ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. В этом разделе рассматриваются излучения оптического диапазона

В этом разделе рассматриваются излучения оптического диапазона. Оптический диапазон является частью электромагнитного спектра и расположен (по мере роста частоты и, соответственно, уменьшения длины волны) за миллиметровыми радиоволнами вплоть до рентгеновского излучения (длина рентгеновских волн менее 5·10^–9 м, т. е. 5 нм). Следует отметить, что в учебной и нормативно-технической литературе имеют место некоторые разночтения относительно четких границ диапазонов различных видов излучения. Так, в одном и том же учебнике [1] излучения с длинами волн 1…0,1 мм (частота, соответственно, 300…3000 ГГц) относят то к радиоволнам, то к оптической части спектра. Аналогично, за границу оптического и рентгеновского диапазонов иногда принимают излучение с длиной волны λ = 10 нм, а не 5 нм. Подобным образом дело обстоит и с границами между видами излучения внутри оптического диапазона:

– инфракоасное (ИК) излучение – λ; = 340 (100;1000)…0,78 (0,76) мкм;

– видимая часть спектра – λ; = 0,78 (0,76)…0,4 (0,38) мкм;

– ультрафиолетовое излучение (УФИ) – λ; = 400 (380)…10 (5)нм.

Отсутствие четких границ диапазонов объясняется плавным изменением свойств излучения при переходе от одного вида к другому. В качестве параметра излучений оптического диапазона обычно указывается длина волны (а не частота), что объясняется превалированием корпускулярных свойств этих излучений над волновыми.

Тепловым называется излучение, испускаемое телами вследствие их нагрева (в отличие, например, от явления люминесценции). Нагретое тело излучает в широком диапазоне длин волн. В первом приближении интегральная (по всем длинам волн) мощность излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающего тела (для абсолютно черного тела, согласно закону Стефана – Больцмана, строго пропорциональна). Кроме того, с ростом температуры источника имеет место уменьшение длины волны, соответствующей максимальной интенсивности излучения (закон смещения Вина). Так, излучение преимущественно голубого света при электросварке (и существенное присутствие в спектре ультрафиолета) свидетельствует о значительно более высокой температуре дуги, чем у вольфрамовой нити лампы накаливания, испускающей желтые и красные видимые лучи (а большей частью – ИК-излучение).

Ультрафиолетовое излучение в большинстве случаев оказывает незначительное тепловое воздействие. Например, в суммарной плотности потока мощности для солнечного света доля УФИ не превышает 5 % (при температуре поверхности Солнца порядка 6000 K). Тем не менее, ультрафиолетовое излучение (в том числе от антропогенных источников) играет большую роль в жизнедеятельности человека.

В ультрафиолетовой части спектра можно выделить две области: с длиной волны ≥ 200 нм и с длиной волны менее 200 нм. Длинноволновое УФ-излучение (λ; ≥ 200 нм) оказывает на человека двоякое воздействие. С одной стороны, это жизненно необходимый фактор, оказывающий благотворное стимулирующее действие на организм. С другой стороны, переоблучение длинноволновым УФИ может вызвать негативные последствия. Коротковолновое УФ-излучение положительного действия на организм человека не оказывает, а отрицательный эффект от его воздействия возрастает по мере уменьшения длины волны и приближения к границе рентгеновского диапазона. Поэтому собственно ультрафиолетовым излучением часто называют только длинноволновую область [1, 8], а диапазон с λ; = 5(10)…200 нм классифицируют как «жесткий ультрафиолет».

По биологическому воздействию выделяют три поддиапазона УФИ [8]:

– УФ- А – с длиной волны 400…315 нм;

– УФ- В – с длиной волны 315…280 нм;

– УФ- С – с длиной волны 280…200 нм.

Излучение диапазона УФ- А отличается сравнительно слабым специфическим биологическим воздействием (как и видимый свет). Излучение УФ- В обладает выраженным загарным и антирахитичным действием, может понижать чувствительность организма к некоторым вредным воздействиям вследствие интенсификации окислительных процессов и ускорения выведения вредных веществ (марганца, ртути, свинца). Оптимальные дозы УФИ (УФ- В и, отчасти, УФ- А) активизируют деятельность сердца, обмен веществ, дыхательную и кроветворную функции. Такое воздействие называют эритемным. Максимальное эритемное действие оказывает излучение с длиной волны 297 нм. В некоторых случаях для компенсации солнечной недостаточности (при отсутствии или недостатке естественного освещения; для предприятий, расположенных на крайнем севере) предусматривается искусственное профилактическое ультрафиолетовое облучение – люминесцентными эритемными лампами (ЛЭ).

Излучение поддиапазона УФ- С активно действует на тканевые белки и липиды, обладая выраженным бактерицидным действием. Максимальный бактерицидный эффект наблюдается для λ; = 254…257 нм.

В то же время, избыточные дозы УФИ негативно воздействуют на зрение, кожу и центральную нервную систему.

