La radiazione infrarossa è quella parte dello spettro delle radiazioni non ionizzanti situata tra le microonde e la luce visibile. È una parte naturale dell'ambiente umano e quindi le persone ne sono esposte in piccole quantità in tutte le aree della vita quotidiana, ad esempio a casa o durante le attività ricreative al sole. Un'esposizione molto intensa, tuttavia, può derivare da alcuni processi tecnici sul posto di lavoro.
Molti processi industriali comportano l'indurimento termico di vari tipi di materiali. Le fonti di calore utilizzate o il materiale riscaldato stesso di solito emettono livelli così elevati di radiazione infrarossa che un gran numero di lavoratori è potenzialmente a rischio di esposizione.
Concetti e quantità
La radiazione infrarossa (IR) ha lunghezze d'onda che vanno da 780 nm a 1 mm. Seguendo la classificazione della International Commission on Illumination (CIE), questa banda è suddivisa in IRA (da 780 nm a 1.4 μm), IRB (da 1.4 μm a 3 μm) e IRC (da 3 μm a 1 mm). Questa suddivisione segue approssimativamente le caratteristiche di assorbimento dipendenti dalla lunghezza d'onda dell'IR nel tessuto e i conseguenti diversi effetti biologici.
La quantità e la distribuzione temporale e spaziale della radiazione infrarossa sono descritte da diverse quantità e unità radiometriche. A causa delle proprietà ottiche e fisiologiche, in particolare dell'occhio, di solito si fa una distinzione tra piccole sorgenti "puntiformi" e sorgenti "estese". Il criterio per questa distinzione è il valore in radianti dell'angolo (α) misurato all'occhio che è sotteso dalla sorgente. Questo angolo può essere calcolato come quoziente, la dimensione della sorgente luminosa DL diviso per la distanza di visione r. Le sorgenti estese sono quelle che sottendono un angolo di visione dell'occhio maggiore di αverbale, che normalmente è di 11 milliradianti. Per tutte le sorgenti estese c'è una distanza di visione dove α è uguale αverbale; a distanze di visione maggiori, la sorgente può essere trattata come una sorgente puntiforme. Nella protezione dalle radiazioni ottiche le grandezze più importanti riguardanti le sorgenti estese sono le splendore (L, espresso in Wm-2sr-1) e il radianza integrata nel tempo (Lp in Gm-2sr-1), che descrivono la “luminosità” della sorgente. Per la valutazione del rischio per la salute, le quantità più rilevanti riguardanti sorgenti puntuali o esposizioni a tali distanze dalla sorgente dove α< αverbale, sono i irradianza (E, espresso in Wm-2), che equivale al concetto di dose rate di esposizione, e il esposizione radiante (H, in Gm-2), equivalente al concetto di dose di esposizione.
In alcune bande dello spettro, gli effetti biologici dovuti all'esposizione sono fortemente dipendenti dalla lunghezza d'onda. Pertanto, devono essere utilizzate quantità spettroradiometriche aggiuntive (ad esempio, la radianza spettrale, Ll, espresso in Wm-2 sr-1 nm-1) per soppesare i valori di emissione fisica della sorgente rispetto allo spettro di azione applicabile relativo all'effetto biologico.
Fonti ed esposizione professionale
L'esposizione ai risultati IR da varie fonti naturali e artificiali. L'emissione spettrale da queste sorgenti può essere limitata a una singola lunghezza d'onda (laser) o può essere distribuita su un'ampia banda di lunghezze d'onda.
I diversi meccanismi per la generazione della radiazione ottica in generale sono:
- eccitazione termica (radiazione del corpo nero)
- scarico di gas
- amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione (laser), con minore importanza nella banda IR il meccanismo della scarica gassosa.
