und mehr ausgesetzt sind, 34.4 % einem Pegel von über 85 dBA und 53.1 % einem Pegel von über 80 dBA. Diese Schätzungen sollten ziemlich typisch für den Prozentsatz der Arbeitnehmer sein, die gefährlichen Lärmpegeln in anderen Ländern ausgesetzt sind. Die Werte dürften in weniger entwickelten Ländern etwas höher sein, wo technische Kontrollen nicht so weit verbreitet sind, und etwas niedriger in Ländern mit stärkeren Lärmschutzprogrammen, wie den skandinavischen Ländern und Deutschland.
Viele Arbeiter auf der ganzen Welt sind einigen sehr gefährlichen Expositionen ausgesetzt, weit über 85 oder 90 dBA. Das US-Arbeitsministerium hat beispielsweise geschätzt, dass fast eine halbe Million Arbeiter einem täglichen durchschnittlichen Lärmpegel von 100 dBA und mehr ausgesetzt sind, und mehr als 800,000 einem Pegel zwischen 95 und 100 dBA allein in der verarbeitenden Industrie.
Abbildung 1 listet die lautesten Fertigungsindustrien in den Vereinigten Staaten in absteigender Reihenfolge nach dem Prozentsatz der Arbeitnehmer auf, die über 90 dBA ausgesetzt sind, und enthält Schätzungen der lärmexponierten Arbeitnehmer nach Industriesektor.
Abbildung 1. Lärmbelastung am Arbeitsplatz – die Erfahrung in den USA
Forschungsbedarf
In den folgenden Artikeln dieses Kapitels soll dem Leser klar werden, dass die Auswirkungen der meisten Lärmarten auf das Gehör bekannt sind. Kriterien für die Auswirkungen von kontinuierlichem, wechselndem und intermittierendem Lärm wurden vor etwa 30 Jahren entwickelt und sind bis heute im Wesentlichen gleich geblieben. Dies gilt jedoch nicht für Impulsrauschen. Bei relativ niedrigen Pegeln scheint Impulsschall bei gleicher Schallenergie nicht schädlicher und möglicherweise weniger schädlicher zu sein als Dauerschall. Bei hohen Schallpegeln scheint Impulslärm jedoch schädlicher zu sein, insbesondere wenn ein kritischer Pegel (oder besser gesagt eine kritische Belastung) überschritten wird. Weitere Untersuchungen müssen durchgeführt werden, um die Form der Schadens-Risiko-Kurve genauer zu definieren.
Ein weiterer zu klärender Bereich ist die Beeinträchtigung des Gehörs und der allgemeinen Gesundheit durch Lärm in Kombination mit anderen Einwirkungen. Obwohl die kombinierten Wirkungen von Lärm und ototoxischen Arzneimitteln ziemlich gut bekannt sind, gibt die Kombination von Lärm und Industriechemikalien zunehmend Anlass zur Sorge. Lösungsmittel und bestimmte andere Wirkstoffe scheinen zunehmend neurotoxisch zu sein, wenn sie in Verbindung mit hohen Lärmpegeln erlebt werden.
Weltweit erhalten lärmexponierte Arbeiter in der verarbeitenden Industrie und beim Militär die größte Aufmerksamkeit. Es gibt jedoch viele Arbeiter im Bergbau, Bauwesen, in der Landwirtschaft und im Transportwesen, die ebenfalls gefährlichen Lärmpegeln ausgesetzt sind, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die mit diesen Berufen verbundenen besonderen Bedürfnisse sowie Lärmschutz und andere Aspekte müssen bewertet werden von Programmen zur Erhaltung des Gehörs müssen auf diese Arbeitnehmer ausgeweitet werden. Leider garantiert die Bereitstellung von Hörschutzprogrammen für lärmexponierte Arbeitnehmer nicht, dass Hörverlust und andere nachteilige Auswirkungen von Lärm verhindert werden. Es gibt Standardmethoden zur Bewertung der Wirksamkeit von Programmen zur Erhaltung des Gehörs, aber sie können umständlich sein und werden nicht weit verbreitet. Es müssen einfache Bewertungsmethoden entwickelt werden, die sowohl von kleinen als auch von großen Unternehmen und solchen mit minimalen Ressourcen verwendet werden können.
Die Technologie existiert, um die meisten Lärmprobleme zu mindern, wie oben erwähnt, aber es gibt eine große Lücke zwischen der existierenden Technologie und ihrer Anwendung. Es müssen Methoden entwickelt werden, mit denen Informationen über alle Arten von Lärmschutzlösungen an diejenigen weitergegeben werden können, die sie benötigen. Lärmschutzinformationen müssen computerisiert und nicht nur Nutzern in Entwicklungsländern, sondern auch Industrienationen zur Verfügung gestellt werden.
Future Trends
In einigen Ländern gibt es einen zunehmenden Trend, der außerberuflichen Lärmexposition und ihrem Beitrag zur Belastung durch lärmbedingten Hörverlust mehr Bedeutung beizumessen. Zu diesen Arten von Quellen und Aktivitäten gehören Jagd, Zielschießen, lautes Spielzeug und laute Musik. Dieser Fokus ist insofern vorteilhaft, als er einige potenziell signifikante Quellen von Hörbeeinträchtigungen hervorhebt, aber er kann tatsächlich schädlich sein, wenn er die Aufmerksamkeit von ernsten Lärmproblemen am Arbeitsplatz ablenkt.
Eine sehr dramatische Entwicklung zeigt sich bei den Mitgliedsstaaten der Europäischen Union, wo die Normung für Lärm in fast atemlosem Tempo voranschreitet. Dieser Prozess umfasst sowohl Standards für Produktgeräuschemissionen als auch für Geräuschbelastungsstandards.
Der Standardsetzungsprozess schreitet in Nordamerika überhaupt nicht schnell voran, insbesondere in den Vereinigten Staaten, wo die Regulierungsbemühungen zum Stillstand gekommen sind und eine Bewegung in Richtung Deregulierung möglich ist. Die Bemühungen, den Lärm neuer Produkte zu regulieren, wurden 1982 aufgegeben, als das Noise Office in der US-Umweltschutzbehörde geschlossen wurde, und Lärmschutzstandards am Arbeitsplatz könnten das deregulierende Klima im gegenwärtigen US-Kongress nicht überleben.
Die Entwicklungsländer scheinen dabei zu sein, Lärmnormen zu verabschieden und zu überarbeiten. Diese Standards tendieren zum Konservatismus, indem sie sich in Richtung einer zulässigen Belastungsgrenze von 85 dBA und in Richtung eines Wechselkurses (Zeit/Intensitäts-Trading-Relation) von 3 dB bewegen. Wie gut diese Standards durchgesetzt werden, insbesondere in aufstrebenden Volkswirtschaften, ist eine offene Frage.
Der Trend in einigen Entwicklungsländern geht dahin, sich auf die Lärmkontrolle durch technische Methoden zu konzentrieren, anstatt sich mit den Feinheiten von audiometrischen Tests, Gehörschutzgeräten, Schulungen und Aufzeichnungen abzumühen. Dies scheint ein sehr vernünftiger Ansatz zu sein, wo immer dies möglich ist. Die Ergänzung mit Gehörschutz kann manchmal erforderlich sein, um die Exposition auf ein sicheres Niveau zu reduzieren.
Die Auswirkungen von Lärm
Bestimmte der folgenden Materialien wurden von Suter, AH, „Noise and the Conservation of Hearing“, Kapitel 2 in Hearing Conservation Manual (3rd ed.), Council for Accreditation in Occupational Hearing Conservation, Milwaukee, WI, USA (1993) übernommen ).
Hörverlust ist sicherlich die bekannteste und wahrscheinlich schwerwiegendste Nebenwirkung von Lärm, aber nicht die einzige. Andere nachteilige Wirkungen sind Tinnitus (Ohrgeräusche), Störungen der Sprachkommunikation und der Wahrnehmung von Warnsignalen, Beeinträchtigung der Arbeitsleistung, Belästigung und extraauditive Effekte. Unter den meisten Umständen sollte der Schutz des Gehörs der Arbeitnehmer vor den meisten anderen Auswirkungen schützen. Diese Überlegung bietet Unternehmen zusätzliche Unterstützung bei der Umsetzung guter Lärmschutz- und Gehörschutzprogramme.
Schwerhörig
Lärmbedingte Schwerhörigkeit ist weit verbreitet, wird aber oft unterschätzt, da keine sichtbaren Auswirkungen und meist keine Schmerzen auftreten. Es gibt nur einen allmählichen, fortschreitenden Verlust der Kommunikation mit Familie und Freunden und einen Verlust der Empfindlichkeit gegenüber Geräuschen in der Umgebung, wie Vogelgezwitscher und Musik. Leider wird gutes Hören in der Regel so lange als selbstverständlich angesehen, bis es verloren geht.
Diese Verluste können so schleichend sein, dass Einzelpersonen nicht erkennen, was passiert ist, bis die Beeinträchtigung zu einer Behinderung wird. Das erste Anzeichen ist normalerweise, dass andere Menschen nicht mehr so deutlich zu sprechen scheinen wie früher. Der Hörgeschädigte muss andere bitten, sich zu wiederholen, und ärgert sich oft über deren scheinbare Rücksichtslosigkeit. Familie und Freunden wird oft gesagt: „Schrei mich nicht an. Ich kann dich hören, aber ich kann einfach nicht verstehen, was du sagst.“
Wenn der Hörverlust schlimmer wird, beginnt die Person, sich aus sozialen Situationen zurückzuziehen. Kirche, Bürgerversammlungen, gesellschaftliche Anlässe und Theater beginnen an Anziehungskraft zu verlieren und der Einzelne entscheidet sich dafür, zu Hause zu bleiben. Die Lautstärke des Fernsehers wird in der Familie zum Streitpunkt, und manchmal werden andere Familienmitglieder aus dem Zimmer vertrieben, weil der Hörgeschädigte es so laut haben möchte.
Presbyakusis, der Hörverlust, der natürlich mit dem Alterungsprozess einhergeht, verstärkt die Hörbehinderung, wenn die Person mit lärmbedingtem Hörverlust älter wird. Schließlich kann der Verlust so weit fortschreiten, dass die Person nicht mehr ohne große Schwierigkeiten mit Familie oder Freunden kommunizieren kann, und dann ist sie tatsächlich isoliert. Ein Hörgerät kann in einigen Fällen helfen, aber die Klarheit des natürlichen Hörens wird nie wiederhergestellt, so wie die Klarheit des Sehens mit einer Brille.
Berufsbedingte Schwerhörigkeit
Eine lärmbedingte Schwerhörigkeit wird in der Regel eher als Berufskrankheit und nicht als Verletzung angesehen, da sie schleichend fortschreitet. In seltenen Fällen kann ein Mitarbeiter durch ein sehr lautes Ereignis wie eine Explosion oder einen sehr lauten Prozess wie das Nieten auf Stahl einen sofortigen, dauerhaften Hörverlust erleiden. Unter diesen Umständen wird der Hörverlust manchmal als Verletzung bezeichnet und als „akustisches Trauma“ bezeichnet. Der übliche Umstand ist jedoch eine langsame Abnahme des Hörvermögens über viele Jahre. Das Ausmaß der Beeinträchtigung hängt vom Lärmpegel, der Dauer der Exposition und der Anfälligkeit des einzelnen Arbeitnehmers ab. Leider gibt es keine medizinische Behandlung für berufsbedingte Schwerhörigkeit; es gibt nur vorbeugung.
Die auditiven Wirkungen von Lärm sind gut dokumentiert und es gibt wenig Kontroversen über die Menge an kontinuierlichem Lärm, die unterschiedlichen Grad an Hörverlust verursacht (ISO 1990). Dass intermittierender Lärm zu Hörverlust führt, ist ebenfalls unbestritten. Aber Lärmphasen, die durch Ruhephasen unterbrochen werden, können dem Innenohr die Möglichkeit bieten, sich von einem vorübergehenden Hörverlust zu erholen, und sind daher möglicherweise etwas weniger gefährlich als Dauerlärm. Dies gilt vor allem für Tätigkeiten im Freien, nicht aber für Innenräume wie Fabriken, wo die notwendigen Ruhepausen selten sind (Suter 1993).
Auch Impulslärm, wie der Lärm von Schüssen und Metallstempeln, schädigt das Gehör. Es gibt einige Hinweise darauf, dass die Gefährdung durch Impulslärm größer ist als die durch andere Lärmarten (Dunn et al. 1991; Thiery und Meyer-Bisch 1988), aber das ist nicht immer der Fall. Die Höhe des Schadens hängt hauptsächlich von der Stärke und Dauer des Impulses ab und kann schlimmer sein, wenn im Hintergrund ein kontinuierliches Rauschen vorhanden ist. Es gibt auch Hinweise darauf, dass hochfrequente Impulslärmquellen schädlicher sind als solche, die aus niedrigeren Frequenzen bestehen (Hamernik, Ahroon und Hsueh 1991; Price 1983).
Hörverlust durch Lärm ist zunächst oft nur vorübergehend. Im Laufe eines lauten Tages ermüdet das Ohr und der Arbeiter erfährt eine Hörminderung, die als bekannt ist vorübergehende Schwellenverschiebung (TTS). Zwischen dem Ende einer Arbeitsschicht und dem Beginn der nächsten erholt sich das Ohr normalerweise von einem Großteil des TTS, aber oft bleibt ein Teil des Verlusts bestehen. Nach Tagen, Monaten und Jahren der Exposition führt das TTS zu dauerhaften Effekten und neue Mengen an TTS beginnen sich auf den nun dauerhaften Verlusten aufzubauen. Ein gutes audiometrisches Testprogramm wird versuchen, diese vorübergehenden Hörverluste zu identifizieren und vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, bevor die Verluste dauerhaft werden.
Experimentelle Beweise deuten darauf hin, dass mehrere industrielle Arbeitsstoffe für das Nervensystem toxisch sind und bei Versuchstieren zu Hörverlust führen, insbesondere wenn sie in Kombination mit Lärm auftreten (Fechter 1989). Diese Mittel umfassen (1) gefährliche Schwermetalle, wie Bleiverbindungen und Trimethylzinn, (2) organische Lösungsmittel, wie Toluol, Xylol und Kohlendisulfid, und (3) ein Erstickungsmittel, Kohlenmonoxid. Neuere Untersuchungen an Industriearbeitern (Morata 1989; Morata et al. 1991) deuten darauf hin, dass bestimmte dieser Substanzen (Schwefelkohlenstoff und Toluol) das schädliche Potenzial von Lärm erhöhen können. Es gibt auch Hinweise darauf, dass bestimmte Medikamente, die bereits für das Ohr toxisch sind, die schädliche Wirkung von Lärm verstärken können (Boettcher et al. 1987). Beispiele hierfür sind bestimmte Antibiotika und Chemotherapeutika gegen Krebs. Diejenigen, die für Gehörschutzprogramme verantwortlich sind, sollten sich darüber im Klaren sein, dass Arbeiter, die diesen Chemikalien ausgesetzt sind oder diese Medikamente einnehmen, möglicherweise anfälliger für Hörverlust sind, insbesondere wenn sie zusätzlich Lärm ausgesetzt sind.
Nichtberufsbedingte Schwerhörigkeit
Es ist wichtig zu verstehen, dass Lärm am Arbeitsplatz nicht die einzige Ursache für lärmbedingten Hörverlust bei Arbeitnehmern ist, sondern dass Hörverlust auch durch Quellen außerhalb des Arbeitsplatzes verursacht werden kann. Diese Lärmquellen erzeugen das, was manchmal als „Soziokusis“ bezeichnet wird, und ihre Auswirkungen auf das Gehör sind nicht von berufsbedingtem Hörverlust zu unterscheiden. Sie können nur vermutet werden, indem detaillierte Fragen zu den Freizeitaktivitäten und anderen lauten Aktivitäten des Arbeitnehmers gestellt werden. Beispiele für Soziokusikquellen könnten Holzbearbeitungswerkzeuge, Kettensägen, nicht gedämpfte Motorräder, laute Musik und Schusswaffen sein. Häufiges Schießen mit großkalibrigen Waffen (ohne Gehörschutz) kann erheblich zu lärmbedingtem Hörverlust beitragen, während gelegentliches Jagen mit kleineren Waffen eher harmlos ist.
Die Bedeutung der nichtberuflichen Lärmbelastung und der daraus resultierenden Soziokusis besteht darin, dass dieser Hörverlust zu der Belastung beiträgt, die eine Person möglicherweise aus beruflichen Quellen erhält. Im Interesse der allgemeinen Hörgesundheit der Arbeitnehmer sollte ihnen geraten werden, einen angemessenen Gehörschutz zu tragen, wenn sie lauten Freizeitaktivitäten nachgehen.
Tinnitus
Tinnitus ist eine Erkrankung, die häufig sowohl mit vorübergehendem als auch dauerhaftem Hörverlust durch Lärm sowie mit anderen Arten von sensorineuralem Hörverlust einhergeht. Tinnitus wird oft als „Ohrensausen“ bezeichnet und kann in einigen Fällen von leicht bis zu schweren in anderen reichen. Manchmal berichten Einzelpersonen, dass sie von ihrem Tinnitus mehr geplagt werden als von ihrer Hörbehinderung.
Menschen mit Tinnitus bemerken ihn wahrscheinlich am stärksten in ruhigen Umgebungen, z. B. wenn sie versuchen, nachts einzuschlafen, oder wenn sie in einer schalldichten Kabine sitzen und einen audiometrischen Test durchführen. Es ist ein Zeichen dafür, dass die Sinneszellen im Innenohr gereizt wurden. Sie ist oft eine Vorstufe zu lärmbedingtem Hörverlust und damit ein wichtiges Warnsignal.
Kommunikationsstörungen und Sicherheit
Die Tatsache, dass Geräusche Sprachkommunikation und Warnsignale stören oder „überdecken“ können, ist nur gesunder Menschenverstand. Viele industrielle Prozesse lassen sich sehr gut mit einem Minimum an Kommunikation zwischen den Arbeitern durchführen. Andere Berufe jedoch, wie die von Flugzeugpiloten, Eisenbahningenieuren, Panzerkommandanten und vielen anderen, beruhen stark auf Sprachkommunikation. Einige dieser Arbeiter verwenden elektronische Systeme, die den Lärm unterdrücken und die Sprache verstärken. Heutzutage sind ausgeklügelte Kommunikationssysteme verfügbar, einige mit Vorrichtungen, die unerwünschte akustische Signale unterdrücken, damit die Kommunikation einfacher stattfinden kann.
In vielen Fällen müssen sich die Arbeiter nur damit begnügen, die Kommunikation über den Lärm hinweg zu verstehen und darüber zu schreien oder zu signalisieren. Manchmal können Menschen durch übermäßige Belastung Heiserkeit oder sogar Stimmknötchen oder andere Anomalien an den Stimmbändern entwickeln. Diese Personen müssen möglicherweise zur medizinischen Versorgung überwiesen werden.
Menschen haben aus Erfahrung gelernt, dass sie bei Lärmpegeln über etwa 80 dBA sehr laut sprechen und bei Pegeln über 85 dBA schreien müssen. Bei Pegeln weit über 95 dBA müssen sie eng zusammenrücken, um überhaupt kommunizieren zu können. Akustikspezialisten haben Methoden entwickelt, um den Umfang der Kommunikation vorherzusagen, der in industriellen Situationen stattfinden kann. Die resultierenden Vorhersagen hängen von den akustischen Eigenschaften sowohl des Rauschens als auch der Sprache (oder eines anderen gewünschten Signals) sowie der Entfernung zwischen Sprecher und Zuhörer ab.
Es ist allgemein bekannt, dass Lärm die Sicherheit beeinträchtigen kann, aber nur wenige Studien haben dieses Problem dokumentiert (z. B. Moll van Charante und Mulder 1990; Wilkins und Acton 1982). Es gibt jedoch zahlreiche Berichte von Arbeitern, deren Kleidung oder Hände in Maschinen eingeklemmt und schwer verletzt wurden, während ihre Kollegen ihre Hilferufe nicht wahrnahmen. Um Kommunikationsstörungen in lauten Umgebungen vorzubeugen, haben einige Arbeitgeber visuelle Warngeräte installiert.
Ein weiteres Problem, das eher von lärmexponierten Arbeitnehmern selbst als von Fachleuten für Gehörschutz und Arbeitsmedizin erkannt wird, besteht darin, dass Gehörschutzgeräte manchmal die Wahrnehmung von Sprache und Warnsignalen beeinträchtigen können. Dies scheint vor allem dann der Fall zu sein, wenn die Träger bereits einen Hörverlust haben und die Lärmpegel unter 90 dBA fallen (Suter 1992). In diesen Fällen haben Arbeitnehmer ein sehr berechtigtes Anliegen, einen Gehörschutz zu tragen. Es ist wichtig, auf ihre Bedenken einzugehen und entweder technische Lärmschutzmaßnahmen zu implementieren oder die Art des angebotenen Schutzes zu verbessern, wie z. B. Schutzvorrichtungen, die in ein elektronisches Kommunikationssystem integriert sind. Darüber hinaus sind jetzt Gehörschützer mit einem flacheren, „high fidelity“-Frequenzgang erhältlich, der die Fähigkeit der Arbeiter verbessern kann, Sprache und Warnsignale zu verstehen.
Auswirkungen auf die Arbeitsleistung
Die Auswirkungen von Lärm auf die Arbeitsleistung wurden sowohl im Labor als auch unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Lärm normalerweise nur geringe Auswirkungen auf die Leistung sich wiederholender, monotoner Arbeit hat und in einigen Fällen sogar die Arbeitsleistung steigern kann, wenn der Lärmpegel gering oder mäßig ist. Hohe Lärmpegel können die Arbeitsleistung beeinträchtigen, insbesondere wenn die Aufgabe kompliziert ist oder mehr als eine Sache gleichzeitig zu erledigen ist. Intermittierender Lärm ist tendenziell störender als kontinuierlicher Lärm, insbesondere wenn die Lärmperioden unvorhersehbar und unkontrollierbar sind. Einige Untersuchungen deuten darauf hin, dass Menschen sich in lauten Umgebungen weniger wahrscheinlich helfen und eher asoziales Verhalten zeigen als in ruhigen. (Für einen detaillierten Überblick über die Auswirkungen von Lärm auf die Arbeitsleistung siehe Suter 1992).
Ärger
Obwohl der Begriff „Belästigung“ häufiger mit Lärmproblemen in Gemeinden wie Flughäfen oder Rennstrecken in Verbindung gebracht wird, können sich auch Industriearbeiter durch den Lärm an ihrem Arbeitsplatz belästigt oder irritiert fühlen. Diese Belästigung kann mit der oben beschriebenen Störung der Sprachkommunikation und der Arbeitsleistung zusammenhängen, kann aber auch darauf zurückzuführen sein, dass viele Menschen eine Abneigung gegen Lärm haben. Manchmal ist die Abneigung gegen Lärm so stark, dass ein Arbeiter woanders nach Arbeit sucht, aber diese Gelegenheit ist oft nicht realisierbar. Nach einer gewissen Eingewöhnungszeit scheinen die meisten nicht mehr so sehr gestört zu sein, aber sie können sich immer noch über Müdigkeit, Reizbarkeit und Schlaflosigkeit beklagen. (Die Anpassung wird erfolgreicher sein, wenn junge Arbeitnehmer von Anfang an richtig mit Gehörschutz ausgestattet sind, bevor sie einen Hörverlust entwickeln.) Interessanterweise taucht diese Art von Informationen manchmal auf nachdem Ein Unternehmen startet ein Lärmschutz- und Gehörschutzprogramm, weil den Arbeitern der Kontrast zwischen früheren und nachträglich verbesserten Bedingungen bewusst geworden wäre.
Außerauditive Effekte
Als biologischer Stressor kann Lärm das gesamte physiologische System beeinflussen. Lärm wirkt genauso wie andere Stressoren und bewirkt, dass der Körper auf eine Weise reagiert, die auf lange Sicht schädlich sein und zu Störungen führen kann, die als „Stresskrankheiten“ bekannt sind. Wenn der Körper in primitiven Zeiten einer Gefahr ausgesetzt war, durchlief er eine Reihe biologischer Veränderungen und bereitete sich entweder auf den Kampf oder die Flucht vor (die klassische „Kampf-oder-Flucht“-Reaktion). Es gibt Hinweise darauf, dass diese Veränderungen auch bei lautem Lärm bestehen bleiben, obwohl sich eine Person an den Lärm „angepasst“ fühlt.
Die meisten dieser Wirkungen scheinen vorübergehend zu sein, aber bei fortgesetzter Exposition wurde bei Labortieren gezeigt, dass einige Nebenwirkungen chronisch sind. Auch mehrere Studien an Industriearbeitern weisen in diese Richtung, während einige Studien keine signifikanten Effekte zeigen (Rehm 1983; van Dijk 1990). Die Beweise sind wahrscheinlich am stärksten für kardiovaskuläre Wirkungen wie erhöhten Blutdruck oder Veränderungen der Blutchemie. Eine bedeutende Reihe von Laborstudien an Tieren zeigte chronisch erhöhte Blutdruckwerte infolge von Lärmexposition um 85 bis 90 dBA, die nach Beendigung der Exposition nicht auf den Ausgangswert zurückkehrten (Peterson et al. 1978, 1981 und 1983).
Untersuchungen zur Blutchemie zeigen erhöhte Spiegel der Katecholamine Adrenalin und Noradrenalin durch Lärmbelastung (Rehm 1983), und eine Versuchsreihe deutscher Forscher fand einen Zusammenhang zwischen Lärmbelastung und Magnesiumstoffwechsel bei Mensch und Tier (Ising und Kruppa 1993). Die derzeitige Meinung geht davon aus, dass die außerauditorischen Wirkungen von Lärm höchstwahrscheinlich psychologisch durch Abneigung gegen Lärm vermittelt werden, was es sehr schwierig macht, Dosis-Wirkungs-Beziehungen zu erhalten. (Für einen umfassenden Überblick über dieses Problem siehe Ising und Kruppa 1993.)
Da die außerhörlichen Wirkungen von Lärm durch das Gehörsystem vermittelt werden, was bedeutet, dass es notwendig ist, den Lärm zu hören, damit nachteilige Auswirkungen auftreten, sollte ein richtig angepasster Gehörschutz die Wahrscheinlichkeit dieser Auswirkungen ebenso reduzieren wie bei einem Hörverlust .
Zur Vermeidung nachteiliger Auswirkungen von Lärm auf Arbeitnehmer sollte auf die Auswahl geeigneter Geräte, Messmethoden und Verfahren zur Bewertung der Arbeitnehmerexposition geachtet werden. Es ist wichtig, die verschiedenen Arten von Lärmbelastungen wie Dauer-, Wechsel- und Impulslärm richtig zu bewerten, Lärmumgebungen mit unterschiedlichen Frequenzspektren zu unterscheiden sowie die Vielfalt der Arbeitssituationen zu berücksichtigen, wie z. B. Gesenkschmieden, Hammerwerken, Räume, in denen Luftkompressoren, Ultraschallschweißprozesse usw. untergebracht sind. Die Hauptzwecke der Lärmmessung in beruflichen Umgebungen bestehen darin, (1) überbelichtete Arbeitnehmer zu identifizieren und ihre Exposition zu quantifizieren und (2) die Notwendigkeit sowohl für die technische Lärmbekämpfung als auch für die anderen angezeigten Arten der Bekämpfung zu bewerten. Andere Anwendungen der Geräuschmessung sind die Bewertung der Wirksamkeit bestimmter Geräuschkontrollen und die Bestimmung der Hintergrundpegel in audiometrischen Räumen.
Messgeräte
Instrumente zur Lärmmessung umfassen Schallpegelmesser, Lärmdosimeter und Hilfsgeräte. Das Grundinstrument ist der Schallpegelmesser, ein elektronisches Instrument bestehend aus einem Mikrofon, einem Verstärker, verschiedenen Filtern, einem Quadrierer, einem exponentiellen Mittelwertbildner und einer in Dezibel (dB) kalibrierten Anzeige. Schallpegelmesser werden nach ihrer Genauigkeit kategorisiert, die von der genauesten (Typ 0) bis zur geringsten (Typ 3) reicht. Typ 0 wird normalerweise im Labor verwendet, Typ 1 wird für andere Präzisions-Schallpegelmessungen verwendet, Typ 2 ist das Allzweckmessgerät und Typ 3, das Vermessungsmessgerät, wird nicht für den industriellen Einsatz empfohlen. Abbildung 1 und Abbildung 2 veranschaulichen einen Schallpegelmesser.
Abbildung 1. Schallpegelmesser – Kalibrierungsprüfung. Mit freundlicher Genehmigung von Larson Davis
Abbildung 2. Schallpegelmesser mit Windschutz. Mit freundlicher Genehmigung von Larson Davis
Spezifikationen für Schallpegelmesser finden sich in nationalen und internationalen Normen, wie der International Organization for Standardization (ISO), der International Electrotechnical Commission (IEC) und dem American National Standards Institute (ANSI). Die IEC-Veröffentlichungen IEC 651 (1979) und IEC 804 (1985) beziehen sich auf Schallpegelmesser der Typen 0, 1 und 2 mit den Frequenzbewertungen A, B und C und „langsam“, „schnell“ und „Impuls“. Zeitkonstanten. ANSI S1.4-1983, ergänzt durch ANSI S1.4A-1985, enthält auch Spezifikationen für Schallpegelmesser.
Um eine detailliertere akustische Analyse zu ermöglichen, können Volloktavband- und 1/3-Oktavband-Filtersätze an moderne Schallpegelmesser angehängt oder in diese eingebaut werden. Heutzutage werden Schallpegelmesser immer kleiner und einfacher zu handhaben, gleichzeitig erweitern sich ihre Messmöglichkeiten.
Zur Messung instationärer Lärmbelastungen, wie sie beispielsweise in intermittierenden oder Impulslärmumgebungen auftreten, ist ein integrierender Schallpegelmesser am bequemsten zu verwenden. Diese Messgeräte können gleichzeitig den äquivalenten, den Spitzen- und den maximalen Schallpegel messen und mehrere Werte automatisch berechnen, protokollieren und speichern. Das Lärmdosimeter oder „Dosimeter“ ist ein integrierter Schallpegelmesser, der in der Hemdtasche getragen oder an der Kleidung des Arbeiters befestigt werden kann. Die Daten des Lärmdosimeters können computerisiert und ausgedruckt werden.
Es ist darauf zu achten, dass Lärmmessgeräte immer richtig kalibriert sind. Dies bedeutet, die Kalibrierung des Instruments vor und nach jedem täglichen Gebrauch akustisch zu überprüfen und in angemessenen Abständen eine elektronische Bewertung vorzunehmen.
Messmethoden
Welche Lärmmessverfahren anzuwenden sind, hängt von den Messzielen ab, nämlich zur Bewertung von:
Die internationale Norm ISO 2204 gibt drei Arten von Methoden zur Lärmmessung an: (1) die Vermessungsmethode, (2) die Ingenieurmethode und (3) die Präzisionsmethode.
