INFRAROTSTRAHLUNG Vortrag bei Sentiotec

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1 INFRAROTSTRAHLUNG Vortrag bei Sentiotec 4. Juni 2013 DI Marko Weber Seibersdorf Laboratories +43(0)

2 Inhalt Natürliche & künstliche IR- Strahlung Photobiologische Gefahren Grenzwerte Messtechnische Erfassung Gutachten IR-Strahler von Sentiotec

3 Natürliche & künstliche IR-Strahlung

4 Das elektromagnetische Spektrum Ionisierend nicht ionisierend Frequenz [1/s] Höhenstrahlung -Strahlung Röntgen- Strahlung UV "Licht" IR Radar TV Radio (UKW) Radio (LW) Wechselstrom Wellenlänge [m] UV Sichtbar Licht IR-A IR-B IR-C 200 nm IEC nm 400 nm 780 nm 1400 nm 3000 nm 1mm

5 Natürliche IR-Strahlung (Sonne) 1,6 Anteil des jeweiligen Spektralbereichs in %: spektrale Bestrahlungsstärke [W m -2 nm -1 ] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 IR-A UV (290 nm nm): 3,4 % VIS (400 nm nm): 50,8 % IR (780 nm nm): 45,8 % (IR-A: 33,9 %, IR-B: 11,1 %, IR-C: 0,8 %) IR-B E tot = 900,14 W m -2 IR-C 0, Wellenlänge [nm]

6 Natürliche IR-Strahlung (Sonne) Spektrale Bestrahlungsstärke [mw m -2 nm -1 ] Effektive Bestrahlungsstärke 37 geneigt: 962,5 W m -2 (über den gesamten Halbraum) Effektive Bestrahlungsstärke pro Spektralbereich: Wellenlänge [nm] direkt 37geneigt Effektive Bestrahlungsstärke direkt: 767,2 W m -2 UV VIS IRA IRB direkt 13,6 W m ,4 W m ,4 W m -2 98,4 W m geneigt 29,2 W m ,3 W m ,2 W m ,9 W m -2

7 Künstliche IR-Strahlung Emittenz [W m -2 nm -1 ] 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 IR-B 0,10 IR-A 0,08 0,06 0,04 0,02 IR-C 0, Wellenlänge [nm]

8 Künstliche IR-Strahlung

9 Künstliche IR-Strahlung Temperaturstrahler Öfen, Schmelzen, heiße Oberflächen, Infrarotmodule, Glühlampen, Je heißer Temperaturstrahler, desto Größer ist die abgestrahlte Leistung, desto mehr Strahlung 3000 nm, desto eher GW- Überschreitung Bei Temperaturstrahlern ist Abschätzung des Risikos bei Kenntnis der Temperatur möglich. spektrale Ausstrahlung [W m -2 µm -1 ] C 1600 C 1000 C 600 C IR-A IR-B 300 C 100 C 30 C IR-C 1 0, Wellenlänge [µm]

10 Wassergefilterte IR-Strahlung spektrale Bestrahlungsstärke [mw m -2 nm -1 ] VIS IR-A IR-B wassergefiltert ungefiltert Wellenlänge [nm]

11 Photobiologische Gefahren & Biologische Wirkungen

12 Gefahren Haut Auge

13 Biologische Wirkung hängt ab von Wellenlänge Ort der Absorption Art der Wechselwirkung (thermisch, fotochemisch) Wo? Wie? Bestrahlungsdauer Bestrahlte Fläche/Leistung pro Fläche Wie stark?