Наиболее уязвимы глаза, причем страдает преимущественно роговица и слизистая оболочка. Излучение с длиной волны менее 320 нм может вызвать острое поражение глаз – электроофтальмию (наиболее частой причиной является воздействие излучения электросварочной дуги). Заболевание проявляется ощущением песка в глазах, светобоязнью, слезотечением. К хроническим заболеваниям относятся хронический конъюнктивит и катаракта (помутнение хрусталика). Роговица наиболее чувствительна к излучению с λ; = 270…280 нм; наибольшее воздействие на хрусталик оказывает излучение в диапазоне длин волн 295…320 нм.

Поражения кожи протекают в форме острых дерматитов с эритемой (жжение, зуд), иногда с отеком и образованием пузырей. После интенсивного УФ-облучения развиваются гиперпигментация и шелушение кожи, а регулярное облучение большими дозами может привести к канцерогенному эффекту.

Симптомы воздействия на центральную нервную систему – головная боль, тошнота, повышение температуры тела, головокружение, повышенная утомляемость, нервное возбуждение и т. п.

Гигиеническое нормирование УФИ в производственных помещениях осуществляется по СН № 4557 – 88 [8]. Допустимая интенсивность УФ-облучения работающих при площади незащищенных участков кожи не более 0,2 м² (лицо, шея, кисти рук и т. д.) и периодах облучения до 5 мин, длительности пауз между ними не менее 30 мин и общей продолжительности воздействия за смену до 60 мин не должна превышать 50 Вт/м² для области УФ- А, 0,05 Вт/м² – для области УФ- В, 0,001 Вт/м² – для области УФ- С. При той же площади облучаемой поверхности тела, но более продолжительном воздействии (50 % рабочей смены при длительности однократного облучения свыше 5 мин) нормы ужесточаются, т. е. допускается в несколько раз меньшая интенсивность облучения: не более 10 Вт/м² для области УФ- А и 0,01 Вт/м² – для области УФ- В. Излучение в области УФ- С при указанной продолжительности не допускается. При использовании спецодежды и средств защиты лица и рук, не пропускающих излучение, суммарная интенсивность облучения в областях УФ- В и УФ- С не должна превышать 1 Вт/м².

В процессе лучистого теплообмена между телами участвуют в основном электромагнитные волны в инфракрасной и видимой областях спектра. Для большинства антропогенных и естественных источников (в том числе Солнца) большая часть энергии передается инфракрасным излучением, так как диапазон длин волн видимого света во много раз уже ИК-диапазона.

Воздух прозрачен (диатермичен) для теплового излучения. Поэтому при прохождении лучистого тепла температура воздуха не повышается. Тепловые лучи поглощаются предметами, нагревая их; последние сами становятся источниками теплового излучения. Воздух, соприкасаясь с нагретыми телами, также нагревается и температура в помещениях возрастает.

Тепловой баланс организма человека с окружающей средой (и поддержание постоянной температуры тела) обеспечивается равенством интенсивностей выделения тепла в результате жизнедеятельности организма и отдачи этого тепла во внешнюю среду. Отдача тепла организмом осуществляется следующими способами: конвекцией, дыханием, излучением и испарением (пота). В комфортных метеоусловиях основным способом охлаждения организма является ИК-излучение (44…59 % общей теплоотдачи). Тело человека излучает в диапазоне длин волн от 5 до 25 мкм (с максимумом при λ; = 9,4 мкм). Однако отдача человеческим телом тепла во внешнюю среду возможна лишь тогда, когда температура окружающих предметов ниже температуры тела. В противном случае направление потока лучистой энергии меняется на противоположное: уже тело человека будет получать дополнительную тепловую энергию и нагреваться.

Количественной характеристикой теплового излучения является его интенсивность (плотность потока мощности) W, Вт/м². Это мощность лучистого потока, приходящаяся на единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению излучения. Величина W пропорциональна температуре (приблизительно в четвертой степени) источника излучения, его размерам и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника излучения.

Количество поглощаемого телом человека лучистого тепла зависит от интенсивности излучения, площади поверхности облучаемых участков тела и угла падения на них тепловых лучей. Кроме того, воздействие теплового излучения приводит к перегреву организма тем быстрее, чем выше температура и влажность воздуха в помещении, тяжелее выполняемая работа.

Характер физиологического воздействия теплового излучения в значительной степени зависит от длины волны. Лучи коротковолнового диапазона (λ; < 1,4 мкм), т. е. видимое и так называемое «ближнее» [3] (по отношению к видимой части спектра) ИК-излучение, проникают в ткани человеческого организма на глубину в несколько сантиметров. Это приводит к повышению температуры внутренних органов – легких, почек и др. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости образуются специфические биологически активные вещества, нарушается обмен веществ, изменяется функциональное состояние центральной нервной системы. Такое излучение, проникая через кожу и черепную коробку, может воздействовать на головной мозг, вызывая тепловой удар. Лучи длинноволнового диапазона («дальнее» ИК-излучение) задерживаются в поверхностных слоях кожи уже на глубине 0,1…0,2 мм, нагревая, главным образом, поверхность тела.