L'emissione dalle sorgenti più importanti utilizzate in molti processi industriali risulta dall'eccitazione termica e può essere approssimata utilizzando le leggi fisiche della radiazione del corpo nero se si conosce la temperatura assoluta della sorgente. L'emissione totale (M, in Wm-2) di un radiatore a corpo nero (figura 1) è descritta dalla legge di Stefan-Boltzmann:
M(T) = 5.67 x 10-8T4
e dipende dalla quarta potenza della temperatura (T, in K) del corpo radiante. La distribuzione spettrale della radianza è descritta dalla legge di radiazione di Planck:
e la lunghezza d'onda di massima emissione (λmax) è descritto secondo la legge di Wien da:
λmax = (2.898 x 10-8) / T
Figura 1. Radianza spettrale λmaxdi un radiatore a corpo nero alla temperatura assoluta indicata in gradi Kelvin su ciascuna curva
Molti laser utilizzati nei processi industriali e medici emetteranno livelli molto elevati di IR. In generale, rispetto ad altre sorgenti di radiazioni, la radiazione laser presenta alcune caratteristiche insolite che possono influenzare il rischio a seguito di un'esposizione, come la durata dell'impulso molto breve o l'irraggiamento estremamente elevato. Pertanto, la radiazione laser è discussa in dettaglio altrove in questo capitolo.
Molti processi industriali richiedono l'uso di sorgenti che emettono alti livelli di radiazioni visibili e infrarosse, e quindi un gran numero di lavoratori come panettieri, soffiatori di vetro, lavoratori delle fornaci, operai di fonderia, fabbri, fonditori e vigili del fuoco sono potenzialmente a rischio di esposizione. Oltre alle lampade, devono essere considerate sorgenti quali fiamme, torce a gas, torce ad acetilene, pozze di metallo fuso e barre di metallo incandescente. Questi si incontrano nelle fonderie, nelle acciaierie e in molti altri impianti industriali pesanti. La Tabella 1 riassume alcuni esempi di sorgenti IR e relative applicazioni.
Tabella 1. Diverse fonti di IR, popolazione esposta e livelli di esposizione approssimativi
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Fonte |
Applicazione o popolazione esposta |
Esposizione |
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Luce del sole |
Lavoratori all'aperto, agricoltori, operai edili, marittimi, pubblico in generale |
500 Wm-2 |
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Lampade a filamento di tungsteno |
Popolazione generale e lavoratori |
105-106 Wm-2sr-1 |
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Lampade alogene a filamento di tungsteno |
(Vedi lampade a filamento di tungsteno) |
50-200 Wm-2 (a 50 centimetri) |
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Diodi emettitori di luce (ad es. diodo GaAs) |
Giocattoli, elettronica di consumo, tecnologia di trasmissione dati, ecc. |
105 Wm-2sr-1 |
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Lampade ad arco allo xeno |
Proiettori, simulatori solari, luci di ricerca |
107 Wm-2sr-1 |
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Fusione di ferro |
Fornace d'acciaio, operai dell'acciaieria |
105 Wm-2sr-1 |
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Array di lampade a infrarossi |
Riscaldamento ed essiccazione industriale |
103 a 8.103 Wm-2 |
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Lampade a infrarossi negli ospedali |
Incubatori |
100-300 Wm-2 |
Effetti biologici
La radiazione ottica in generale non penetra molto in profondità nel tessuto biologico. Pertanto, gli obiettivi primari di un'esposizione IR sono la pelle e l'occhio. Nella maggior parte delle condizioni di esposizione il principale meccanismo di interazione dell'IR è termico. Solo gli impulsi molto brevi che i laser possono produrre, ma che non sono considerati qui, possono anche portare a effetti meccanotermici. Non si prevede che gli effetti della ionizzazione o della rottura dei legami chimici appaiano con la radiazione IR perché l'energia delle particelle, essendo inferiore a circa 1.6 eV, è troppo bassa per causare tali effetti. Per lo stesso motivo, le reazioni fotochimiche diventano significative solo a lunghezze d'onda più corte nella regione visiva e nell'ultravioletto. I diversi effetti sulla salute dipendenti dalla lunghezza d'onda dell'IR derivano principalmente dalle proprietà ottiche dipendenti dalla lunghezza d'onda del tessuto, ad esempio l'assorbimento spettrale del mezzo oculare (figura 2).
Figura 2. Assorbimento spettrale del mezzo oculare
Effetti sull'occhio
In generale, l'occhio è ben adattato a proteggersi dalle radiazioni ottiche provenienti dall'ambiente naturale. Inoltre, l'occhio è fisiologicamente protetto contro le lesioni causate da sorgenti luminose intense, come il sole o lampade ad alta intensità, da una risposta di avversione che limita la durata dell'esposizione a una frazione di secondo (circa 0.25 secondi).