Die Erhebungsmethode
Diese Methode erfordert am wenigsten Zeit und Ausrüstung. Der Geräuschpegel eines Arbeitsbereichs wird mit einem Schallpegelmesser unter Verwendung einer begrenzten Anzahl von Messpunkten gemessen. Obwohl es keine detaillierte Analyse der akustischen Umgebung gibt, sollten Zeitfaktoren beachtet werden, z. B. ob der Lärm konstant oder intermittierend ist und wie lange die Arbeiter ausgesetzt sind. Das A-Bewertungsnetzwerk wird normalerweise in der Erhebungsmethode verwendet, aber wenn eine vorherrschende niederfrequente Komponente vorhanden ist, kann das C-Bewertungsnetzwerk oder die lineare Antwort geeignet sein.
Die Engineering-Methode
Bei diesem Verfahren werden A-bewertete Schallpegelmessungen oder solche mit anderen Bewertungsnetzwerken durch Messungen mit Volloktav- oder 1/3-Oktavbandfiltern ergänzt. Die Anzahl der Messpunkte und die Frequenzbereiche werden entsprechend den Messzielen gewählt. Zeitliche Faktoren sollten wiederum erfasst werden. Diese Methode ist nützlich für die Bewertung von Störungen der Sprachkommunikation durch Berechnung von Sprachinterferenzpegeln (SILs) sowie für die Entwicklung von Lärmminderungsprogrammen und die Abschätzung der auditiven und nicht auditiven Auswirkungen von Lärm.
Die Präzisionsmethode
Diese Methode ist für komplexe Situationen erforderlich, in denen eine möglichst gründliche Beschreibung des Geräuschproblems erforderlich ist. Gesamtmessungen des Schallpegels werden durch Volloktaven- oder 1/3-Oktavbandmessungen ergänzt, und Zeitverläufe werden für geeignete Zeitintervalle entsprechend der Dauer und Schwankungen des Geräusches aufgezeichnet. Beispielsweise kann es erforderlich sein, Spitzenschallpegel von Impulsen mit der „Peak Hold“-Einstellung eines Instruments zu messen, oder Infraschall- oder Ultraschallpegel zu messen, was spezielle Frequenzmessfunktionen, Mikrofonrichtwirkung usw. erfordert.
Wer die Präzisionsmethode anwendet, sollte darauf achten, dass der Dynamikbereich des Instruments ausreichend groß ist, um ein „Überschwingen“ bei Impulsmessungen zu vermeiden, und dass der Frequenzgang breit genug ist, wenn Infraschall oder Ultraschall gemessen werden soll. Das Instrument sollte in der Lage sein, mit ausreichend kleinen Mikrofonen Frequenzen von bis zu 2 Hz für Infraschall und bis mindestens 16 kHz für Ultraschall zu messen.
Die folgenden „gesunden Menschenverstand“-Schritte können für den unerfahrenen Lärmmesser nützlich sein:
Wenn Messungen im Freien durchgeführt werden, sollten relevante meteorologische Daten wie Wind, Temperatur und Luftfeuchtigkeit notiert werden, wenn sie als wichtig erachtet werden. Bei Messungen im Freien und sogar bei einigen Messungen in Innenräumen sollte immer ein Windschutz verwendet werden. Die Anweisungen des Herstellers sollten immer befolgt werden, um den Einfluss von Faktoren wie Wind, Feuchtigkeit, Staub und elektrischen und magnetischen Feldern zu vermeiden, die die Messwerte beeinflussen können.
Messverfahren
Es gibt zwei grundlegende Ansätze zur Lärmmessung am Arbeitsplatz:
Bewertung der Arbeitnehmerexposition
Um das Risiko von Gehörverlust durch bestimmte Lärmbelastungen einzuschätzen, sollte der Leser die internationale Norm ISO 1999 (1990) konsultieren. Ein Beispiel für diese Risikobeurteilung enthält die Norm im Anhang D.
Die Lärmexposition sollte in der Nähe des Ohrs des Arbeitnehmers gemessen werden, und bei der Bewertung der relativen Gefährdung durch die Exposition der Arbeitnehmer sollten Subtraktionen vorgenommen werden nicht für die Dämpfung durch Gehörschutzgeräte vorgenommen werden. Der Grund für diesen Vorbehalt liegt darin, dass es zahlreiche Beweise dafür gibt, dass die von Gehörschutz beim Tragen bei der Arbeit bereitgestellte Dämpfung oft weniger als die Hälfte der vom Hersteller geschätzten Dämpfung beträgt. Der Grund dafür ist, dass die Herstellerangaben unter Laborbedingungen gewonnen werden und diese Geräte im Feld meist nicht so gut angepasst und getragen werden. Derzeit gibt es keinen internationalen Standard zur Abschätzung der Dämpfung von Gehörschützern beim Tragen im Feld, aber eine gute Faustregel wäre, die Laborwerte zu halbieren.
Unter bestimmten Umständen, insbesondere bei schwierigen Aufgaben oder Tätigkeiten, die Konzentration erfordern, kann es wichtig sein, den Stress oder die Ermüdung im Zusammenhang mit der Lärmbelastung durch Lärmschutzmaßnahmen zu minimieren. Dies kann selbst bei moderaten Lärmpegeln (unter 85 dBA) der Fall sein, wenn das Risiko einer Hörschädigung gering ist, der Lärm jedoch lästig oder ermüdend ist. In solchen Fällen kann es sinnvoll sein, Lautheitsbewertungen nach ISO 532 (1975) durchzuführen, Methode zur Berechnung des Lautstärkepegels.
Die Störung der Sprachkommunikation kann gemäß ISO 2204 (1979) unter Verwendung des „Artikulationsindex“ abgeschätzt werden, oder einfacher durch Messung der Schallpegel in den Oktavbändern, die bei 500, 1,000 und 2,000 Hz zentriert sind, was zum „Sprachstörungspegel“ führt. .
Expositionskriterien
Die Auswahl der Lärmbelastungskriterien richtet sich nach dem zu erreichenden Ziel, wie beispielsweise der Prävention von Hörverlust oder der Prävention von Stress und Ermüdung. Die maximal zulässigen Expositionen in Bezug auf den täglichen durchschnittlichen Lärmpegel variieren zwischen den Ländern von 80 über 85 bis 90 dBA mit Handelsparametern (Wechselkursen) von 3, 4 oder 5 dBA. In einigen Ländern, wie beispielsweise Russland, liegen die zulässigen Geräuschpegel je nach Art der ausgeübten Tätigkeit und unter Berücksichtigung der geistigen und körperlichen Arbeitsbelastung zwischen 50 und 80 dBA. Beispielsweise liegen die zulässigen Pegel für Computerarbeit oder die Ausführung anspruchsvoller Büroarbeiten bei 50 bis 60 dBA. (Weitere Informationen zu Expositionskriterien finden Sie im Artikel „Normen und Vorschriften“ in diesem Kapitel.)
Im Idealfall besteht die wirksamste Lärmschutzmaßnahme darin, zu verhindern, dass die Lärmquelle überhaupt in die Werksumgebung eindringt – indem ein effektives „Buy Quiet“-Programm eingeführt wird, um den Arbeitsplatz mit Geräten auszustatten, die für eine geringe Geräuschentwicklung entwickelt wurden. Um ein solches Programm durchzuführen, muss eine klare, gut geschriebene Beschreibung der Spezifikationen zur Begrenzung der Geräuscheigenschaften neuer Anlagen, Einrichtungen und Prozesse so gestaltet werden, dass die Lärmgefährdung berücksichtigt wird. Ein gutes Programm baut auch Überwachung und Wartung ein.
Sobald die Ausrüstung installiert ist und übermäßiger Lärm durch Schallpegelmessungen identifiziert wurde, wird das Problem der Lärmkontrolle komplizierter. Es sind jedoch technische Steuerungen verfügbar, die an bestehenden Geräten nachgerüstet werden können. Darüber hinaus gibt es für jedes Problem in der Regel mehr als eine Schallschutzoption. Daher ist es für die Person, die das Lärmschutzprogramm verwaltet, wichtig, die praktikabelsten und wirtschaftlichsten verfügbaren Mittel zur Lärmminderung in jeder gegebenen Situation zu bestimmen.
Lärmkontrolle im Fabrik- und Produktdesign
Die Verwendung schriftlicher Spezifikationen zur Definition der Anforderungen an Geräte, deren Installation und Abnahme ist in der heutigen Umgebung gängige Praxis. Eine der wichtigsten Möglichkeiten im Bereich der Lärmkontrolle, die dem Fabrikdesigner zur Verfügung stehen, besteht darin, die Auswahl, den Kauf und das Layout neuer Ausrüstung zu beeinflussen. Wenn es richtig geschrieben und verwaltet wird, kann sich die Implementierung eines „Buy Quiet“-Programms durch Kaufspezifikationen als wirksames Mittel zur Lärmkontrolle erweisen.
Der proaktivste Ansatz zur Lärmbekämpfung in der Phase der Anlagenplanung und Ausrüstungsbeschaffung existiert in Europa. 1985 haben die zwölf Mitgliedsstaaten der Europäischen Gemeinschaft (EG) – jetzt die Europäische Union (EU) – Richtlinien nach dem „neuen Konzept“ verabschiedet, die darauf ausgelegt sind, eine breite Klasse von Geräten oder Maschinen zu behandeln, anstatt einzelne Standards für jeden Gerätetyp. Bis Ende 1994 wurden drei Richtlinien nach dem „neuen Konzept“ erlassen, die Lärmanforderungen enthalten. Diese Richtlinien sind:
Der erste oben aufgeführte Punkt (89/392/EWG) wird allgemein als Maschinenrichtlinie bezeichnet. Diese Richtlinie zwingt Gerätehersteller dazu, Schallschutz als wesentlichen Bestandteil der Maschinensicherheit einzubeziehen. Das grundlegende Ziel dieser Maßnahmen besteht darin, dass Maschinen oder Geräte, die innerhalb der EU verkauft werden sollen, die grundlegenden Anforderungen an Geräusche erfüllen müssen. Infolgedessen haben Hersteller, die an einer Vermarktung innerhalb der EU interessiert sind, seit den späten 1980er Jahren großen Wert auf die Konstruktion geräuscharmer Geräte gelegt.
Bei Unternehmen außerhalb der EU, die versuchen, ein freiwilliges „Buy Quiet“-Programm umzusetzen, hängt der erreichte Erfolg weitgehend vom Timing und Engagement der gesamten Managementhierarchie ab. Der erste Schritt des Programms besteht darin, akzeptable Geräuschkriterien für den Bau einer neuen Anlage, die Erweiterung einer bestehenden Anlage und den Kauf neuer Ausrüstung festzulegen. Damit das Programm wirksam ist, müssen die angegebenen Geräuschgrenzwerte sowohl vom Käufer als auch vom Verkäufer als unbedingte Voraussetzung angesehen werden. Wenn ein Produkt andere Konstruktionsparameter der Ausrüstung nicht erfüllt, wie z. B. Größe, Durchflussrate, Druck, zulässiger Temperaturanstieg usw., wird es von der Unternehmensleitung als inakzeptabel erachtet. Dies ist die gleiche Verpflichtung, die in Bezug auf Geräuschpegel eingehalten werden muss, um ein erfolgreiches „Buy Quiet“-Programm zu erreichen.
Hinsichtlich des oben erwähnten zeitlichen Aspekts gilt: Je früher im Entwurfsprozess die Lärmaspekte eines Projekts oder Gerätekaufs berücksichtigt werden, desto größer ist die Erfolgswahrscheinlichkeit. In vielen Situationen hat der Werkskonstrukteur oder Gerätekäufer die Wahl zwischen Gerätetypen. Die Kenntnis der Geräuscheigenschaften der verschiedenen Alternativen ermöglicht es ihm, die leiseren auszuwählen.
Neben der Auswahl der Ausrüstung ist eine frühzeitige Einbindung in die Gestaltung des Ausrüstungslayouts innerhalb der Anlage unerlässlich. Das Verschieben von Geräten auf dem Papier während der Entwurfsphase eines Projekts ist eindeutig viel einfacher als das spätere physische Verschieben der Geräte, insbesondere wenn die Geräte in Betrieb sind. Eine einfache Regel besteht darin, Maschinen, Prozesse und Arbeitsbereiche auf ungefähr gleichem Geräuschpegel zu halten; und besonders laute und besonders ruhige Bereiche durch Pufferzonen mit mittleren Lärmpegeln zu trennen.
Die Validierung von Lärmkriterien als absolute Anforderung erfordert eine Zusammenarbeit zwischen Mitarbeitern des Unternehmens aus Abteilungen wie Technik, Recht, Einkauf, Arbeitshygiene und Umwelt. Beispielsweise können die Abteilungen für Arbeitshygiene, Sicherheit und/oder Personal die gewünschten Geräuschpegel für Geräte bestimmen sowie Schalluntersuchungen durchführen, um Geräte zu qualifizieren. Als nächstes können die Ingenieure des Unternehmens die Kaufspezifikation schreiben sowie leise Gerätetypen auswählen. Der Einkäufer wird höchstwahrscheinlich den Vertrag verwalten und sich auf die Vertreter der Rechtsabteilung verlassen, um Unterstützung bei der Durchsetzung zu erhalten. Die Beteiligung all dieser Parteien sollte mit dem Beginn des Projekts beginnen und sich über Finanzierungsanfragen, Planung, Design, Ausschreibung, Installation und Inbetriebnahme fortsetzen.
Selbst das gründlichste und präziseste Spezifikationsdokument ist von geringem Wert, es sei denn, die Verantwortung für die Einhaltung liegt beim Lieferanten oder Hersteller. Es muss eine klare Vertragssprache verwendet werden, um die Mittel zur Bestimmung der Einhaltung zu definieren. Unternehmensverfahren zur Einführung von Garantien sollten konsultiert und befolgt werden. Es kann wünschenswert sein, Strafklauseln für die Nichteinhaltung aufzunehmen. An erster Stelle der Durchsetzungsstrategie steht die Verpflichtung des Käufers, dafür zu sorgen, dass die Anforderungen erfüllt werden. Kompromisse bei den Geräuschkriterien im Austausch für Kosten, Liefertermin, Leistung oder andere Zugeständnisse sollten die Ausnahme und nicht die Regel sein.
Innerhalb der Vereinigten Staaten hat ANSI den Standard ANSI S12.16 veröffentlicht: Richtlinien für die Geräuschspezifikation neuer Maschinen (1992). Diese Norm ist ein nützlicher Leitfaden für das Schreiben einer unternehmensinternen Geräuschspezifikation. Darüber hinaus bietet diese Norm eine Anleitung zum Erhalt von Schallpegeldaten von Geräteherstellern. Sobald sie vom Hersteller erhalten wurden, können die Daten dann von Anlagendesignern bei der Planung von Ausrüstungslayouts verwendet werden. Aufgrund der verschiedenen Arten von charakteristischen Geräten und Werkzeugen, für die diese Norm erstellt wurde, gibt es kein einzelnes Untersuchungsprotokoll, das für die Messung von Schallpegeldaten geeignet ist. Daher enthält diese Norm Referenzinformationen zum geeigneten Schallmessverfahren zum Testen einer Vielzahl stationärer Geräte. Diese Untersuchungsverfahren wurden von der zuständigen Handels- oder Berufsorganisation in den Vereinigten Staaten erstellt, die für einen bestimmten Gerätetyp oder eine bestimmte Geräteklasse verantwortlich ist.
Nachrüstung vorhandener Geräte
Bevor man entscheiden kann, was getan werden muss, ist es notwendig, die Grundursache von Lärm zu identifizieren. Zu diesem Zweck ist es hilfreich, zu verstehen, wie Lärm erzeugt wird. Lärm wird zum größten Teil durch mechanische Stöße, Luftströmungen mit hoher Geschwindigkeit, Flüssigkeitsströmungen mit hoher Geschwindigkeit, vibrierende Oberflächenbereiche einer Maschine und ziemlich oft durch das hergestellte Produkt erzeugt. Was den letztgenannten Punkt betrifft, so ist es in Fertigungs- und Prozessindustrien wie der Metallverarbeitung, der Glasherstellung, der Lebensmittelverarbeitung, dem Bergbau usw. häufig der Fall, dass die Wechselwirkung zwischen dem Produkt und den Maschinen die Energie überträgt, die den Lärm erzeugt.
Quellenidentifikation
Einer der schwierigsten Aspekte des Lärmschutzes ist die Identifizierung der tatsächlichen Quelle. In einer typischen Industrieumgebung arbeiten normalerweise mehrere Maschinen gleichzeitig, was es schwierig macht, die Grundursache von Lärm zu identifizieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Standard-Schallpegelmesser (SLM) zur Bewertung der akustischen Umgebung verwendet wird. Der SLM liefert typischerweise einen Schalldruckpegel (SPL) an einem bestimmten Ort, der höchstwahrscheinlich das Ergebnis von mehr als einer Geräuschquelle ist. Daher obliegt es dem Gutachter, einen systematischen Ansatz zu verfolgen, der dabei hilft, die einzelnen Quellen und ihren relativen Beitrag zum Gesamt-SPL zu trennen. Die folgenden Vermessungstechniken können verwendet werden, um bei der Identifizierung des Ursprungs oder der Quelle von Lärm zu helfen:
Eine der effektivsten Methoden zur Ortung der Geräuschquelle ist die Messung ihres Frequenzspektrums. Sobald die Daten gemessen wurden, ist es sehr nützlich, die Ergebnisse grafisch darzustellen, damit man die Eigenschaften der Quelle visuell beobachten kann. Für die meisten Geräuschminderungsprobleme können die Messungen entweder mit vollen (1/1) oder einem Drittel (1/3) Oktavbandfiltern durchgeführt werden, die mit dem SLM verwendet werden. Der Vorteil der 1/3-Oktavbandmessung besteht darin, dass sie detailliertere Informationen darüber liefert, was von einem Gerät ausgeht. Abbildung 1 zeigt einen Vergleich zwischen 1/1- und 1/3-Oktavbandmessungen, die in der Nähe einer Neunkolbenpumpe durchgeführt wurden. Wie in dieser Figur dargestellt, identifizieren die 1/3-Oktavbanddaten eindeutig die Pumpfrequenz und viele ihrer Harmonischen. Wenn man nur 1/1- oder volle Oktavbanddaten verwendet, wie durch die durchgezogene Linie dargestellt und bei jeder Mittenbandfrequenz in Abbildung 1 aufgetragen, wird es schwieriger zu diagnostizieren, was in der Pumpe vor sich geht. Bei 1/1-Oktavbanddaten gibt es insgesamt neun Datenpunkte zwischen 25 Hertz (Hz) und 10,000 Hz, wie in dieser Abbildung gezeigt. Bei Verwendung von 27/1-Oktavbandmessungen gibt es jedoch insgesamt 3 Datenpunkte in diesem Frequenzbereich. Offensichtlich liefern 1/3-Oktavbanddaten nützlichere Daten zum Identifizieren der Grundursache eines Rauschens. Diese Informationen sind entscheidend, wenn das Ziel darin besteht, Lärm an der Quelle zu kontrollieren. Wenn es nur darum geht, den Weg zu behandeln, auf dem Schallwellen übertragen werden, reichen 1/1-Oktavbanddaten aus, um akustisch geeignete Produkte oder Materialien auszuwählen.
Abbildung 1. Vergleich zwischen 1/1- und 1/3-Oktavbanddaten
Abbildung 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem 1/3-Oktavband-Spektrum, gemessen 3 Fuß vom Übergangsrohr eines Flüssigkeitskühler-Kompressors, und dem Hintergrundpegel, gemessen etwa 25 Fuß entfernt (bitte beachten Sie die Näherungswerte in der Fußnote). Diese Position stellt den allgemeinen Bereich dar, in dem Mitarbeiter normalerweise durch diesen Raum gehen. Der Kompressorraum wird zum größten Teil nicht routinemäßig von Arbeitern besetzt. Die einzige Ausnahme besteht, wenn Wartungsarbeiter andere Geräte im Raum reparieren oder überholen. Neben dem Kompressor arbeiten in diesem Bereich noch einige andere große Maschinen. Um die Identifizierung der primären Geräuschquellen zu unterstützen, wurden mehrere Frequenzspektren in der Nähe jedes der Geräte gemessen. Wenn jedes Spektrum mit den Daten an der Hintergrundposition im Gehweg verglichen wurde, zeigte nur das Crossover-Rohr der Kompressoreinheit eine ähnliche Spektralform. Folglich kann geschlussfolgert werden, dass dies die primäre Lärmquelle ist, die den am Laufweg der Mitarbeiter gemessenen Pegel steuert. Wie in Abbildung 2 dargestellt, ist es also durch die Verwendung von Frequenzdaten, die in der Nähe des Geräts gemessen wurden, und den grafischen Vergleich einzelner Quellen mit den an den Arbeitsplätzen der Mitarbeiter oder in anderen interessierenden Bereichen aufgezeichneten Daten oft möglich, die dominierenden Geräuschquellen zu identifizieren deutlich.
Abbildung 2. Vergleich des Crossover-Rohrs mit dem Hintergrundpegel
Wenn der Schallpegel schwankt, wie bei zyklischen Geräten, ist es sinnvoll, den gesamten A-bewerteten Schallpegel über der Zeit zu messen. Bei diesem Verfahren ist es wichtig zu beobachten und zu dokumentieren, welche Ereignisse im Laufe der Zeit auftreten. Abbildung 3 zeigt den Schallpegel, der am Arbeitsplatz des Bedieners über einen vollständigen Maschinenzyklus gemessen wurde. Der in Abbildung 3 dargestellte Prozess stellt den einer Produktverpackungsmaschine dar, die eine Zykluszeit von etwa 95 Sekunden hat. Wie in der Abbildung gezeigt, tritt der maximale Geräuschpegel von 96.2 dBA während des Ablassens von Druckluft auf, 33 Sekunden nach Beginn des Maschinenzyklus. Die anderen wichtigen Ereignisse sind ebenfalls in der Figur gekennzeichnet, was die Identifizierung der Quelle und des relativen Beitrags jeder Aktivität während des vollständigen Verpackungszyklus ermöglicht.
Abbildung 3. Arbeitsstation für Verpackungsmitarbeiter
In industriellen Umgebungen, in denen mehrere Prozesslinien mit der gleichen Ausrüstung vorhanden sind, lohnt es sich, die Frequenzdaten für ähnliche Ausrüstungen miteinander zu vergleichen. Abbildung 4 zeigt diesen Vergleich für zwei ähnliche Prozesslinien, die beide das gleiche Produkt herstellen und mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten. Ein Teil des Prozesses beinhaltet die Verwendung einer pneumatisch betätigten Vorrichtung, die als letzte Phase der Produktion ein Loch von einem halben Zoll in das Produkt stanzt. Die Betrachtung dieser Abbildung zeigt deutlich, dass Leitung Nr. 1 einen um 5 dBA höheren Gesamtschallpegel aufweist als Leitung Nr. 2. Außerdem enthält das für Zeile #1 dargestellte Spektrum eine Grundfrequenz und viele Harmonische, die nicht im Spektrum für Zeile #2 erscheinen. Folglich ist es notwendig, die Ursache dieser Unterschiede zu untersuchen. Oft sind signifikante Unterschiede ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer Wartung, wie dies beim letzten Stanzmechanismus der Linie Nr. 2 der Fall war. Dieses spezielle Rauschproblem erfordert jedoch zusätzliche Kontrollmaßnahmen, da der Gesamtpegel auf Leitung Nr. 1 immer noch relativ hoch ist. Der Zweck dieser Untersuchungstechnik besteht jedoch darin, die unterschiedlichen Lärmprobleme zu identifizieren, die zwischen ähnlichen Ausrüstungsgegenständen und Prozessen bestehen können und die durch effektive Wartung oder andere Anpassungen leicht behoben werden können.
Abbildung 4. Abschließender Stanzvorgang für identische Prozesslinien
Wie oben erwähnt, stellt ein SLM typischerweise einen SPL bereit, der akustische Energie von einer oder mehreren Geräuschquellen umfasst. Unter optimalen Messbedingungen ist es am besten, jedes Gerät zu messen, wenn alle anderen Geräte ausgeschaltet sind. Obwohl diese Situation ideal ist, ist es selten praktikabel, die Anlage abzuschalten, um eine Isolierung einer bestimmten Quelle zu ermöglichen. Um diese Einschränkung zu umgehen, ist es häufig effektiv, vorübergehende Kontrollmaßnahmen bei bestimmten Geräuschquellen zu verwenden, die eine gewisse kurzfristige Geräuschreduzierung bieten, um die Messung einer anderen Quelle zu ermöglichen. Zu den verfügbaren Materialien, die eine vorübergehende Reduzierung bieten können, gehören Sperrholzgehäuse, Akustikdecken, Schalldämpfer und Barrieren. Die dauerhafte Anwendung dieser Materialien führt häufig zu langfristigen Problemen wie Wärmestau, Behinderung des Zugangs des Bedieners oder des Produktflusses oder kostspieliger Druckabfall in Verbindung mit falsch ausgewählten Schalldämpfern. Zur Unterstützung der Isolierung einzelner Komponenten können diese Materialien jedoch als kurzfristige Kontrolle wirksam sein.
Eine andere verfügbare Methode zum Isolieren einer bestimmten Maschine oder Komponente besteht darin, verschiedene Geräte oder Abschnitte einer Produktionslinie ein- und auszuschalten. Um diese Art von diagnostischer Analyse effektiv durchzuführen, muss der Prozess in der Lage sein, mit ausgeschaltetem ausgewähltem Element zu funktionieren. Als Nächstes ist es für die Legitimität dieses Verfahrens entscheidend, dass der Herstellungsprozess in keiner Weise beeinträchtigt wird. Wenn der Prozess beeinträchtigt ist, ist es durchaus möglich, dass die Messung nicht repräsentativ für den Geräuschpegel unter normalen Bedingungen ist. Schließlich können alle gültigen Daten dann nach Größe des dBA-Gesamtwerts geordnet werden, um bei der Priorisierung von Geräten für die technische Lärmkontrolle zu helfen.
Auswahl der geeigneten Lärmschutzoptionen
Sobald die Ursache oder Quelle des Lärms identifiziert ist und bekannt ist, wie er in die Arbeitsbereiche der Mitarbeiter abgestrahlt wird, besteht der nächste Schritt darin, zu entscheiden, welche Lärmschutzoptionen verfügbar sind. Das Standardmodell zur Bekämpfung fast aller Gesundheitsgefahren besteht darin, die verschiedenen Bekämpfungsmöglichkeiten hinsichtlich Quelle, Pfad und Empfänger zu untersuchen. In einigen Situationen reicht die Kontrolle über eines dieser Elemente aus. Unter anderen Umständen kann es jedoch der Fall sein, dass die Behandlung von mehr als einem Element erforderlich ist, um eine akzeptable Geräuschumgebung zu erhalten.
Der erste Schritt im Lärmschutzprozess sollte darin bestehen, eine Form der Quellenbehandlung zu versuchen. Tatsächlich behebt die Quellenmodifikation die Grundursache eines Geräuschproblems, während die Kontrolle des Schallübertragungswegs mit Barrieren und Gehäusen nur die Geräuschsymptome behandelt. In Situationen, in denen mehrere Quellen in einer Maschine vorhanden sind und das Ziel darin besteht, die Quelle zu behandeln, müssen alle geräuscherzeugenden Mechanismen komponentenweise angegangen werden.
Bei übermäßigem Lärm, der durch mechanische Stöße erzeugt wird, können die zu untersuchenden Steuerungsoptionen Methoden zur Verringerung der Antriebskraft, zur Verringerung des Abstands zwischen Komponenten, zum Auswuchten rotierender Geräte und zum Installieren von Schwingungsisolierungsfittings umfassen. Was Geräusche betrifft, die durch Luftströmungen oder Flüssigkeitsströmungen mit hoher Geschwindigkeit entstehen, besteht die primäre Modifikation darin, die Geschwindigkeit des Mediums zu verringern, sofern dies eine praktikable Option ist. Manchmal kann die Geschwindigkeit reduziert werden, indem die Querschnittsfläche der betreffenden Rohrleitung vergrößert wird. Hindernisse in der Rohrleitung müssen beseitigt werden, um einen stromlinienförmigen Fluss zu ermöglichen, was wiederum Druckschwankungen und Turbulenzen im transportierten Medium reduziert. Schließlich kann die Installation eines richtig dimensionierten Schalldämpfers oder Schalldämpfers eine erhebliche Verringerung des Gesamtgeräuschs bewirken. Der Hersteller des Schalldämpfers sollte zur Unterstützung bei der Auswahl des richtigen Geräts auf der Grundlage der vom Käufer angegebenen Betriebsparameter und Einschränkungen konsultiert werden.
Wenn vibrierende Oberflächenbereiche einer Maschine als Resonanzboden für Luftschall fungieren, umfassen die Steuerungsmöglichkeiten eine Verringerung der mit dem Lärm verbundenen Antriebskraft, das Bilden kleinerer Abschnitte aus größeren Oberflächen, das Perforieren der Oberfläche, das Erhöhen der Substratsteifigkeit oder Masse und Anbringung von Dämpfungsmaterial oder schwingungsisolierenden Beschlägen. In Bezug auf die Verwendung von Materialien zur Schwingungsisolierung und -dämpfung sollte der Produkthersteller um Unterstützung bei der Auswahl der geeigneten Materialien und Installationsverfahren gebeten werden. Schließlich wird in vielen Industrien das tatsächlich hergestellte Produkt oft ein effizienter Abstrahler für Luftschall sein. In diesen Situationen ist es wichtig, Möglichkeiten zu prüfen, das Produkt während der Herstellung fest zu befestigen oder besser zu stützen. Eine weitere zu untersuchende Lärmschutzmaßnahme wäre die Verringerung der Aufprallkraft zwischen der Maschine und dem Produkt, zwischen Teilen des Produkts selbst oder zwischen einzelnen Produktelementen.
Oft erweist sich die Umgestaltung von Prozessen oder Anlagen und die Modifizierung der Quelle als nicht durchführbar. Darüber hinaus kann es Situationen geben, in denen es praktisch unmöglich ist, die Grundursache des Rauschens zu identifizieren. Wenn eine dieser Situationen vorliegt, wäre die Verwendung von Kontrollmaßnahmen zur Behandlung des Schallübertragungswegs ein wirksames Mittel zur Reduzierung des Gesamtgeräuschpegels. Die beiden primären Minderungsmaßnahmen für Pfadbehandlungen sind akustische Einhausungen und Barrieren.
Die Entwicklung von Schallschutzgehäusen ist auf dem heutigen Markt weit fortgeschritten. Sowohl Standard- als auch kundenspezifische Gehäuse sind von mehreren Herstellern erhältlich. Zur Beschaffung der geeigneten Anlage sind Angaben des Käufers über den aktuellen Gesamtgeräuschpegel (und ggf. Frequenzdaten), die Dimensionierung der Anlage, das Lärmminderungsziel, die Notwendigkeit des Produktflusses und den Zugang der Mitarbeiter, und alle anderen Betriebsbeschränkungen. Der Verkäufer kann diese Informationen dann verwenden, um einen Lagerartikel auszuwählen oder ein kundenspezifisches Gehäuse herzustellen, um die Bedürfnisse des Käufers zu erfüllen.