При воздействии на глаза наибольшую опасность представляет коротковолновое ИК-излучение (видимые лучи такой же интенсивности были бы не менее опасными, если бы человек их не видел и не совершал защитных действий – как рефлекторных, так и осознанных). Помимо ожогов и конъюнктивита, оно может (как и видимый свет) фокусироваться на сетчатке, вызывая ее повреждение. Излучение с λ; < 1,8 мкм при интенсивном длительном облучении способно вызвать так называемую «инфракрасную» катаракту.

В соответствии с различиями в физиологическом воздействии ИК-диапазон спектра иногда подразделяют в зависимости от длины волны на три области: коротковолновую ИК- А (λ; менее 1,4 мкм), переходную область ИК- В (λ = 1,4…3,0 мкм) и длинноволновую ИК- С (λ; свыше 3,0 мкм) [1].

В нормативных документах по безопасности при оценке тепловой нагрузки на организм человека в качестве одного из параметров микроклимата производственных помещений фигурирует не интенсивность теплового излучения, а интенсивность теплового облучения (последний термин, строго говоря, следует понимать как мощность лучистого потока, приходящуюся на единицу площади облучаемой поверхности; если облучаемая поверхность перпендикулярна направлению излучения, то величины интенсивности излучения и интенсивности облучения равны между собой; непосредственно измерить можно интенсивность излучения). В соответствии с ГОСТ 12.1.005 – 88 [6] и СН 2.2.4.548 – 96 [7] нормируется интегральная (т. е. для всех длин волн инфракрасного и видимого диапазонов) интенсивность теплового облучения. Ее предельно допустимые уровни устанавливаются с учетом спектрального состава излучения, площади облучаемой поверхности тела, защитных свойств спецодежды. Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции [6], производственных источников, нагретых до темного свечения [7], не должна превышать: 35 Вт/м² – при облучении более 50 % поверхности тела; 70 Вт/м² – при облучении от 25 до 50 % поверхности тела; 100 Вт/м² – при облучении не более 25 % поверхности тела. От источников, нагретых до белого и красного свечения, (раскаленные или расплавленные металл и стекло, открытое пламя) интенсивность теплового облучения не должна превышать 140 Вт/м². При этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Вышеуказанные стандарты ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования (не распространяется на поверхности отопительных систем) в рабочей зоне – она не должна превышать 45 °C.

При наличии на рабочих местах теплового излучения необходимо предусматривать соответствующие мероприятия по защите работающих, в том числе дистанционное управление технологическими процессами.

Для защиты глаз используют светофильтры из темного или синего стекла. Задача светофильтра – максимально ослабить наиболее вредную для глаз часть спектра излучения конкретного источника, одновременно обеспечив достаточно комфортные условия визуального наблюдения за объектом работы. Обозначение промышленных светофильтров буквенно-цифровое. Выбор светофильтра по расположенной на первом месте букве зависит от спектра источника излучения: Г – при газовой сварке; П – при плазменной сварке и резке; Д – при работе у доменных печей и т. д. Стоящая на втором месте в обозначении цифра (номер) указывает на оптическую плотность светофильтра – чем больше этот номер, тем выше оптическая плотность. Номер светофильтра выбирается по количественным показателям технологического процесса: силе тока при электросварке, расходу ацетилена и кислорода при газовой сварке и резке и др. Например, светофильтры Э–1, Э–2, …, Э–5 должны использоваться электросварщиками при силе тока 30…75 А, 75…200 А, 200…400 А, 400…500 А и свыше 500 А соответственно.

Для защиты тела применяют: воздушное или водо-воздушное душирование рабочих мест; устройство специальных комнат или кабин (воздушных оазисов) для кратковременного отдыха с подачей в них кондиционированного воздуха; использование защитных экранов, водяных завес; применение средств индивидуальной защиты (спецодежды, спецобуви и др.).

Одним из самых распространенных способов защиты от теплового облучения является экранирование излучающих поверхностей. Различают не непрозрачные, прозрачные и полупрозрачные экраны. К последним относятся металлические сетки, цепные завесы, экраны из армированного металлической сеткой стекла. Непрозрачный (и полупрозрачный) экран, нагреваясь, сам становится источником теплового излучения. При этом излучение от поверхности экрана, противолежащей экранируемому источнику, условно рассматривается как пропущенное излучение источника.

По принципу действия экраны подразделяются на теплоотражающие, теплопоглощающие и теплоотводящие. Это деление достаточно условно, так как каждый экран обладает одновременно способностью отражать, поглощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе производится в зависимости от того, какая его способность выражена сильнее. Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхности, вследствие чего отражают в обратном направлении значительную часть падающей на них лучистой энергии (листы и фольга из алюминия, оцинкованная сталь, покрытие алюминиевой краской). Теплопоглощающие экраны выполняют из материалов с малым коэффициентом теплопроводности (резина, теплоизоляционный кирпич, асбест). В качестве теплоотводящих экранов широко используют водяные завесы, орошающие в виде пленки другую экранирующую поверхность (например, металлическую) либо заключенные в специальный кожух из стекла (акварильные экраны) или металла (змеевики и др.).

Эффективность экранирования Э оценивается в процентах:

 

%,

 

где W и W₀ – интенсивности излучения (плотности потока мощности) при, соответственно, наличии и отсутствии экрана, Вт/м².