Sichtbare und infrarote Strahlung

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1 Leitfaden Nichtionisierende Strahlung Sichtbare und infrarote Strahlung AKNIR

2 Der Leitfaden Nichtionisierende Strahlung Sichtbare und infrarote Strahlung wurde vom Arbeitskreis Nichtionisierende Strahlung des Fachverbandes für Strahlenschutz e. V. (Mitgliedsgesellschaft der International Radiation Protection Association - IRPA - für die Bundesrepublik Deutschland und die Schweiz erarbeitet). Er gibt zu der jeweiligen Strahlungsart die physikalischen Grundlagen, den derzeitigen wissenschaftlichen Erkenntnisstand über biologische Wirkungen, zulässige Expositionswerte und durchzuführende Schutzmaßnahmen an. Dem Arbeitskreis gehören Experten auf dem Gebiet der nichtionisierenden Strahlung aus den Niederlanden, Österreich, der Schweiz und Deutschland an. Ziel ist es, mit dem Leitfaden allen Interessierten die notwendigen Informationen an die Hand zu geben, um mit nichtionisierender Strahlung richtig umzugehen. Der Leitfaden enthält zurzeit folgende Teile: - Sonnenstrahlung - Ultraviolettstrahlung künstlicher Quellen - Sichtbare und Infrarote Strahlung - Laserstrahlung - Lichteinwirkungen auf die Nachbarschaft - Elektromagnetische Felder - Infraschall - Ultraschall Verfasser: Martin Brose Stand: Hauke Brüggemneyer Hans-Dieter Reidenbach Felix Serick Harald Siekmann Ernst Sutter Redaktion: Herr Prof. Dr. Hans-Dieter Reidenbach, FH-Köln, Sekretär des AK-NIR Fachhochschule Köln - Forschungsbereich HLT Betzdorfer Str Köln Telefon: Telefax: hans.reidenbach@fh-koeln.de

3 Inhaltsverzeichnis 0 Einleitung 1 Physikalische Grundlagen 2 Strahlungsquellen 3 Biologische Wirkungen auf den Menschen 4 Zulässige Werte 5 Messung von sichtbarer und infraroter Strahlung 6 Schutzmaßnahmen 7 Literatur 8 Adressen

4 0 Einleitung Sowohl sichtbare als auch infrarote (IR-) Strahlung können an Arbeitsplätzen und in der Freizeit auf vielfältige Weise auf den Menschen einwirken. Diese Strahlenarten gehören zur vorhandenen Umgebung (Umwelt) des Menschen und werden durch natürliche (Sonne) und künstliche Strahlungsquellen emittiert. Durch Infrarotstrahlung ist der Mensch ständig exponiert, durch sichtbare Strahlung häufig. Höhe, Dauer und Art der Exposition entscheiden darüber, ob durch die Einwirkung positive (zum Teil lebensnotwendige) Effekte hervorgerufen oder Schädigungen verursacht werden. Die Lage der Schädigungsschwellen und die Umstände, die zu Schädigungen führen können, sind daher von besonderem Interesse. Ebenso wichtig ist auch die Kenntnis der Wellenlängen, bei denen unterschiedliche biologische Wirkungen auftreten können. 1 Physikalische Grundlagen Sichtbare und infrarote Strahlung sind Teile des elektromagnetischen Spektrums (Bild 1). Bild 1: Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum (in logarithmischer Darstellung): Bezeichnung der Spektralgebiete in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und der Frequenz f Der für den Menschen sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums (Licht) ist der Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm (DIN ). Der Bereich elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm wird als Infrarotstrahlung bezeichnet. Auf Grund der biologischen Wirkung werden zusätzlich (nach DIN und der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE)) die folgenden Spektralbereiche unterschieden: IR-A von 780 nm bis nm, IR-B von nm bis nm, IR-C von nm bis 1 mm