In vielen Situationen kann es wirtschaftlicher sein, ein Gehäuse zu entwerfen und zu bauen, anstatt ein kommerzielles System zu kaufen. Bei der Konstruktion von Gehäusen müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, wenn das Gehäuse sowohl aus akustischer als auch aus produktionstechnischer Sicht zufriedenstellend sein soll. Spezifische Richtlinien für das Gehäusedesign lauten wie folgt:
Gehäuseabmessungen. Es gibt keine kritische Richtlinie für die Größe oder Abmessungen eines Gehäuses. Die beste Regel zu befolgen ist Je größer desto besser. Es ist wichtig, dass genügend Freiraum vorhanden ist, damit das Gerät alle beabsichtigten Bewegungen ausführen kann, ohne das Gehäuse zu berühren.
Gehäusewand. Die von einem Gehäuse bereitgestellte Geräuschreduzierung hängt von den Materialien ab, die für den Bau der Wände verwendet werden, und davon, wie dicht das Gehäuse abgedichtet ist. Die Auswahl geeigneter Materialien für die Umfassungswand sollte anhand folgender Faustregeln erfolgen (Moreland 1979):
TLerforderlich=NR+20 dBA
TLerforderlich=NR+15 dBA
TLerforderlich=NR+10 dBA.
In diesen Ausdrücken TLerforderlich der Übertragungsverlust ist, der von der Gehäusewand oder -platte gefordert wird, und NR die Geräuschminderung ist, die erwünscht ist, um das Minderungsziel zu erreichen.
Dichtungen. Für maximale Effizienz müssen alle Gehäusewandverbindungen dicht schließen. Öffnungen um Rohrdurchführungen, elektrische Leitungen usw. sollten mit nicht aushärtendem Mastix wie Silikondichtmasse abgedichtet werden.
Interne Absorption. Um akustische Energie zu absorbieren und abzuleiten, sollte die Innenfläche des Gehäuses mit akustisch absorbierendem Material ausgekleidet sein. Zur Auswahl des geeigneten Materials sollte das Frequenzspektrum der Quelle herangezogen werden. Grundlage für die Abstimmung des Materials auf die Geräuschquelle sind die vom Hersteller veröffentlichten Absorptionsdaten. Es ist wichtig, die maximalen Absorptionsfaktoren an die Frequenzen der Quelle anzupassen, die die höchsten Schalldruckpegel aufweisen. Der Produktverkäufer oder -hersteller kann auch bei der Auswahl des effektivsten Materials basierend auf dem Frequenzspektrum der Quelle behilflich sein.
Gehäuseisolierung. Es ist wichtig, dass die Gehäusestruktur von der Ausrüstung getrennt oder isoliert ist, um sicherzustellen, dass mechanische Schwingungen nicht auf das Gehäuse selbst übertragen werden. Wenn Teile der Maschine, wie z. B. Rohrdurchführungen, mit dem Gehäuse in Kontakt kommen, ist es wichtig, an der Kontaktstelle schwingungsisolierende Fittings vorzusehen, um jeden potenziellen Übertragungsweg kurzzuschließen. Wenn schließlich die Maschine den Boden zum Schwingen bringt, sollte auch der Gehäuseboden mit schwingungsisolierendem Material behandelt werden.
Bereitstellung des Produktflusses. Wie bei den meisten Produktionsanlagen wird es notwendig sein, Produkte in und aus dem Gehäuse zu bewegen. Die Verwendung von akustisch ausgekleideten Kanälen oder Tunneln kann einen Produktfluss ermöglichen und dennoch eine akustische Absorption bereitstellen. Um das Austreten von Lärm zu minimieren, wird empfohlen, dass alle Durchgänge dreimal länger sind als die Innenbreite der größten Abmessung der Tunnel- oder Kanalöffnung.
Gewährung des Zugangs für Arbeitnehmer. Türen und Fenster können installiert werden, um einen physischen und visuellen Zugang zu den Geräten zu ermöglichen. Es ist entscheidend, dass alle Fenster mindestens die gleichen Transmissionsdämpfungseigenschaften wie die Gehäusewände haben. Als nächstes müssen alle Zugangstüren an allen Kanten dicht abschließen. Um den Betrieb des Geräts bei geöffneten Türen zu verhindern, wird empfohlen, ein Verriegelungssystem vorzusehen, das den Betrieb nur zulässt, wenn die Türen vollständig geschlossen sind.
Belüftung des Geheges. Bei vielen Gehäuseanwendungen kommt es zu einer übermäßigen Wärmeentwicklung. Um Kühlluft durch das Gehäuse zu leiten, sollte ein Gebläse mit einer Kapazität von 650 bis 750 Kubikfuß/Meter am Auslass- oder Abluftkanal installiert werden. Schließlich sollten die Ansaug- und Abflusskanäle mit absorbierendem Material ausgekleidet werden.
Schutz von absorbierendem Material. Um zu verhindern, dass das absorbierende Material kontaminiert wird, sollte eine Spritzsperre über der absorbierenden Auskleidung aufgebracht werden. Diese sollte aus einem sehr leichten Material sein, wie z. B. einer 25-mil-Kunststofffolie. Die Saugschicht sollte mit Streckmetall, Lochblech oder Eisenwarengewebe gehalten werden. Das Verkleidungsmaterial sollte mindestens XNUMX % offene Fläche haben.
Eine alternative Behandlung des Schallübertragungswegs besteht darin, eine akustische Barriere zu verwenden, um den Empfänger (den Arbeiter, der der Lärmgefahr ausgesetzt ist) vom direkten Schallweg zu blockieren oder abzuschirmen. Eine akustische Barriere ist ein Material mit hohem Übertragungsverlust, wie z. B. eine feste Trennwand oder Wand, das zwischen der Geräuschquelle und dem Empfänger eingefügt wird. Indem der direkte Sichtweg zur Quelle blockiert wird, bewirkt die Barriere, dass die Schallwellen den Empfänger durch Reflexion an verschiedenen Oberflächen im Raum und durch Beugung an den Rändern der Barriere erreichen. Dadurch wird der Gesamtrauschpegel am Ort des Empfängers reduziert.
Die Wirksamkeit einer Barriere ist eine Funktion ihrer Lage relativ zu der Lärmquelle oder den Lärmempfängern und von ihren Gesamtabmessungen. Um die potenzielle Rauschunterdrückung zu maximieren, sollte die Barriere so nah wie möglich an der Quelle oder dem Empfänger platziert werden. Als nächstes sollte die Barriere so hoch und breit wie möglich sein. Um den Schallpfad effektiv zu blockieren, wird ein Material mit hoher Dichte in der Größenordnung von 4 bis 6 lb/ft3, sollte benutzt werden. Schließlich sollte die Barriere keine Öffnungen oder Lücken enthalten, die ihre Wirksamkeit erheblich beeinträchtigen können. Wenn es notwendig ist, ein Fenster für den Sichtzugang zu den Geräten einzubauen, ist es wichtig, dass das Fenster eine Schalldurchlässigkeit hat, die mindestens der des Barrierematerials selbst entspricht.
Die letzte Option zur Verringerung der Lärmbelastung der Arbeitnehmer besteht darin, den Raum oder Bereich, in dem der Arbeitnehmer arbeitet, zu behandeln. Diese Option ist am praktischsten für Arbeitstätigkeiten wie Produktinspektions- oder Ausrüstungsüberwachungsstationen, bei denen die Bewegung der Mitarbeiter auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt ist. In diesen Situationen kann eine akustische Kabine oder ein Schutzraum installiert werden, um die Mitarbeiter zu isolieren und übermäßige Lärmpegel zu vermeiden. Die tägliche Lärmbelastung wird reduziert, solange ein erheblicher Teil der Arbeitsschicht in der Notunterkunft verbracht wird. Um einen solchen Unterstand zu bauen, sollten die zuvor beschriebenen Richtlinien für die Gestaltung von Gehegen zu Rate gezogen werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Implementierung eines effektiven „Buy Quiet“-Programms der erste Schritt in einem umfassenden Lärmschutzprozess sein sollte. Dieser Ansatz soll den Kauf oder die Installation von Geräten verhindern, die ein Lärmproblem darstellen könnten. Für Situationen, in denen bereits übermäßige Lärmpegel vorhanden sind, ist es dann jedoch erforderlich, die Lärmumgebung systematisch zu bewerten, um die praktischste technische Kontrolloption für jede einzelne Lärmquelle zu entwickeln. Bei der Bestimmung der relativen Priorität und Dringlichkeit der Umsetzung von Lärmschutzmaßnahmen sollten die Exposition der Mitarbeiter, die Belegung des Raums und der allgemeine Lärmpegel des Bereichs berücksichtigt werden. Ein wichtiger Aspekt des gewünschten Ergebnisses ist natürlich, für die investierten Geldmittel die maximale Reduzierung der Lärmbelastung der Mitarbeiter zu erreichen und gleichzeitig den größtmöglichen Schutz der Mitarbeiter zu gewährleisten.
Die Autoren danken dem Arbeitsministerium von North Carolina für die Erlaubnis, Materialien wiederzuverwenden, die während des Schreibens eines NCDOL-Branchenleitfadens zur Erhaltung des Gehörs entwickelt wurden.
Das primäre Ziel von Programmen zur Erhaltung des Gehörs am Arbeitsplatz (HCPs) ist es, einen durch Lärm am Arbeitsplatz verursachten Hörverlust aufgrund gefährlicher Lärmbelastungen am Arbeitsplatz zu verhindern (Royster und Royster 1989 und 1990). Die Person – die später als „Schlüsselperson“ bezeichnet werden soll – die dafür verantwortlich ist, dass das HCP wirksam wird, sollte diese Praktiken jedoch mit gesundem Menschenverstand an die örtlichen Gegebenheiten anpassen, um das gewünschte Ziel zu erreichen: den Schutz der Arbeitnehmer vor gesundheitsschädliche Lärmbelastung am Arbeitsplatz. Ein sekundäres Ziel dieser Programme sollte es sein, Einzelpersonen so aufzuklären und zu motivieren, dass sie sich auch dafür entscheiden, sich vor schädlicher nichtberuflicher Lärmexposition zu schützen und ihr Wissen über Gehörschutz an ihre Familien und Freunde weiterzugeben.
Abbildung 1 zeigt die Verteilungen von über 10,000 Lärmexpositionsproben aus vier Quellen in zwei Ländern, darunter eine Vielzahl von Arbeitsumgebungen in Industrie, Bergbau und Militär. Die Proben sind zeitgewichtete 8-Stunden-Durchschnittswerte basierend auf Wechselkursen von 3, 4 und 5 dB. Diese Daten zeigen, dass etwa 90 % der täglichen äquivalenten Lärmexposition 95 dBA oder weniger betragen und nur 10 % 95 dBA überschreiten.
Abbildung 1. Geschätzte Gefährdung durch Lärmbelastung für verschiedene Bevölkerungsgruppen
Die Bedeutung der Daten in Abbildung 1, vorausgesetzt, dass sie für die meisten Länder und Bevölkerungsgruppen gelten, besteht einfach darin, dass eine große Mehrheit der lärmexponierten Mitarbeiter nur 10 dBA Lärmschutz erreichen muss, um die Gefahr zu beseitigen. Wenn Gehörschutzgeräte (HPDs) getragen werden, um diesen Schutz zu erreichen, müssen sich die für die Gesundheit der Arbeitnehmer Verantwortlichen die Zeit nehmen, jeden Einzelnen mit einem Gerät auszustatten, das bequem und praktisch für die Umwelt ist und die individuellen Hörbedürfnisse (Hörvermögen) berücksichtigt Warnsignale, Sprache etc.) und sorgt für einen akustischen Verschluss beim täglichen Tragen in realen Umgebungen.
Dieser Artikel stellt eine komprimierte Sammlung bewährter Praktiken zur Erhaltung des Gehörs vor, wie sie in der Checkliste in Abbildung 2 zusammengefasst sind.
Abbildung 2. Checkliste guter HCP-Praktiken
Vorteile der Gehörerhaltung
Die Prävention von berufsbedingtem Hörverlust kommt dem Arbeitnehmer zugute, indem er Hörfähigkeiten erhält, die für eine gute Lebensqualität entscheidend sind: zwischenmenschliche Kommunikation, Freude an Musik, Erkennen von Warntönen und vieles mehr. Das HCP bietet einen Nutzen für das Gesundheitsscreening, da nicht berufsbedingte Hörverluste und möglicherweise behandelbare Ohrenerkrankungen häufig durch jährliche Audiogramme erkannt werden. Die Verringerung der Lärmbelastung reduziert auch potenziellen Stress und Ermüdung im Zusammenhang mit Lärm.
Der Arbeitgeber profitiert direkt von der Implementierung eines effektiven HCP, das das gute Gehör der Mitarbeiter erhält, da die Mitarbeiter produktiver und vielseitiger bleiben, wenn ihre Kommunikationsfähigkeiten nicht beeinträchtigt werden. Effektive HCPs können Unfallraten senken und die Arbeitseffizienz fördern.
Phasen eines HCP
Einzelheiten zu jeder Phase finden Sie in der Checkliste in Abbildung 2. Unterschiedliches Personal kann für unterschiedliche Phasen verantwortlich sein, und dieses Personal bildet das HCP-Team.
Untersuchungen zur Schallbelastung
Schallpegelmesser oder persönliche Lärmdosimeter werden verwendet, um die Schallpegel am Arbeitsplatz zu messen und die Lärmbelastung der Arbeitnehmer abzuschätzen, um festzustellen, ob ein HCP erforderlich ist; Wenn dies der Fall ist, helfen die so gesammelten Daten bei der Erstellung geeigneter HCP-Richtlinien zum Schutz der Mitarbeiter (Royster, Berger und Royster 1986). Die Umfrageergebnisse zeigen, welche Mitarbeiter (nach Abteilung oder Tätigkeit) in das HCP aufgenommen werden, welche Bereiche für die vorgeschriebene Verwendung von Gehörschutz gekennzeichnet werden sollten und welche Gehörschutzgeräte angemessen sind. Geeignete Proben repräsentativer Produktionsbedingungen sind erforderlich, um Expositionen in Bereiche einzuteilen (unter 85 dBA, 85–89, 90–94, 95–99 dBA usw.). Die Messung der A-bewerteten Schallpegel während der allgemeinen Lärmuntersuchung identifiziert häufig dominante Lärmquellen in Bereichen der Anlage, in denen nachfolgende technische Lärmschutzstudien die Exposition der Mitarbeiter erheblich reduzieren können.
Technischer und administrativer Lärmschutz
Lärmschutzmaßnahmen können die Lärmexposition der Mitarbeiter auf ein sicheres Niveau reduzieren, wodurch die Notwendigkeit eines Gehörschutzprogramms entfällt. Technische Kontrollen (siehe „Engineering Noise Control“ [NOI03AE] in diesem Kapitel) umfassen Modifikationen der Geräuschquelle (z. B. das Anbringen von Schalldämpfern an Luftaustrittsdüsen), des Geräuschpfads (z. B. das Anbringen von Schallschutzgehäusen um Geräte herum) oder des Empfängers (z. B. Bau einer Umzäunung um den Arbeitsplatz des Mitarbeiters). Beim Entwerfen solcher Modifikationen ist häufig die Eingabe des Arbeiters erforderlich, um sicherzustellen, dass sie praktikabel sind und seine oder ihre Aufgaben nicht beeinträchtigen. Offensichtlich sollte gefährliche Lärmbelastung der Mitarbeiter durch technische Lärmschutzmaßnahmen reduziert oder beseitigt werden, wann immer dies praktisch und machbar ist.
Zu den administrativen Lärmkontrollen gehören der Austausch alter Geräte durch leisere neue Modelle, die Einhaltung von Wartungsprogrammen für Geräte im Zusammenhang mit dem Lärmschutz und Änderungen der Arbeitspläne der Mitarbeiter zur Reduzierung der Lärmbelastung durch Begrenzung der Expositionszeit, wenn dies praktisch und technisch ratsam ist. Die Planung und Gestaltung zur Erreichung ungefährlicher Geräuschpegel bei der Inbetriebnahme neuer Produktionsanlagen ist eine administrative Kontrolle, die auch die Notwendigkeit eines HCP beseitigen kann.
Bildung und Motivation
Mitglieder und Mitarbeiter von HCP-Teams beteiligen sich nicht aktiv am Gehörschutz, es sei denn, sie verstehen dessen Zweck, wie sie direkt von dem Programm profitieren und dass die Einhaltung der Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen des Unternehmens eine Beschäftigungsbedingung ist. Ohne sinnvolle Bildung zur Motivation individueller Handlungen wird das HCP scheitern (Royster und Royster 1986). Die zu behandelnden Themen sollten Folgendes umfassen: Zweck und Nutzen des HCP, Schalluntersuchungsmethoden und -ergebnisse, Anwendung und Aufrechterhaltung technischer Lärmschutzbehandlungen zur Verringerung der Exposition, gefährliche Lärmbelastung außerhalb der Arbeit, wie Lärm das Gehör schädigt, Folgen von Hörverlust im täglichen Leben, Auswahl und Anpassen von Gehörschutzgeräten und die Bedeutung des konsequenten Tragens, wie audiometrische Tests Hörveränderungen erkennen, um die Notwendigkeit eines größeren Schutzes anzuzeigen, und die HCP-Richtlinien des Arbeitgebers. Idealerweise können diese Themen in Sicherheitsbesprechungen kleinen Gruppen von Mitarbeitern erläutert werden, wobei genügend Zeit für Fragen bleibt. Bei effektiven HCPs ist die Schulungsphase ein kontinuierlicher Prozess – nicht nur eine jährliche Präsentation – da das HCP-Personal täglich die Gelegenheit wahrnimmt, andere an die Erhaltung ihres Gehörs zu erinnern.
Gehörschutz
Der Arbeitgeber stellt den Arbeitnehmern Gehörschutzgeräte (Ohrstöpsel, Ohrenschützer und Halbeinlagen) zur Verfügung, die sie tragen müssen, solange gefährliche Lärmpegel am Arbeitsplatz vorhanden sind. Da für viele Arten von Industrieanlagen keine praktikablen technischen Lärmschutzmaßnahmen entwickelt wurden, sind Gehörschützer derzeit die beste Option, um lärmbedingten Hörverlust in diesen Situationen zu verhindern. Wie bereits erwähnt, müssen die meisten lärmexponierten Arbeitnehmer nur eine Dämpfung von 10 dB erreichen, um angemessen vor Lärm geschützt zu sein. Mit der großen Auswahl an heute verfügbaren Gehörschützern kann ein angemessener Schutz leicht erreicht werden (Royster 1985; Royster und Royster 1986), wenn die Geräte individuell an jeden Mitarbeiter angepasst werden, um eine akustische Abdichtung mit akzeptablem Komfort zu erreichen, und wenn dem Mitarbeiter beigebracht wird, wie es geht Tragen Sie das Gerät korrekt, um eine akustische Abdichtung aufrechtzuerhalten, aber konsequent, wenn eine Lärmgefahr besteht.
Audiometrische Auswertungen
Jede exponierte Person sollte einen grundlegenden Hörtest erhalten, gefolgt von jährlichen Wiederholungstests, um den Hörstatus zu überwachen und Hörveränderungen zu erkennen. In einer Schalldämmkabine werden mit einem Audiometer die Hörschwellen des Mitarbeiters bei 0.5, 1, 2, 3, 4, 6 und 8 kHz getestet. Wenn das HCP wirksam ist, zeigen die audiometrischen Ergebnisse der Mitarbeiter keine signifikanten Veränderungen im Zusammenhang mit arbeitsbedingten Lärmschäden. Wenn verdächtige Hörveränderungen festgestellt werden, können der Audiometrietechniker und der Audiologe oder Arzt, der die Aufzeichnungen überprüft, dem Mitarbeiter raten, die Hörgeräte sorgfältiger zu tragen, zu beurteilen, ob besser sitzende Hörgeräte erforderlich sind, und die Person dazu zu motivieren, beim Schutz ihrer eigenen Person vorsichtiger vorzugehen Hören sowohl am Arbeitsplatz als auch außerhalb. Manchmal können nicht berufsbedingte Ursachen für Hörveränderungen identifiziert werden, wie z. B. Schüsse oder Hobby-Lärmbelastung oder medizinische Ohrprobleme. Eine audiometrische Überwachung ist nur dann sinnvoll, wenn die Qualitätskontrolle der Testverfahren aufrechterhalten wird und wenn die Ergebnisse verwendet werden, um eine Nachsorge für Personen mit signifikanten Hörveränderungen auszulösen (Royster 1985).
Record Keeping
Die Anforderungen an die Art der aufzubewahrenden Aufzeichnungen und die Dauer ihrer Aufbewahrung variieren von Land zu Land. In Ländern, in denen Rechtsstreitigkeiten und Arbeitnehmerentschädigungen wichtige Themen sind, sollten Aufzeichnungen länger aufbewahrt werden, als es die Berufsvorschriften vorschreiben, da sie oft für rechtliche Zwecke nützlich sind. Ziel der Aufzeichnungen ist es, zu dokumentieren, wie Mitarbeiter vor Lärm geschützt wurden (Royster und Royster 1989 und 1990). Besonders wichtige Aufzeichnungen umfassen die Schalluntersuchungsverfahren und -befunde, die audiometrische Kalibrierung und Ergebnisse, Folgemaßnahmen als Reaktion auf Hörveränderungen der Mitarbeiter und die Dokumentation der Gehörschutzanpassung und -schulung. Die Aufzeichnungen sollten die Namen des Personals, das die HCP-Aufgaben durchgeführt hat, sowie die Ergebnisse enthalten.
Programmbewertung
Merkmale effektiver Programme
Erfolgreiche HCPs teilen die folgenden Eigenschaften und fördern eine „Sicherheitskultur“ in Bezug auf alle Sicherheitsprogramme (Schutzbrillen, „Schutzhelme“, sicheres Hebeverhalten usw.).
Die „Schlüsselperson“
Die wichtigste Strategie, um die fünf Phasen des HCP effektiv zusammenwirken zu lassen, besteht darin, sie unter der Aufsicht einer Person von zentraler Bedeutung zu vereinen (Royster und Royster 1989 und 1990). In kleineren Unternehmen, in denen eine Person tatsächlich alle Facetten des HCP durchführen kann, ist mangelnde Koordination normalerweise kein Problem. Mit zunehmender Größe der Organisation werden jedoch verschiedene Arten von Mitarbeitern in das HCP eingebunden: Sicherheitspersonal, medizinisches Personal, Ingenieure, Industriehygieniker, Werkzeuglageraufseher, Produktionsaufseher und andere. Da Mitarbeiter aus verschiedenen Disziplinen verschiedene Aspekte des Programms ausführen, wird es sehr schwierig, ihre Bemühungen zu koordinieren, es sei denn, eine „Schlüsselperson“ ist in der Lage, das gesamte HCP zu beaufsichtigen. Die Wahl dieser Person ist entscheidend für den Erfolg des Programms. Eine der Hauptqualifikationen für die Schlüsselperson ist echtes Interesse am HCP des Unternehmens.
Die Schlüsselperson ist immer ansprechbar und aufrichtig an Kommentaren oder Beschwerden interessiert, die zur Verbesserung des HCP beitragen können. Diese Person nimmt keine distanzierte Haltung ein oder bleibt nicht in einem Büro und führt das HCP auf Papier nach Auftrag, sondern verbringt Zeit in den Produktionshallen oder wo immer Mitarbeiter aktiv sind, um mit ihnen zu interagieren und zu beobachten, wie Probleme verhindert oder gelöst werden können.
Aktive Kommunikation und Rollen
Die Mitglieder des primären HCP-Teams sollten sich regelmäßig treffen, um den Fortschritt des Programms zu besprechen und sicherzustellen, dass alle Aufgaben erfüllt werden. Sobald Menschen mit unterschiedlichen Aufgaben verstehen, wie ihre eigenen Rollen zum Gesamtergebnis des Programms beitragen, werden sie besser zusammenarbeiten, um Hörverlust zu verhindern. Die Schlüsselperson kann diese aktive Kommunikation und Zusammenarbeit erreichen, wenn das Management ihr die Befugnis gibt, HCP-Entscheidungen zu treffen, und die Ressourcenzuweisungen bereitstellt, um auf Entscheidungen zu reagieren, sobald sie getroffen wurden. Der Erfolg des HCP hängt von allen ab, vom Top-Chef bis zum zuletzt eingestellten Auszubildenden; jeder hat eine wichtige rolle. Die Rolle des Managements besteht hauptsächlich darin, das HCP zu unterstützen und seine Richtlinien als eine Facette des gesamten Gesundheits- und Sicherheitsprogramms des Unternehmens durchzusetzen. Für mittlere Manager und Vorgesetzte ist die Rolle direkter: Sie helfen bei der Durchführung der fünf Phasen. Die Rolle der Mitarbeiter besteht darin, sich aktiv an dem Programm zu beteiligen und aggressiv Vorschläge zur Verbesserung des HCP-Betriebs zu machen. Damit die Mitarbeiterbeteiligung jedoch erfolgreich ist, müssen das Management und das HCP-Team für Kommentare empfänglich sein und tatsächlich auf die Eingaben der Mitarbeiter reagieren.
Gehörschutz – wirksam und durchgesetzt
Die Bedeutung von Gehörschutzrichtlinien für den Erfolg von HCPs wird durch zwei erwünschte Merkmale effektiver HCPs unterstrichen: strikte Durchsetzung der Verwendung von Gehörschützern (es muss eine tatsächliche Durchsetzung erfolgen, nicht nur eine Papierrichtlinie) und die Verfügbarkeit von Schutzvorrichtungen, die für die Verwendung durch potenziell wirksam sind die Träger im Arbeitsumfeld. Potenziell wirksame Geräte sind praktisch und komfortabel genug, damit die Mitarbeiter sie dauerhaft tragen können, und sie bieten eine angemessene Schalldämpfung, ohne die Kommunikation durch Überprotektion zu beeinträchtigen.
Begrenzte externe Einflüsse auf das HCP
Wenn lokale HCP-Entscheidungen durch Richtlinien eingeschränkt werden, die von der Unternehmenszentrale vorgeschrieben werden, benötigt die Schlüsselperson möglicherweise die Unterstützung des Top-Managements, um Ausnahmen von den Unternehmens- oder externen Regeln zu erhalten, um lokale Anforderungen zu erfüllen. Die Schlüsselperson muss auch alle Dienstleistungen, die von externen Beratern, Auftragnehmern oder Regierungsbeamten (z. B. Tonuntersuchungen oder Audiogramme) erbracht werden, streng kontrollieren. Wenn Auftragnehmer eingesetzt werden, ist es schwieriger, ihre Dienste kohärent in das gesamte HCP zu integrieren, aber es ist entscheidend, dies zu tun. Wenn das Betriebspersonal die von den Auftragnehmern bereitgestellten Informationen nicht nutzt, verlieren die vertraglich vereinbarten Elemente des Programms ihre Wirksamkeit. Die Erfahrung zeigt deutlich, dass es sehr schwierig ist, ein effektives HCP aufzubauen und aufrechtzuerhalten, das überwiegend von externen Auftragnehmern abhängt.
Im Gegensatz zu den vorherigen Merkmalen ist das Folgende eine Auflistung einiger häufiger Ursachen für HCP-Ineffektivität.
Objektive Auswertung der audiometrischen Daten
Die audiometrischen Daten für die lärmexponierte Bevölkerung belegen, ob das HCP berufsbedingtem Hörverlust vorbeugt. Im Laufe der Zeit sollte die Änderungsrate des Hörvermögens bei lärmexponierten Mitarbeitern nicht größer sein als bei angepassten Kontrollen ohne laute Arbeitsplätze. Um einen frühen Hinweis auf die Wirksamkeit von HCP zu geben, wurden Verfahren zur Analyse audiometrischer Datenbanken entwickelt, die die Schwankungen der Schwellenwerte von Jahr zu Jahr verwenden (Royster und Royster 1986; ANSI 1991).
Nutzungsbedingungen
Im Bereich Berufslärm gelten die Begriffe Regulierung, Standard und Gesetzgebung werden oft synonym verwendet, obwohl sie technisch leicht unterschiedliche Bedeutungen haben können. Ein Standard ist ein kodifizierter Satz von Regeln oder Richtlinien, ähnlich wie eine Verordnung, aber er kann unter der Schirmherrschaft einer Konsensgruppe wie der Internationalen Organisation für Normung (ISO) entwickelt werden. Die Gesetzgebung besteht aus Gesetzen, die von gesetzgebenden Behörden oder von lokalen Regierungsbehörden vorgeschrieben werden.
Viele nationale Standards werden als Gesetzgebung bezeichnet. Einige offizielle Stellen verwenden auch die Begriffe Normen und Vorschriften. Der Rat der Europäischen Gemeinschaften (CEC) gibt heraus Richtlinien. Alle Mitglieder der Europäischen Gemeinschaft mussten bis zum Jahr 1986 (CEC 1990) ihre Lärmschutznormen (Vorschriften oder Gesetze) mit der EWG-Richtlinie von 1986 über Lärmbelastung am Arbeitsplatz „harmonisieren“. Das bedeutet, dass die Lärmschutznormen und -vorschriften der Mitgliedsländer mindestens so schützend sein mussten wie die EWG-Richtlinie. In den Vereinigten Staaten, a Regulierung ist eine von einer Regierungsbehörde vorgeschriebene Regel oder Anordnung und hat normalerweise eher den Charakter einer Formalität als eines Standards.
Einige Nationen haben eine Code of Practice, was etwas weniger formell ist. Beispielsweise besteht die australische nationale Norm für die Lärmexposition am Arbeitsplatz aus zwei kurzen Abschnitten, die verbindliche Regeln enthalten, gefolgt von einem 35-seitigen Verhaltenskodex, der praktische Anleitungen zur Umsetzung der Norm gibt. Verhaltenskodizes haben in der Regel nicht die Rechtskraft von Verordnungen oder Gesetzen.
Ein anderer Begriff, der gelegentlich verwendet wird, ist Empfehlung, die eher einer Richtlinie als einer zwingenden Vorschrift gleicht und nicht durchsetzbar ist. In diesem Artikel wird der Begriff Standard wird allgemein verwendet, um Lärmstandards aller Formalitätsgrade darzustellen.
Konsensstandards
Einer der am weitesten verbreiteten Lärmstandards ist ISO 1999, Akustik: Ermittlung der berufsbedingten Lärmbelastung und Abschätzung der lärmbedingten Hörminderung (ISO 1990). Dieser internationale Konsensstandard stellt eine Überarbeitung einer früheren, weniger detaillierten Version dar und kann verwendet werden, um das Ausmaß des erwarteten Hörverlusts in verschiedenen Perzentilen der exponierten Bevölkerung bei verschiedenen audiometrischen Frequenzen als Funktion des Expositionsniveaus und der Expositionsdauer sowie des Alters vorherzusagen und Sex.
