ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
     
R. Matthes

Инфракрасное излучение, это - та часть спектра неионизирующего излучения, которая находится между микроволнами и видимым светом. Оно является естественной частью окружающей человека среды и, поэтому люди подвергаются его воздействию в небольших объемах во всех сферах повседневной жизни, например, дома или во время отдыха на солнце. Однако очень интенсивное воздействие инфракрасного излучения может быть результатом определенных технических процессов, происходящих на рабочем месте. 

Многие промышленные технологии включают в себя термальное закрепление (вулканизацию) различных видов материалов. Применяемые при этом источники нагревания или сами нагреваемые материалы, обычно, испускают инфракрасное излучение столь высоких уровней, что риску потенциальной экспозиции подвергается большое количество рабочих. 

Концепции и величины
Инфракрасное излучение (IR) имеет длину волны, варьирующуюся от 780 nm до 1. Следуя классификации Международной комиссии по освещению (CIE), этот диапазон спектра подразделяется на излучение типа IRA (от 780 nm до 1.4 ), IRB (от 1.4  до 3 ) и IRC (от 3  до 1 mm). Такое подразделение приблизительно соответствует зависящим от длины волны характеристикам поглощения IR в тканях и возникающим вследствие этого различным биологическим эффектам. 
     
Объем, временное и пространственное распределение инфракрасного излучения описываются различными радиометрическими величинами и единицами. В связи с оптическими и физиологическими свойствами, особенно глаза, обычно делается различие между маленькими "точечными" источниками и "массивными" источниками. Критерием для подобного различия является выраженная в радианах (a) величина угла, измеренная на уровне глаза, находящегося на противоположной источнику стороне. Этот угол может быть рассчитан как частное от деления размеров источника cвета  на зрительное расстояние от него r. Массивные источники, это - источники, которые противолежат углу зрения глаза, больше чем , который обычно равен 11 миллирадианам. Для всех массивных источников существует зрительное расстояние, где a равно . На большем зрительном расстоянии источник может рассматриваться как точечный. Для оптической защиты от излучения наиболее важными являются такие относящиеся к массивным источникам величины, как световой поток (L, выражающаяся в ) и интегрированный по времени световой поток ( в ), которая описывает "яркость" источника. Для оценки риска здоровью наиболее уместными величинами, относящимися к точечным источникам или экспозиции на таких расстояниях от источника, где , являются лучистость (E, выражающаяся в ), которая эквивалентна концепции уровня дозы экспозиции и лучистая экспозиция (H, в ), эквивалентная концепции дозы экспозиции. В некоторых диапазонах спектра биологические эффекты, возникающие в результате экспозиции, сильно зависят от длины волн. Таким образом, возникает необходимость использования дополнительных радиометрических единиц (например, спектрального светового потока, , выраженного в  ) для сравнения величин физической эмиссии источника с подходящим спектром воздействия, связанным с биологическим эффектом.

Источники и профессиональная экспозиция
Экспозиция инфракрасному излучению возникает из-за разнообразных естественных и искусственных источников. Спектральная эмиссия этих источников может ограничиваться единственной длиной волны (лазер) или распределяться в широком диапазоне длин. 

В общем, механизмами генерирования оптического излучения являются:

· температурное возбуждение (излучение абсолютно черного тела)
· разряд газа
· усиление света за счет стимулирования эмиссии (испускания) излучения (лазер), при меньшей важности механизма газового разряда в инфракрасном диапазоне.

Эмиссия в наиболее важных источниках, применяющихся во многих промышленных технологиях, возникает в результате термического возбуждения и, если известна абсолютная температура источника, может быть аппроксимирована путем использования физического закона об излучении абсолютно черного тела. Совокупная эмиссия (M, в ) абсолютно черного излучателя (рис. 49.4) описывается законом Стефана - Больцмана (Stefan-Boltzmann):
 
и зависит в четвертой степени от температуры (T, в K) излучающего тела. Спектральное распределение светового потока описывается радиационным законом Планка: 
 
где с - скорость света, h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана.

--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 49.4 Спектральный световой поток L абсолютно черного излучателя при абсолютной температуре, показанной в
Кельвинах на каждой кривой

--------------------------------------------------------------------------------

Длина волны максимальной эмиссии  описывается в соответствии с законом Виена (Wien):
 
Многие лазеры, использующиеся в промышленных и медицинских технологиях, испускают инфракрасное излучение очень высоких уровней. В целом, по сравнению с другими источниками излучения, лазерное излучение обладает некоторыми нетипичными свойствами, которые могут повлиять на риск, связанный с экспозицией. К этим свойствам относится, например, очень короткая продолжительность импульса или сверхвысокая лучистость. Таким образом, лазерное излучение подробное обсуждается в другой части настоящей главы.