14 Wo kann Schaden auftreten? Schaden tritt dort auf, wo Strahlung absorbiert wird Bindehaut Linse Netzhaut Hornhaut Absorption in % Aderhaut < 280 nm 300 nm 320 nm 340 nm 360 nm Lederhaut Gelber Fleck VIS & IR-A IR-B IR-C Vordere Augenkammer Sehnerv Regenbogenhaut Ziliarkörper Blinder Fleck Glaskörper

15 Haut Eindringtiefe opt. Strahlung

16 Überblick photobiologische Gefahren

17 Schädigungsmechanismen Photochemisch Thermisch Bestrahlungsstärke [W/m 2 ] Zeit [s] Über den Tag akkumulierte Dosis [J/m 2 ] ist entscheidend (Dosis Wirkungsbeziehung). Je länger Bestrahlungsdauer und größer Bestrahlungsstärke, desto größer Gefahr. Vor allem durch UV und blaues Licht verursacht (Photonen hoher Energie). Temperaturerhöhung im bestrahlten Gewebe ist entscheidend. Tritt meist bei kurzen, sehr intensiven Bestrahlungen auf (eher durch Pulse hohe Spitzenleistung hohe Temperatur). Beispiele: Verbrennung der Haut, Thermischer Netzhautschaden

18 Zeit bis Schadenseintritt akuter Schaden Langzeiteffekte Tritt sofort nach einmaliger zu hoher Strahlungsbelastung auf (z. B. thermische Netzhautschädigung) Tritt nach oftmaliger Bestrahlung erst nach Jahren auf (z. B. Infrarot- Katarakt Glasbläserstar). Foto reproduziert mit freundlicher Genehmigung der University of Michigan Kellogg Eye - Center

19 Photobiologische Gefahren durch IR Netzhautkoagulation (akut) - (IR-A) Hornhaut Trübung (akut) - (IR-C) Linse Katarakt (chronisch) - (IR-B) Haut Verbrennung innerhalb 10 s

20 Verbrennung Hitzeschmerz vor Verbrennung Gefahr nur bei extrem intensiven Quellen und kurzen Abständen Abwendungsreaktion bevor es zu Schädigung kommt Bei lokal hohen Bestrahlungsstärken und fehlendem Hitzeschmerz (Medikamente, Alkohol, Drogen)

21 Netzhautschaden Photochemisch Blue light hazard ( Sonnenbrand ) Starren in grelles Licht Bsp: Sonne, Schweißplasma vis Thermisch IR-A Hohe Intensitäten (Starke Blitze) ( Verbrennung )

22 Abwendreaktionen UV-C, B UV-A Hornhautentzündung keine- spürt man nicht Katarakt (chronisch) vis-blau Blue Light Hazard grell, Blendung vor vis-rot Netzhaut thermisch Schädigung IR-A - IR-B, C Katarakt (chronisch) spürt man heiß aber ev. keine Abwendreaktion Hornhaut (akut) Hitzeschmerz vor Schädigung

23 Erythema ab Igne - Hitzemelanose Chronische Bestrahlung knapp unter Schmerzreaktion zu Beginn reversibel Hauptsächlich kosmetisches Problem Im Extremfall Stelle für Entstehung von Hautkrebs durch andere Einwirkungen Erfahrung: kein hohes Risiko Foto: University of Iowa

24 Hitzestress, Hyperthermie teilweise erwünscht auch bei finnischer Sauna für etwaigen Grenzwert für IR-Bestrahlung: Studien notwendig

25 Hautkrebs, Hautalterung These von Prof. Krutmann (Düsseldorf) und Ladival In Fachkreisen umstritten Hausverstand : IR-A wird von Melanin wenig absorbiert Wenn Behauptung Krutmann und Ladival stimmen würde, dann höhere Krebsrate und Hautalterung in Schwarz-Afrika Nicht auszuschließen: erhöhte Hauttemp. schlecht wenn vorher DNA- Schäden, z.b. durch UV Strahlung, weil Reparatur beeinträchtigt.

26 Grenzwerte

27 Bestrahlungs-Grenzwerte Für Auge und Haut Wellenlängenabhängig Bestrahlungsdauerabhängig Thermischer Netzhautschaden: (Abhängig von Größe der scheinbaren Quelle)

28 Grenzwerte Wo? Für Auge und Haut ICNIRP: Guidelines on limits of exposure to broad-band incoherent optical radiation, statement on far infrared radiation exposure IEC/EN 62471: Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen EN : Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke, Teil 2-53: Besondere Anforderungen für Sauna-heizgeräte und Infrarot- Kabinen ÖNORM M :2010: Anforderungen an öffentliche und gewerbliche Saunaanlagen, Infrarotkabinen, Dampf- und sonstige Wärmekammern, Teil 2: Planung und Betrieb von Infrarotkabinen in vorgesehener Sitzposition dürfen Grenzwerte der ICNIRP Guidelines bzw. der EN nicht überschritten werden Einhaltung durch akkreditierte Stelle nachzuweisen.