Die ISO ist derzeit sehr aktiv im Bereich der Lärmnormung. Dessen Fachausschuss TC43 „Akustik“ arbeitet an einer Norm zur Bewertung der Wirksamkeit von Gehörschutzprogrammen. Laut von Gierke (1993) hat das Subcommittee 43 (SC1) des TC1 21 Arbeitsgruppen, von denen einige jeweils mehr als drei Standards berücksichtigen. TC43/SC1 hat 58 lärmbezogene Standards herausgegeben und 63 weitere Standards befinden sich in Überarbeitung oder Vorbereitung (von Gierke 1993).
Schadensrisikokriterien
Die Schadensrisikokriterien bezieht sich auf das Risiko einer Hörschädigung durch verschiedene Lärmpegel. In die Entwicklung dieser Kriterien und Standards fließen neben den Daten, die das Ausmaß des Hörverlusts infolge einer bestimmten Lärmbelastung beschreiben, viele Faktoren ein. Es gibt sowohl technische als auch politische Überlegungen.
Die folgenden Fragen sind gute Beispiele für politische Überlegungen: Welcher Anteil der lärmexponierten Bevölkerung sollte geschützt werden und wie viel Hörverlust stellt ein akzeptables Risiko dar? Sollten wir selbst die empfindlichsten Mitglieder der exponierten Bevölkerung vor Hörverlust schützen? Oder sollten wir uns nur vor einer kompensierbaren Hörbehinderung schützen? Es stellt sich die Frage, welche Hörverlustformel zu verwenden ist, und verschiedene Regierungsbehörden haben sich in ihrer Auswahl stark verändert.
In früheren Jahren wurden regulatorische Entscheidungen getroffen, die erhebliche Hörverluste als akzeptables Risiko zuließen. Die gebräuchlichste Definition war früher ein durchschnittlicher Hörschwellenpegel (oder „niedriger Zaun“) von 25 dB oder mehr bei den audiometrischen Frequenzen 500, 1,000 und 2,000 Hz. Seit dieser Zeit sind die Definitionen von „Hörbehinderung“ oder „Hörbehinderung“ restriktiver geworden, wobei verschiedene Nationen oder Konsensgruppen unterschiedliche Definitionen befürworten. Beispielsweise verwenden bestimmte US-Regierungsbehörden jetzt 25 dB bei 1,000, 2,000 und 3,000 Hz. Andere Definitionen können einen niedrigen Zaun von 20 oder 25 dB bei 1,000, 2,000 und 4,000 Hz umfassen und können einen breiteren Frequenzbereich umfassen.
Da die Definitionen im Allgemeinen höhere Frequenzen und niedrigere „Zäune“ oder Hörschwellenpegel umfassen, wird das akzeptable Risiko strenger und ein höherer Prozentsatz der exponierten Bevölkerung scheint durch bestimmte Lärmpegel gefährdet zu sein. Wenn auch bei den empfindlicheren Mitgliedern der exponierten Bevölkerung kein Risiko eines Hörverlusts durch Lärmbelastung bestehen soll, müsste der zulässige Expositionsgrenzwert nur 75 dBA betragen. Tatsächlich hat die EWG-Richtlinie ein gleichwertiges Niveau festgelegt (Leq) von 75 dBA als das Niveau, bei dem das Risiko vernachlässigbar ist, und dieses Niveau wurde auch als Ziel für schwedische Produktionsstätten vorgeschlagen (Kihlman 1992).
Insgesamt herrscht bei diesem Thema die Meinung vor, dass es akzeptabel ist, dass eine lärmexponierte Belegschaft etwas an Gehör verliert, aber nicht zu viel. Wie viel zu viel ist, darüber besteht derzeit kein Konsens. Höchstwahrscheinlich entwerfen die meisten Nationen Normen und Vorschriften, um das Risiko unter Berücksichtigung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit so gering wie möglich zu halten, ohne sich jedoch auf Fragen wie Frequenzen, Zaun oder Bevölkerungsanteil zu einigen sei beschützt.
Darstellung der Schadens-Risiko-Kriterien
Kriterien für lärminduzierten Hörverlust können auf zwei Arten dargestellt werden: lärminduzierte permanente Hörschwellenverschiebung (NIPTS) oder prozentuales Risiko. NIPTS ist der Betrag der dauerhaften Schwellenverschiebung, die in einer Population verbleibt, nachdem die Schwellenverschiebung abgezogen wurde, die „normalerweise“ durch andere Ursachen als Lärm am Arbeitsplatz auftreten würde. Das prozentuale Risiko ist der Prozentsatz einer Bevölkerung mit einem bestimmten Grad an lärmbedingter Schwerhörigkeit nachdem Subtrahieren des Prozentsatzes einer ähnlichen Population nicht Arbeitslärm ausgesetzt. Dieses Konzept wird manchmal als Überschussrisiko. Leider ist keine Methode ohne Probleme.
Das Problem bei der Verwendung von NIPTS allein besteht darin, dass es schwierig ist, die Auswirkungen von Lärm auf das Gehör zusammenzufassen. Die Daten werden normalerweise in einer großen Tabelle dargestellt, die die lärminduzierte Schwellenverschiebung für jede audiometrische Frequenz als Funktion des Lärmpegels, der Expositionsjahre und des Bevölkerungszentils zeigt. Das Konzept des prozentualen Risikos ist attraktiver, weil es einzelne Zahlen verwendet und leicht verständlich erscheint. Das Problem mit dem prozentualen Risiko besteht jedoch darin, dass es in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren enorm variieren kann, insbesondere von der Höhe des Hörschwellenpegelzauns und den Frequenzen, die zur Definition von Hörschädigung (oder Behinderung) verwendet werden.
Bei beiden Methoden muss der Benutzer sicher sein, dass die exponierten und nicht exponierten Bevölkerungsgruppen hinsichtlich Faktoren wie Alter und nichtberuflicher Lärmexposition sorgfältig aufeinander abgestimmt sind.
Nationale Lärmnormen
Tabelle 1 gibt einige der Hauptmerkmale der Lärmbelastungsnormen mehrerer Nationen an. Die meisten Informationen sind zum Zeitpunkt dieser Veröffentlichung aktuell, einige Standards wurden jedoch möglicherweise kürzlich überarbeitet. Den Lesern wird empfohlen, die neuesten Versionen der nationalen Normen zu konsultieren.
Tabelle 1. Zulässige Expositionsgrenzwerte (PEL), Wechselkurse und andere Anforderungen an die Lärmbelastung je nach Land
Nation, Datum |
PEL Lav., 8 Stunden, dBAa |
Wechselkurs, dBAb |
Lmax rms LHaupt SPL |
Level-dBA-Engineering-Steuerungc |
Pegel dBA audiometrischer Testc |
Argentina |
90 |
3 |
110 dBA |
||
Australien,1 1993 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
85 |
85 |
Brasilien, 1992 |
85 |
5 |
115 dBA |
85 |
|
Kanada,2 1990 |
87 |
3 |
87 |
84 |
|
CEC,3, 4 1986 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
90 |
85 |
Chile |
85 |
5 |
115 dBA |
||
China,5 1985 |
70-90 |
3 |
115 dBA |
||
Finnland, 1982 |
85 |
3 |
85 |
||
Frankreich, 1990 |
85 |
3 |
135 dB Spitze |
85 |
|
Deutschland,3, 6 1990 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
90 |
85 |
Ungarn |
85 |
3 |
125 dBA |
90 |
|
Indien,7 1989 |
90 |
115 dBA |
|||
Israel, 1984 |
85 |
5 |
115 dBA |
||
Italien, 1990 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
90 |
85 |
Niederlande, 8 1987 |
80 |
3 |
140 dB Spitze |
85 |
|
Neuseeland,9 1981 |
85 |
3 |
115 dBA |
||
Norwegen,10 1982 |
85 |
3 |
110 dBA |
80 |
|
Spanien, 1989 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
90 |
80 |
Schweden, 1992 |
85 |
3 |
115 dBA |
85 |
85 |
Großbritannien, 1989 |
85 |
3 |
140 dB Spitze |
90 |
85 |
Vereinigte Staaten,11 1983 |
90 |
5 |
115 dBA |
90 |
85 |
Uruguay |
90 |
3 |
110 dBA |
a PEL = Zulässiger Expositionsgrenzwert.
b Wechselkurs. Manchmal auch als Verdopplungsrate oder Zeit/Intensitäts-Handelsverhältnis bezeichnet, ist dies der Betrag der Änderung des Geräuschpegels (in dB), der für jede Halbierung oder Verdoppelung der Expositionsdauer zulässig ist.
c Wie der PEL sind auch die Niveaus, die die Anforderungen für technische Kontrollen und audiometrische Tests einleiten, vermutlich durchschnittliche Niveaus.
Quellen: Arenas 1995; Gunn; Embleton 1994; ILO 1994. Veröffentlichte Normen verschiedener Nationen wurden weiter konsultiert.
Anmerkungen zu Tabelle 1.
1 Pegel für technische Kontrollen, Hörtests und andere Elemente des Gehörerhaltungsprogramms sind in einem Verhaltenskodex definiert.
2 Es gibt einige Unterschiede zwischen den einzelnen kanadischen Provinzen: Ontario, Quebec und New Brunswick verwenden 90 dBA mit einem 5-dB-Wechselkurs; Alberta, Nova Scotia und Neufundland verwenden 85 dBA bei einem Wechselkurs von 5 dB; und British Columbia verwendet 90 dBA mit einem 3-dB-Wechselkurs. Alle erfordern technische Kontrollen auf der Ebene des PEL. Manitoba erfordert bestimmte Praktiken zum Schutz des Gehörs über 80 dBA, Gehörschutz und Schulung auf Anfrage über 85 dBA und technische Kontrollen über 90 dBA.
3 Der Rat der Europäischen Gemeinschaften (86/188/EWG) und Deutschland (UVV Larm-1990) stellen fest, dass es nicht möglich ist, einen genauen Grenzwert für die Beseitigung von Gehörschäden und das Risiko anderer gesundheitlicher Beeinträchtigungen durch Lärm anzugeben. Daher ist der Arbeitgeber verpflichtet, den Lärmpegel so weit wie möglich unter Berücksichtigung des technischen Fortschritts und der Verfügbarkeit von Kontrollmaßnahmen zu reduzieren. Andere EG-Staaten haben diesen Ansatz möglicherweise ebenfalls übernommen.
4 Die Länder der Europäischen Gemeinschaft mussten bis zum 1. Januar 1990 Normen haben, die mindestens der EWG-Richtlinie entsprechen.
5 China verlangt unterschiedliche Pegel für unterschiedliche Aktivitäten: zB 70 dBA für Präzisionsmontagelinien, Verarbeitungswerkstätten und Computerräume; 75 dBA für Dienst-, Beobachtungs- und Ruheräume; 85 dBA für neue Werkstätten; und 90 dBA für bestehende Werkstätten.
6 Auch in Deutschland gelten Lärmstandards von 55 dBA für psychisch belastende Tätigkeiten und 70 dBA für maschinelle Büroarbeit.
7 Empfehlung.
8 Die niederländische Lärmgesetzgebung verlangt einen technischen Lärmschutz von 85 dBA, „es sei denn, dies kann vernünftigerweise nicht verlangt werden“. Gehörschutz muss über 80 dBA bereitgestellt werden, und Arbeitnehmer müssen ihn bei Pegeln über 90 dBA tragen.
9 Neuseeland verlangt maximal 82 dBA für eine 16-stündige Exposition. Gehörschutz muss bei Lärmpegeln über 115 dBA getragen werden.
10 Norwegen verlangt einen PEL von 55 dBA für Arbeiten, die ein hohes Maß an geistiger Konzentration erfordern, 85 dBA für Arbeiten, die verbale Kommunikation oder große Genauigkeit und Aufmerksamkeit erfordern, und 85 dBA für andere laute Arbeitsumgebungen. Die empfohlenen Grenzwerte sind 10 dB niedriger. Arbeitnehmer, die Lärmpegeln von mehr als 85 dBA ausgesetzt sind, sollten einen Gehörschutz tragen.
11 Diese Werte gelten für den OSHA-Lärmstandard, der Arbeitnehmer in der allgemeinen Industrie und im Seehandel abdeckt. Die US-Militärdienste verlangen etwas strengere Standards. Die US Air Force und die US Army verwenden beide einen 85-dBA-PEL- und einen 3-dB-Wechselkurs.
Tabelle 1 zeigt deutlich den Trend der meisten Nationen, einen zulässigen Expositionsgrenzwert (PEL) von 85 dBA zu verwenden, während etwa die Hälfte der Standards immer noch 90 dBA verwenden, um die Anforderungen für technische Steuerungen zu erfüllen, wie dies durch die EWG-Richtlinie zulässig ist. Die überwiegende Mehrheit der oben aufgeführten Nationen hat den 3-dB-Wechselkurs übernommen, mit Ausnahme von Israel, Brasilien und Chile, die alle die 5-dB-Regel mit einem 85-dBA-Kriteriumspegel verwenden. Die andere bemerkenswerte Ausnahme sind die Vereinigten Staaten (im zivilen Bereich), obwohl sowohl die US-Armee als auch die US-Luftwaffe die 3-dB-Regel übernommen haben.
Zusätzlich zu ihren Anforderungen zum Schutz der Arbeitnehmer vor Hörverlust enthalten mehrere Länder Bestimmungen zur Verhinderung anderer schädlicher Auswirkungen von Lärm. Einige Länder geben in ihren Vorschriften die Notwendigkeit an, sich gegen die außerhörlichen Wirkungen von Lärm zu schützen. Sowohl die EWG-Richtlinie als auch die deutsche Norm erkennen an, dass Lärm am Arbeitsplatz ein Risiko für die Gesundheit und Sicherheit der Arbeitnehmer über den Hörverlust hinaus birgt, dass die derzeitigen wissenschaftlichen Erkenntnisse über die außerhörlichen Auswirkungen jedoch keine Festlegung präziser Sicherheitspegel ermöglichen.
Die norwegische Norm enthält eine Anforderung, dass der Geräuschpegel in Arbeitsumgebungen, in denen eine Sprachkommunikation erforderlich ist, 70 dBA nicht überschreiten darf. Die deutsche Norm befürwortet Lärmminderung zur Vermeidung von Unfallrisiken, und sowohl Norwegen als auch Deutschland fordern einen maximalen Lärmpegel von 55 dBA, um die Konzentration zu steigern und Stress bei geistigen Aufgaben zu vermeiden.
Einige Länder haben spezielle Geräuschnormen für verschiedene Arten von Arbeitsplätzen. Beispielsweise haben Finnland und die Vereinigten Staaten Geräuschnormen für Kraftfahrzeugkabinen, Deutschland und Japan legen Geräuschpegel für Büros fest. Andere schließen Lärm als eine von vielen regulierten Gefahren in einem bestimmten Prozess ein. Noch andere Normen gelten für bestimmte Arten von Geräten oder Maschinen, wie z. B. Luftkompressoren, Kettensägen und Baumaschinen.
Darüber hinaus haben einige Länder separate Standards für Gehörschutzgeräte (wie die EWG-Richtlinie, die Niederlande und Norwegen) und für Gehörschutzprogramme (wie Frankreich, Norwegen, Spanien, Schweden und die Vereinigten Staaten) erlassen.
Einige Nationen verwenden innovative Ansätze, um das Lärmproblem am Arbeitsplatz anzugehen. Beispielsweise gibt es in den Niederlanden eine gesonderte Norm für neu errichtete Arbeitsplätze, und Australien und Norwegen geben Arbeitgebern Informationen, damit sie Hersteller in die Bereitstellung leiserer Geräte einweisen können.
Es gibt nur wenige Informationen darüber, inwieweit diese Standards und Vorschriften durchgesetzt werden. Einige geben an, dass Arbeitgeber bestimmte Maßnahmen ergreifen „sollten“ (wie in Verhaltenskodizes oder Richtlinien), während die meisten angeben, dass Arbeitgeber „sollten“. Standards, die „soll“ verwenden, sind eher verbindlich, aber die einzelnen Nationen unterscheiden sich stark in ihrer Fähigkeit und Neigung, die Durchsetzung sicherzustellen. Selbst innerhalb ein und derselben Nation kann die Durchsetzung von Berufslärmnormen je nach amtierender Regierung erheblich variieren.
Ionisierende Strahlung ist überall. Sie kommt als kosmische Strahlung aus dem Weltraum. Es befindet sich in der Luft als Emissionen von radioaktivem Radon und seinen Nachkommen. Natürlich vorkommende radioaktive Isotope treten in alle Lebewesen ein und verbleiben darin. Es ist unausweichlich. Tatsächlich haben sich alle Arten auf diesem Planeten in Gegenwart ionisierender Strahlung entwickelt. Während Menschen, die kleinen Strahlendosen ausgesetzt sind, möglicherweise nicht sofort offensichtliche biologische Wirkungen zeigen, besteht kein Zweifel daran, dass ionisierende Strahlung, wenn sie in ausreichenden Mengen verabreicht wird, Schaden anrichten kann. Diese Wirkungen sind sowohl der Art als auch dem Grad nach gut bekannt.
Während ionisierende Strahlung Schaden anrichten kann, hat sie auch viele nützliche Anwendungen. Radioaktives Uran erzeugt in vielen Ländern in Kernkraftwerken Strom. In der Medizin werden mit Röntgenstrahlen Röntgenaufnahmen zur Diagnose innerer Verletzungen und Krankheiten erstellt. Nuklearmediziner verwenden radioaktives Material als Tracer, um detaillierte Bilder von inneren Strukturen zu erstellen und den Stoffwechsel zu untersuchen. Therapeutische Radiopharmaka stehen zur Behandlung von Erkrankungen wie Hyperthyreose und Krebs zur Verfügung. Strahlentherapeuten verwenden Gammastrahlen, Pionstrahlen, Elektronenstrahlen, Neutronen und andere Arten von Strahlung zur Behandlung von Krebs. Ingenieure verwenden radioaktives Material bei der Protokollierung von Ölquellen und in Bodenfeuchtigkeitsmessgeräten. Industrielle Röntgenassistenten verwenden Röntgenstrahlen in der Qualitätskontrolle, um die inneren Strukturen hergestellter Geräte zu untersuchen. Ausgangsschilder in Gebäuden und Flugzeugen enthalten radioaktives Tritium, um sie bei einem Stromausfall im Dunkeln leuchten zu lassen. Viele Rauchmelder in Wohn- und Geschäftsgebäuden enthalten radioaktives Americium.
Diese vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten von ionisierender Strahlung und radioaktiven Materialien verbessern die Lebensqualität und helfen der Gesellschaft in vielerlei Hinsicht. Der Nutzen jeder Anwendung muss immer den Risiken gegenübergestellt werden. Die Risiken können für Arbeitnehmer bestehen, die direkt an der Anwendung der Strahlung oder des radioaktiven Materials beteiligt sind, für die Öffentlichkeit, für zukünftige Generationen und für die Umwelt oder für eine Kombination davon. Jenseits politischer und wirtschaftlicher Erwägungen muss der Nutzen bei ionisierender Strahlung immer die Risiken überwiegen.
Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlung besteht aus Teilchen, einschließlich Photonen, die die Trennung von Elektronen von Atomen und Molekülen bewirken. Einige Strahlungsarten mit relativ niedriger Energie, wie z. B. ultraviolettes Licht, können jedoch unter bestimmten Umständen auch eine Ionisation verursachen. Um diese Arten von Strahlung von Strahlung zu unterscheiden, die immer eine Ionisation verursacht, wird eine willkürliche untere Energiegrenze für ionisierende Strahlung normalerweise auf etwa 10 Kiloelektronenvolt (keV) festgelegt.
Direkt ionisierende Strahlung besteht aus geladenen Teilchen. Zu solchen Teilchen gehören energetische Elektronen (manchmal auch als Negatronen bezeichnet), Positronen, Protonen, Alphateilchen, geladene Mesonen, Myonen und schwere Ionen (ionisierte Atome). Diese Art von ionisierender Strahlung interagiert hauptsächlich durch die Coulomb-Kraft mit Materie und stößt aufgrund ihrer Ladung Elektronen von Atomen und Molekülen ab oder zieht sie an.
Indirekt ionisierende Strahlung besteht aus ungeladenen Teilchen. Die häufigsten Arten indirekt ionisierender Strahlung sind Photonen über 10 keV (Röntgen- und Gammastrahlen) und alle Neutronen.
Röntgen- und Gammastrahlenphotonen interagieren mit Materie und verursachen auf mindestens drei verschiedene Arten Ionisation:
Bei einem gegebenen Photon kann jedes davon auftreten, außer dass die Paarbildung nur für Photonen mit einer Energie von mehr als 1.022 MeV möglich ist. Die Energie des Photons und das Material, mit dem es wechselwirkt, bestimmen, welche Wechselwirkung am wahrscheinlichsten auftritt.
Abbildung 1 zeigt die Bereiche, in denen jede Art von Photonenwechselwirkung dominiert, als Funktion der Photonenenergie und Ordnungszahl des Absorbers.
Abbildung 1. Relative Bedeutung der drei Hauptwechselwirkungen von Photonen in Materie
Die häufigsten Neutronenwechselwirkungen mit Materie sind inelastische Kollisionen, Neutroneneinfang (oder -aktivierung) und Spaltung. All dies sind Wechselwirkungen mit Kernen. Ein Kern, der unelastisch mit einem Neutron kollidiert, wird auf einem höheren Energieniveau belassen. Es kann diese Energie in Form eines Gammastrahls oder durch Emission eines Betateilchens oder beides freisetzen. Beim Neutroneneinfang kann ein betroffener Kern das Neutron absorbieren und Energie als Gamma- oder Röntgenstrahlen oder Betateilchen oder beides ausstoßen. Die Sekundärteilchen verursachen dann eine Ionisation, wie oben diskutiert. Bei der Spaltung absorbiert ein schwerer Kern das Neutron und spaltet sich in zwei leichtere Kerne auf, die fast immer radioaktiv sind.
Mengen, Einheiten und verwandte Definitionen
Die International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) entwickelt international anerkannte formale Definitionen von Mengen und Einheiten von Strahlung und Radioaktivität. Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) legt auch Standards für die Definition und Verwendung verschiedener Größen und Einheiten fest, die im Strahlenschutz verwendet werden. Es folgt eine Beschreibung einiger Größen, Einheiten und Definitionen, die üblicherweise im Strahlenschutz verwendet werden.
Aufgenommene Dosis. Dies ist die fundamentale dosimetrische Größe für ionisierende Strahlung. Grundsätzlich ist es die Energie, die ionisierende Strahlung der Materie pro Masseneinheit verleiht. Formal,
woher D ist die absorbierte Dosis, de ist die mittlere Energie, die Materie der Masse d verliehen wirdm. Die absorbierte Dosis hat Einheiten von Joule pro Kilogramm (J kg-1). Der spezielle Name für die Einheit der Energiedosis ist Gray (Gy).
Aktivität. Diese Größe repräsentiert die Anzahl der Kernumwandlungen von einem gegebenen Kernenergiezustand pro Zeiteinheit. Formal,
woher A ist die Aktivität, dN der Erwartungswert der Anzahl spontaner Kernübergänge aus dem gegebenen Energiezustand im Zeitintervall dt. Sie hängt mit der Anzahl der radioaktiven Kerne zusammen N durch:
wobei l die Zerfallskonstante ist. Aktivität hat Einheiten von inversen Sekunden (s-1). Die spezielle Bezeichnung für die Aktivitätseinheit ist Becquerel (Bq).
Zerfallskonstante (l). Diese Größe stellt die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit dar, dass eine Kernumwandlung für ein gegebenes Radionuklid stattfindet. Die Zerfallskonstante hat Einheiten von umgekehrten Sekunden (s-1). Es hängt mit der Halbwertszeit zusammen t½ eines Radionuklids durch:
Die Zerfallskonstante l steht in Beziehung zur mittleren Lebensdauer t eines Radionuklids durch:
Die Zeitabhängigkeit der Aktivität A(t) und der Anzahl radioaktiver Kerne N(t) kann ausgedrückt werden durch und beziehungsweise.
Deterministischer biologischer Effekt. Dies ist ein biologischer Effekt, der durch ionisierende Strahlung verursacht wird und dessen Auftretenswahrscheinlichkeit bei kleinen absorbierten Dosen null ist, aber über einem bestimmten Niveau der absorbierten Dosis (dem Schwellenwert) steil auf eins (100 %) ansteigt. Kataraktinduktion ist ein Beispiel für einen stochastischen biologischen Effekt.
Wirksame Dosis. Die effektive Dosis E ist die Summe der gewichteten Äquivalentdosen in allen Geweben und Organen des Körpers. Es handelt sich um eine Strahlensicherheitsgröße, daher ist ihre Verwendung für große absorbierte Dosen, die in relativ kurzer Zeit abgegeben werden, nicht geeignet. Es wird gegeben von:
woher w T ist der Gewebegewichtungsfaktor und HT ist die äquivalente Dosis für Gewebe T. Die effektive Dosis hat Einheiten von J kg-1. Die spezielle Bezeichnung für die Einheit der effektiven Dosis ist Sievert (Sv).
Äquivalentdosis. Die Äquivalentdosis HT ist die absorbierte Dosis, gemittelt über ein Gewebe oder Organ (nicht an einem Punkt) und gewichtet für die interessierende Strahlungsqualität. Es handelt sich um eine Strahlensicherheitsgröße, daher ist ihre Verwendung für große absorbierte Dosen, die in relativ kurzer Zeit abgegeben werden, nicht geeignet. Die Äquivalentdosis ergibt sich aus:
woher DT, R ist die über das Gewebe oder Organ T gemittelte Energiedosis durch Strahlung R und w R
ist der Strahlungsgewichtungsfaktor. Die Äquivalentdosis hat Einheiten von J kg-1. Die spezielle Bezeichnung für die Einheit der Äquivalentdosis ist Sievert (Sv).
Halbwertszeit. Diese Menge ist die Zeitdauer, die erforderlich ist, damit sich die Aktivität einer Radionuklidprobe um den Faktor ½ verringert. Äquivalent dazu ist es die Zeit, die eine bestimmte Anzahl von Kernen in einem bestimmten radioaktiven Zustand benötigt, um sich um einen Faktor von der Hälfte zu reduzieren. Es hat grundlegende Einheiten von Sekunden (s), wird aber auch üblicherweise in Stunden, Tagen und Jahren ausgedrückt. Halbwertszeit für ein bestimmtes Radionuklid t½ hängt mit der Zerfallskonstante l zusammen über:
Lineare Energieübertragung. Diese Menge ist die Energie, die ein geladenes Teilchen der Materie pro Längeneinheit verleiht, wenn es die Materie durchquert. Formal,
woher L ist die lineare Energieübertragung (auch genannt lineare Kollisionsstoppkraft) und de ist die mittlere Energie, die das Teilchen beim Durchlaufen einer Strecke d verliertl. Die lineare Energieübertragung (LET) hat Einheiten von J m-1.
Mittlere Lebensdauer. Diese Größe ist die durchschnittliche Zeit, die ein nuklearer Zustand überlebt, bevor er durch Emission ionisierender Strahlung in einen niedrigeren Energiezustand umgewandelt wird. Es hat grundlegende Einheiten von Sekunden (s), kann aber auch in Stunden, Tagen oder Jahren ausgedrückt werden. Sie hängt mit der Zerfallskonstante zusammen über:
wobei t die mittlere Lebensdauer und l die Zerfallskonstante für ein gegebenes Nuklid in einem gegebenen Energiezustand ist.
Strahlungsgewichtungsfaktor. Dies ist eine Zahl w R die für eine gegebene Art und Energie der Strahlung R repräsentativ für Werte der relativen biologischen Wirksamkeit dieser Strahlung bei der Induktion stochastischer Wirkungen bei niedrigen Dosen ist. Die Werte von w R beziehen sich auf die lineare Energieübertragung (LET) und sind in Tabelle 1 angegeben. Abbildung 2 (umseitig) zeigt die Beziehung zwischen w R und LET für Neutronen.
Tabelle 1. Strahlungsgewichtungsfaktoren wR
Typ und Energiebereich |
wR 1 |
Photonen, alle Energien |
1 |
Elektronen und Myonen, alle Energien2 |
1 |
Neutronen, Energie 10 keV |
5 |
10 keV bis 100 keV |
10 |
>100 keV bis 2 MeV |
20 |
>2 MeV bis 20 MeV |
10 |
>20 MeV |
5 |
Protonen, außer Rückstoßprotonen, Energie >2 MeV |
5 |
Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne |
20 |
1 Alle Werte beziehen sich auf die auf den Körper einfallende bzw. bei internen Quellen von der Quelle emittierte Strahlung.
2 Ohne Auger-Elektronen, die von an DNA gebundenen Kernen emittiert werden.
Relative biologische Wirksamkeit (RBE). Die RBE einer Strahlungsart im Vergleich zu einer anderen ist das umgekehrte Verhältnis der absorbierten Dosen, die den gleichen Grad eines definierten biologischen Endpunkts erzeugen.
Abbildung 2. Strahlungsgewichtungsfaktoren für Neutronen (die glatte Kurve ist als Näherung zu behandeln)
Stochastischer biologischer Effekt. Hierbei handelt es sich um einen durch ionisierende Strahlung verursachten biologischen Effekt, dessen Eintrittswahrscheinlichkeit mit zunehmender Energiedosis wahrscheinlich ohne Schwellenwert zunimmt, dessen Schwere jedoch unabhängig von der Energiedosis ist. Krebs ist ein Beispiel für einen stochastischen biologischen Effekt.
Gewebegewichtungsfaktor w T. Dies stellt den Beitrag des Gewebes oder Organs T zum Gesamtschaden aufgrund aller stochastischen Effekte dar, die sich aus einer gleichmäßigen Bestrahlung des gesamten Körpers ergeben. Sie wird verwendet, weil die Wahrscheinlichkeit stochastischer Wirkungen aufgrund einer Äquivalentdosis vom bestrahlten Gewebe oder Organ abhängt. Eine einheitliche Äquivalentdosis über den ganzen Körper sollte eine effektive Dosis ergeben, die numerisch gleich der Summe der effektiven Dosen für alle Gewebe und Organe des Körpers ist. Daher wird die Summe aller Gewebegewichtungsfaktoren auf Eins normiert. Tabelle 2 gibt Werte für Gewebegewichtungsfaktoren an.
Tabelle 2. Gewebegewichtungsfaktoren wT
Gewebe oder Organ |
wT 1 |
Gonaden |
0.20 |
Knochenmark (rot) |
0.12 |
Doppelpunkt |
0.12 |
Lunge |
0.12 |
Magen |
0.12 |
Blase |
0.05 |
Brust |
0.05 |
Leber |
0.05 |
Speiseröhre |
0.05 |
Schilddrüse |
0.05 |
Haut |
0.01 |
Knochenoberfläche |
0.01 |
Rest |
0.052, 3 |
1 Die Werte wurden aus einer Referenzpopulation mit gleichen Zahlen beider Geschlechter und einer breiten Altersspanne entwickelt. In der Definition der effektiven Dosis gelten sie für Arbeitnehmer, für die gesamte Bevölkerung und für beide Geschlechter.
