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紫外光源的光安全性參數測量及評價方法

日期:2021-12-07 13:16
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摘要:
紫外光源的光安全性參數測量及評價方法
 
發布日期:2006-11-24 文章來源:浙江大學三色儀器有限公司
 
虞建棟,牟同升(浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室,浙江大學三色儀器有限公司,杭州,310027)

 

摘 要:本文根據新的IEC及國家標準中有關光生物安全的要求,就紫外光源在實際應用中存在的皮膚和眼睛的光化學危
    害及眼睛的 近紫外危害等安全性的評價方法進行了討論,介紹了基于紫外光譜輻射度法測量紫外有效輻射度量的
    方法。結合實際兩種紫外 燈,對安全利用紫外燈的條件進行了分析和討論,為人們安全利用紫外燈提供了實際
    可執行的依據。
關鍵字:紫外線輻射 光安全 曝輻限
 

Measurement and evaluation of thesafety of UV light sources

Yu Jiandong, Mou Tongshen

State Key Lab of Modern OpticalInstrumentation of Zhejiang University,
Zhejiang University Sensing Instruments Co., Ltd,Hangzhou,310027

Abstract : Based on riskcriteria and exposure limits of ultraviolet(UV) light sourceprescribed in the new IEC and Chinese National Standards, thispaper describes something about evaluating hazards to human eyesand skin. Then it describes the way and principle about testing UVlight source. In the end, it shows and analyzes the results oftestings, provides referrences for using UV light source safely.

Key words: ultravioletradiation(UVR), light safety, exposure limits

一、引言

  電磁波譜從100nm到400nm部分為紫外線輻射(Ultravioletradiation—UVR)。太陽的紫外輻射是人類接受的紫外輻射的主體,但是由于紫外線在大氣傳播中的衰減過程,真正照射到地球表面的紫外輻射量只占總輻射量的4%左右。但它是一種非常重要的自然界物理因子,是各種生物維持正常新陳代謝所不可缺少的。國際照明委員會(CIE)為討論UVR的生物學效應而把紫外光譜劃分為3個波段:UV-A為320~400nm,UV-B為280~320nm,UV-C為100~280nm。而波長在180nm以下很易被空氣吸收,所以實際上沒有太大的生物學意義。

  不僅太陽輻射紫外線,一些人造光源如紫外燈,電弧等也能產生紫外輻射。目前紫外線應用發展迅速,例如感光油漆或油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、復印、皮膚病及內外科****、****、保健、熒光分析等領域的應用都有了快速發展。

  然而過多的紫外線輻射也會對人類健康造成負面影響。所以人類在開發和利用紫外線的同時又要防護紫外線傷害。其中*容易受UVR輻射的器官是眼睛和皮膚,因為它們完全暴露在空氣當中,而從一些牙科**的例子中可以看出口腔內部也可能被輻射到。但是只要我們能將紫外輻射控制在適當范圍內,那么人們即可在紫外輻射下正常地生活和工作,而不受此類輻射危害,這就是研究紫外波段光安全性的目的。

二、紫外光源光安全性要求

  1、皮膚和眼睛的光化學紫外危害曝輻限
照射時間在8小時以內(不考慮超過8小時的情況),入射到沒有采取保護措施的皮膚和眼睛的紫外有效輻射的曝輻限為30J·m-2。為了保護眼睛或皮膚不受由寬譜光源產生的紫外輻射的損傷,光源的有效積分光譜輻照度Es不應超過由下式定義的限值。

  2、眼睛的近紫外危害的曝輻限
光譜范圍在315nm到400nm(UV-A)之間的光輻射對眼睛的總曝輻射量,在時間小于1000s的情況下將不能超過10000J·m-2;在時間大于1000s的情況下,對沒有采取保護措施的眼睛的UV-A波段輻照度EUVA不應該超過10W·m-2。

  (1)、(2)式中:Eλ(λ,t)——光譜輻照度,單位是W·m-2·nm-1;SUV(λ)——光化學紫外危害加權函數(如圖1所示);
——波長帶寬,單位是nm;t——輻照時間,單位是秒。

     

三、測量原理

  光譜輻射法:在每一個波長處測量光源的光譜輻射功率,通過計算機對相應波段的光譜數據積分或對生物光接收響應函數加權積分后,獲得特定波段的輻射照度(或輻射功率)和光生物有效輻射量。測試原理如圖2所示。
  光源放在黑色的紫外輻射箱內,在離光源一定距離上接收光源的輻照度信號,該光信號通過紫外石英光纖引到C-T單色儀和濾光片組成的分光系統中,經過光柵單色儀分光后,出射光譜由光電倍增管PMT接收,并轉換成電信號,再經過放大后由測控單片機測量。同時,測控單片機控制波長驅動及控制系統,逐一波長地測量光源的光譜輻照度。