L'IRA colpisce principalmente la retina, a causa della trasparenza dei mezzi oculari. Quando si osserva direttamente una sorgente puntiforme o un raggio laser, le proprietà di messa a fuoco nella regione IRA rendono inoltre la retina molto più suscettibile ai danni rispetto a qualsiasi altra parte del corpo. Per brevi periodi di esposizione, si ritiene che il riscaldamento dell'iride dovuto all'assorbimento di IR visibile o vicino svolga un ruolo nello sviluppo di opacità nel cristallino.
Con l'aumentare della lunghezza d'onda, al di sopra di circa 1 μm, aumenta l'assorbimento da parte dei mezzi oculari. Pertanto, si ritiene che l'assorbimento della radiazione IRA da parte sia del cristallino che dell'iride pigmentata svolga un ruolo nella formazione delle opacità lenticolari. Il danno alla lente è attribuito a lunghezze d'onda inferiori a 3 μm (IRA e IRB). Per la radiazione infrarossa di lunghezze d'onda superiori a 1.4 μm, l'umor acqueo e il cristallino sono particolarmente fortemente assorbenti.
Nella regione IRB e IRC dello spettro, i mezzi oculari diventano opachi a causa del forte assorbimento da parte dell'acqua che li costituisce. L'assorbimento in questa regione avviene principalmente nella cornea e nell'umore acqueo. Oltre 1.9 μm, la cornea è effettivamente l'unico assorbitore. L'assorbimento della radiazione infrarossa a lunghezza d'onda lunga da parte della cornea può portare ad un aumento della temperatura nell'occhio a causa della conduzione termica. A causa di un rapido tasso di turnover delle cellule corneali superficiali, si può prevedere che qualsiasi danno limitato allo strato corneale esterno sia temporaneo. Nella banda IRC l'esposizione può causare un'ustione sulla cornea simile a quella sulla pelle. Tuttavia, è poco probabile che si verifichino ustioni corneali, a causa della reazione di avversione innescata dalla sensazione dolorosa causata dalla forte esposizione.
Effetti sulla pelle
La radiazione infrarossa non penetra molto in profondità nella pelle. Pertanto, l'esposizione della pelle a IR molto forti può portare a effetti termici locali di diversa gravità e persino a gravi ustioni. Gli effetti sulla pelle dipendono dalle proprietà ottiche della pelle, come la profondità di penetrazione dipendente dalla lunghezza d'onda (figura 3 ). Soprattutto a lunghezze d'onda maggiori, un'esposizione prolungata può causare un elevato aumento della temperatura locale e ustioni. I valori soglia per questi effetti dipendono dal tempo, a causa delle proprietà fisiche dei processi di trasporto termico nella pelle. Un irraggiamento di 10 kWm-2, ad esempio, può provocare una sensazione dolorosa entro 5 secondi, mentre un'esposizione di 2 kWm-2 non causerà la stessa reazione entro periodi inferiori a circa 50 secondi.
Figura 3. Profondità di penetrazione nella pelle per diverse lunghezze d'onda
Se l'esposizione si protrae per periodi molto lunghi, anche a valori ben al di sotto della soglia del dolore, il carico di calore sul corpo umano può essere elevato. Soprattutto se l'esposizione copre tutto il corpo come, ad esempio, davanti a un acciaio fuso. Il risultato può essere uno squilibrio del sistema di termoregolazione altrimenti fisiologicamente ben bilanciato. La soglia di tolleranza di tale esposizione dipenderà da diverse condizioni individuali e ambientali, come la capacità individuale del sistema di termoregolazione, l'effettivo metabolismo corporeo durante l'esposizione o la temperatura, l'umidità e il movimento dell'aria (velocità del vento) ambientali. Senza alcun lavoro fisico, un'esposizione massima di 300 Wm-2 può essere tollerato oltre le otto ore in determinate condizioni ambientali, ma questo valore scende a circa 140 Wm-2 durante il lavoro fisico pesante.