2 Der Rest setzt sich rechnerisch aus folgenden zusätzlichen Geweben und Organen zusammen: Nebennieren, Gehirn, oberer Dickdarm, Dünndarm, Nieren, Muskel, Bauchspeicheldrüse, Milz, Thymus und Uterus. Die Liste enthält Organe, die voraussichtlich selektiv bestrahlt werden. Einige Organe in der Liste sind bekanntermaßen anfällig für Krebsinduktion.
3 In den Ausnahmefällen, in denen ein einzelnes der übrigen Gewebe oder Organe in einem der zwölf Organe, für die ein Gewichtungsfaktor festgelegt ist, eine Äquivalentdosis erhält, die die höchste Dosis übersteigt, sollte auf dieses Gewebe ein Gewichtungsfaktor von 0.025 angewendet werden oder Organ und einem Gewichtungsfaktor von 0.025 zur Durchschnittsdosis im Rest des oben definierten Restes.
Nach ihrer Entdeckung durch Röntgen im Jahr 1895 wurde die Röntgenstrahlung so schnell in die Diagnose und Behandlung von Krankheiten eingeführt, dass Verletzungen durch übermäßige Strahlenexposition fast sofort bei Pionierstrahlenarbeitern auftraten, die sich der Gefahren noch nicht bewusst waren (Brown 1933). Die ersten derartigen Verletzungen waren überwiegend Hautreaktionen an den Händen derjenigen, die mit den frühen Bestrahlungsgeräten arbeiteten, aber innerhalb eines Jahrzehnts wurden auch viele andere Arten von Verletzungen gemeldet, einschließlich der ersten Krebserkrankungen, die der Bestrahlung zugeschrieben wurden (Stone 1959).
Im Laufe des Jahrhunderts seit diesen frühen Erkenntnissen hat die Untersuchung der biologischen Wirkungen ionisierender Strahlung durch die zunehmende Verwendung von Strahlung in Medizin, Wissenschaft und Industrie sowie durch die friedlichen und militärischen Anwendungen der Atomenergie einen kontinuierlichen Auftrieb erhalten. Infolgedessen wurden die biologischen Wirkungen von Strahlung gründlicher untersucht als die praktisch aller anderen Umwelteinflüsse. Das sich entwickelnde Wissen über Strahlungswirkungen hat die Gestaltung von Maßnahmen zum Schutz der menschlichen Gesundheit vor vielen anderen Umweltgefahren sowie vor Strahlung beeinflusst.
Natur und Mechanismen der biologischen Strahlungswirkung
Energieablagerung. Im Gegensatz zu anderen Strahlungsformen ist ionisierende Strahlung in der Lage, genügend lokalisierte Energie abzugeben, um Elektronen aus den Atomen zu lösen, mit denen sie wechselwirkt. Wenn also Strahlung beim Durchgang durch lebende Zellen zufällig mit Atomen und Molekülen kollidiert, entstehen Ionen und freie Radikale, die chemische Bindungen aufbrechen und andere molekulare Veränderungen verursachen, die die betroffenen Zellen schädigen. Die räumliche Verteilung der ionisierenden Ereignisse hängt vom Strahlungsgewichtungsfaktor ab, w R der Strahlung (siehe Tabelle 1 und Abbildung 1).
Tabelle 1. Strahlungsgewichtungsfaktoren wR
Typ und Energiebereich |
wR 1 |
Photonen, alle Energien |
1 |
Elektronen und Myonen, alle Energien2 |
1 |
Neutronen, Energie <10 keV |
5 |
10 keV bis 100 keV |
10 |
>100 keV bis 2 MeV |
20 |
>2 MeV bis 20 MeV |
10 |
>20 MeV |
5 |
Protonen, außer Rückstoßprotonen, Energie >2 MeV |
5 |
Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne |
20 |
1 Alle Werte beziehen sich auf die auf den Körper einfallende bzw. bei internen Quellen von der Quelle emittierte Strahlung.
2 Ohne Auger-Elektronen, die von an DNA gebundenen Kernen emittiert werden.
Abbildung 1. Unterschiede zwischen verschiedenen Arten ionisierender Strahlung in der Durchdringungskraft in Gewebe
Auswirkungen auf die DNA. Jedes Molekül in der Zelle kann durch Strahlung verändert werden, aber die DNA ist aufgrund der begrenzten Redundanz der darin enthaltenen genetischen Information das kritischste biologische Ziel. Eine absorbierte Strahlungsdosis, die groß genug ist, um die durchschnittliche sich teilende Zelle abzutöten – 2 Gray (Gy) – reicht aus, um Hunderte von Läsionen in ihren DNA-Molekülen zu verursachen (Ward 1988). Die meisten dieser Läsionen sind reparabel, aber diejenigen, die durch eine dicht ionisierende Strahlung (z. B. ein Proton oder ein Alphateilchen) erzeugt werden, sind im Allgemeinen weniger reparabel als jene, die durch eine schwach ionisierende Strahlung (z. B. Röntgen- oder Gammastrahlen) verursacht werden ( Goodhead 1988). Dicht ionisierende (hohe LET) Strahlungen haben daher bei den meisten Verletzungsformen typischerweise eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBE) als schwach ionisierende (niedrige LET) Strahlungen (ICRP 1991).
Auswirkungen auf Gene. Schäden an DNA, die unrepariert bleiben oder falsch repariert werden, können sich in Form von Mutationen äußern, deren Häufigkeit als lineare, nicht schwellenwertabhängige Funktion der Dosis zuzunehmen scheint, etwa 10-5 zu 10-6 pro Ort pro Gy (NAS 1990). Die Tatsache, dass die Mutationsrate proportional zur Dosis zu sein scheint, wird dahingehend interpretiert, dass das Durchqueren der DNA durch ein einzelnes ionisierendes Teilchen im Prinzip ausreichen kann, um eine Mutation hervorzurufen (NAS 1990). Bei Opfern des Tschernobyl-Unfalls ähnelt die Dosis-Wirkungs-Beziehung für Glykophorin-Mutationen in Knochenmarkszellen stark der, die bei Überlebenden der Atombombe beobachtet wurde (Jensen, Langlois und Bigbee 1995).
Auswirkungen auf Chromosomen. Strahlungsschäden am genetischen Apparat können auch Veränderungen der Chromosomenzahl und -struktur verursachen, deren Häufigkeit bei Strahlenarbeitern, Atombombenüberlebenden und anderen, die ionisierender Strahlung ausgesetzt sind, mit der Dosis zunimmt. Die Dosis-Wirkungs-Beziehung für Chromosomenaberrationen in menschlichen Blutlymphozyten (Abbildung 2) ist hinreichend gut charakterisiert, so dass die Häufigkeit von Aberrationen in solchen Zellen als nützliches biologisches Dosimeter dienen kann (IAEA 1986).
Abbildung 2. Häufigkeit dizentrischer Chromosomenaberrationen in humanen Lymphozyten in Abhängigkeit von Dosis, Dosisleistung und Bestrahlungsqualität in vitro
Auswirkungen auf das Zellüberleben. Zu den frühesten Reaktionen auf die Bestrahlung gehört die Hemmung der Zellteilung, die unmittelbar nach der Bestrahlung auftritt und sowohl im Ausmaß als auch in der Dauer mit der Dosis variiert (Abbildung 3). Obwohl die Hemmung der Mitose charakteristischerweise vorübergehend ist, können Strahlenschäden an Genen und Chromosomen tödlich für sich teilende Zellen sein, die als Klasse sehr strahlenempfindlich sind (ICRP 1984). Gemessen an der Proliferationskapazität nimmt das Überleben sich teilender Zellen tendenziell exponentiell mit zunehmender Dosis ab, wobei 1 bis 2 Gy im Allgemeinen ausreichen, um die überlebende Population um etwa 50 % zu reduzieren (Abbildung 4).
Abbildung 3. Durch Röntgenstrahlen induzierte mitotische Hemmung in Hornhautepithelzellen von Ratten
Abbildung 4. Typische Dosis-Überlebenskurven für Säugetierzellen, die Röntgenstrahlen und schnellen Neutronen ausgesetzt sind
Auswirkungen auf Gewebe. Reife, sich nicht teilende Zellen sind relativ strahlenresistent, aber die sich teilenden Zellen in einem Gewebe sind strahlenempfindlich und können durch intensive Bestrahlung in ausreichender Zahl abgetötet werden, um eine Atrophie des Gewebes zu verursachen (Abbildung 5). Die Schnelligkeit einer solchen Atrophie hängt von der Zellpopulationsdynamik innerhalb des betroffenen Gewebes ab; das heißt, in Organen, die durch langsamen Zellumsatz gekennzeichnet sind, wie Leber und vaskuläres Endothel, ist der Prozess typischerweise viel langsamer als in Organen, die durch schnellen Zellumsatz gekennzeichnet sind, wie Knochenmark, Epidermis und Darmschleimhaut (ICRP 1984). Es ist außerdem bemerkenswert, dass, wenn das Volumen des bestrahlten Gewebes ausreichend klein ist oder wenn die Dosis allmählich genug akkumuliert wird, die Schwere der Verletzung durch die kompensatorische Proliferation überlebender Zellen stark verringert werden kann.
Abbildung 5. Charakteristische Abfolge von Ereignissen in der Pathogenese nichtstochastischer Wirkungen ionisierender Strahlung
Klinische Manifestationen der Verletzung
Arten von Effekten. Strahlungswirkungen umfassen eine Vielzahl von Reaktionen, die sich deutlich in ihren Dosis-Wirkungs-Beziehungen, klinischen Manifestationen, Zeitpunkten und Prognosen unterscheiden (Mettler und Upton 1995). Die Wirkungen werden der Einfachheit halber oft in zwei große Kategorien unterteilt: (1) vererbbar Wirkungen, die sich bei den Nachkommen exponierter Personen ausdrücken, und (2) somatisch Wirkungen, die sich bei exponierten Personen selbst äußern. Zu letzteren gehören akute Wirkungen, die relativ bald nach der Bestrahlung auftreten, sowie späte (oder chronische) Wirkungen wie Krebs, die möglicherweise erst Monate, Jahre oder Jahrzehnte später auftreten.
Akute Effekte. Die akuten Wirkungen der Strahlung resultieren überwiegend aus der Depletion von Vorläuferzellen in den betroffenen Geweben (Abbildung 5) und können nur durch Dosen ausgelöst werden, die groß genug sind, um viele solcher Zellen abzutöten (z. B. Tabelle 2). Aus diesem Grund werden solche Effekte als angesehen nichtstochastisch, oder deterministisch, in der Natur (ICRP 1984 und 1991), im Gegensatz zu den mutagenen und kanzerogenen Wirkungen von Strahlung, die als stochastische Phänomene, die aus zufälligen molekularen Veränderungen in einzelnen Zellen resultieren, die als lineare Funktionen der Dosis ohne Schwellenwert zunehmen (NAS 1990; ICRP 1991).
Tabelle 2. Ungefähre Schwellendosen von konventionell fraktionierter therapeutischer Röntgenstrahlung für klinisch schädliche nichtstochastische Wirkungen in verschiedenen Geweben
Organ |
Verletzung mit 5 Jahren |
Schwelle |
Bestrahlung |
Haut |
Ulkus, schwere Fibrose |
55 |
100 cm2 |
Mundschleimhaut |
Ulkus, schwere Fibrose |
60 |
50 cm2 |
Speiseröhre |
Geschwür, Striktur |
60 |
75 cm2 |
Magen |
Geschwür, Perforation |
45 |
100 cm2 |
Dünndarm |
Geschwür, Striktur |
45 |
100 cm2 |
Doppelpunkt |
Geschwür, Striktur |
45 |
100 cm2 |
Rektum |
Geschwür, Striktur |
55 |
100 cm2 |
Speicheldrüsen |
Xerostomie |
50 |
50 cm2 |
Leber |
Leberversagen, Aszites |
35 |
ganze |
Niere |
Nephrosklerose |
23 |
ganze |
Harnblase |
Geschwür, Kontraktur |
60 |
ganze |
Tests |
Dauerhafte Sterilität |
5-15 |
ganze |
Eierstock |
Dauerhafte Sterilität |
2-3 |
ganze |
Gebärmutter |
Nekrose, Perforation |
> 100 |
ganze |
Vagina |
Geschwür, Fistel |
90 |
5 cm2 |
Brust, Kind |
Hypoplasie |
10 |
5 cm2 |
Brust, Erwachsener |
Atrophie, Nekrose |
> 50 |
ganze |
Lunge |
Pneumonitis, Fibrose |
40 |
Vorsprung |
Kapillaren |
Teleangiektasien, Fibrose |
50-60 |
s |
Herz |
Perikarditis, Pankarditis |
40 |
ganze |
Knochen, Kind |
Gebremstes Wachstum |
20 |
10 cm2 |
Knochen, erwachsen |
Nekrose, Fraktur |
60 |
10 cm2 |
Knorpel, Kind |
Gebremstes Wachstum |
10 |
ganze |
Knorpel, Erwachsener |
Nekrose |
60 |
ganze |
Zentralnervensystem (Gehirn) |
Nekrose |
50 |
ganze |
Rückenmark |
Nekrose, Durchtrennung |
50 |
5 cm2 |
Auge |
Panophthalmitis, Blutung |
55 |
ganze |
Hornhaut |
Keratitis |
50 |
ganze |
Lens |
Katarakt |
5 |
ganze |
Ohr (innen) |
Taubheit |
> 60 |
ganze |
Schilddrüse |
Hypothyreose |
45 |
ganze |
Adrenal |
Hypoadrenalismus |
> 60 |
ganze |
Hypophyse |
Hypopituitarismus |
45 |
ganze |
Muskel, Kind |
Hypoplasie |
20-30 |
ganze |
Muskel, erwachsener |
Atrophie |
> 100 |
ganze |
Knochenmark |
Hypoplasie |
2 |
ganze |
Knochenmark |
Hypoplasie, Fibrose |
20 |
lokalisierten |
Lymphknoten |
Atrophie |
33-45 |
s |
Lymphgefäße |
Sklerose |
50 |
s |
Fötus |
Tod |
2 |
ganze |
* Dosisverursachender Effekt bei 1-5 Prozent der exponierten Personen.
Quelle: Rubin und Casarett 1972.
Akute Verletzungen, wie sie bei Pionieren der Strahlentherapie und frühen Strahlentherapiepatienten vorherrschten, wurden durch Verbesserungen der Sicherheitsvorkehrungen und Behandlungsmethoden weitgehend eliminiert. Trotzdem erleiden die meisten Patienten, die heute mit Strahlung behandelt werden, immer noch eine gewisse Verletzung des normalen Gewebes, das bestrahlt wird. Außerdem kommt es immer wieder zu schweren Strahlenunfällen. Beispielsweise wurden zwischen 285 und 1945 in verschiedenen Ländern etwa 1987 Kernreaktorunfälle (ohne den Unfall von Tschernobyl) gemeldet, bei denen mehr als 1,350 Personen verstrahlt wurden, 33 von ihnen tödlich (Lushbaugh, Fry und Ricks 1987). Allein der Unfall von Tschernobyl hat genug radioaktives Material freigesetzt, um die Evakuierung von Zehntausenden von Menschen und Nutztieren aus der Umgebung zu erfordern, und er verursachte Strahlenkrankheit und Verbrennungen bei mehr als 200 Einsatzkräften und Feuerwehrleuten, wobei 31 tödlich verletzt wurden (UNSCEAR 1988 ). Die langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen des freigesetzten radioaktiven Materials können nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden, aber Schätzungen der daraus resultierenden Risiken krebserzeugender Wirkungen auf der Grundlage von Dosis-Inzidenz-Modellen ohne Schwellenwert (siehe unten) implizieren, dass bis zu 30,000 zusätzliche Krebstodesfälle auftreten können die Bevölkerung der nördlichen Hemisphäre in den nächsten 70 Jahren infolge des Unfalls, obwohl die zusätzlichen Krebserkrankungen in einem bestimmten Land wahrscheinlich zu gering sind, um epidemiologisch nachweisbar zu sein (USDOE 1987).
Weniger katastrophal, aber weitaus zahlreicher als Reaktorunfälle waren Unfälle mit medizinischen und industriellen Gammastrahlenquellen, die ebenfalls zu Verletzungen und Todesfällen geführt haben. Beispielsweise führte die unsachgemäße Entsorgung einer Cäsium-137-Strahlentherapiequelle in Goiânia, Brasilien, im Jahr 1987 zur Bestrahlung von Dutzenden ahnungsloser Opfer, von denen vier tödlich endeten (UNSCEAR 1993).
Eine umfassende Erörterung von Strahlenschäden würde den Rahmen dieses Übersichtsartikels sprengen, aber akute Reaktionen strahlenempfindlicherer Gewebe sind von weit verbreitetem Interesse und werden daher in den folgenden Abschnitten kurz beschrieben.
Haut. Zellen in der Keimschicht der Epidermis sind hochgradig strahlenempfindlich. Infolgedessen verursacht eine schnelle Exposition der Haut gegenüber einer Dosis von 6 Sv oder mehr ein Erythem (Rötung) im exponierten Bereich, das innerhalb eines Tages oder so auftritt, typischerweise einige Stunden anhält und zwei bis vier Wochen später gefolgt wird von eine oder mehrere Wellen tieferer und länger anhaltender Erytheme sowie durch Epilation (Haarausfall). Wenn die Dosis 10 bis 20 Sv übersteigt, können innerhalb von zwei bis vier Wochen Blasenbildung, Nekrose und Ulzeration auftreten, gefolgt von einer Fibrose der darunter liegenden Dermis und des Gefäßsystems, die Monate oder Jahre später zu Atrophie und einer zweiten Ulzerationswelle führen kann (ICRP 1984 ).
Knochenmark und Lymphgewebe. Lymphozyten sind auch sehr strahlenempfindlich; eine Dosis von 2 bis 3 Sv, die schnell an den ganzen Körper abgegeben wird, kann genug von ihnen töten, um die Anzahl der peripheren Lymphozyten zu senken und die Immunantwort innerhalb von Stunden zu beeinträchtigen (UNSCEAR 1988). Blutbildende Zellen im Knochenmark sind ähnlich strahlenempfindlich und werden durch eine vergleichbare Dosis ausreichend dezimiert, um innerhalb von drei bis fünf Wochen eine Granulozytopenie und eine Thrombozytopenie zu verursachen. Eine solche Verringerung der Granulozyten- und Thrombozytenzahl kann nach einer höheren Dosis schwerwiegend genug sein, um zu Blutungen oder tödlichen Infektionen zu führen (Tabelle 3).
Tabelle 3. Hauptformen und Merkmale des akuten Strahlensyndroms
Zeit danach |
Gehirnform |
Gastro- |
Blutbildende Form |
Pulmonale Form |
Erster Tag |
Übelkeit |
Übelkeit |
Übelkeit |
Übelkeit |
Zweite Woche |
Übelkeit |
|||
Dritter bis sechster |
Schwäche |
|||
Zweiter bis achter |
husten |
Quelle: UNSCEAR 1988.
Darm. Stammzellen im Epithel, das den Dünndarm auskleidet, sind ebenfalls extrem strahlenempfindlich, da eine akute Exposition gegenüber 10 Sv ihre Anzahl so weit verringert, dass die darüber liegenden Darmzotten innerhalb von Tagen entblößt werden (ICRP 1984; UNSCEAR 1988). Die Denudation eines großen Bereichs der Schleimhaut kann zu einem fulminanten, schnell tödlichen ruhrähnlichen Syndrom führen (Tabelle 3).
Gonaden. Reife Spermien können große Dosen (100 Sv) überleben, aber Spermatogonien sind so strahlenempfindlich, dass bereits 0.15 Sv, die schnell an beide Hoden abgegeben werden, ausreichen, um Oligospermie zu verursachen, und eine Dosis von 2 bis 4 Sv kann dauerhafte Sterilität verursachen. Eizellen sind ebenfalls strahlenempfindlich, wobei eine Dosis von 1.5 bis 2.0 Sv, die schnell an beide Eierstöcke abgegeben wird, vorübergehende Sterilität und eine größere Dosis dauerhafte Sterilität verursacht, abhängig vom Alter der Frau zum Zeitpunkt der Exposition (ICRP 1984).
Atemwege. Die Lunge ist nicht sehr strahlenempfindlich, aber eine schnelle Exposition gegenüber einer Dosis von 6 bis 10 Sv kann dazu führen, dass sich innerhalb von ein bis drei Monaten eine akute Pneumonitis in dem exponierten Bereich entwickelt. Wenn ein großes Volumen an Lungengewebe betroffen ist, kann der Prozess innerhalb von Wochen zu respiratorischer Insuffizienz oder Monate oder Jahre später zu Lungenfibrose und Cor pulmonale führen (ICRP 1984; UNSCEAR 1988).
Linse des Auges. Zellen des vorderen Linsenepithels, die sich lebenslang teilen, sind relativ strahlenempfindlich. Infolgedessen kann eine schnelle Exposition der Linse gegenüber einer Dosis von mehr als 1 Sv innerhalb von Monaten zur Bildung einer mikroskopischen hinteren Poltrübung führen; und 2 bis 3 Sv bei einer einzigen kurzen Exposition – oder 5.5 bis 14 Sv, die sich über einen Zeitraum von Monaten angesammelt haben – können eine sehbehinderte Katarakt hervorrufen (ICRP 1984).
Andere Gewebe. Im Vergleich zu den oben genannten Geweben sind andere Körpergewebe im Allgemeinen deutlich weniger strahlenempfindlich (z. B. Tabelle 2); Der Embryo bildet jedoch eine bemerkenswerte Ausnahme, wie unten diskutiert wird. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass die Strahlenempfindlichkeit jedes Gewebes erhöht wird, wenn es sich in einem schnell wachsenden Zustand befindet (ICRP 1984).
Strahlenschädigung des ganzen Körpers. Eine schnelle Exposition eines großen Teils des Körpers gegenüber einer Dosis von mehr als 1 Gy kann dazu führen akutes Strahlensyndrom. Dieses Syndrom umfasst: (1) ein anfängliches Prodromalstadium, gekennzeichnet durch Unwohlsein, Anorexie, Übelkeit und Erbrechen, (2) eine darauffolgende Latenzperiode, (3) eine zweite (Haupt-)Phase der Krankheit und (4) schließlich entweder Genesung oder Tod (Tabelle 3). Die Hauptphase der Erkrankung nimmt typischerweise eine der folgenden Formen an, abhängig vom vorherrschenden Ort der Strahlenschädigung: (1) hämatologisch, (2) gastrointestinal, (3) zerebral oder (4) pulmonal (Tabelle 3).
Lokalisierte Strahlenschädigung. Im Gegensatz zu den klinischen Manifestationen einer akuten Strahlenschädigung des ganzen Körpers, die typischerweise dramatisch und schnell sind, entwickelt sich die Reaktion auf scharf lokalisierte Bestrahlung, sei es von einer externen Strahlungsquelle oder von einem intern abgelagerten Radionuklid, langsam und führt zu wenigen Symptomen oder Anzeichen es sei denn, das bestrahlte Gewebevolumen und/oder die Dosis sind relativ groß (z. B. Tabelle 3).
Auswirkungen von Radionukliden. Einige Radionuklide - zum Beispiel Tritium (3H), Kohlenstoff-14 (14C) und Cäsium-137 (137Cs) - eher systemisch verteilt werden und den Körper als Ganzes bestrahlen, während andere Radionuklide charakteristischerweise in bestimmten Organen aufgenommen und konzentriert werden und entsprechend lokalisierte Verletzungen hervorrufen. Radium (Ra) und Strontium-90
(90B. Sr) lagern sich überwiegend im Knochen ab und schädigen somit primär Skelettgewebe, während sich radioaktives Jod in der Schilddrüse anreichert, dem primären Ort einer daraus resultierenden Verletzung (Stannard 1988; Mettler und Upton 1995).
Krebserzeugende Wirkungen
Allgemeine Merkmale. Die Karzinogenität ionisierender Strahlung, die sich erstmals zu Beginn dieses Jahrhunderts durch das Auftreten von Hautkrebs und Leukämien bei Pionieren der Strahlungsindustrie (Upton 1986) manifestierte, wurde seitdem ausführlich durch dosisabhängige Exzesse vieler Arten von Neoplasmen bei Radium-Zifferblattmalern dokumentiert. Untertage-Hardrock-Bergleute, Atombombenüberlebende, Strahlentherapiepatienten und experimentell bestrahlte Labortiere (Upton 1986; NAS 1990).
Die durch Bestrahlung induzierten gutartigen und bösartigen Wucherungen brauchen typischerweise Jahre oder Jahrzehnte, um zu erscheinen, und weisen keine bekannten Merkmale auf, durch die sie von jenen unterschieden werden können, die durch andere Ursachen hervorgerufen werden. Außerdem war ihre Induktion mit wenigen Ausnahmen erst nach relativ großen Dosisäquivalenten (0.5 Sv) nachweisbar und variierte mit der Art der Neubildung sowie dem Alter und Geschlecht der Exponierten (NAS 1990).
Mechanismen. Die molekularen Mechanismen der Strahlenkarzinogenese müssen noch im Detail aufgeklärt werden, aber bei Labortieren und kultivierten Zellen wurden je nach Versuchsbedingungen in Frage (NAS 1990). Die Wirkungen scheinen in vielen, wenn nicht allen Fällen auch die Aktivierung von Onkogenen und/oder die Inaktivierung oder den Verlust von Tumorsuppressorgenen zu beinhalten. Darüber hinaus ähneln die karzinogenen Wirkungen von Strahlung denen von chemischen Karzinogenen, da sie in ähnlicher Weise durch Hormone, Ernährungsvariablen und andere modifizierende Faktoren modifiziert werden können (NAS 1990). Bemerkenswert ist außerdem, dass die Wirkungen von Strahlung mit denen von chemischen Karzinogenen additiv, synergistisch oder antagonistisch sein können, abhängig von den jeweiligen Chemikalien und Expositionsbedingungen (UNSCEAR 1982 und 1986).
Dosis-Wirkungs-Beziehung. Die vorhandenen Daten reichen nicht aus, um die Dosis-Inzidenz-Beziehung eindeutig für jede Art von Neoplasma zu beschreiben oder um zu definieren, wie lange nach der Bestrahlung das Risiko des Wachstums in einer exponierten Population erhöht bleiben kann. Risiken, die einer schwachen Bestrahlung zuzuschreiben sind, können daher nur durch Extrapolation abgeschätzt werden, basierend auf Modellen, die Annahmen über solche Parameter enthalten (NAS 1990). Von den verschiedenen Dosis-Wirkungs-Modellen, die zur Abschätzung der Risiken einer schwachen Bestrahlung verwendet wurden, ist dasjenige von folgender Form, das am besten zu den verfügbaren Daten passt:
woher R0 bezeichnet das altersspezifische Hintergrundrisiko, an einer bestimmten Krebsart zu sterben, D die Strahlendosis, f(D) eine Funktion der Dosis, die für Leukämie linear-quadratisch und für einige andere Krebsarten linear ist, und g(b) ist eine von anderen Parametern wie Geschlecht, Alter bei Exposition und Zeit nach der Exposition abhängige Risikofunktion (NAS 1990).
Modelle ohne Schwellenwert dieser Art wurden auf epidemiologische Daten von japanischen Atombombenüberlebenden und anderen bestrahlten Bevölkerungsgruppen angewendet, um Schätzungen der lebenslangen Risiken verschiedener Formen von strahleninduziertem Krebs abzuleiten (z. B. Tabelle 4). Solche Schätzungen müssen jedoch mit Vorsicht interpretiert werden, wenn versucht wird, das Krebsrisiko vorherzusagen, das auf kleine Dosen oder Dosen zurückzuführen ist, die über Wochen, Monate oder Jahre akkumuliert werden, da Experimente mit Labortieren die krebserzeugende Potenz von Röntgen- und Gammastrahlen gezeigt haben um bis zu einer Größenordnung reduziert werden, wenn die Exposition stark verlängert wird. Tatsächlich schließen die verfügbaren Daten, wie an anderer Stelle betont wurde (NAS 1990), die Möglichkeit nicht aus, dass es einen Schwellenwert im Bereich der Äquivalentdosis in Millisievert (mSv) geben könnte, unterhalb dessen die Strahlung möglicherweise nicht karzinogen ist.
Tabelle 4. Geschätzte lebenslange Krebsrisiken, die auf eine schnelle Bestrahlung mit 0.1 Sv zurückzuführen sind
Art oder Ort des Krebses |
Überschüssige Krebstote pro 100,000 |
|
(Nein.) |
(%)* |
|
Magen |
110 |
18 |
Lunge |
85 |
3 |
Doppelpunkt |
85 |
5 |
Leukämie (ohne CLL) |
50 |
10 |
Harnblase |
30 |
5 |
Speiseröhre |
30 |
10 |
Brust |
20 |
1 |
Leber |
15 |
8 |
Gonaden |
10 |
2 |
Schilddrüse |
8 |
8 |
Osteosarkom |
5 |
5 |
Haut |
2 |
2 |
Rest |
50 |
1 |
Gesamt |
500 |
2 |
* Prozentualer Anstieg der „Hintergrund“-Erwartung für eine nicht bestrahlte Population.
Quelle: ICRP 1991.
Es ist auch bemerkenswert, dass die tabellierten Schätzungen auf Bevölkerungsdurchschnitten basieren und nicht unbedingt auf eine bestimmte Person anwendbar sind; Das heißt, die Anfälligkeit für bestimmte Krebsarten (z. B. Schilddrüsen- und Brustkrebs) ist bei Kindern wesentlich höher als bei Erwachsenen, und die Anfälligkeit für bestimmte Krebsarten ist auch in Verbindung mit einigen Erbkrankheiten wie Retinoblastom und Nävoid erhöht Basalzellkarzinomsyndrom (UNSCEAR 1988, 1994; NAS 1990). Ungeachtet dieser Unterschiede in der Anfälligkeit wurden bevölkerungsbezogene Schätzungen zur Verwendung in Entschädigungsfällen als Grundlage für die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit vorgeschlagen, dass ein Krebs, der bei einer zuvor bestrahlten Person aufgetreten ist, durch die fragliche Exposition verursacht worden sein könnte (NIH 1985).