Многие индустриальные технологии требуют применения источников, испускающие видимое и инфракрасное излучение высоких уровней. Таким образом, большое количество рабочих, например, пекари, стеклодувы, рабочие печи обжига, литейщики, кузнецы, плавильщики и пожарные, потенциально подвергается риску экспозиции. Помимо ламп, должны приниматься во внимание такие источники, как пламя, газовые горелки, ацетиленовые горелки, лужи расплавленного металла и накаленные добела металлические болванки. Подобные источники встречаются в литейных и металлопрокатных цехах, а также на многих других производствах тяжелой промышленности. Таблица 49.1 содержит примеры некоторых источников инфракрасного излучения и их применения на практике.

--------------------------------------------------------------------------------

Таблица 49.1 Различные источники инфракрасного излучения, группы людей, подвергающихся экспозиции и
приблизительные уровни экспозиции

Источник 	Пример использования или группы людей, подвергающиеся экспозиции 	Экспозиция 	
Солнечный свет 	Рабочие на открытом воздухе, фермеры, строительные рабочие, мореплаватели, население в целом 	500  	
Вольфрамовая лампа накаливания 	Население в целом и рабочие
Общее освещение, сушка чернил и красок 	 
 	
Вольфрамово-галогенная лампа накаливания 	(см. вольфрамовую лампу накаливания)
Копировальные системы (закрепление), общие процессы (сушка, обжиг, усадка, смягчение) 	50-200  (at 50 cm)	
Светоизлучающие диоды (например, GaAs диод)	Игрушки, бытовая электроника, технология передачи данных, и т.п.	 
  	
Ксеноновая дуговая лампа 	Прожектора, симуляторы солнца, поисковые огни
Операторы камеры печатной установки, рабочие оптической лаборатории, аниматоры  	 
 	
Расплавленный металл 	Сталеплавильная печь, рабочие сталепрокатного стана 	  	
Антенны инфракрасных ламп 	Промышленное нагревание и сушка 	 	
Инфракрасные лампы в больницах 	Инкубаторы 	100-300  	

--------------------------------------------------------------------------------

Биологические эффекты
Обычно, оптическое излучение не проникает глубоко в ткани организма. Таким образом, основными "целями" воздействия инфракрасного излучения становятся кожа и глаза. В  большинстве случаев экспозиции основным механизмом взаимодействия для инфракрасного излучения является термический механизм. Только очень короткие импульсы, которые могут давать лазеры, могут привести также к механотермическим эффектам. Однако в рамках настоящей работы эти импульсы не рассматриваются. Под воздействием инфракрасного излучения не ожидается возникновения эффектов ионизации или разрыва химических связей, поскольку частицы с энергией меньше примерно 1.6 eV (что слишком мало) не могут вызвать подобных эффектов. По этой же причине, фотохимические реакции становятся важными (с точки зрения возникновения биологических эффектов) только при более короткой длине волн в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Разные эффекты воздействия инфракрасного излучения на здоровье человека зависят от длины волн и возникают, преимущественно, из-за оптических свойств ткани организма, также связанных с длиной волн. К таким свойствам относится, например, спектральное поглощение глазного центра (рис. 49.5).

--------------------------------------------------------------------------------

Рис. 49.5  Спектральное поглощение в глазном центре

--------------------------------------------------------------------------------

Воздействие на глаза
В целом, глаза хорошо адаптированы к самозащите от оптического излучения естественной среды. Кроме того, глаза физиологически защищены от повреждений, вызываемых такими источниками яркого света, как солнце или лампы сильного накала. Защита осуществляется за счет вызывающей отвращение реакции, ограничивающей длительность экспозиции долями секунды (примерно 0.25 секунды). 

Из-за прозрачности глазного центра IRA воздействует в основном на сетчатку. При прямом взгляде на точечный источник или лазерный луч фокусирующие свойства в области IRA излучения делают сетчатку более чувствительной к повреждению, чем любая другая часть тела. Для коротких периодов экспозиции важную роль в развитии помутнения зрачков играет нагревание радужки вследствие поглощения видимого или около-инфракрасного излучения.

С увеличением длины волн свыше примерно 1 поглощение излучения глазным центром возрастает. Таким образом, в образовании хрусталиковых помутнений играет роль поглощение IRA излучения как хрусталиками, так и пигментированной радужкой. Повреждение хрусталика относится на счет волн длиной менее 3 (IRA и IRB). Для инфракрасного излучения с длиной волны более 1.4 особенно сильными абсорбентами являются внутриглазная жидкость и хрусталик. 