Standard di esposizione
Gli effetti biologici dell'esposizione IR, che dipendono dalla lunghezza d'onda e dalla durata dell'esposizione, sono intollerabili solo se vengono superati determinati valori soglia di intensità o di dose. Per proteggersi da tali condizioni di esposizione intollerabili, organizzazioni internazionali come l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS), l'Ufficio internazionale del lavoro (ILO), il Comitato internazionale per le radiazioni non ionizzanti dell'Associazione internazionale per la protezione dalle radiazioni (INIRC/IRPA) e i suoi successore, la Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ICNIRP) e la Conferenza americana degli igienisti industriali governativi (ACGIH) hanno suggerito limiti di esposizione per la radiazione infrarossa da sorgenti ottiche coerenti e incoerenti. La maggior parte dei suggerimenti nazionali e internazionali sulle linee guida per limitare l'esposizione umana alle radiazioni infrarosse sono basati o addirittura identici ai valori limite di soglia suggeriti (TLV) pubblicati dall'ACGIH (1993/1994). Questi limiti sono ampiamente riconosciuti e sono frequentemente utilizzati in situazioni occupazionali. Si basano sulle attuali conoscenze scientifiche e hanno lo scopo di prevenire lesioni termiche della retina e della cornea e di evitare possibili effetti ritardati sul cristallino dell'occhio.
La revisione del 1994 dei limiti di esposizione ACGIH è la seguente:
1. Per la protezione della retina dal danno termico in caso di esposizione alla luce visibile, (ad esempio, nel caso di potenti sorgenti luminose), la radianza spettrale Lλ in W/(m² sr nm) ponderato rispetto alla funzione di rischio termico retinico Rλ (vedi tabella 2) sull'intervallo di lunghezze d'onda Δλ e sommati nell'intervallo di lunghezze d'onda da 400 a 1400 nm, non devono superare:
where t è la durata della visione limitata a intervalli da 10-3 a 10 secondi (ovvero, per condizioni di visione accidentale, visione non fissa), e α è il sotteso angolare della sorgente in radianti calcolato da α = estensione massima della sorgente/distanza dalla sorgente Rλ (Tavolo 2 ).
2. Per proteggere la retina dai rischi di esposizione delle lampade termiche a infrarossi o di qualsiasi sorgente IR vicina in assenza di un forte stimolo visivo, la radiazione infrarossa nell'intervallo di lunghezze d'onda da 770 a 1400 nm visto dall'occhio (basato su una pupilla di 7 mm diametro) per una durata prolungata delle condizioni di visione dovrebbe essere limitato a:
Questo limite si basa su un diametro della pupilla di 7 mm poiché, in questo caso, la risposta di avversione (chiusura dell'occhio, ad esempio) potrebbe non esistere a causa dell'assenza di luce visibile.
3. Per evitare possibili effetti ritardati sul cristallino dell'occhio, come la cataratta ritardata, e per proteggere la cornea dalla sovraesposizione, la radiazione infrarossa a lunghezze d'onda superiori a 770 nm dovrebbe essere limitata a 100 W/m² per periodi superiori a 1,000 s e a:
o per periodi più brevi.
4. Per i pazienti afachici, vengono fornite funzioni di ponderazione separate e TLV risultanti per l'intervallo di lunghezze d'onda della luce ultravioletta e visibile (305–700 nm).
Tabella 2. Funzione di rischio termico retinico
|
Lunghezza d'onda (nm) |
Rλ |
Lunghezza d'onda (nm) |
Rλ |
|
400 |
1.0 |
460 |
8.0 |
|
405 |
2.0 |
465 |
7.0 |
|
410 |
4.0 |
470 |
6.2 |
|
415 |
8.0 |
475 |
5.5 |
|
420 |
9.0 |
480 |
4.5 |
|
425 |
9.5 |
485 |
4.0 |
|
430 |
9.8 |
490 |
2.2 |
|
435 |
10.0 |
495 |
1.6 |
|
440 |
10.0 |
500-700 |
1.0 |
|
445 |
9.7 |
700-1,050 |
10((700 -λ )/500) |
|
450 |
9.4 |
1,050-1,400 |
0.2 |
|
455 |
9.0 |
Fonte: ACGIH 1996.