Niedrigdosis-Risikobewertung. Epidemiologische Studien, um festzustellen, ob das Krebsrisiko bei geringer Strahlenexposition tatsächlich mit der Dosis in der Weise variiert, wie dies durch die obigen Schätzungen vorhergesagt wurde, waren bisher nicht schlüssig. Bevölkerungsgruppen, die in Gebieten mit erhöhter natürlicher Hintergrundstrahlung leben, weisen keine eindeutig zuordenbaren Erhöhungen der Krebsraten auf (NAS 1990; UNSCEAR 1994); Umgekehrt haben einige Studien sogar eine umgekehrte Beziehung zwischen Hintergrundstrahlungspegeln und Krebsraten vorgeschlagen, die von einigen Beobachtern als Beweis für die Existenz vorteilhafter (oder hormetischer) Wirkungen einer schwachen Bestrahlung interpretiert wurde, die den Anpassungsreaktionen entspricht bestimmter zellulärer Systeme (UNSCEAR 1994). Die umgekehrte Beziehung ist jedoch von fragwürdiger Bedeutung, da sie nach Kontrolle der Effekte von Störvariablen nicht bestehen blieb (NAS 1990). Auch bei den heutigen Strahlenarbeitern – mit Ausnahme bestimmter Kohorten von Untertage-Hardrock-Bergleuten (NAS 1994; Lubin, Boice und Edling 1994) – sind die Raten von anderen Krebsarten als Leukämie nicht mehr nachweisbar erhöht (UNSCEAR 1994), dank Fortschritten im Strahlenschutz; außerdem stimmen die Leukämieraten bei diesen Arbeitern mit den oben tabellarisch aufgeführten Schätzungen überein (IARC 1994). Zusammenfassend stimmen die derzeit verfügbaren Daten also mit den oben tabellarisch dargestellten Schätzungen (Tabelle 4) überein, die jedoch implizieren, dass weniger als 3 % der Krebserkrankungen in der Allgemeinbevölkerung auf natürliche Hintergrundstrahlung zurückzuführen sind (NAS 1990; IARC 1994). bis zu 10 % der Lungenkrebsfälle können auf Radon in Innenräumen zurückzuführen sein (NAS 1990; Lubin, Boice und Edling 1994).
Bei einem thermonuklearen Waffentest in Bikini im Jahr 1954 wurde beobachtet, dass hohe radioaktive Niederschläge eine dosisabhängige Zunahme der Häufigkeit von Schilddrüsenkrebs bei Marshall-Inselbewohnern verursachen, die in der Kindheit große Dosen an die Schilddrüse erhielten (Robbins und Adams 1989). In ähnlicher Weise wurde berichtet, dass Kinder, die in Gebieten von Weißrussland und der Ukraine leben, die durch Radionuklide kontaminiert sind, die nach dem Unfall von Tschernobyl freigesetzt wurden, eine erhöhte Inzidenz von Schilddrüsenkrebs aufweisen (Prisyazhuik, Pjatak und Buzanov 1991; Kasakov, Demidchik und Astakhova 1992), aber die Ergebnisse sind es im Gegensatz zu denen des International Chernobyl Project, das keinen Überschuss an gutartigen oder bösartigen Schilddrüsenknoten bei Kindern fand, die in den stärker kontaminierten Gebieten um Tschernobyl lebten (Mettler, Williamson und Royal 1992). Die Grundlage für die Diskrepanz und ob die gemeldeten Exzesse möglicherweise allein auf eine verstärkte Überwachung zurückzuführen sind, muss noch ermittelt werden. In diesem Zusammenhang ist es bemerkenswert, dass Kinder im Südwesten von Utah und Nevada, die in den 1950er Jahren dem Fallout von Atomwaffentests in Nevada ausgesetzt waren, eine Zunahme der Häufigkeit von Schilddrüsenkrebs aller Art zeigten (Kerber et al. 1993). und die Prävalenz akuter Leukämie scheint bei solchen Kindern erhöht gewesen zu sein, die zwischen 1952 und 1957 starben, der Zeit der größten Fallout-Exposition (Stevens et al. 1990).
Die Möglichkeit, dass Leukämieexzesse bei Kindern, die in der Nähe von Kernkraftwerken im Vereinigten Königreich leben, möglicherweise durch von den Kraftwerken freigesetzte Radioaktivität verursacht wurden, wurde ebenfalls vermutet. Es wird jedoch geschätzt, dass die Freisetzungen die Gesamtstrahlendosis für solche Kinder um weniger als 2 % erhöht haben, woraus geschlossen wird, dass andere Erklärungen wahrscheinlicher sind (Doll, Evans und Darby 1994). Eine unwirksame Ätiologie für die beobachteten Leukämie-Cluster wird durch die Existenz vergleichbarer Exzesse von Kinderleukämie an Standorten im Vereinigten Königreich angedeutet, die keine nuklearen Einrichtungen haben, aber ansonsten nuklearen Standorten ähneln, da sie in jüngster Zeit einen ähnlich großen Bevölkerungszustrom erlebt haben (Kinlen 1988; Doll , Evans und Darby 1994). Eine andere Hypothese, nämlich dass die fraglichen Leukämien durch berufliche Bestrahlung der Väter der betroffenen Kinder verursacht worden sein könnten, wurde ebenfalls durch die Ergebnisse einer Fall-Kontroll-Studie nahegelegt (Gardner et al. 1990), aber diese Hypothese ist es im Allgemeinen aus Gründen, die im folgenden Abschnitt erörtert werden, diskontiert.
Vererbbare Wirkungen
Vererbbare Wirkungen der Bestrahlung, obwohl bei anderen Organismen gut dokumentiert, müssen beim Menschen noch beobachtet werden. Zum Beispiel hat eine intensive Studie an mehr als 76,000 Kindern der japanischen Atombombenüberlebenden, die über vier Jahrzehnte durchgeführt wurde, keine vererbbaren Wirkungen der Strahlung in dieser Population offenbart, gemessen an unerwünschten Schwangerschaftsverläufen, Neugeborenentodesfällen, bösartigen Erkrankungen, ausgeglichen chromosomale Umlagerungen, Geschlechtschromosomen-Aneuploidie, Veränderungen des Serum- oder Erythrozyten-Protein-Phänotyps, Veränderungen des Geschlechtsverhältnisses oder Wachstums- und Entwicklungsstörungen (Neel, Schull und Awa 1990). Folglich müssen sich Abschätzungen der Risiken vererbbarer Strahlenwirkungen stark auf Extrapolationen aus Befunden an Labormäusen und anderen Versuchstieren stützen (NAS 1990; UNSCEAR 1993).
Aus den verfügbaren experimentellen und epidemiologischen Daten wird abgeleitet, dass die erforderliche Dosis zur Verdopplung der Rate vererbbarer Mutationen in menschlichen Keimzellen mindestens 1.0 Sv betragen muss (NAS 1990; UNSCEAR 1993). Auf dieser Grundlage wird geschätzt, dass weniger als 1 % aller genetisch bedingten Krankheiten in der menschlichen Bevölkerung auf eine natürliche Hintergrundstrahlung zurückzuführen sind (Tabelle 5).
Tabelle 5. Geschätzte Häufigkeiten von Erbkrankheiten, die auf natürliche ionisierende Hintergrundstrahlung zurückzuführen sind
Art der Störung |
Natürliche Verbreitung |
Beitrag aus natürlichem Hintergrund |
|
Erste Generation |
Gleichgewicht |
||
Autosomal |
180,000 |
20-100 |
300 |
X-verknüpft |
400 |
<1 |
<15 |
Rezessiv |
2,500 |
<1 |
sehr langsamer Anstieg |
Chromosomen |
4,400 |
<20 |
sehr langsamer Anstieg |
Angeboren |
20,000-30,000 |
30 |
30-300 |
Andere Störungen komplexer Ätiologie: |
|||
Herzkrankheit |
600,000 |
nicht geschätzt4 |
nicht geschätzt4 |
Krebs |
300,000 |
nicht geschätzt4 |
nicht geschätzt4 |
Ausgewählte andere |
300,000 |
nicht geschätzt4 |
nicht geschätzt4 |
1 Entspricht » 1 mSv pro Jahr oder » 30 mSv pro Generation (30 Jahre).
2 Werte gerundet.
3 Nach Hunderten von Generationen wird die Hinzufügung ungünstiger strahlungsinduzierter Mutationen schließlich durch ihren Verlust aus der Population ausgeglichen, was zu einem genetischen "Gleichgewicht" führt.
4 Quantitative Risikoabschätzungen fehlen aufgrund der Ungewissheit über die Mutationskomponente der angegebenen Krankheit(en).
Quelle: Nationaler Forschungsrat 1990.
Die Hypothese, dass das Übermaß an Leukämie und Non-Hodgkin-Lymphom bei jungen Menschen, die im Dorf Seascale leben, auf vererbbare onkogene Wirkungen zurückzuführen ist, die durch die berufsbedingte Bestrahlung der Väter der Kinder in der Kernanlage Sellafield verursacht wurden, wurde durch die Ergebnisse eines Falls nahegelegt. Kontrollstudie (Gardner et al. 1990), wie oben erwähnt. Gegen diese Hypothese sprechen jedoch:
Alles in allem stützen die verfügbaren Daten die väterliche Keimdrüsenbestrahlungshypothese nicht (Doll, Evans und Darby 1994; Little, Charles und Wakeford 1995).
Auswirkungen pränataler Bestrahlung
Die Strahlenempfindlichkeit ist während des pränatalen Lebens relativ hoch, aber die Wirkungen einer gegebenen Dosis variieren deutlich, abhängig vom Entwicklungsstadium des Embryos oder Fötus zum Zeitpunkt der Exposition (UNSCEAR 1986). Während der Präimplantationsperiode ist der Embryo am anfälligsten für das Abtöten durch Bestrahlung, während er während kritischer Stadien der Organogenese anfällig für die Induktion von Missbildungen und anderen Entwicklungsstörungen ist (Tabelle 6). Die letztgenannten Wirkungen werden dramatisch veranschaulicht durch die dosisabhängige Zunahme der Häufigkeit schwerer geistiger Behinderung (Abbildung 6) und die dosisabhängige Abnahme der IQ-Testergebnisse bei Atombombenüberlebenden, die zwischen der achten und fünfzehnten Woche exponiert waren (und in geringerem Maße zwischen der sechzehnten und fünfundzwanzigsten Woche) (UNSCEAR 1986 und 1993).
Tabelle 6. Bedeutende Entwicklungsanomalien, die durch pränatale Bestrahlung verursacht wurden
Gehirn |
||
Anenzephalie |
Porenzephalie |
Mikrozephalie* |
Enzephalocoele |
Mongolismus* |
Reduzierte Medulla |
Zerebrale Atrophie |
Mentale Behinderung* |
Neuroblastom |
Schmales Aquädukt |
Hydrozephalus* |
Erweiterung der Ventrikel* |
Anomalien des Rückenmarks* |
Anomalien der Hirnnerven |
|
Augenfarbe |
||
Anophthalmie |
Mikrophthalmie* |
Mikrokornie* |
Kolobom* |
Deformierte Iris |
Fehlende Linse |
Fehlen der Netzhaut |
Augenlider öffnen |
Schielen* |
Nystagmus* |
Retinoblastom |
Hypermetropie |
Glaukom |
Katarakt* |
Blindheit |
Chorioretinitis* |
Partieller Albinismus |
Ankyloblepharon |
Skeleton |
||
Allgemeines Stunting |
Reduzierte Größe des Schädels |
Schädeldeformitäten* |
Kopfverknöcherungsdefekte* |
Gewölbter Schädel |
Schmaler Kopf |
Schädelblasen |
Gaumenspalte* |
Trichterkiste |
Luxation der Hüfte |
Spina bifida |
Deformierter Schwanz |
Deformierte Füße |
Klumpfuß* |
Digitale Anomalien* |
Calcaneo valgus |
Odontogenesis imperfecta* |
Tibiale Exostose |
Amelanogenese* |
Skleratomale Nekrose |
|
Weitere Anwendungsbereiche |
||
situs inversus |
Hydronephrose |
Hydroureter |
Hydrocoele |
Fehlende Niere |
Gonadenanomalien* |
Angeborenen Herzfehler |
Gesichtsdeformitäten |
Hypophysenstörungen |
Deformitäten der Ohren |
Motorische Störungen |
Dermatomale Nekrose |
Myotomale Nekrose |
Anomalien in der Hautpigmentierung |
* Diese Anomalien wurden bei Menschen beobachtet, die pränatal hohen Strahlendosen ausgesetzt waren, und wurden daher vorläufig der Bestrahlung zugeschrieben.
Quelle: Brill und Forgotson 1964.
Auch die Anfälligkeit für die karzinogenen Wirkungen von Strahlung scheint während der gesamten pränatalen Phase relativ hoch zu sein, wie aus dem in Fall-Kontroll-Studien (NAS 1990) berichteten Zusammenhang zwischen Krebs im Kindesalter (einschließlich Leukämie) und pränataler Exposition gegenüber diagnostischen Röntgenstrahlen zu urteilen. Die Ergebnisse solcher Studien deuten darauf hin, dass eine vorgeburtliche Bestrahlung das Risiko für Leukämie und andere Krebsarten im Kindesalter um 4,000 % pro Sv erhöhen kann (UNSCEAR 1986; NAS 1990), was eine weitaus größere Erhöhung darstellt als eine postnatale Bestrahlung (UNSCEAR 1988; NAS 1990). Obwohl paradoxerweise bei pränatal bestrahlten A-Bomben-Überlebenden (Yoshimoto et al. 1990) kein Überschuss an Krebs im Kindesalter festgestellt wurde, gab es, wie oben erwähnt, zu wenige solcher Überlebenden, um einen Überschuss in der fraglichen Größenordnung auszuschließen.
Abbildung 6. Die Häufigkeit schwerer geistiger Behinderung in Abhängigkeit von der Strahlendosis bei pränatal bestrahlten Atombombenüberlebenden
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Die nachteiligen Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die menschliche Gesundheit sind sehr vielfältig und reichen von schnell tödlichen Verletzungen bis hin zu Krebs, Geburtsfehlern und Erbkrankheiten, die Monate, Jahre oder Jahrzehnte später auftreten. Art, Häufigkeit und Schwere der Wirkungen hängen von der Qualität der betreffenden Strahlung sowie von der Dosis und den Expositionsbedingungen ab. Die meisten dieser Wirkungen erfordern relativ hohe Expositionsniveaus und treten daher nur bei Unfallopfern, Strahlentherapiepatienten oder anderen stark bestrahlten Personen auf. Die genotoxischen und kanzerogenen Wirkungen ionisierender Strahlung nehmen dagegen vermutlich als lineare Nicht-Schwellwert-Funktionen der Dosis an Häufigkeit zu; Obwohl die Existenz von Schwellenwerten für diese Wirkungen nicht ausgeschlossen werden kann, wird daher davon ausgegangen, dass ihre Häufigkeit mit jeder Expositionshöhe zunimmt. Bei den meisten Strahlenwirkungen variiert die Empfindlichkeit exponierter Zellen mit ihrer Proliferationsrate und umgekehrt mit ihrem Differenzierungsgrad, wobei der Embryo und das heranwachsende Kind besonders anfällig für Verletzungen sind.
Arten ionisierender Strahlung
Alphateilchen
Ein Alphateilchen ist eine fest gebundene Ansammlung von zwei Protonen und zwei Neutronen. Es ist identisch mit einem Helium-4 (4Er) Kern. In der Tat besteht sein endgültiges Schicksal, nachdem es den größten Teil seiner kinetischen Energie verloren hat, darin, zwei Elektronen einzufangen und ein Heliumatom zu werden.
Alphastrahlende Radionuklide sind im Allgemeinen relativ massive Kerne. Fast alle Alphastrahler haben Ordnungszahlen größer oder gleich der von Blei (82Pb). Wenn ein Kern durch Emission eines Alphateilchens zerfällt, werden sowohl seine Ordnungszahl (Anzahl der Protonen) als auch die Zahl der Neutronen um zwei und seine Atommassenzahl um vier verringert. Zum Beispiel der Alpha-Zerfall von Uran-238 (238U) zu Thorium-234 (234Th) wird vertreten durch:
Der linke hochgestellte Index ist die Atommassenzahl (Anzahl der Protonen plus Neutronen), der linke Index ist die Ordnungszahl (Anzahl der Protonen) und der rechte Index ist die Anzahl der Neutronen.
Übliche Alphastrahler emittieren Alphateilchen mit kinetischen Energien zwischen etwa 4 und 5.5 MeV. Solche Alphateilchen haben in Luft eine Reichweite von nicht mehr als etwa 5 cm (siehe Abbildung 1). Alphateilchen mit einer Energie von mindestens 7.5 MeV werden benötigt, um die Epidermis (die Schutzschicht der Haut, 0.07 mm dick) zu durchdringen. Von Alphastrahlern geht im Allgemeinen keine externe Strahlungsgefährdung aus. Sie sind nur gefährlich, wenn sie in den Körper aufgenommen werden. Da sie ihre Energie in kurzer Entfernung abgeben, sind Alpha-Teilchen Strahlung mit hohem linearem Energietransfer (LET) und haben einen großen Strahlungsgewichtungsfaktor; typischerweise, w R= 20.
Abbildung 1. Reichweitenenergiestrahlung von langsamen Alphateilchen in Luft bei 15 und 760 m
Beta-Partikel
Ein Betateilchen ist ein hochenergetisches Elektron oder Positron. (Ein Positron ist das Antiteilchen des Elektrons. Es hat die gleiche Masse und die meisten anderen Eigenschaften eines Elektrons, mit Ausnahme seiner Ladung, die genau die gleiche Größe wie die eines Elektrons hat, aber positiv ist.) Beta-emittierende Radionuklide können das ein hohes oder niedriges Atomgewicht haben.
Radionuklide, die im Vergleich zu stabilen Nukliden etwa gleicher Massenzahl einen Überschuss an Protonen aufweisen, können zerfallen, wenn sich ein Proton im Atomkern in ein Neutron umwandelt. Wenn dies auftritt, emittiert der Kern ein Positron und ein extrem leichtes, sehr nicht wechselwirkendes Teilchen, das als Neutrino bezeichnet wird. (Das Neutrino und sein Antiteilchen sind für den Strahlenschutz uninteressant.) Wenn es den größten Teil seiner kinetischen Energie abgegeben hat, kollidiert das Positron schließlich mit einem Elektron und beide werden vernichtet. Die erzeugte Vernichtungsstrahlung besteht fast immer aus zwei Photonen von 0.511 keV (Kiloelektronenvolt), die sich in Richtungen bewegen, die um 180 Grad voneinander entfernt sind. Ein typischer Positronenzerfall wird dargestellt durch:
wobei das Positron durch β dargestellt wird+ und das Neutrino von n. Beachten Sie, dass das resultierende Nuklid dieselbe Atommassenzahl wie das Ausgangsnuklid und eine um eins größere Atomzahl (Protonenzahl) und eine um eins kleinere Neutronenzahl als das ursprüngliche Nuklid hat.
Der Elektroneneinfang konkurriert mit dem Positronenzerfall. Beim Elektroneneinfangzerfall nimmt der Kern ein Orbitalelektron auf und emittiert ein Neutrino. Ein typischer Elektroneneinfangzerfall ist gegeben durch:
Elektroneneinfang ist immer dann möglich, wenn der entstehende Kern eine geringere Gesamtenergie hat als der Ausgangskern. Der Positronenzerfall erfordert jedoch die Gesamtenergie des Anfangs Atom größer ist als das Ergebnis Atom um mehr als 1.02 MeV (doppelte Ruhemassenenergie des Positrons).
Ähnlich wie beim Positronen- und Elektroneneinfangzerfall, Negatron (β-) Zerfall tritt bei Kernen auf, die einen Überschuss an Neutronen im Vergleich zu stabilen Kernen mit etwa der gleichen Atommassenzahl aufweisen. In diesem Fall sendet der Kern ein Negatron (energiereiches Elektron) und ein Antineutrino aus. Ein typischer Negatron-Zerfall wird dargestellt durch:
wobei das Negatron durch β dargestellt wird- und das Anti-Neutrino by`n Hier gewinnt der entstehende Kern ein Neutron auf Kosten eines Protons, ändert aber wiederum nicht seine Atommassenzahl.
Der Alpha-Zerfall ist eine Zwei-Körper-Reaktion, daher werden Alpha-Partikel mit diskreten kinetischen Energien emittiert. Der Beta-Zerfall ist jedoch eine Drei-Körper-Reaktion, sodass Beta-Teilchen über ein Spektrum von Energien emittiert werden. Die maximale Energie im Spektrum hängt vom zerfallenden Radionuklid ab. Die durchschnittliche Beta-Energie im Spektrum beträgt etwa ein Drittel der maximalen Energie (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2. Energiespektrum von emittierten Negatronen 32P
Typische maximale Beta-Energien reichen von 18.6 keV für Tritium (3H) bis 1.71 MeV für Phosphor-32 (32P).
Die Reichweite von Beta-Partikeln in Luft beträgt ungefähr 3.65 m pro MeV kinetischer Energie. Beta-Partikel mit einer Energie von mindestens 70 keV sind erforderlich, um die Epidermis zu durchdringen. Beta-Partikel sind Low-LET-Strahlung.
Gammastrahlung
Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die von einem Kern emittiert wird, wenn er einen Übergang von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand erfährt. Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern ändert sich bei einem solchen Übergang nicht. Der Kern kann nach einem früheren Alpha- oder Beta-Zerfall im höheren Energiezustand belassen worden sein. Das heißt, Gammastrahlen werden häufig unmittelbar nach Alpha- oder Beta-Zerfällen emittiert. Gammastrahlen können auch aus Neutroneneinfang und unelastischer Streuung von subatomaren Teilchen durch Kerne resultieren. Die energiereichsten Gammastrahlen wurden in der kosmischen Strahlung beobachtet.
Abbildung 3 ist ein Bild des Zerfallsschemas für Cobalt-60 (60Co). Es zeigt eine Kaskade von zwei Gammastrahlen, die in Nickel-60 (60Ni) mit Energien von 1.17 MeV und 1.33 MeV nach dem Beta-Zerfall von 60Co.
Abbildung 3. Schema des radioaktiven Zerfalls für 60Co
Abbildung 4 ist ein Bild des Zerfallsschemas für Molybdän-99 (99Mo). Beachten Sie, dass das resultierende Technetium-99 (99Tc)-Kern hat einen angeregten Zustand, der außergewöhnlich lange anhält (t½ = 6 Std.). Einen solchen angeregten Kern nennt man an Isomer. Die meisten angeregten Kernzustände haben Halbwertszeiten zwischen einigen Pikosekunden (ps) und 1 Mikrosekunde (μs).
Abbildung 4. Schema des radioaktiven Zerfalls für 99Mo
Abbildung 5 ist ein Bild des Zerfallsschemas für Arsen-74 (74Als). Es zeigt, dass einige Radionuklide auf mehr als eine Weise zerfallen.
Abbildung 5. Schema des radioaktiven Zerfalls für 74Als Veranschaulichung konkurrierender Prozesse der Negatronenemission, Positronenemission und des Elektroneneinfangs (m0 ist die Ruhemasse des Elektrons)
Während Alpha- und Beta-Teilchen bestimmte Reichweiten in Materie haben, werden Gammastrahlen exponentiell gedämpft (wobei der Aufbau ignoriert wird, der durch Streuung innerhalb eines Materials entsteht), wenn sie Materie passieren. Wenn Aufbau vernachlässigt werden kann, ist die Dämpfung von Gammastrahlen gegeben durch:
woher ich(x) ist die Gammastrahlenintensität als Funktion der Entfernung x in das Material und μ ist der Massendämpfungskoeffizient. Der Massenschwächungskoeffizient hängt von der Gammastrahlenenergie und von dem Material ab, mit dem die Gammastrahlen wechselwirken. Die Werte des Massendämpfungskoeffizienten sind in vielen Referenzen tabelliert. Abbildung 6 zeigt die Absorption von Gammastrahlen in Materie bei guter Geometrie (Aufbau kann vernachlässigt werden).
Abbildung 6. Abschwächung von 667-keV-Gammastrahlen in Al und Pb unter Bedingungen guter Geometrie (gestrichelte Linie stellt die Abschwächung eines polyenergetischen Photonenstrahls dar)
Aufbau entsteht, wenn ein breiter Gammastrahlenstrahl mit Materie interagiert. Die gemessene Intensität an Punkten innerhalb des Materials wird relativ zum erwarteten Wert „gute Geometrie“ (schmaler Strahl) aufgrund von Gammastrahlen erhöht, die von den Seiten des direkten Strahls in das Messgerät gestreut werden. Der Aufbaugrad hängt von der Geometrie des Strahls, vom Material und von der Energie der Gammastrahlen ab.
Die interne Umwandlung konkurriert mit der Gammaemission, wenn ein Kern von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren übergeht. Bei der internen Umwandlung wird ein inneres Orbitalelektron aus dem Atom ausgestoßen, anstatt dass der Kern einen Gammastrahl aussendet. Das ausgestoßene Elektron ist direkt ionisierend. Wenn die Elektronen der äußeren Umlaufbahn auf niedrigere elektronische Energieniveaus fallen, um die Lücke zu füllen, die das ausgestoßene Elektron hinterlassen hat, sendet das Atom Röntgenstrahlen aus. Die interne Konversionswahrscheinlichkeit relativ zur Gamma-Emissionswahrscheinlichkeit nimmt mit zunehmender Ordnungszahl zu.
Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Strahlung und als solche mit Gammastrahlen identisch. Die Unterscheidung zwischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen ist ihr Ursprung. Während Gammastrahlen ihren Ursprung im Atomkern haben, entstehen Röntgenstrahlen durch Elektronenwechselwirkungen. Obwohl Röntgenstrahlen oft niedrigere Energien als Gammastrahlen haben, ist dies kein Unterscheidungskriterium. Es ist möglich, Röntgenstrahlen mit viel höheren Energien als Gammastrahlen zu erzeugen, die aus radioaktivem Zerfall resultieren.
Die oben diskutierte interne Umwandlung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. In diesem Fall haben die resultierenden Röntgenstrahlen diskrete Energien, die gleich der Differenz der Energieniveaus sind, zwischen denen die Orbitalelektronen wechseln.
Geladene Teilchen senden elektromagnetische Strahlung aus, wann immer sie beschleunigt oder abgebremst werden. Die emittierte Strahlungsmenge ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Teilchenmasse. Infolgedessen emittieren Elektronen viel mehr Röntgenstrahlung als schwerere Teilchen wie Protonen, wenn alle anderen Bedingungen gleich sind. Röntgensysteme erzeugen Röntgenstrahlen, indem sie Elektronen über eine große elektrische Potentialdifferenz von vielen kV oder MV beschleunigen. Die Elektronen werden dann in einem dichten, hitzebeständigen Material wie Wolfram (W) schnell abgebremst.
Die von solchen Systemen emittierten Röntgenstrahlen haben Energien, die über ein Spektrum verteilt sind, das von etwa Null bis zur maximalen kinetischen Energie reicht, die die Elektronen vor der Verzögerung besitzen. Diesem kontinuierlichen Spektrum sind oft Röntgenstrahlen diskreter Energie überlagert. Sie entstehen, wenn die abbremsenden Elektronen das Zielmaterial ionisieren. Wenn sich andere Orbitalelektronen bewegen, um nach der Ionisation verbleibende Leerstellen zu füllen, emittieren sie Röntgenstrahlen mit diskreten Energien, ähnlich wie Röntgenstrahlen nach einer internen Umwandlung emittiert werden. Sie heißen Merkmal Röntgenstrahlen, weil sie für das Targetmaterial (Anodenmaterial) charakteristisch sind. Siehe Abbildung 7 für ein typisches Röntgenspektrum. Abbildung 8 zeigt eine typische Röntgenröhre.
Abbildung 7. Röntgenspektrum, das den Beitrag charakteristischer Röntgenstrahlen veranschaulicht, die erzeugt werden, wenn Elektronen Löcher in der K-Schale von W füllen (die Wellenlänge von Röntgenstrahlen ist umgekehrt proportional zu ihrer Energie).
Röntgenstrahlen interagieren mit Materie auf die gleiche Weise wie Gammastrahlen, aber eine einfache exponentielle Dämpfungsgleichung beschreibt die Dämpfung von Röntgenstrahlen mit einem kontinuierlichen Energiebereich nicht angemessen (siehe Abbildung 6). Da jedoch Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie schneller aus dem Strahl entfernt werden als Röntgenstrahlen mit höherer Energie, wenn sie Material passieren, nähert sich die Beschreibung der Dämpfung einer Exponentialfunktion.
Abbildung 8. Eine vereinfachte Röntgenröhre mit einer stationären Anode und einem beheizten Filament
Neutronen
Im Allgemeinen werden Neutronen nicht als direkte Folge des natürlichen radioaktiven Zerfalls emittiert. Sie entstehen bei Kernreaktionen. Kernreaktoren produzieren Neutronen im größten Überfluss, aber auch Teilchenbeschleuniger und spezielle Neutronenquellen, sogenannte (α, n)-Quellen, können Neutronen liefern.
Kernreaktoren erzeugen Neutronen, wenn Uran (U)-Kerne in Kernbrennstoffen gespalten oder gespalten werden. Tatsächlich ist die Erzeugung von Neutronen wesentlich, um die Kernspaltung in einem Reaktor aufrechtzuerhalten.
Teilchenbeschleuniger erzeugen Neutronen, indem sie geladene Teilchen wie Protonen oder Elektronen auf hohe Energien beschleunigen, um stabile Kerne in einem Target zu bombardieren. Neutronen sind nur eines der Teilchen, die aus solchen Kernreaktionen entstehen können. Beispielsweise erzeugt die folgende Reaktion Neutronen in einem Zyklotron, das Deuteriumionen beschleunigt, um ein Berylliumziel zu bombardieren:
Mit Beryllium gemischte Alphastrahler sind tragbare Neutronenquellen. Diese (α, n)-Quellen erzeugen Neutronen über die Reaktion:
Die Quelle der Alphateilchen können Isotope wie Polonium-210 (210Po),
Plutonium-239 (239Pu) und Americium-241 (241Bin).
Neutronen werden im Allgemeinen gemäß ihrer Energie klassifiziert, wie in Tabelle 1 dargestellt. Diese Klassifizierung ist etwas willkürlich und kann in verschiedenen Kontexten variieren.
Tabelle 1. Klassifizierung von Neutronen nach kinetischer Energie
Typ |
Energiebereich |
Langsam oder thermisch |
0-0.1 keV |
Mittel |
0.1-20 keV |
Schnell |
20 keV-10 MeV |
Hohe Energie |
>10 MeV |
Es gibt eine Reihe möglicher Modi der Wechselwirkung von Neutronen mit Materie, aber die beiden Hauptmodi für die Zwecke der Strahlensicherheit sind elastische Streuung und Neutroneneinfang.
Elastische Streuung ist das Mittel, mit dem energiereichere Neutronen zu thermischen Energien reduziert werden. Neutronen mit höherer Energie interagieren hauptsächlich durch elastische Streuung und verursachen im Allgemeinen keine Spaltung oder erzeugen radioaktives Material durch Neutroneneinfang. Für letztere Wechselwirkungsarten sind hauptsächlich thermische Neutronen verantwortlich.
Elastische Streuung tritt auf, wenn ein Neutron mit einem Kern interagiert und mit reduzierter Energie abprallt. Der wechselwirkende Kern nimmt die kinetische Energie auf, die das Neutron verliert. Nach dieser Anregung gibt der Kern diese Energie bald als Gammastrahlung ab.