В IRB и IRC области спектра глазной центр становится матовым в результате сильной абсорбции излучения составляющей его водой. Поглощение в этой области излучения сосредоточено в основном в роговице и внутриглазной жидкости. При длине волны менее 1.9роговица является единственным эффективным абсорбентом излучения. Поглощение длинных волн инфракрасного излучения роговицей может привести к возрастанию температуры в глазу из-за термопроводимости. Из-за высокой скорости оборота клеток роговичной поверхности любое повреждение, ограниченное внешним роговичным слоем, может считаться временным. В диапазоне IRC излучения экспозиция может вызвать ожог роговицы, аналогичный ожогу на коже. Роговичные ожоги не очень вероятны из-за реакции, стимулирующей отвращение к яркому свету и запускаемой болевыми ощущениями, возникшими вследствие экспозиции.

Воздействие на кожу
Инфракрасное излучение не проникает слишком глубоко сквозь кожу. Таким образом, экспозиция кожи очень сильному инфракрасному излучению может привести к возникновению местных термических эффектов различной тяжести и даже вызвать серьезные ожоги. Кожные эффекты от излучения зависят от оптических свойств кожи, например, зависящей от длины волн глубины проникновения инфракрасных лучей (рис. 49.6). Обильная экспозиция, особенно при более длинных волнах, может вызвать высокую местную температуру и ожоги. Из-за физических свойств процессов термопереноса в коже пороговые значения этих эффектов зависят от времени. Например, лучистость 10 , может в течение 5 секунд вызвать болезненные ощущения, в то время как экспозиция 2  в течение периода продолжительностью менее 50 секунд не вызовет подобной реакции.
          
Если экспозиция продолжается в течение более длительного периода, то даже при значениях ниже болевого порога, тепловая нагрузка на человеческий организм может быть весьма значительной. Особенно, если экспозиция охватывает все тело, например, перед сталеплавильной печью. Результатом может стать разбалансировка обычно физиологически хорошо сбалансированной системы терморегуляции. Порог толерантности к такой экспозиции зависит от различных условий индивида и окружающей среды, например, от индивидуальных возможностей системы терморегуляции, реального метаболизма тела во время экспозиции или температуры окружающей среды, влажности и движения воздуха (скорости ветра). В отсутствие какой-либо физической работы максимальная экспозиция в 300  при определенных условиях окружающей среды может переноситься более восьми часов. Однако во время тяжелой физической работы величина экспозиции понижается примерно до 140 .

Стандарты экспозиции
Биологические эффекты воздействия инфракрасного излучения, которые зависят от длины волны и длительности экспозиции, непереносимы только при превышении определенной пороговой интенсивности или величины дозы облучения. Для защиты от столь непереносимых условий экспозиции международные организации, например, Всемирная организация здравоохранения (WHO), Международная организация труда (ILO), Международный комитет по неионизирующему излучению Международной ассоциации защиты от излучения (INIRC/IRPA) и его преемник - Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), а также Американская конференция правительственных промышленных гигиенистов (ACGIH) предложили установить лимиты для инфракрасного излучения как от когерентных, так и от некогерентных оптических источников. Большинство национальных и международных предложений по директивам в ограничении экспозиции человека инфракрасному излучению либо основываются, либо даже совпадают с предложенными значениями пороговых ограничений (TLVs), опубликованными ACGIH (1993/1994). Эти ограничения широко признаны и часто используются в профессиональных ситуациях. Они основаны на текущем научном знании и имеют своей целью предотвращение возникновения термических повреждений сетчатки и роговицы. Они также направлены на избежание возможного возникновения поздних эффектов в хрусталике глаза.

--------------------------------------------------------------------------------

Рис. 49.6  Глубина проникновения волн разной длины в кожу

--------------------------------------------------------------------------------

Таблица 49.2 Функция термической ретинальной опасности 

Длина волны (nm) 	 	Длина волны (nm) 	 	
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 	   	
450 	9.4 	1,050-1,400 	0.2 	
455 	9.0 	  	  	

Источник: ACGIH 1996.

--------------------------------------------------------------------------------

В 1994 году экспозиционные ограничения, установленные ACGIH, были пересмотрены следующим образом:

1. Для защиты сетчатки от термических повреждений в случае ее экспозиции видимому свету (например, в случае мощных источников света), спектральный световой поток в , сравниваемый с функцией термической опасности для сетчатки (см. таблицу 49.2) в интервале длины волны   и просуммированный в диапазоне длин волн от 400 до 1400 nm, не должен превышать 
 
где t - продолжительность зрительного периода, ограниченная интервалом от  до 10 секунд (то есть, для условий случайного, нефиксированного взгляда на источник излучения), а  - противолежащий угол источника в радианах, рассчитанный как  = максимальная протяженность источника / расстояние до источника (таблица 49.2).

