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紫外光源的光安全性参数测量及评价方法

导读: 摘 要:本文根据新的IEC及国家标准中有关光生物安全的要求,就紫外光源在实际应用中存在的皮肤和眼睛的光化学危害及眼睛的 近紫外危害等安全性的评价方法进行了讨论,介绍了基于紫外光谱辐射度法测量紫外有效辐射度量的方法。结合实际两种紫外 灯,对安全利用紫外灯的条件进行了分析和讨论,为人们安全利用紫外灯提供

                                                         虞建栋,牟同升

摘 要:本文根据新的IEC及国家标准中有关光生物安全的要求,就紫外光源在实际应用中存在的皮肤和眼睛的光化学危害及眼睛的 近紫外危害等安全性的评价方法进行了讨论,介绍了基于紫外光谱辐射度法测量紫外有效辐射度量的方法。结合实际两种紫外 灯,对安全利用紫外灯的条件进行了分析和讨论,为人们安全利用紫外灯提供了实际可执行的依据。

关键字:
紫外线辐射;光安全;曝辐限;

一、引言

电磁波谱从100nm到400nm部分为紫外线辐射(Ultraviolet radiation—UVR)。太阳的紫外辐射是人类接受的紫外辐射的主体,但是由于紫外线在大气传播中的衰减过程,真正照射到地球表面的紫外辐射量只占总辐射量的4%左右。但它是一种非常重要的自然界物理因子,是各种生物维持正常新陈代谢所不可缺少的。国际照明委员会(CIE)为讨论UVR的生物学效应而把紫外光谱划分为3个波段:UV-A为320~400nm,UV-B为280~320nm,UV-C为100~280nm。而波长在180nm以下很易被空气吸收,所以实际上没有太大的生物学意义。

不仅太阳辐射紫外线,一些人造光源如紫外灯,电弧等也能产生紫外辐射。目前紫外线应用发展迅速,例如感光油漆或油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、复印、皮肤病及内外科疾病治疗、杀菌消毒、保健、荧光分析等领域的应用都有了快速发展。

然而过多的紫外线辐射也会对人类健康造成负面影响。所以人类在开发和利用紫外线的同时又要防护紫外线伤害。其中最容易受UVR辐射的器官是眼睛和皮肤,因为它们完全暴露在空气当中,而从一些牙科疾病的例子中可以看出口腔内部也可能被辐射到。但是只要我们能将紫外辐射控制在适当范围内,那么人们即可在紫外辐射下正常地生活和工作,而不受此类辐射危害,这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、皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限
照射时间在8小时以内(不考虑超过8小时的情况),入射到没有采取保护措施的皮肤和眼睛的紫外有效辐射的曝辐限为30J·m-2。为了保护眼睛或皮肤不受由宽谱光源产生的紫外辐射的损伤,光源的有效积分光谱辐照度Es不应超过由下式定义的限值。

       

2、眼睛的近紫外危害的曝辐限
光谱范围在315nm到400nm(UV-A)之间的光辐射对眼睛的总曝辐射量,在时间小于1000s的情况下将不能超过10000 J·m-2;在时间大于1000s的情况下,对没有采取保护措施的眼睛的UV-A波段辐照度EUVA不应该超过10W·m-2。

         
(1)、(2)式中:Eλ(λ,t)——光谱辐照度,单位是W·m-2·nm-1;SUV (λ)——光化学紫外危害加权函数(如图1所示);
——波长带宽,单位是nm;t——辐照时间,单位是秒。

          

三、测量原理

光谱辐射法:在每一个波长处测量光源的光谱辐射功率,通过计算机对相应波段的光谱数据积分或对生物光接收响应函数加权积分后,获得特定波段的辐射照度(或辐射功率)和光生物有效辐射量。测试原理如图2所示。
  
光源放在黑色的紫外辐射箱内,在离光源一定距离上接收光源的辐照度信号,该光信号通过紫外石英光纤引到C-T单色仪和滤光片组成的分光系统中,经过光栅单色仪分光后,出射光谱由光电倍增管PMT接收,并转换成电信号,再经过放大后由测控单片机测量。同时,测控单片机控制波长驱动及控制系统,逐一波长地测量光源的光谱辐照度。