Wenn das Neutron schließlich thermische Energien erreicht (so genannt, weil das Neutron im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung ist), wird es leicht von den meisten Kernen eingefangen. Neutronen, die keine Ladung haben, werden vom positiv geladenen Kern nicht abgestoßen wie Protonen. Wenn sich ein thermisches Neutron einem Kern nähert und in den Bereich der starken Kernkraft kommt, in der Größenordnung von einigen fm (fm = 10-15 Meter), fängt der Kern das Neutron ein. Das Ergebnis kann dann ein radioaktiver Kern sein, der ein Photon oder ein anderes Teilchen aussendet oder im Fall von spaltbaren Kernen wie z 235U und 239Pu, der einfangende Kern, kann in zwei kleinere Kerne und mehr Neutronen spalten.
Die Gesetze der Kinematik zeigen, dass Neutronen schneller thermische Energien erreichen, wenn das elastische Streumedium eine große Anzahl leichter Kerne enthält. Ein Neutron, das von einem leichten Kern abprallt, verliert einen viel größeren Prozentsatz seiner kinetischen Energie als wenn es von einem schweren Kern abprallt. Aus diesem Grund sind Wasser und wasserstoffhaltige Materialien die besten Abschirmmaterialien, um Neutronen zu verlangsamen.
Ein monoenergetischer Neutronenstrahl wird in Materie exponentiell gedämpft, wobei eine Gleichung gehorcht, die der oben für Photonen angegebenen ähnlich ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron mit einem gegebenen Kern wechselwirkt, wird durch die Menge beschrieben Querschnitt. Der Querschnitt hat Flächeneinheiten. Die spezielle Einheit für den Querschnitt ist die Scheune (b), definiert durch:
Es ist äußerst schwierig, Neutronen ohne begleitende Gamma- und Röntgenstrahlen zu erzeugen. Es kann allgemein angenommen werden, dass, wenn Neutronen vorhanden sind, auch hochenergetische Photonen vorhanden sind.
Ionisierende Strahlungsquellen
Ursprüngliche Radionuklide
Urradionuklide kommen in der Natur vor, weil ihre Halbwertszeit mit dem Alter der Erde vergleichbar ist. Tabelle 2 listet die wichtigsten primordialen Radionuklide auf.
Tabelle 2. Primordiale Radionuklide
Radioisotop |
Halbwertszeit (109 Y) |
Fülle (%) |
238U |
4.47 |
99.3 |
232Th |
14.0 |
100 |
235U |
0.704 |
0.720 |
40K |
1.25 |
0.0117 |
87Rb |
48.9 |
27.9 |
Uran- und Thoriumisotope stehen an der Spitze einer langen Kette von Nachkommen-Radioisotopen, die folglich auch natürlich vorkommen. Abbildung 9, AC, veranschaulicht die Zerfallsketten für 232NS, 238U und 235U bzw. Da der Alpha-Zerfall oberhalb der Atommassenzahl 205 üblich ist und die Atommassenzahl eines Alphateilchens 4 ist, gibt es vier verschiedene Zerfallsketten für schwere Kerne. Eine dieser Ketten (siehe Abbildung 9, D), die z 237Np, kommt in der Natur nicht vor. Denn es enthält kein primordiales Radionuklid (d. h. kein Radionuklid dieser Kette hat eine dem Erdalter vergleichbare Halbwertszeit).
Abbildung 9. Zerfallsreihe (Z = Ordnungszahl; N = Atommassenzahl)
Beachten Sie, dass Radon (Rn)-Isotope in jeder Kette vorkommen (219Rn, 220Rn und 222Rn). Da Rn ein Gas ist, kann Rn nach seiner Entstehung aus der Matrix, in der es gebildet wurde, in die Atmosphäre entweichen. Allerdings ist die Halbwertszeit von 219Rn ist viel zu kurz, um signifikante Mengen davon in eine Atmungszone gelangen zu lassen. Die relativ kurze Halbwertszeit von 220Rn macht es normalerweise zu einem geringeren Gesundheitsrisiko als 222Rn.
Ohne Berücksichtigung von Rn liefern primordiale Radionuklide außerhalb des Körpers im Durchschnitt etwa 0.3 mSv jährliche effektive Dosis an die menschliche Bevölkerung. Die tatsächliche jährliche effektive Dosis ist sehr unterschiedlich und wird hauptsächlich durch die Konzentration von Uran und Thorium im lokalen Boden bestimmt. In einigen Teilen der Welt, in denen Monazitsand verbreitet ist, beträgt die jährliche effektive Dosis für ein Mitglied der Bevölkerung bis zu etwa 20 mSv. An anderen Orten, wie auf Korallenatollen und in Küstennähe, kann der Wert sogar nur 0.03 mSv betragen (siehe Abbildung 9).
Radon wird üblicherweise getrennt von anderen natürlich vorkommenden terrestrischen Radionukliden betrachtet. Es sickert aus dem Boden in die Luft. In der Luft zerfällt Rn weiter zu radioaktiven Isotopen von Po, Wismut (Bi) und Pb. Diese Folge-Radionuklide heften sich an Staubpartikel, die eingeatmet und in der Lunge eingeschlossen werden können. Als Alphastrahler geben sie fast ihre gesamte Strahlungsenergie an die Lunge ab. Es wird geschätzt, dass die durchschnittliche jährliche Lungenäquivalentdosis einer solchen Exposition etwa 20 mSv beträgt. Diese Lungenäquivalentdosis ist vergleichbar mit einer effektiven Ganzkörperdosis von etwa 2 mSv. Rn und seine Nachkommen-Radionuklide tragen eindeutig am stärksten zur effektiven Hintergrundstrahlungsdosis bei (siehe Abbildung 9).
Kosmische Strahlung
Zur kosmischen Strahlung gehören energiereiche Teilchen außerirdischen Ursprungs, die auf die Atmosphäre der Erde treffen (hauptsächlich Teilchen und meist Protonen). Es schließt auch Sekundärteilchen ein; meist Photonen, Neutronen und Myonen, die durch Wechselwirkungen von Primärteilchen mit Gasen in der Atmosphäre entstehen.
Aufgrund dieser Wechselwirkungen dient die Atmosphäre als Abschirmung gegen kosmische Strahlung, und je dünner diese Abschirmung ist, desto größer ist die effektive Dosisleistung. Somit nimmt die effektive Dosisrate der kosmischen Strahlung mit der Höhe zu. Beispielsweise ist die Dosisleistung in 1,800 Metern Höhe etwa doppelt so hoch wie auf Meereshöhe.
Da die primäre kosmische Strahlung hauptsächlich aus geladenen Teilchen besteht, wird sie vom Magnetfeld der Erde beeinflusst. Menschen, die in höheren Breiten leben, erhalten größere effektive Dosen kosmischer Strahlung als diejenigen, die näher am Erdäquator liegen. Schwankungen aufgrund dieses Effekts liegen in der Größenordnung
von 10%.
Schließlich variiert die effektive Dosisrate der kosmischen Strahlung entsprechend der Modulation der kosmischen Strahlungsabgabe der Sonne. Im Durchschnitt trägt die kosmische Strahlung etwa 0.3 mSv zur effektiven Ganzkörperdosis der Hintergrundstrahlung bei.
Kosmogene Radionuklide
Kosmische Strahlung erzeugt kosmogene Radionuklide in der Atmosphäre. Die bekanntesten davon sind Tritium (3H), Beryllium-7 (7Be), Kohlenstoff-14 (14C) und Natrium-22 (22N / A). Sie werden durch kosmische Strahlung erzeugt, die mit atmosphärischen Gasen wechselwirkt. Kosmogene Radionuklide liefern etwa 0.01 mSv jährliche effektive Dosis. Das meiste davon stammt 14C.
Nuklearer Niederschlag
Von den 1940er bis in die 1960er Jahre fanden umfangreiche oberirdische Tests von Atomwaffen statt. Diese Tests erzeugten große Mengen radioaktiver Materialien und verteilten sie an die Umwelt auf der ganzen Welt Fallout. Obwohl ein Großteil dieser Trümmer inzwischen zu stabilen Isotopen zerfallen ist, werden kleine verbleibende Mengen noch viele Jahre lang eine Expositionsquelle darstellen. Darüber hinaus erweitern Nationen, die weiterhin gelegentlich Atomwaffen in der Atmosphäre testen, das weltweite Inventar.
Die hauptsächlichen Fallout-Beiträge zur effektiven Dosis sind derzeit Strontium-90 (90Sr) und Cäsium-137 (137Cs), die beide eine Halbwertszeit von etwa 30 Jahren haben. Die durchschnittliche jährliche effektive Dosis durch Fallout beträgt etwa 0.05 mSv.
Radioaktives Material im Körper
Die Ablagerung natürlich vorkommender Radionuklide im menschlichen Körper resultiert hauptsächlich aus der Inhalation und Aufnahme dieser Materialien in Luft, Nahrung und Wasser. Solche Nuklide umfassen Radioisotope von Pb, Po, Bi, Ra, K (Kalium), C, H, U und Th. Von diesen, 40K ist der größte Beitragszahler. Im Körper abgelagerte natürlich vorkommende Radionuklide tragen mit etwa 0.3 mSv zur jährlichen effektiven Dosis bei.
Maschinell erzeugte Strahlung
Die Verwendung von Röntgenstrahlen in der Heilkunst ist die größte Expositionsquelle gegenüber maschinell erzeugter Strahlung. Weltweit sind Millionen von medizinischen Röntgensystemen im Einsatz. Die durchschnittliche Exposition gegenüber diesen medizinischen Röntgensystemen hängt stark vom Zugang einer Bevölkerung zur Versorgung ab. In entwickelten Ländern liegt die durchschnittliche effektive Jahresdosis durch ärztlich verordnete Strahlung aus Röntgenstrahlen und radioaktivem Material für Diagnose und Therapie in der Größenordnung von 1 mSv.
Röntgenstrahlen sind ein Nebenprodukt der meisten Teilchenbeschleuniger der Hochenergiephysik, insbesondere derer, die Elektronen und Positronen beschleunigen. Geeignete Abschirm- und Sicherheitsvorkehrungen sowie die begrenzte Risikogruppe machen diese Strahlenexpositionsquelle jedoch weniger bedeutsam als die oben genannten Quellen.
Maschinell hergestellte Radionuklide
Teilchenbeschleuniger können durch Kernreaktionen eine Vielzahl von Radionukliden in unterschiedlichen Mengen erzeugen. Zu den beschleunigten Teilchen gehören Protonen, Deuteronen (2H-Kerne), Alphateilchen, geladene Mesonen, schwere Ionen und so weiter. Zielmaterialien können aus fast jedem Isotop bestehen.
Teilchenbeschleuniger sind praktisch die einzige Quelle für Positronen emittierende Radioisotope. (Kernreaktoren neigen dazu, neutronenreiche Radioisotope zu produzieren, die durch Negatronenemission zerfallen.) Sie werden auch zunehmend verwendet, um kurzlebige Isotope für medizinische Zwecke herzustellen, insbesondere für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET).
Technisch verbesserte Materialien und Konsumgüter
Röntgenstrahlen und radioaktive Stoffe treten bei einer Vielzahl moderner Operationen auf, gewollt und ungewollt. Tabelle 3 listet diese Strahlungsquellen auf.
Tabelle 3. Quellen und Schätzungen der damit verbundenen effektiven Dosen der Bevölkerung durch technologisch verbesserte Materialien und Verbraucherprodukte
Gruppe I – umfasst eine große Anzahl von Menschen und die individuelle effektive Dosis ist sehr hoch |
|
Tabakwaren |
Brennbare Brennstoffe |
Hauswasserversorgung |
Glas und Keramik |
Baustoffe |
Ophthalmisches Glas |
Bergbau- und landwirtschaftliche Produkte |
|
Gruppe II – betrifft viele Menschen, aber die wirksame Dosis ist relativ gering oder begrenzt |
|
Fernsehempfänger |
Materialien für den Straßen- und Straßenbau |
Radioluminöse Produkte |
Lufttransport radioaktiver Stoffe |
Flughafeninspektionssysteme |
Funkenstreckenstrahler und Elektronenröhren |
Gas- und Aerosol-(Rauch-)Detektoren |
Thorium-Produkte - Starter für Leuchtstofflampen |
Gruppe III - Betrifft relativ wenige Personen und die kollektive effektive Dosis ist gering |
|
Thoriumprodukte - Wolframschweißstäbe |
Quelle: NCRP 1987.
Grundlegende Konstruktionsmerkmale von Bestrahlungsanlagen
Gefährdungen im Umgang und Gebrauch von Strahlenquellen erfordern besondere Konstruktions- und Konstruktionsmerkmale, die für herkömmliche Labore oder Arbeitsbereiche nicht erforderlich sind. Diese speziellen Konstruktionsmerkmale sind so eingebaut, dass der Anlagenarbeiter nicht übermäßig behindert wird, während sichergestellt wird, dass er oder sie keinen übermäßigen externen oder internen Strahlungsgefahren ausgesetzt ist.
Der Zugang zu allen Bereichen, in denen eine Exposition gegenüber Strahlungsquellen oder radioaktiven Materialien auftreten könnte, muss nicht nur in Bezug auf die Mitarbeiter der Einrichtung, die solche Arbeitsbereiche betreten dürfen, kontrolliert werden, sondern auch in Bezug auf die Art der Kleidung oder Schutzausrüstung, die sie tragen sollten Verschleiß und die Vorsichtsmaßnahmen, die sie in kontrollierten Bereichen treffen sollten. Bei der Verwaltung solcher Kontrollmaßnahmen hilft es, Strahlungsarbeitsbereiche basierend auf dem Vorhandensein ionisierender Strahlung, dem Vorhandensein radioaktiver Kontamination oder beidem zu klassifizieren. Die Einführung solcher Arbeitsplatzeinteilungskonzepte in frühen Planungsphasen führt dazu, dass die Anlage alle notwendigen Merkmale aufweist, um den Umgang mit Strahlenquellen weniger gefährlich zu machen.
Einteilung der Arbeitsbereiche und Labortypen
Grundlage für die Einteilung des Arbeitsbereichs ist die Gruppierung von Radionukliden nach ihrer relativen Radiotoxizität pro Aktivitätseinheit. Gruppe I sollte als Radionuklide mit sehr hoher Toxizität, Gruppe II als Radionuklide mit mäßiger bis hoher Toxizität, Gruppe III als Radionuklide mit mäßiger Toxizität und Gruppe IV als Radionuklide mit geringer Toxizität klassifiziert werden. Tabelle 1 zeigt die Toxizitätsgruppeneinteilung vieler Radionuklide.
Tabelle 1. Radionuklide, klassifiziert nach relativer Radiotoxizität pro Aktivitätseinheit
Gruppe I: Sehr hohe Toxizität |
|||||||||
210Pb |
210Po |
223Ra |
226Ra |
228Ra |
227Ac |
227Th |
228Th |
230Th |
231Pa |
230U |
232U |
233U |
234U |
237Np |
238Pu |
239Pu |
240Pu |
241Pu |
242Pu |
241Am |
243Am |
242Cm |
243Cm |
244Cm |
245Cm |
246Cm |
249Cm |
250Cf |
252Cf |
Gruppe II: Hohe Toxizität |
|||||||||
22Na |
36Cl |
45Ca |
46Sc |
54Mn |
56Co |
60Co |
89Sr |
90Sr |
91Y |
95Zr |
106Ru |
110Agm |
115Cdm |
114Inm |
124Sb |
125Sb |
127Tem |
129Tem |
124I |
126I |
131I |
133I |
134Cs |
137Cs |
140Ba |
144Ce |
152Eu (13 J.) |
154Eu |
160Tb |
170Tm |
181Hf |
210Bi |
182Ta |
192Ir |
204Tl |
207Bi |
230Pa |
211At |
212Pb |
224Ra |
228Ac |
234Th |
236U |
249Bk |
|||||
Gruppe III: Mäßige Toxizität |
|||||||||
7Be |
14C |
18F |
24Na |
38Cl |
31Si |
32P |
35S |
41A |
42K |
43K |
47Sc |
48Sc |
48V |
51Cr |
52Mn |
56Mn |
52Fe |
55Fe |
59Fe |
57Co |
53Ni |
65Ni |
64Cu |
65Zn |
69Znm |
72Ga |
73As |
74As |
76As |
77As |
82Br |
85Krm |
87Kr |
86Rb |
85Sr |
91Sr |
90Y |
92Y |
93Y |
97Zr |
95Nb |
99Mo |
96Tc |
97Tcm |
97Tc |
99Tc |
97Ru |
103Ru |
105Ru |
105Rh |
109Pd |
105Ag |
111Ag |
109Cd |
115Cd |
115Inm |
113Sn |
125Sn |
122Sb |
125Tem |
129Te |
131Tem |
132Te |
130I |
132I |
134I |
135I |
135Xe |
131Cs |
136Cs |
140La |
141Ce |
143Ce |
142Pr |
143Pr |
147Nd |
149Nd |
147Pm |
149Pm |
151Sm |
152Eu (9.2 Std.) |
155Eu |
153Gd |
159Gd |
165Dy |
166Dy |
166Ho |
169Er |
171Er |
171Tm |
177Lu |
181W |
185W |
187W |
183Re |
186Re |
188Re |
185Os |
191Os |
193Os |
190Ir |
195Ir |
191Pt |
193Pt |
197Pt |
196Au |
198Au |
199Au |
197Hg |
197Hgm |
203Hg |
200Tl |
201Tl |
202Tl |
203Pb |
206Bi |
212Bi |
220Rn |
222Rn |
231Th |
233Pa |
239Np |
|||||||
Gruppe IV: Geringe Toxizität |
|||||||||
3H |
15O |
37A |
58Com |
59Ni |
69Zn |
71Ge |
85Kr |
85Srm |
87Rb |
91Ym |
93Zr |
97Nb |
96Tcm |
99Tcm |
103Rhm |
133Inm |
129I |
131Xem |
133Xe |
134Csm |
135Cs |
147Sm |
187Re |
191Osm |
193Ptm |
197Ptm |
natTh |
232Th |
235U |
238U |
natU |
(IAEA 1973)
Auf der Grundlage von Radiotoxizitätsüberlegungen, den Mengen oder Mengen radioaktiver Materialien, die im Arbeitsbereich gehandhabt werden, und der Art der beteiligten Vorgänge können drei große Arten von Laboratorien in Betracht gezogen werden.
Tabelle 2 beschreibt Laboratorien nach Typ und enthält Beispiele für jeden Typ. Tabelle 3 zeigt die Arten von Laboratorien zusammen mit der Klassifizierung der Arbeitsbereiche und der Zugangskontrolle (IAEA 1973).
Tabelle 2. Klassifizierung der Arbeitsbereiche
Typ |
Definition |
Zugriffskontrolle |
Typische Operationen |
1 |
Bereiche, in denen die von außen absorbierte Strahlungsdosis oder die radioaktive Kontamination hoch sein können |
Zugangskontrolle nur für Strahlenarbeiter, unter streng kontrollierten Arbeitsbedingungen und mit angemessener Schutzausrüstung |
Heiße Labore, stark kontaminierte Bereiche |
2 |
Bereiche, in denen externe Strahlungswerte vorhanden sein können und in denen die Möglichkeit einer Kontamination eine Betriebsanweisungen erforderlich macht |
Zugang beschränkt auf Strahlenarbeiter mit |
Leuchtfabriken und andere Äquivalente |
3 |
Bereiche, in denen der durchschnittliche externe Strahlungspegel weniger als 1 mGy·Woche beträgt-1 und in denen die Möglichkeit einer radioaktiven Kontamination besondere Betriebsanweisungen erfordert |
Zugang beschränkt auf Strahlenarbeiter, nein |
Arbeitsbereiche in unmittelbarer Nähe von |
4 |
Bereiche innerhalb einer Bestrahlungsanlage, in denen die externen Strahlungswerte weniger als 0.1 mGy•wk betragen-1 und wo |
Zugriff unkontrolliert |
Verwaltungs- und Wartebereiche für Patienten |
(ICRP 1977, IAEA 1973)
Tabelle 3. Klassifizierung von Laboratorien für den Umgang mit radioaktiven Stoffen
Gruppe von |
Art des Labors, das für die unten angegebene Tätigkeit erforderlich ist |
||
Typ 1 |
Typ 2 |
Typ 3 |
|
I |
<370 kBq |
70 kBq zu |
>37 MBq |
II |
< 37 MBq |
37 MBq zu |
>37 GBq |
III |
<37 GBq |
37 GBq zu |
>370 GBq |
IV |
<370 GBq |
370 GBq zu |
>37 TBq |
Betriebsfaktoren für den Laboreinsatz von radioaktivem Material |
Multiplikationsfaktoren für die Aktivitätsniveaus |
Einfache Aufbewahrung |
× 100 |
Einfache Nassoperationen (z. B. Herstellung von Aliquots der Stammlösung) |
× 10 |
Normale chemische Vorgänge (z. B. einfache chemische Vorbereitung und Analyse) |
× 1 |
Komplexe Nassoperationen (z. B. mehrere Operationen oder Operationen mit komplexen Glaswaren) |
× 0.1 |
Einfache Trockenoperationen (z. B. Handhabung von Pulvern flüchtiger radioaktiver Verbindungen) |
× 0.1 |
Trockener und staubiger Betrieb (z. B. Schleifen) |
× 0.01 |
(ICRP 1977, IAEA 1973)
Die Gefahren beim Umgang mit radioaktiven Stoffen hängen nicht nur vom Grad der Radiotoxizität oder chemischen Toxizität und der Aktivität der Radionuklide ab, sondern auch von der physikalischen und chemischen Form des radioaktiven Stoffes und von der Art und Komplexität der durchzuführenden Operation oder des durchzuführenden Verfahrens.
Standort einer Bestrahlungsanlage in einem Gebäude
Wenn eine Bestrahlungsanlage Teil eines großen Gebäudes ist, sollte bei der Entscheidung über den Standort einer solchen Anlage Folgendes beachtet werden:
Planung von Bestrahlungsanlagen
Wenn eine Abstufung der Aktivitätsniveaus vorgesehen ist, sollte das Labor so gelegen sein, dass der Zugang zu Bereichen mit hoher Strahlung oder radioaktiver Kontamination schrittweise erfolgt; Das heißt, man betritt zuerst einen Bereich ohne Strahlung, dann einen Bereich mit geringer Aktivität, dann einen Bereich mit mittlerer Aktivität und so weiter.
Durch den Einsatz von Hauben oder Gloveboxen für den Umgang mit unverschlossenen Quellen radioaktiven Materials kann die Notwendigkeit einer aufwändigen Lüftungsregelung in kleinen Laboratorien vermieden werden. Das Belüftungssystem sollte jedoch so ausgelegt sein, dass es einen Luftstrom in einer solchen Richtung zulässt, dass jegliches radioaktive Material, das in die Luft gelangt, vom Strahlenarbeiter wegströmt. Der Luftstrom sollte immer von einem nicht kontaminierten Bereich zu einem kontaminierten oder potenziell kontaminierten Bereich erfolgen.
Für den Umgang mit offenen Quellen geringer bis mittlerer Radioaktivität muss die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit durch die Öffnung in der Haube etwa 0.5 ms betragen-1. Bei stark radiotoxischer oder hochgradiger Radioaktivität sollte die Luftgeschwindigkeit durch die Öffnung auf durchschnittlich 0.6 to angehoben werden
1.0 ms-1. Zu hohe Luftgeschwindigkeiten können jedoch radioaktive Stoffe aus offenen Behältern herausziehen und den gesamten Haubenbereich kontaminieren.
Die Platzierung der Haube im Labor ist im Hinblick auf Querzüge wichtig. Im Allgemeinen sollte eine Abzugshaube weit entfernt von Türen angebracht werden, wo Zu- oder Zusatzluft eintreten muss. Ventilatoren mit zwei Geschwindigkeiten ermöglichen den Betrieb mit einer höheren Luftgeschwindigkeit, während die Haube in Gebrauch ist, und einer niedrigeren Geschwindigkeit, wenn sie geschlossen ist.
Das Ziel eines jeden Lüftungssystems sollte sein:
Bei der Konstruktion von Bestrahlungsanlagen können hohe Anforderungen an die Abschirmung durch bestimmte einfache Maßnahmen minimiert werden. Beispielsweise kann ein Labyrinth für Strahlentherapie, Beschleuniger, Neutronengeneratoren oder Panorama-Strahlungsquellen die Notwendigkeit einer schweren, mit Blei ausgekleideten Tür reduzieren. Eine Verjüngung der primären Schutzbarriere in Bereichen, die nicht direkt im Nutzstrahl liegen, oder eine teilweise oder vollständige unterirdische Anordnung der Anlage kann den Umfang der erforderlichen Abschirmung erheblich reduzieren.
Auf die richtige Positionierung von Sichtfenstern, Erdkabeln und Ablenkblechen des Lüftungssystems muss sorgfältig geachtet werden. Das Sichtfenster soll nur Streustrahlung abfangen. Noch besser ist ein Closed-Circuit-Fernsehen, das auch die Effizienz verbessern kann.
Oberflächenveredelungen innerhalb eines Arbeitsbereichs
Alle rauen Oberflächen wie Putz, Beton, Holz usw. sollten mit einem geeigneten Material dauerhaft versiegelt werden. Die Materialauswahl sollte unter folgenden Gesichtspunkten erfolgen:
Herkömmliche Farben, Firnisse und Lacke werden zum Abdecken von Verschleißflächen nicht empfohlen. Die Anwendung eines Oberflächenmaterials, das leicht entfernt werden kann, kann hilfreich sein, wenn eine Kontamination auftritt und eine Dekontamination erforderlich ist. Das Entfernen solcher Materialien kann jedoch manchmal schwierig und unsauber sein.
Wassersystem
Waschbecken, Waschbecken und Bodenabläufe sollten ordnungsgemäß gekennzeichnet sein. Waschbecken, in denen kontaminierte Hände gewaschen werden können, sollten knie- oder fußbetätigte Wasserhähne haben. Es kann wirtschaftlich sein, den Wartungsaufwand zu reduzieren, indem Rohrleitungen verwendet werden, die bei Bedarf leicht dekontaminiert oder ersetzt werden können. In einigen Fällen kann es ratsam sein, unterirdische Sammel- oder Lagertanks zu installieren, um die Entsorgung flüssiger radioaktiver Materialien zu kontrollieren.
Strahlenschutzdesign
Die Abschirmung ist wichtig, um die Strahlenbelastung von Anlagenarbeitern und Mitgliedern der allgemeinen Öffentlichkeit zu reduzieren. Die Anforderungen an die Abschirmung hängen von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Zeit, in der Strahlenarbeiter oder Mitglieder der Öffentlichkeit den Strahlungsquellen ausgesetzt sind, sowie der Art und Energie der Strahlungsquellen und Strahlungsfelder.
Bei der Gestaltung von Strahlungsabschirmungen sollte das Abschirmmaterial möglichst in der Nähe der Strahlungsquelle platziert werden. Für jede betroffene Strahlungsart müssen separate Abschirmungsüberlegungen angestellt werden.
Das Abschirmungsdesign kann eine komplexe Aufgabe sein. Beispielsweise würde die Verwendung von Computern zur Modellierung der Abschirmung von Beschleunigern, Reaktoren und anderen hochwirksamen Strahlungsquellen den Rahmen dieses Artikels sprengen. Für komplexe Schirmungskonstruktionen sollten immer qualifizierte Fachleute hinzugezogen werden.
Abschirmung von Gammaquellen
Die Dämpfung von Gammastrahlung unterscheidet sich qualitativ von der von Alpha- oder Betastrahlung. Beide Arten von Strahlung haben eine bestimmte Reichweite in Materie und werden vollständig absorbiert. Gammastrahlung hingegen kann durch immer dickere Absorber in ihrer Intensität reduziert, aber nicht vollständig absorbiert werden. Wenn die Abschwächung monoenergetischer Gammastrahlen unter Bedingungen guter Geometrie gemessen wird (d. h. die Strahlung ist in einem schmalen Strahl gut kollimiert), liegen die Intensitätsdaten, wenn sie in einem halblogarithmischen Diagramm gegen die Absorberdicke aufgetragen werden, auf einer geraden Linie wobei die Steigung gleich der Dämpfung ist
Koeffizient, μ.
Die durch einen Absorber übertragene Intensitäts- oder Energiedosisleistung kann wie folgt berechnet werden:
I(T) = Ich(0)e- μ t
woher I(t) ist die Gammastrahlenintensität oder absorbierte Dosisleistung, die durch einen dicken Absorber übertragen wird t.
Die Einheiten von μ und t sind die Kehrwerte zueinander. Wenn die Absorberdicke t wird in cm gemessen, dann ist μ der lineare Dämpfungskoeffizient und hat Einheiten von cm-1. Wenn t hat Einheiten der Flächendichte (g/cm2), dann ist μ der Massenschwächungskoeffizient μm und hat Einheiten von cm2/G.
Als Annäherung erster Ordnung unter Verwendung der Flächendichte haben alle Materialien etwa die gleichen Photonendämpfungseigenschaften für Photonen mit Energien zwischen etwa 0.75 und 5.0 MeV (Megaelektronenvolt). Innerhalb dieses Energiebereichs sind die Gamma-Abschirmeigenschaften ungefähr proportional zur Dichte des Abschirmmaterials. Für niedrigere oder höhere Photonenenergien liefern Absorber mit höherer Ordnungszahl bei einer gegebenen Flächendichte eine wirksamere Abschirmung als solche mit niedrigerer Ordnungszahl.
Unter Bedingungen schlechter Geometrie (z. B. für einen breiten Strahl oder für eine dicke Abschirmung) wird die obige Gleichung die erforderliche Abschirmungsdicke erheblich unterschätzen, da sie davon ausgeht, dass jedes Photon, das mit der Abschirmung wechselwirkt, aus dem Strahl entfernt wird und nicht erkannt. Eine beträchtliche Anzahl von Photonen kann durch die Abschirmung in den Detektor gestreut werden, oder Photonen, die aus dem Strahl gestreut wurden, können nach einer zweiten Wechselwirkung in ihn zurückgestreut werden.
Eine Schilddicke für Bedingungen mit schlechter Geometrie kann durch die Verwendung des Aufbaufaktors abgeschätzt werden B das lässt sich wie folgt abschätzen:
I(T) = Ich(0)Be- μ t
Der Aufbaufaktor ist immer größer als eins und kann als das Verhältnis der Intensität der Photonenstrahlung, einschließlich sowohl der Primär- als auch der Streustrahlung, an jedem Punkt des Strahls zur Intensität des Primärstrahls nur an definiert werden dieser Punkt. Der Aufbaufaktor kann sich entweder auf den Strahlungsfluss oder auf die absorbierte Dosisleistung beziehen.
Aufbaufaktoren wurden für verschiedene Photonenenergien und verschiedene Absorber berechnet. Viele der Graphen oder Tabellen geben die Schilddicke in Form von Relaxationslängen an. Eine Relaxationslänge ist die Dicke einer Abschirmung, die einen schmalen Strahl auf 1/e (etwa 37 %) seiner ursprünglichen Intensität dämpft. Eine Relaxationslänge ist daher numerisch gleich dem Kehrwert des linearen Dämpfungskoeffizienten (d. h. 1/μ).