四、光源的安全分析
為了對紫外光源進行安全分析及評價,我們測試了兩種紫外燈。

  1、紫外線汞燈
  紫外線汞燈輻射峰值波長為254nm,譜線波長短,能量強,主要用于**等用途。根據圖2的原理,將紫外汞燈放在紫外輻射箱中,測試其紫外光譜輻照度分布。
  測試條件: 光接收頭離光源中心距離為1米。燈管電流0.297A,燈管電壓102V,功率29.2W。
  測量結果:光譜輻射分布如圖3所示。
  光照度:30.94 lx;輻射照度:89.21uW/cm2
  **用254nm有效輻射照度:63.374uW/cm2
  皮膚和眼睛的光化學危害有效輻射照度:31.9318uW/cm2
  眼睛的近紫外危害有效輻射照度:3.5935uW/cm2
  由于紫外線汞燈正常工作時光譜輻照度分布是固定不變的,又因各加權函數V(λ)、SUV(λ)等也是固定不變的,由此可知各類有效輻照度與光照度之比為常數。由此可知,只要將光照度控制在一定范圍內,即可控制各類危害的有效輻射照度值,由此可得以下結論。

  a)皮膚和眼睛的光化學危害       

  b)眼睛的近紫外危害

  由公式(2a)、(2b)得:      

注:以上(3)、(4)式中與圖4中的E代表光照度,下面2中(5)、(6)式和圖6中同。

   

圖3:紫外線汞燈光譜分布        圖4:紫外線汞燈光安全評價曲線圖

  由上述式子可劃畫出安全評價曲線,如圖4(由于兩曲線光照度值相差較大,為清楚起見,光照度取對數形式,圖6同理)所示,由圖可知:

  a)要在該紫外線汞燈照射下同時避免上述兩類紫外線危害,必須使該燈工作于圖中兩條曲線以下區域的公共部分(圖4中就是指光化學危害評價曲線與照射時間坐標軸之間的那部分區域)。

  b)該紫外線汞燈造成眼睛近紫外危害的可能性大大小于造成皮膚和眼睛光化學危害的可能性。原因是造成眼睛近紫外危害的波段315~400nm內光譜輻照度較?。▓D3)。

  c)舉例說明:為防止紫外危害,當人體被照射時間為1000s時,必須控制人體被照射區域的光照度小于2.9068lx,此時的**用254nm有效輻射照度*大只能為5.954uW/cm2。如果我們在光照度為10lx下使用該燈,人接受照射的時間要小于290.68s,而此時該燈**用254nm有效輻射照度為20.48uW/cm2。

  2、紫外保健燈

  紫外保健燈被用于美容去斑,日光浴等。同理根據圖2的原理,將紫外保健燈放在紫外輻射箱中,測試其紫外光譜輻照度分布。

  測試條件:光接收頭離光源中心距離為1m。燈管電流0.0823A,燈管電壓219.8V,功率18.1W。
  測量結果:光譜輻射分布如圖5所示:
  光照度:6.25 lx;輻射照度:11.4uW/cm2
  皮膚和眼睛的光化學危害有效輻射照度:0.5309uW/cm2
  眼睛的近紫外危害有效輻射照度:6.5284uW/cm2
  250~320nm B波段有效輻射照度(E1):1.0682172uW/cm2
  320~400nm A波段有效輻射照度(E2):0.005564uW/cm2

  a)皮膚和眼睛的光化學危害     

  b)眼睛的近紫外危害

  由公式(2a)、(2b)得:    

     
圖5:紫外保健燈光譜分布       圖6:紫外保健燈光安全評價曲線圖

  同理,由上述式子可作出安全評價曲線,如圖6所示,由圖 可知:

  a)要在該紫外保健燈照射下同時避免上述兩類紫外線危害,那就必須在圖中兩條曲線以下區域的公共部分使用該燈。

  b)舉例說明:當人體被照射時間為1000s時,必須控制人體被照射區域的光照度小于35.317lx。如果我們在光照度為10lx下使用該燈,接受照射的時間要小于353.2s。

  c)結合IEC標準中有關用于紫外器具的規定可知:
紫外器具類型
有效輻射照度(W/m2)
對應光照度 (lx)
安全照射時間 (s)
UV type 3
E1<0.15,E2<0.15
E<87.76
t由式(5)確定
UV type 4
E1≥0.15,E2<0.15
E≥87.76
t≤402.4(由式5得到)

五、結論

  **、本文結合紫外光安全性要求對兩類紫外燈進行了測試與光安全性的分析,獲得了預期的為安全利用這兩類紫外燈提供實際可執行的依據的目的。

  **、各類紫外光源都有可能對人體造成危害,但只要將各類危害的有效輻射值控制在一定限度以內,就能避免各類危害的產生 。

  第三、當前關于光安全性的研究的主要任務主要有以下幾點:

  1、學習在光安全性研究方面處于優越的國家的先進經驗,尋找適合我國國情,尤其是中國人皮膚的光生物學特性的安全用光方法。

  2、與國際接軌,加快安全標準制定,努力并積極地參與CIE、IEC關于光生物安全方面相關文件的制定。

  3、加強各類測試技術的研究,提高質檢機構的裝備水平和檢測能力
紫外光源的光安全性參數測量及評價方法
 

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