Misurazione
Sono disponibili tecniche e strumenti radiometrici affidabili che consentono di analizzare il rischio per la pelle e per l'occhio derivante dall'esposizione a sorgenti di radiazioni ottiche. Per caratterizzare una sorgente luminosa convenzionale, è generalmente molto utile misurare la radianza. Per definire condizioni di esposizione pericolose da sorgenti ottiche, l'irraggiamento e l'esposizione radiante sono di maggiore importanza. La valutazione delle sorgenti a banda larga è più complessa rispetto alla valutazione delle sorgenti che emettono a singole lunghezze d'onda oa bande molto strette, poiché devono essere considerate le caratteristiche spettrali e la dimensione della sorgente. Lo spettro di alcune lampade è costituito sia da un'emissione continua su un'ampia banda di lunghezze d'onda sia da un'emissione su determinate singole lunghezze d'onda (linee). Errori significativi possono essere introdotti nella rappresentazione di quegli spettri se la frazione di energia in ciascuna riga non viene correttamente aggiunta al continuo.
Per la valutazione dei rischi per la salute, i valori di esposizione devono essere misurati su un'apertura limite per la quale sono specificati gli standard di esposizione. In genere un'apertura di 1 mm è stata considerata la più piccola dimensione pratica dell'apertura. Le lunghezze d'onda superiori a 0.1 mm presentano difficoltà a causa dei significativi effetti di diffrazione creati da un'apertura di 1 mm. Per questa banda di lunghezze d'onda è stata accettata un'apertura di 1 cm² (11 mm di diametro), perché i punti caldi in questa banda sono più grandi che a lunghezze d'onda più corte. Per la valutazione dei rischi retinici, la dimensione dell'apertura è stata determinata da una dimensione media della pupilla e quindi è stata scelta un'apertura di 7 mm.
In generale, le misurazioni nella regione ottica sono molto complesse. Le misurazioni effettuate da personale non addestrato possono portare a conclusioni non valide. Un riassunto dettagliato delle procedure di misurazione si trova in Sliney e Wolbarsht (1980).
Misure protettive
La protezione standard più efficace dall'esposizione alle radiazioni ottiche è l'involucro totale della sorgente e tutti i percorsi di radiazione che possono fuoriuscire dalla sorgente. Con tali misure, nella maggior parte dei casi dovrebbe essere facile raggiungere il rispetto dei limiti di esposizione. In caso contrario, si applica la protezione personale. Ad esempio, devono essere utilizzate le protezioni per gli occhi disponibili sotto forma di occhiali o visiere adeguati o indumenti protettivi. Se le condizioni di lavoro non consentono l'applicazione di tali misure, può essere necessario il controllo amministrativo e l'accesso limitato a sorgenti molto intense. In alcuni casi una riduzione della potenza della sorgente o dell'orario di lavoro (pause di lavoro per riprendersi dallo stress da calore), o di entrambi, potrebbe essere una possibile misura a tutela del lavoratore.
Conclusione
In generale, la radiazione infrarossa proveniente dalle sorgenti più comuni come le lampade, o dalla maggior parte delle applicazioni industriali, non causerà alcun rischio per i lavoratori. In alcuni luoghi di lavoro, tuttavia, l'IR può causare un rischio per la salute del lavoratore. Inoltre, vi è un rapido aumento dell'applicazione e dell'uso di lampade speciali e nei processi ad alta temperatura nell'industria, nella scienza e nella medicina. Se l'esposizione derivante da tali applicazioni è sufficientemente elevata, non si possono escludere effetti dannosi (principalmente sugli occhi ma anche sulla pelle). L'importanza degli standard di esposizione alle radiazioni ottiche riconosciuti a livello internazionale dovrebbe aumentare. Per proteggere il lavoratore da un'esposizione eccessiva, dovrebbero essere obbligatorie misure protettive come schermi (protezioni per gli occhi) o indumenti protettivi.
I principali effetti biologici avversi attribuiti alle radiazioni infrarosse sono le cataratte, note come cataratta del soffiatore di vetro o del fornaciaio. L'esposizione a lungo termine anche a livelli relativamente bassi provoca stress da calore al corpo umano. A tali condizioni di esposizione devono essere considerati fattori aggiuntivi come la temperatura corporea e la perdita di calore per evaporazione, nonché i fattori ambientali.
Per informare e istruire i lavoratori sono state sviluppate alcune guide pratiche nei paesi industrializzati. Un riassunto completo può essere trovato in Sliney e Wolbarsht (1980).