Die Dicke eines Absorbers, der, wenn er in den primären Photonenstrahl eingebracht wird, die absorbierte Dosisleistung um die Hälfte reduziert, wird als Halbwertsschicht (HVL) oder Halbwertsdicke (HVT) bezeichnet. Der HVL kann wie folgt berechnet werden:
HVL = ln2 / μ
Die erforderliche Photonenschilddicke kann abgeschätzt werden, indem bei der Berechnung der erforderlichen Abschirmung ein schmaler Strahl oder eine gute Geometrie angenommen wird und dann der so gefundene Wert um eine HVL erhöht wird, um den Aufbau zu berücksichtigen.
Die Dicke eines Absorbers, der, wenn er in den primären Photonenstrahl eingebracht wird, die absorbierte Dosisleistung um ein Zehntel verringert, ist die Zehntelschicht (TVL). Ein TVL entspricht etwa 3.32 HVLs, da:
ln10 / ln2 ≈ 3.32
Werte sowohl für TVLs als auch für HVLs wurden für verschiedene Photonenenergien und mehrere übliche Abschirmmaterialien (z. B. Blei, Stahl und Beton) tabelliert (Schaeffer 1973).
Die Intensität oder Energiedosisleistung für eine Punktquelle gehorcht dem Abstandsgesetz und kann wie folgt berechnet werden:
woher Ii ist die Photonenintensität oder Energiedosisleistung in der Entfernung di von der Quelle.
Abschirmung von medizinischen und nicht-medizinischen Röntgengeräten
Die Abschirmung von Röntgengeräten wird in zwei Kategorien eingeteilt, Quellenabschirmung und strukturelle Abschirmung. Die Quellenabschirmung wird normalerweise vom Hersteller des Röntgenröhrengehäuses bereitgestellt.
Sicherheitsvorschriften schreiben einen Typ von Schutzrohrgehäusen für medizinisch-diagnostische Röntgeneinrichtungen und einen anderen Typ für medizinisch-therapeutische Röntgeneinrichtungen vor. Bei nicht-medizinischen Röntgengeräten sind das Röhrengehäuse und andere Teile des Röntgengeräts, wie z. B. der Transformator, abgeschirmt, um die Leckage der Röntgenstrahlung auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.
Alle Röntgengeräte, sowohl medizinische als auch nicht medizinische, haben Schutzrohrgehäuse, die so ausgelegt sind, dass sie die Menge an Leckstrahlung begrenzen. Streustrahlung, wie sie in diesen Spezifikationen für Röhrengehäuse verwendet wird, bedeutet alle Strahlung, die aus dem Röhrengehäuse kommt, mit Ausnahme des Nutzstrahls.
Eine bauliche Abschirmung für eine Röntgeneinrichtung bietet Schutz vor dem Nutz- oder Primärröntgenstrahl, vor Leckstrahlung und vor Streustrahlung. Sie umschließt sowohl das Röntgengerät als auch das zu bestrahlende Objekt.
Die Streustrahlungsmenge hängt von der Röntgenfeldgröße, der Energie des Nutzstrahls, der effektiven Ordnungszahl der streuenden Medien und dem Winkel zwischen einfallendem Nutzstrahl und Streurichtung ab.
Ein wichtiger Designparameter ist die Arbeitsbelastung der Einrichtung (W):
woher W ist die wöchentliche Arbeitsbelastung, normalerweise angegeben in mA-min pro Woche; E ist der Röhrenstrom multipliziert mit der Belichtungszeit pro Aufnahme, üblicherweise angegeben in mA s; Nv ist die Anzahl der Ansichten pro Patient oder bestrahltem Objekt; Np ist die Anzahl der Patienten oder Objekte pro Woche und k ist ein Umrechnungsfaktor (1 min dividiert durch 60 s).
Ein weiterer wichtiger Designparameter ist der Nutzungsfaktor Un für eine Wand (oder Boden oder Decke) n. Die Wand kann jeden besetzten Bereich wie einen Kontrollraum, ein Büro oder einen Warteraum schützen. Der Nutzungsfaktor ergibt sich aus:
woher, Nv,n ist die Anzahl der Ansichten, für die der primäre Röntgenstrahl auf die Wand gerichtet ist n.
Die strukturellen Abschirmungsanforderungen für eine bestimmte Röntgeneinrichtung werden durch Folgendes bestimmt:
Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen der Wert des Primärstrahlverhältnisses oder des Transmissionsfaktors K in mGy pro mA-min bei einem Meter ist gegeben durch:
Die Abschirmung der Röntgeneinrichtung muss so ausgeführt sein, dass der Schutz nicht durch Fugen beeinträchtigt wird; durch Öffnungen für Kanäle, Rohre usw., die durch die Barrieren führen; oder durch Leitungen, Installationskästen usw., die in die Barrieren eingebettet sind. Die Abschirmung sollte nicht nur die Rückseite der Installationsboxen, sondern auch die Seiten bedecken oder ausreichend ausgedehnt sein, um einen gleichwertigen Schutz zu bieten. Leitungen, die durch Barrieren führen, sollten genügend Krümmungen aufweisen, um die Strahlung auf das erforderliche Niveau zu reduzieren. Beobachtungsfenster müssen eine Abschirmung haben, die derjenigen entspricht, die für die Trennwand (Barriere) oder Tür, in der sie sich befinden, erforderlich ist.
Strahlentherapieeinrichtungen können Türverriegelungen, Warnleuchten, Videoüberwachung oder Mittel zur akustischen (z. B. Stimme oder Summer) und visuellen Kommunikation zwischen allen Personen, die sich möglicherweise in der Einrichtung aufhalten, und dem Bediener erfordern.
Es gibt zwei Arten von Schutzbarrieren:
Um die sekundäre Schutzbarriere zu entwerfen, berechnen Sie separat die erforderliche Dicke zum Schutz gegen jede Komponente. Wenn die erforderlichen Dicken ungefähr gleich sind, addieren Sie eine zusätzliche HVL zur größten berechneten Dicke. Wenn die größte Differenz zwischen den berechneten Dicken ein TVL oder mehr beträgt, ist der dickste der berechneten Werte ausreichend.
Die Streustrahlungsintensität hängt vom Streuwinkel, der Energie des Nutzstrahls, der Feldgröße oder Streufläche und der Objektzusammensetzung ab.
Beim Entwurf sekundärer Schutzbarrieren werden die folgenden vereinfachenden konservativen Annahmen getroffen:
Das Transmissionsverhältnis für Streustrahlung wird mit dem Streutransmissionsfaktor (Kμx) mit Einheiten von mGy•m2 (mA-min)-1:
woher P ist die maximale wöchentliche Energiedosisleistung (in mGy), dscat ist der Abstand vom Ziel der Röntgenröhre und dem Objekt (Patient), dSek. ist die Entfernung vom Streuer (Objekt) zum interessierenden Punkt, den die sekundären Barrieren abschirmen sollen, a ist das Verhältnis von gestreuter Strahlung zu einfallender Strahlung, f ist die tatsächliche Streufeldgröße (in cm2), Und F ist ein Faktor, der der Tatsache Rechnung trägt, dass die Röntgenstrahlleistung mit der Spannung zunimmt. Kleinere Werte von Kμx erfordern dickere Schilde.
Der Leckdämpfungsfaktor BLX für diagnostische Röntgensysteme wird wie folgt berechnet:
woher d ist die Entfernung vom Rohrziel zum interessanten Punkt und I ist der Röhrenstrom in mA.
Die Barrierendämpfungsbeziehung für therapeutische Röntgensysteme, die bei 500 kV oder weniger betrieben werden, ist gegeben durch:
Bei therapeutischen Röntgenröhren, die bei Spannungen über 500 kV betrieben werden, ist die Streuung normalerweise auf 0.1 % der Intensität des nutzbaren Strahls bei 1 m begrenzt. Der Dämpfungsfaktor beträgt in diesem Fall:
woher Xn ist die Energiedosisleistung (in mGy/h) in 1 m Entfernung von einer therapeutischen Röntgenröhre, die mit einem Röhrenstrom von 1 mA betrieben wird.
Die Anzahl n von HVLs erforderlich, um die gewünschte Dämpfung zu erhalten BLX ergibt sich aus der Beziehung:
or
Beta-Partikel-Abschirmung
Beim Entwerfen einer Abschirmung für einen hochenergetischen Betastrahler müssen zwei Faktoren berücksichtigt werden. Sie sind die Beta-Teilchen selbst und die Bremsstrahlung erzeugt durch Betateilchen, die in der Quelle und im Schild absorbiert werden. Bremsstrahlung besteht aus Röntgenphotonen, die entstehen, wenn geladene Teilchen mit hoher Geschwindigkeit schnell abgebremst werden.
Daher besteht ein Beta-Schild oft aus einer Substanz mit niedriger Ordnungszahl (um zu minimieren Bremsstrahlung Produktion), die dick genug ist, um alle Beta-Partikel zu stoppen. Darauf folgt ein Material mit hoher Ordnungszahl, das dick genug ist, um zu dämpfen Bremsstrahlung auf ein akzeptables Niveau. (Das Umkehren der Reihenfolge der Schilde erhöht sich Bremsstrahlung Produktion im ersten Schild auf ein Niveau, das so hoch ist, dass der zweite Schild möglicherweise unzureichenden Schutz bietet.)
Zwecks Schätzung Bremsstrahlung Gefahr, kann die folgende Beziehung verwendet werden:
woher f ist der Anteil der einfallenden Beta-Energie, der in Photonen umgewandelt wird, Z die Ordnungszahl des Absorbers ist, und Eβ ist die maximale Energie des Betateilchenspektrums in MeV. Um einen angemessenen Schutz zu gewährleisten, wird normalerweise davon ausgegangen, dass alle Bremsstrahlung Photonen haben die maximale Energie.
Das Bremsstrahlung Fluss F in der Ferne d aus der Beta-Quelle kann wie folgt geschätzt werden:
`Eβ ist die durchschnittliche Beta-Teilchenenergie und kann geschätzt werden durch:
Der Bereich Rβ von Beta-Partikeln in Einheiten der Flächendichte (mg/cm2) kann für Betateilchen mit Energien zwischen 0.01 und 2.5 MeV wie folgt abgeschätzt werden:
woher Rβ ist in mg/cm2 und Eβ ist in MeV.
Aussichten für Eβ>2.5 MeV, der Beta-Teilchenbereich Rβ kann wie folgt geschätzt werden:
woher Rβ ist in mg/cm2 und Eβ ist in MeV.
Alpha-Partikel-Abschirmung
Alphateilchen sind die am wenigsten durchdringende Art ionisierender Strahlung. Aufgrund der zufälligen Natur seiner Wechselwirkungen variiert die Reichweite eines einzelnen Alpha-Teilchens zwischen Nennwerten, wie in Abbildung 1 angegeben. Die Reichweite im Fall von Alpha-Teilchen kann auf unterschiedliche Weise ausgedrückt werden: durch minimale, mittlere, extrapolierte oder maximale Reichweite . Die mittlere Reichweite ist am genauesten bestimmbar, entspricht der Reichweite des „durchschnittlichen“ Alpha-Teilchens und wird am häufigsten verwendet.
Abbildung 1. Typische Reichweitenverteilung von Alpha-Partikeln
Luft ist das am häufigsten verwendete Absorptionsmedium zum Spezifizieren der Reichweite-Energie-Beziehung von Alpha-Partikeln. Für Alpha-Energie Eα weniger als etwa 4 MeV, Rα in Luft ist ungefähr gegeben durch:
woher Rα ist in cm, Eα in MeV.
Aussichten für Eα zwischen 4 und 8 MeV, Rα in Luft ist ungefähr gegeben durch:
woher Rα ist in cm, Eα in MeV.
Die Reichweite von Alphateilchen in jedem anderen Medium kann aus der folgenden Beziehung geschätzt werden:
Rα (in anderem Medium; mg/cm2) » 0.56 A1/3 Rα (in Luft; cm) wo A ist die Ordnungszahl des Mediums.
Neutronenabschirmung
Als allgemeine Faustregel für die Neutronenabschirmung wird das Neutronenenergiegleichgewicht erreicht und bleibt dann nach einer oder zwei Relaxationslängen des Abschirmmaterials konstant. Daher wird bei Abschirmungen, die dicker als einige Relaxationslängen sind, die Äquivalentdosis außerhalb von Beton- oder Eisenabschirmungen mit Relaxationslängen von 120 g/cm gedämpft2 oder 145 g/cm²2, Bzw.
Der Energieverlust von Neutronen durch elastische Streuung erfordert eine wasserstoffhaltige Abschirmung, um die Energieübertragung zu maximieren, wenn die Neutronen moderiert oder verlangsamt werden. Für Neutronenenergien über 10 MeV sind inelastische Prozesse beim Abschwächen von Neutronen wirksam.
Wie Kernreaktoren erfordern Hochenergiebeschleuniger eine starke Abschirmung zum Schutz der Arbeiter. Die meisten Dosisäquivalente für Arbeiter stammen aus der Exposition gegenüber aktiviertem radioaktivem Material während Wartungsarbeiten. Aktivierungsprodukte werden in den Komponenten und Unterstützungssystemen des Beschleunigers produziert.
Überwachung der Arbeitsplatzumgebung
Auf die Gestaltung routinemäßiger und betrieblicher Überwachungsprogramme für das Arbeitsumfeld ist gesondert einzugehen. Spezielle Überwachungsprogramme werden entwickelt, um bestimmte Ziele zu erreichen. Es ist nicht wünschenswert, Programme allgemein zu entwerfen.
Routineüberwachung auf externe Strahlung
Ein wichtiger Bestandteil bei der Vorbereitung eines Programms zur routinemäßigen Überwachung der externen Strahlung am Arbeitsplatz ist die Durchführung einer umfassenden Untersuchung, wenn eine neue Strahlungsquelle oder eine neue Einrichtung in Betrieb genommen wird oder wenn wesentliche Änderungen vorgenommen wurden oder vorgenommen wurden in einer bestehenden Installation vorgenommen.
Die Häufigkeit der routinemäßigen Überwachung wird unter Berücksichtigung der erwarteten Änderungen in der Strahlungsumgebung bestimmt. Bei geringfügigen oder unwesentlichen Änderungen der Schutzausrüstung oder Änderungen der am Arbeitsplatz durchgeführten Prozesse ist eine routinemäßige Strahlenüberwachung des Arbeitsplatzes zu Überprüfungszwecken selten erforderlich. Wenn die Strahlungsfelder schnell und unvorhersehbar auf potenziell gefährliche Werte ansteigen, ist ein Strahlungsüberwachungs- und -warnsystem für den Bereich erforderlich.
Betriebsüberwachung auf externe Strahlung
Die Gestaltung eines Betriebsüberwachungsprogramms hängt stark davon ab, ob die durchzuführenden Operationen die Strahlungsfelder beeinflussen oder ob die Strahlungsfelder während des normalen Betriebs im Wesentlichen konstant bleiben. Die detaillierte Ausgestaltung einer solchen Erhebung hängt entscheidend von der Form der Operation und den Bedingungen ab, unter denen sie stattfindet.
Routineüberwachung auf Oberflächenkontamination
Das herkömmliche Verfahren zur routinemäßigen Überwachung auf Oberflächenkontamination besteht darin, einen repräsentativen Bruchteil der Oberflächen in einem Bereich mit einer erfahrungsbedingten Häufigkeit zu überwachen. Wenn der Betrieb so ist, dass eine beträchtliche Oberflächenkontamination wahrscheinlich ist und die Arbeiter bei einem einzigen Ereignis erhebliche Mengen radioaktiven Materials aus dem Arbeitsbereich tragen könnten, sollte die routinemäßige Überwachung durch den Einsatz von Portal-Kontaminationsmonitoren ergänzt werden.
Operative Überwachung auf Oberflächenkontamination
Eine Form der Betriebsüberwachung ist die Untersuchung von Gegenständen auf Kontamination, wenn sie einen radiologisch kontrollierten Bereich verlassen. Diese Überwachung muss die Hände und Füße der Arbeitnehmer umfassen.
Die Hauptziele eines Überwachungsprogramms für Oberflächenkontamination sind:
Überwachung auf luftgetragene Kontamination
Die Überwachung von radioaktiven Stoffen in der Luft ist wichtig, da die Inhalation normalerweise der wichtigste Aufnahmeweg für solche Stoffe durch Strahlenarbeiter ist.
Die Überwachung des Arbeitsplatzes auf Kontamination durch die Luft ist unter folgenden Umständen routinemäßig erforderlich:
Wenn ein Luftüberwachungsprogramm erforderlich ist, muss es:
Die gebräuchlichste Form der Überwachung auf Kontamination in der Luft ist die Verwendung von Luftprobennehmern an einer Reihe ausgewählter Orte, die so ausgewählt wurden, dass sie für die Atemzonen von Strahlenarbeitern angemessen repräsentativ sind. Es kann erforderlich sein, die Atemzonen durch die Verwendung von persönlichen Luft- oder Reversprobennehmern genauer darzustellen.
Nachweis und Messung von Strahlung und radioaktiver Kontamination
Die Überwachung oder Untersuchung durch Wisch- und Instrumentenuntersuchungen von Tischplatten, Fußböden, Kleidung, Haut und anderen Oberflächen sind bestenfalls qualitative Verfahren. Es ist schwierig, sie hochgradig quantitativ zu machen. Die verwendeten Instrumente sind in der Regel Erkennungstypen und keine Messgeräte. Da die beteiligte Menge an Radioaktivität oft gering ist, sollte die Empfindlichkeit der Instrumente hoch sein.
Die Anforderungen an die Tragbarkeit von Kontaminationsdetektoren hängen von deren Verwendungszweck ab. Wenn das Instrument zur allgemeinen Überwachung von Laboroberflächen dient, ist ein tragbarer Instrumententyp wünschenswert. Wenn das Instrument für eine bestimmte Verwendung bestimmt ist, bei der das zu überwachende Objekt zum Instrument gebracht werden kann, ist eine Tragbarkeit nicht erforderlich. Kleidungsmonitore und Hand- und Schuhmonitore sind im Allgemeinen nicht tragbar.
Zählraten-Instrumente und -Monitore enthalten normalerweise Zähleranzeigen und akustische Ausgänge oder Kopfhörerbuchsen. Tabelle 4 identifiziert Instrumente, die für den Nachweis radioaktiver Kontamination verwendet werden könnenIon.+
Tabelle 4. Kontaminationserkennungsinstrumente
Instrument |
Zählratenbereich und andere Eigenschaften1 |
Typische Anwendungen |
Bemerkungen |
bg Oberflächenmonitore2 |
|||
Allgemeines |
|||
Tragbares Zählratenmessgerät (dünnwandig oder dünnes Fenster GM3 Schalter) |
0-1,000 cpm |
Oberflächen, Hände, Kleidung |
Einfach, zuverlässig, batteriebetrieben |
Dünnes Endfenster |
0-1,000 cpm |
Oberflächen, Hände, Kleidung |
Netzbetrieben |
Personal |
|||
Hand- und Schuhmonitor, GM bzw |
Zwischen 1½ und 2 mal natürlich |
Schnelle Überwachung auf Kontamination |
Automatischer Betrieb |
Spezial |
|||
Wäschemonitor, Bodenmonitor, |
Zwischen 1½ und 2 mal natürlich |
Überwachung auf Kontamination |
Bequem und schnell |
Alpha-Oberflächenmonitore |
|||
Allgemeines |
|||
Tragbarer Luftproportionalzähler mit Sonde |
0-100,000 cpm über 100 cm2 |
Oberflächen, Hände, Kleidung |
Nicht für den Einsatz bei hoher Luftfeuchtigkeit, Batterie- |
Tragbarer Gaszähler mit Sonde |
0-100,000 cpm über 100 cm2 |
Oberflächen, Hände, Kleidung |
Batteriebetriebenes, zerbrechliches Fenster |
Tragbarer Szintillationszähler mit Sonde |
0-100,000 cpm über 100 cm2 |
Oberflächen, Hände, Kleidung |
Batteriebetriebenes, zerbrechliches Fenster |
Unsere |
|||
Proportionaler Hand-Schuh-Zähler, Monitor |
0–2,000 cpm über etwa 300 cm2 |
Schnelle Überwachung von Händen und Schuhen auf Kontamination |
Automatischer Betrieb |
Hand-und-Schuh-Szintillationszählertyp, Monitor |
0–4,000 cpm über etwa 300 cm2 |
Schnelle Überwachung von Händen und Schuhen auf Kontamination |
Rau |
Wundmonitore |
Detektion niederenergetischer Photonen |
Plutonium-Überwachung |
Spezielle Design |
Luftmonitore |
|||
Partikelsammler |
|||
Filterpapier, großvolumig |
1.1 m3/ Min |
Schnelle Schnappproben |
Zeitweiliger Gebrauch, separates Gerät erforderlich |
Filterpapier, geringes Volumen |
0.2 20-m3/h |
Kontinuierliche Raumluftüberwachung |
Kontinuierlicher Gebrauch, separat erforderlich |
Revers |
0.03 m3/ Min |
Kontinuierliche Überwachung der Luft im Atembereich |
Kontinuierlicher Gebrauch, separat erforderlich |
Elektrostatischer Filter |
0.09 m3/ Min |
Kontinuierliche Überwachung |
Probe auf zylindrische Schale aufgebracht, |
Impinger |
0.6 1.1-m3/ Min |
Alpha-Kontamination |
Sonderanwendungen, erfordert separaten Zähler |
Tritium-Luftmonitore |
|||
Strömungsionisationskammern |
0-370 kBq/m3 Min. |
Kontinuierliche Überwachung |
Kann empfindlich gegenüber anderer Ionisierung sein |
Komplette Luftüberwachungssysteme |
Minimale nachweisbare Aktivität |
|
|
Festes Filterpapier |
α » 0.04 Bq/m3; βγ » 0.04 Bq/m3 |
Der Aufbau im Hintergrund kann Aktivitäten auf niedriger Ebene maskieren, einschließlich Zähler |
|
Bewegliches Filterpapier |
α » 0.04 Bq/m3; βγ » 0.04 Bq/m3 |
Kontinuierliche Aufzeichnung der Luftaktivität, Messzeitpunkt einstellbar von |
1 cpm = Zählungen pro Minute.
2 Nur wenige Oberflächenmonitore eignen sich zum Nachweis von Tritium (3H). Wischtests, die von Flüssigkeitsszintillationsgeräten gezählt werden, sind zum Nachweis einer Tritiumkontamination geeignet.
3 GM = Geiger-Müller-Zählerzähler.
Alpha-Kontaminationsdetektoren
Die Empfindlichkeit eines Alpha-Detektors wird durch seine Fensterfläche und Fensterdicke bestimmt. Die Fensterfläche beträgt in der Regel 50 cm2 oder größer mit einer Fensterflächendichte von 1 mg/cm2 oder weniger. Alpha-Kontaminationsmonitore sollten gegenüber Beta- und Gammastrahlung unempfindlich sein, um Hintergrundstörungen zu minimieren. Dies wird im Allgemeinen durch eine Impulshöhendiskriminierung in der Zählschaltung erreicht.
Tragbare Alpha-Monitore können entweder Gas-Proportionalzähler oder Zinksulfid-Szintillationszähler sein.
Beta-Kontaminationsdetektoren
Tragbare Beta-Monitore verschiedener Typen können zum Nachweis einer Beta-Partikel-Kontamination verwendet werden. Geiger-Müller (GM)-Zählratenmessgeräte benötigen im Allgemeinen ein dünnes Fenster (Flächendichte zwischen 1 und 40 mg/cm2). Szintillationszähler (Anthracen oder Kunststoff) sind sehr empfindlich gegenüber Betateilchen und relativ unempfindlich gegenüber Photonen. Tragbare Betazähler können im Allgemeinen nicht zur Überwachung auf Tritium verwendet werden (3H) Kontamination, weil die Energie der Tritium-Beta-Teilchen sehr niedrig ist.
Alle Instrumente, die zur Überwachung der Betakontamination eingesetzt werden, reagieren auch auf Hintergrundstrahlung. Dies muss bei der Interpretation der Instrumentenablesungen berücksichtigt werden.
Wenn hohe Hintergrundstrahlungswerte vorhanden sind, sind tragbare Zähler zur Kontaminationsüberwachung von begrenztem Wert, da sie keine kleinen Anstiege bei anfänglich hohen Zählraten anzeigen. Unter diesen Bedingungen werden Abstrich- oder Wischtests empfohlen.
Gamma-Kontaminationsdetektoren
Da die meisten Gammastrahler auch Beta-Partikel emittieren, erkennen die meisten Kontaminationsmonitore sowohl Beta- als auch Gammastrahlung. Die übliche Praxis besteht darin, einen Detektor zu verwenden, der für beide Strahlungsarten empfindlich ist, um eine erhöhte Empfindlichkeit zu haben, da die Detektionseffizienz für Betateilchen normalerweise größer ist als für Gammastrahlen. Plastikszintillatoren oder Natriumiodid (NaI)-Kristalle sind empfindlicher gegenüber Photonen als GM-Zähler und werden daher zum Nachweis von Gammastrahlen empfohlen.
Luftkeimsammler und Monitore
Partikel können mit den folgenden Methoden beprobt werden: Sedimentation, Filtration, Impaktion und elektrostatische oder thermische Ausfällung. Die Partikelkontamination in der Luft wird jedoch im Allgemeinen durch Filtration überwacht (Pumpen von Luft durch Filtermedien und Messen der Radioaktivität auf dem Filter). Die Probenahmedurchflussraten sind im Allgemeinen größer als 0.03 m3/Mindest. Die Probendurchflussraten der meisten Labore betragen jedoch nicht mehr als 0.3 m3/Mindest. Zu den speziellen Arten von Luftkeimsammlern gehören „Grab“-Probenehmer und Continuous Air Monitors (CAM). Die CAMs sind entweder mit festem oder beweglichem Filterpapier erhältlich. Ein CAM sollte einen Alarm enthalten, da seine Hauptfunktion darin besteht, vor Änderungen der luftgetragenen Kontamination zu warnen.
Da Alpha-Partikel eine sehr kurze Reichweite haben, müssen Oberflächenfilter (z. B. Membranfilter) für die Messung der Alpha-Partikel-Kontamination verwendet werden. Die entnommene Probe muss dünn sein. Die Zeit zwischen Sammlung und Messung muss berücksichtigt werden, um den Zerfall der Radon (Rn)-Folgeprodukte zu berücksichtigen.
Radiojod wie z 123I, 125I und 131I kann mit Filterpapier nachgewiesen werden (insbesondere wenn das Papier mit Holzkohle oder Silbernitrat gefüllt ist), da sich ein Teil des Jods auf dem Filterpapier ablagert. Quantitative Messungen erfordern jedoch Aktivkohle- oder Silberzeolith-Fallen oder -Kanister, um eine effiziente Absorption bereitzustellen.
Tritiumhaltiges Wasser und Tritiumgas sind die primären Formen der Tritiumkontamination. Obwohl Tritiumwasser eine gewisse Affinität zu den meisten Filterpapieren hat, sind Filterpapiertechniken für die Probenahme von Tritiumwasser nicht sehr effektiv. Die empfindlichsten und genauesten Messmethoden beinhalten die Absorption von tritiiertem Wasserdampfkondensat. Tritium in der Luft (z. B. als Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe oder Wasserdampf) kann mit Kanne-Kammern (Durchfluss-Ionisationskammern) effektiv gemessen werden. Die Absorption von tritiiertem Wasserdampf aus einer Luftprobe kann erreicht werden, indem die Probe durch eine Falle geleitet wird, die ein Kieselgel-Molekularsieb enthält, oder indem die Probe durch destilliertes Wasser geperlt wird.
Je nach Betrieb oder Prozess kann eine Überwachung auf radioaktive Gase erforderlich sein. Mit Kanne-Kammern ist dies möglich. Die am häufigsten verwendeten Geräte zur Probenahme durch Absorption sind Gaswäscher und Impinger. Viele Gase können auch gesammelt werden, indem die Luft unter den Gefrierpunkt des Gases gekühlt und das Kondensat gesammelt wird. Diese Sammelmethode wird am häufigsten für Tritiumoxid und Edelgase verwendet.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Stichproben zu erhalten. Die ausgewählte Methode sollte für das zu entnehmende Gas und die erforderliche Analyse- oder Messmethode geeignet sein.
Überwachung des Abwassers
Die Abwasserüberwachung bezieht sich auf die Messung der Radioaktivität an der Stelle, an der sie in die Umwelt freigesetzt wird. Aufgrund der kontrollierten Beschaffenheit des Probenahmeorts, der sich normalerweise in einem Abfallstrom befindet, der durch einen Schornstein oder eine Flüssigkeitsableitung abgeführt wird, ist dies relativ einfach zu bewerkstelligen.
Eine kontinuierliche Überwachung der Radioaktivität in der Luft kann erforderlich sein. Zusätzlich zu der Probensammelvorrichtung, normalerweise einem Filter, umfasst eine typische Probennahmeanordnung für Partikel in der Luft eine Luftbewegungsvorrichtung, einen Durchflussmesser und zugehörige Leitungen. Die Luftbewegungsvorrichtung ist stromabwärts vom Probensammler angeordnet; Das heißt, die Luft wird zuerst durch den Probensammler und dann durch den Rest des Probenahmesystems geleitet. Probenahmeleitungen, insbesondere vor dem Probenahmesystem, sollten so kurz wie möglich und frei von scharfen Krümmungen, Turbulenzbereichen oder Widerstand gegen den Luftstrom gehalten werden. Für die Luftprobenahme sollte ein konstantes Volumen über einen geeigneten Bereich von Druckabfällen verwendet werden. Kontinuierliche Probenahme für radioaktive Xenon (Xe)- oder Krypton (Kr)-Isotope wird durch Adsorption an Aktivkohle oder durch kryogene Mittel erreicht. Die Lucas-Zelle ist eine der ältesten Techniken und immer noch die beliebteste Methode zur Messung von Rn-Konzentrationen.
Manchmal ist eine kontinuierliche Überwachung von Flüssigkeiten und Abfallleitungen auf radioaktive Materialien erforderlich. Beispiele sind Abflussleitungen von heißen Labors, nuklearmedizinischen Labors und Reaktorkühlmittelleitungen. Eine kontinuierliche Überwachung kann jedoch durch eine routinemäßige Laboranalyse einer kleinen Probe proportional zur Durchflussrate des Abwassers durchgeführt werden. Es sind Probenehmer erhältlich, die periodisch Aliquots entnehmen oder kontinuierlich eine kleine Flüssigkeitsmenge entnehmen.
Stichproben sind die übliche Methode zur Bestimmung der Konzentration radioaktiver Stoffe in einem Auffangbehälter. Die Probe muss nach der Umwälzung entnommen werden, um das Ergebnis der Messung mit zulässigen Abflussmengen zu vergleichen.
Im Idealfall stimmen die Ergebnisse des Abwassermonitorings und des Umweltmonitorings gut überein, wobei letzteres mit Hilfe verschiedener Pfadmodelle aus ersterem errechenbar ist. Es muss jedoch anerkannt und betont werden, dass die Abwasserüberwachung, egal wie gut oder umfangreich sie ist, die tatsächliche Messung der radiologischen Bedingungen in der Umgebung nicht ersetzen kann.
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