29 Grenzwerte Haut Haut thermisch: Wellenlänge = 380 nm 3000 nm H H = t 0,25 J/m 2 (bei t < 10 s) Für t = 10 s: 20000, E H = 3556 W/m 2 E skin [W/m 2 ] GW E skin nicht definiert für Bestrahlungsdauern > 10 s Expositionsdauer [s]

30 Grenzwerte vordere Augenmedien Auge Infrarot: Wellenlänge = 780 nm 3000 nm Für t > 1000 s (16 min 40 s): E IR = 100 W/m 2 Für t 1000 s: E IR = t -0,75 W/m 2 E IR [W/m 2 ] Für t = 1 min (= 60 s): E IR = 835 W/m Zeit [s]

31 Vergleiche nur Anteil < 3000 nm mit GW Spektrale Bestrahlungsstärke IR-B IR-C Grauer Strahler für 330 C Wellenlänge (µm)

32 Grenzwerte Netzhaut Netzhaut thermisch: Wellenlänge = 380 nm 1400 nm Netzhaut thermisch, schwacher visueller Reiz (Leuchtdichte < 10 cd/m 2 ): Wellenlänge = 780 nm 1400 nm Für t 10 s: 50000, / Für t > 10 s: 6000 / Berücksichtigung des biologischen Wirkungsspektrums R( ) Berücksichtigung des biologischen Wirkungsspektrums R( )

33 Grenzwert EN Bestrahlungsstärke darf an keinem Punkt des nutzbaren Bereiches der vorgefertigten Infrarot-Kabine 1000 W/m 2 überschreiten. Gemittelte Bestrahlungsstärke über einen Raster von 20 cm x 20 cm im Brust- und Rückenbereich. 1x Rückenstrahler Vitae DIR-500-R (stehend) y 4 cm Sitzrost z x 30 cm Messfeld 20 cm x 20 cm x 50 cm 84 cm y z 1x Frontstrahler Vitae DIR-750-R (stehend)

34 Exposition > GW: Gefahrenbereich Biologische Wirkung Schädigungsschwellwert Reduktionsfaktor ( Sicherheitsfaktor ) Expositionsgrenzwert E x p o s i t i o n s n i v e a u

35 Messtechnische Erfassung

36 Messgeräte für Breitbandstrahlung Spektrometer: Messung erfolgt spektral aufgelöst (wellenlängenaufgelöst) man erhält Spektrum 120 Integral (Bewertungsfunktion 100 VIS IR-A 80 optisch eingebaut) 60 man erhält einen Messwert Thermografie: Messung der Oberflächentemperatur mittels Thermokamera Spektrum kann modelliert werden spektrale Bestrahlungsstärke [mw m -2 nm -1 ] IR-B Wellenlänge [nm] Leistung: 100 % 75 % 50 %

37 Zu beachten! Prüfling korrekt vorbereitet Prüfling in thermisch stabilem Zustand Umgebungseinflüsse (Reflexionen, ) Wahl der geeigneten Messgeräte Vorgaben in Guidelines und Normen (z.b. Mittelungssichtfeld)

38 Integrale Messung der Leistung- Thermosäulendetektor Vorteile: Breite Absorption, geringe Wellenlängenabhängigkeit µw kw Info über gesamte Leistung (0,2 µm 50 µm) In Kombination mit Filter: Leistung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches (z.b. < 3 µm) Nachteile: Empfindlich gegenüber Umgebung

39 Messung der spektralen Bestrahlungsstärke Zu messende (ungewichtete) Größe wird spektral aufgelöst gemessen. Messgeräte: Monochromatoren, Photodiodenarrays Photodiodenarray Doppelmonochromator Bentham DMc150V