四、光源的安全分析

为了对紫外光源进行安全分析及评价,我们测试了两种紫外灯。

1、紫外线汞灯
紫外线汞灯辐射峰值波长为254nm,谱线波长短,能量强,主要用于灭菌等用途。根据图2的原理,将紫外汞灯放在紫外辐射箱中,测试其紫外光谱辐照度分布。
测试条件: 光接收头离光源中心距离为1米。灯管电流0.297A,灯管电压102V,功率29.2W。
测量结果:光谱辐射分布如图3所示。
光照度:30.94 lx;辐射照度:89.21uW/cm2
杀菌用254nm有效辐射照度:63.374uW/cm2
皮肤和眼睛的光化学危害有效辐射照度:31.9318uW/cm2
眼睛的近紫外危害有效辐射照度:3.5935uW/cm2
  
由于紫外线汞灯正常工作时光谱辐照度分布是固定不变的,又因各加权函数V(λ)、SUV (λ)等也是固定不变的,由此可知各类有效辐照度与光照度之比为常数。由此可知,只要将光照度控制在一定范围内,即可控制各类危害的有效辐射照度值,由此可得以下结论。

           
a)皮肤和眼睛的光化学危害       
b)眼睛的近紫外危害
            

由公式(2a)、(2b)得:      

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

   
               图3:紫外线汞灯光谱分布      图4:紫外线汞灯光安全评价曲线图

由上述式子可划画出安全评价曲线,如图4(由于两曲线光照度值相差较大,为清楚起见,光照度取对数形式,图6同理)所示,由图可知:

a)要在该紫外线汞灯照射下同时避免上述两类紫外线危害,必须使该灯工作于图中两条曲线以下区域的公共部分(图4中就是指光化学危害评价曲线与照射时间坐标轴之间的那部分区域)。

b)该紫外线汞灯造成眼睛近紫外危害的可能性大大小于造成皮肤和眼睛光化学危害的可能性。原因是造成眼睛近紫外危害的波段315~400nm内光谱辐照度较小(图3)。

c)举例说明:为防止紫外危害,当人体被照射时间为1000s时,必须控制人体被照射区域的光照度小于2.9068lx,此时的杀菌用254nm有效辐射照度最大只能为5.954 uW/cm2。如果我们在光照度为10lx下使用该灯,人接受照射的时间要小于290.68s,而此时该灯杀菌用254nm有效辐射照度为20.48 uW/cm2。

2、紫外保健灯

紫外保健灯被用于美容去斑,日光浴等。同理根据图2的原理,将紫外保健灯放在紫外辐射箱中,测试其紫外光谱辐照度分布。

测试条件:光接收头离光源中心距离为1m。灯管电流0.0823A,灯管电压219.8V,功率18.1W。
测量结果:光谱辐射分布如图5所示:
光照度:6.25 lx;辐射照度:11.4uW/cm2
皮肤和眼睛的光化学危害有效辐射照度:0.5309uW/cm2
眼睛的近紫外危害有效辐射照度:6.5284uW/cm2
250~320nm B波段有效辐射照度(E1):1.0682172uW/cm2
320~400nm A波段有效辐射照度(E2):0.005564uW/cm2

a)皮肤和眼睛的光化学危害     
b)眼睛的近紫外危害

由公式(2a)、(2b)得:  

                  
                 图5:紫外保健灯光谱分布    图6:紫外保健灯光安全评价曲线图

同理,由上述式子可作出安全评价曲线,如图6所示,由图可知:

a)要在该紫外保健灯照射下同时避免上述两类紫外线危害,那就必须在图中两条曲线以下区域的公共部分使用该灯。

b)举例说明:当人体被照射时间为1000s时,必须控制人体被照射区域的光照度小于35.317lx。如果我们在光照度为10lx下使用该灯,接受照射的时间要小于353.2s。

c)结合IEC标准中有关用于紫外器具的规定可知:

紫外器具类型 有效辐射照度(W/m2) 对应光照度 (lx) 安全照射时间 (s)
UV type 3 E1<0.15,E2<0.15 E<87.76 t由式(5)确定
UV type 4 E1≥0.15,E2<0.15 E≥87.76 t≤402.4(由式5得到)

五、结论

第一、本文结合紫外光安全性要求对两类紫外灯进行了测试与光安全性的分析,获得了预期的为安全利用这两类紫外灯提供实际可执行的依据的目的。

第二、各类紫外光源都有可能对人体造成危害,但只要将各类危害的有效辐射值控制在一定限度以内,就能避免各类危害的产生 。

第三、当前关于光安全性的研究的主要任务主要有以下几点:

1、学习在光安全性研究方面处于领先的国家的先进经验,寻找适合我国国情,尤其是中国人皮肤的光生物学特性的安全用光方法。

2、与国际接轨,加快安全标准制定,努力并积极地参与CIE、IEC关于光生物安全方面相关文件的制定。

3、加强各类测试技术的研究,提高质检机构的装备水平和检测能力。

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