2. Для защиты сетчатки от опасностей экспозиции инфракрасным лампам нагревания или другим около-инфракрасным источникам, у которых отсутствует сильный визуальный раздражитель, инфракрасный световой поток с длиной волны диапазона от 770 до 1400 nm (так, как он виден глазу при диаметре зрачка 7 mm) для зрительных условий большей продолжительности должен быть ограничен:

Этот предел опирается на 7-миллиметровый диаметр зрачка, поскольку в этом случае реакция, вызывающая отвращение (например, закрывание глаза), может отсутствовать из-за отсутствия видимого света.  

3. Во избежание возможных поздних эффектов в хрусталике глаза (например, поздней катаракты) и для защиты роговицы от сверхэкспозиции инфракрасное излучение при длине волны более 770 nm в периоды больше 100 секунд должно быть ограничено 100  и:     

или для более коротких периодов.      

4. Для пациентов с афакией (отсутствием хрусталика) разработаны специальные функции взвешивания и результирующие TLVs в диапазоне длины ультрафиолетовых волн и видимого света (305-700 nm).

Измерение
Существуют надежные радиометрические техники и инструменты, которые делают возможным проведение анализа риска, возникающего при экспозиции кожи и глаза источникам оптического излучения. Для характеристики традиционных источников света, обычно, очень полезно измерять световой поток. Для определения степени опасности условий экспозиции оптическим источникам большее значение имеют лучистость и лучистая экспозиция. Оценка источников с широким диапазоном излучения является более сложной, чем оценка источников, испускающих излучение на одной длине волны или в очень узком диапазоне. Это связано с тем, что при оценке должны учитываться спектральные характеристики и размеры источника. 

Спектр некоторых ламп состоит как из непрерывной совокупной эмиссии в широком диапазоне длин волн, так и из эмиссии волн одинарной длины (линий). При представлении таких спектров могут быть сделаны серьезные ошибки, если доли энергии в каждой линии неправильно добавляются к совокупности.

Для оценки степени угрозы здоровью значения экспозиции должны измеряться в пределах ограничивающей апертуры, для которой определены стандарты экспозиции. Обычно, апертура в 1 mm считается минимальным фактическим размером апертуры. Волны длиной более 0.1 mm создают некоторые сложности из-за значительного эффекта дифракции, создаваемого апертурой в 1 mm. Поскольку горячие пятна в этом диапазоне волн больше, чем при более коротких волнах, для этого диапазона была принята апертура в 1 cm (диметром 11 mm). Для оценки опасности для сетчатки размер апертуры определяется  средним размером зрачка и, следовательно, апертура выбирается 7мм. 

В общем,  измерения в оптике очень сложны. Измерения, проведенные неподготовленным персоналом, могут привести к неправильным выводам.   Подробное описание процедур измерения смотри у  Sliney и  Wolbarsht (1980).

Защитные меры 
Наиболее эффективной стандартной мерой защиты от экспозиции оптическому излучению является полное загораживание источника и всех траекторий прохождения излучения, которые могут исходить из источника. В большинстве случаев, достижение при помощи таких мер соответствия параметров излучения лимитам экспозиции должно быть несложным. В случаях, отличных от описаного, должна применяться индивидуальная защита. Например, должны использоваться защитные средства для глаз в виде плотно прилегающих защитных очков или щитков, а также защитная одежда. Если условия работы не позволяют применять такие средства, то может возникнуть необходимость введения административного контроля и ограничения доступа к очень сильным источникам излучения. В некоторых случаях возможной мерой защиты рабочих может стать сокращение либо мощности источника, либо рабочего времени (введение рабочих пауз для восстановления после теплового стресса), либо и того, и другого.
 
Заключение
В целом, инфракрасное излучение от большинства распространенных источников, например, ламп, или от большинства промышленных технологий не создает никакого риска для рабочего. Однако на некоторых рабочих местах инфракрасное излучение может создать угрозу для здоровья рабочего. Кроме того, наблюдается быстрый рост количества технологий с использованием ламп специального назначения и высокотемпературных процессов в промышленности, науке и медицине. Если экспозиция, создаваемая такими технологиями, достаточно высока, то нельзя исключать возникновения вредных для здоровья эффектов (преимущественно в глазах, но также и на коже). Важность признанных во всем мире стандартов экспозиции оптическому излучению должна возрасти. Для защиты рабочих от избыточной экспозиции обязательно должны применяться такие меры защиты как экранирование (глазные щитки) или защитная одежда.

Основными вредными биологическими эффектами, приписываемыми инфракрасному излучению, являются катаракты, известные как катаракты стеклодува или горнового. Длительная экспозиция при относительно низких уровнях вызывает у человека тепловой стресс. В условиях такой экспозиции необходимо учитывать такие дополнительные факторы, как температура тела и парообразующая потеря тепла, а также факторы окружающей среды. 

Для информирования и инструктирования рабочих в индустриальных странах были разработаны некоторые практические руководства. Обстоятельный обзор этого вопроса дан в работах Слини и Вольбаршта (1980).