40 Thermografie Heiße Oberfläche muss zugänglich sein Messung der Oberflächentemperatur mittels Thermokamera Anhand der Temperatur kann Spektrum modelliert werden (Planck). In Kombination mit Thermosäulendetektor 0,20 0,18 0,16 Emittenz [W m -2 nm -1 ] 0,14 0,12 IR-B 0,10 IR-A 0,08 0,06 0,04 0,02 IR-C 0, Wellenlänge [nm]

41 Gutachten LE-G18/13 IR-Strahler Sentiotec

42 Was wurde begutachtet? Infrarot-Vollspektrumstrahler Vitae und ECO Ausführung mit Gitter (G), Filterglas Robax weiß (W), Filterglas Robax dunkel (D) sowie unterschiedlichen elektrischen Anschlussleistungen (Vitae: 350 W 1300 W, ECO: 350 W 750 W) Strahlenschutztechnische Beurteilung zum Einsatz in IR-Kabinen Messung der Bestrahlungsstärke in repräsentativen Expositionspunkten Vergleich mit internationalen Grenzwerten gemäß ICNIRP und EN (für eine mögliche Schädigung von Augen und Haut)

43 Was wurde nicht begutachtet? Andere potentiell mögliche Nachteilige Wirkungen auf Haut oder Organismus keine anwendbaren Grenzwerte Keine Bewertung der IR-Strahlung im medizinisch-physiologischen oder therapeutischen Sinn

44 ECO 500-G VIS IR-A IR-B Spektrale Bestrahlungsstärke ECO 500G im Messabstand von 80 cm. Ohne Gitter erhöht sich die spektrale Bestrahlungsstärke um den Faktor 1,4.

45 Vitae 500-G VIS IR-A IR-B Spektrale Bestrahlungsstärke Vitae 500 bei demontiertem Gitter im Messabstand von 80 cm.

46 Anteil je Spektralbereich an Gesamtbestrahlungsstärke Spektrale Verteilung ECO 500G im Messabstand 80 cm: Integrale Bestrahlungsstärke in Prozent [%] Bezeichnung Wellenlängenbereich Wenige Minuten nach dem Einschalten Thermisch stabiler Zustand (t >>) UV < 400 nm 0 0 VIS 400 nm 780 nm 0,8 0,6 IR-A 780 nm 1400 nm 18,6 14,5 IR-B 1400 nm 3000 nm 54,7 42,6 IR-C 3000 nm 1 mm 25,9 42,3 Spektrale Verteilung Vitae 500 (ohne Gitter) im Messabstand 80 cm: Integrale Bestrahlungsstärke in Prozent [%] Bezeichnung Wellenlängenbereich Wenige Minuten nach dem Einschalten Thermisch stabiler Zustand (t >>) UV < 400 nm 0,0 0,0 VIS 400 nm 780 nm 1,0 0,9 IR-A 780 nm 1400 nm IR-B 1400 nm 3000 nm IR-C 3000 nm 1 mm 25 35

47 Einfluss Filterglas (Beispiel Vitae 500) Spektrale Bestrahlungsstärke in 30 cm ohne Filter bei demontiertem Gitter sowie mit den SCHOTT Filtergläsern Spektrale Transmissionsgrad SCHOTT RESISTAN - Filtergläser

48 Erste Ergebnisse ECO und Vitae ICNIRP-Grenzwerte betreffend UV und Netzhaut (thermisch & photochemisch) werden selbst bei Strahlern mit demontierten Gitter weit unterschritten. Bei Verwendung der Filtergläser wird in keinem repräsentativen Abstand der ICNIRP-Grenzwert für die Haut überschritten, selbst wenn IR-C Strahlung im Messwert mitberücksichtigt wird. Wie sieht s aus für die Haut wenn kein Filterglas verwendet wird bzw. besteht eine Gefahr für die vorderen Augenmedien aufgrund der IR- Strahlung?

49 Ergebnisse ECO 500-G betreffend Haut Messposition 5 cm axial vor Front 5 cm vor Front Strahler 2,5 cm über Achse Stab 5 cm vor Front Strahler 2,5 cm unter Achse Stab Integrationsbereich 380 nm bis 1mm (380 nm bis 3µm) 380 nm bis 1mm (380 nm bis 3µm) 380 nm bis 1mm (380 nm bis 3µm) Maximale integrale Bestrahlungsstärke [W m -2 ] 1684 (1007) 2016 (1216) 1912 (1216) Strahler mit Gitter Maximal zulässige Bestrahlungsdauer >10s (> 10 s) >10s (> 10 s) >10s (> 10 s) Strahler ohne Gitter Maximale integrale Bestrahlungsstärke [W m -2 ] 3472 (2517) 3742 (2702) 3742 (2702) Maximal zulässige Bestrahlungsdauer >10s (> 10 s) 9,35 s (> 10 s) 9,35 s (> 10 s)

50 Ergebnisse Vitae 500-G betreffend Haut Messposition 5 cm axial vor Front 5 cm vor Front Strahler 2 cm über Achse Stab Integrationsbereich 380 nm bis 1mm (380 nm bis 3µm) 380 nm bis 1mm (380 nm bis 3µm) Maximale integrale Bestrahlungsstärke [W m -2 ] 2505 (1339) 1528 (933) Strahler mit Gitter Maximal zulässige Bestrahlungsdauer >10s (> 10 s) >10s (> 10 s) Strahler ohne Gitter Maximale integrale Bestrahlungsstärke [W m -2 ] 3773 (2284) 2422 (1658) Maximal zulässige Bestrahlungsdauer 9s (> 10 s) > 10 s (> 10 s)

51 Ergebnisse Haut thermisch ECO & Vitae 500-G Verbrennung der Haut ist in den repräsentativen Abständen nicht möglich (5 cm für Rückenstrahler). Grenzwertüberschreitung am ehesten möglich wenn repräsentativer Abstand unterschritten wird und Rückenstrahler ohne Gitter verwendet wird.

52 Infrarot vordere Augenmedien Viele Einflussfaktoren: Kabinengeometrie, Anzahl Frontstrahler, Sitzposition, Blickverhalten, Körpergröße,. Worst-case Messungen: Gefahrenabstand durch Messung direkt und mittig auf Frontstrahler bestimmt. Gefahrenabstände bei Variation der Kopfposition bestimmt.

53 Infrarot vordere Augenmedien (Beispiel Vitae 500-G, worst-case ) Gefahrenabstand: Jener Abstand, bei dem der Messwert gleich dem Grenzwert für Dauerbestrahlung ist (100 W/m 2 für t 16 min 40 s) y x 41 cm Detektor L40 Abstand Infrarotstrahler (stehend)

54 Gefahrenabstände für Haut und Augen Vitae ( worst-case ) Infrarotstrahler Gefahrenabstand Haut Gefahrenabstand Auge Vitae DIR-350-R - ca. 73 cm Vitae DIR-500-R ca. 2 cm ca. 100 cm Vitae DIR-750-R ca. 6 cm ca. 139 cm Vitae DIR-1300-R ca. 16 cm ca. 179 cm Vitae WIR-350-R - ca. 64 cm Vitae WIR-500-R ca. 2 cm ca. 80 cm Vitae WIR-750-R ca. 4 cm ca. 104 cm Vitae WIR-1300-R ca. 14 cm ca. 167 cm

55 Gefahrenabstände für Haut und Augen ECO ( worst-case ) Infrarotstrahler Gefahrenabstand Haut Gefahrenabstand Auge ECO-350-G - ca. 69 cm ECO-350-R - ca. 79 cm ECO-500 (ohne Gitter) ca. 5 cm ca. 109 cm ECO-500-G < 5 cm ca. 85 cm ECO-500-R < 5 cm ca. 88 cm ECO-500 Filter < 5 cm ca. 70 cm ECO-750-R ca. 6 cm ca. 119 cm

56 Variation der Kopfposition Beispiel ECO 500-G y x 40 cm 41 cm Frontstrahler 750 W 130 cm 41 cm ca. 5 cm Annahme: Person blickt geradeaus. ECO 500-G: Bestrahlungsstärke bis 3000 nm als Funktion der Höhe y sowie der Distanz x.

57 Gefahrenabstände für Augen bei variabler Kopfposition Vitae & ECO (Beispiele) Infrarotstrahler Länge Strahler [cm] Vitae DIR-500-R 82 Vitae WIR-750-R 82 ECO-500-G 82 ECO-750-R 82 y min y=+20cm (ca. 20 cm über Oberkante Strahler) y=+20cm (ca. 20 cm über Oberkante Strahler) y=+20cm (ca. 20 cm über Oberkante Strahler) y=+40cm (ca. 40 cm über Oberkante Strahler) Gefahrenabstand Auge (axiale Ausrichtung) ca. 100 cm ca. 105 cm ca. 85 cm ca. 120 cm Anmerkung: Bei der minimalen Höhe y min über der Strahleroberkante ist der Gefahrenabstand für das Auge bereits unmittelbar beim Strahler.

58 Ergebnisse IR vordere Augenmedien Alle 350 W 750 W Strahler eignen sich als Frontstrahler für IR- Kabine Augen eines aufrecht sitzenden Erwachsenen befinden sich in entsprechender Höhe über Strahleroberkante Höhere Bestrahlungsstärken am Auge bei Kindern und liegenden Personen worst-case -Gefahrenabstände heranziehen 1300 W Strahler nicht als Frontstrahler geeignet wird nur als Deckenstrahler eingesetzt.

59 Gefahrenabstände Auge bei 3 Frontstrahlern (Vitae DIR-750-R) für unterschiedliche Kopfpositionen Detektor L40 30 cm 30 cm x 3x Frontstrahler Vitae DIR-750-R (stehend) y z Anmerkung: Strahler wurden bei höchster Leistungsstufe (8) betrieben

60 Schlussfolgerung für Einbau in Kabine Nur ein Strahler innerhalb eines Blickfeldes von 80 Ergebnis Einzelstrahler kann verwendet werden Bei Mindestkabinentiefe 95 cm Abstand zwischen Strahler zumindest 80 cm

61 Einfluss Dimmen Frontstrahler Vitae DIR-750-R

62 Einfluss Dimmen Frontstrahler Vitae DIR-750-R Leistungsstufe Leistung Strahler [%] Gefahrenabstand Auge [cm] E <3000 nm im Abstand von 30 cm [W m -2 ] Verkürzungsfaktor Gefahrenabstand durch Leistungsstufe #1) [-] , , , , , , , ,00 Anmerkung #1) : Bei Verkleinerung der Leistungsstufe verkleinert sich auch der Gefahrenabstand Auge. Der Verkürzungsfaktor ist unabhängig von der Kopfhöhe. Bei kleinerer Leistungsstufe reduziert sich die Bestrahlungsstärke unterhalb von 3000 nm gleichmäßig in allen Punkten vor dem Strahler, sofern die Abstrahlcharakteristik nicht von der Leistungsstufe abhängt.

63 Verhältnis E ges /E <3000 nm als Funktion der Leistungsstufe (Vitae DIR-750-R)

64 Prüfung gemäß EN x Rückenstrahler Vitae DIR-500-R (stehend) y 4 cm z Sitzrost x 30 cm Prüfung restriktiver als Praxis Mindestkabinentiefe beträgt 95 cm Messfeld 20 cm x 20 cm 84 cm y x z 50 cm Ergebnis für Front- und Rückenstrahler bei höchster Leistungsstufe (8): 1x Frontstrahler Vitae DIR-750-R (stehend) E mittel Brust = 540 W/m 2 E mittel Rücken = 1400 W/m 2 (540 W/m W/m 2 )/2 = 970 W/m 2

65 Prüfung gemäß EN Messwert ist abhängig von Tiefe der IR-Kabine Anzahl und Typ eingebauter Frontstrahler bzw. Typ Rückenstrahler Abstand zwischen eingebauten Frontstrahlern Gewählte Leistungsstufe bei Front- und Rückenstrahler

66 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!