5 Strahlungsquellen können entweder bei einzelnen diskreten Wellenlängen (z. B. Laser, Gasentladungslampen) oder über einen breiten Wellenlängenbereich (z. B. Sonne, Glühlampe) emittieren. Auch die Kombination beider Emissionen ist möglich (z. B. Hochdruck-Entladungslampen). 1.1 Strahlungsgrößen Zur quantitativen Bewertung elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und IR- Bereich sind folgende physikalische Größen von Bedeutung: Die Strahldichte L (Einheit W/m 2 sr) ist der Quotient aus der aus einer Fläche da in einen bestimmten Raumwinkel dω austretenden Strahlungsleistung dp und dem Produkt aus diesem Raumwinkel und der Projektion der Fläche auf eine Ebene dp senkrecht zur Strahlungsrichtung: L = (siehe Bild 2). dω da cosε Bild 2: Größen zur Bestimmung der Strahldichte L Die Bestrahlungsstärke E (Einheit W/m 2 ) ist die pro Flächeneinheit auf eine Fläche auftreffende Strahlungsleistung. Das Produkt aus Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsdauer ergibt die Bestrahlung H (Einheit Ws/m 2 = J/m 2 ). Anm.: Anstelle von "Bestrahlung" werden in der Photobiologie auch die Begriffe Dosis oder Bestrahlungsdosis verwendet. Wichtig ist bei der Angabe von Strahlungsmeßgrößen auch die Angabe des jeweiligen Wellenlängenbereiches, auf den sich die Meßgröße bezieht. Entweder wird die Meßgröße auf ein gesamtes Wellenlängenintervall (z. B. 380 nm bis 780 nm) bezogen, oder sie wird als spektrale Größe angegeben. So ist z. B. die spektrale Bestrahlungsstärke E λ = E/ λ die Bestrahlungsstärke bezogen auf ein infinitesimales Wellenlängenintervall. Für die Lichttechnik verwendet man Meßgrößen, die die spektrale Empfindlichkeit des Auges einbeziehen (DIN ). Da in diesem Beitrag aber nicht Fragen der Beleuchtung, sondern der biologischen Wirkung von Licht behandelt werden sollen, wird hierauf nicht näher eingegangen

6 1.2 Temperaturstrahlung Für den idealen "schwarzen Körper" läßt sich das Verhalten durch das Plancksche Strahlungsgesetz vollständig beschreiben: Das Plancksche Strahlungsgesetz gestattet die Berechnung der spektralen Strahldichte als Funktion der Wellenlänge und der Temperatur (siehe Bild 3): L λ ( λ, T ) = π n 2 5 c λ (e 1 c 2 / λt -1) Dabei bedeuten: c 1 = 2 π h c 0 2 = 3, W m 2 c 2 = h c 0 / k = 1, K m h = 6, J s (Plancksche Konstante) k = 1, J/K (Boltzmannsche Konstante) n = Brechzahl des Umgebungsmediums c 0 = m/s (Vakuumlichtgeschwindigkeit) λ = Wellenlänge, Einheit: m T = Temperatur, Einheit: K Spektrale Strahldichte L λ (λ,t) in W/(m 2 sr µm) K (Halogenglühlampe) 6000 K (Sonne) 800 K (Rotglut) 300 K (Mensch) 0, Wellenlänge λ in µm Bild 3: Spektrale Strahldichte des schwarzen Körpers für verschiedene Temperaturen Planck.jnb G Daraus lassen sich zwei weitere Beziehungen ableiten: Das Stefan-Boltzmannsche Gesetz gibt die Abhängigkeit der gesamten Strahlungsleistung von der Temperatur an: - 6 -

7 M(T) = σ T 4 mit M(T) : spezifische Ausstrahlung, Einheit: W/m 2 σ : Stefan-Boltzmann-Konstante = 5, W/m 2 K 4 Die Wellenlänge für das Maximum der Verteilung kann man durch das Wiensche Verschiebungsgesetz berechnen: mit b = 2, K m λ max = b / T Diese Verschiebung ist sehr deutlich in Bild 3 zu erkennen. Für reale Körper ist die Emission kleiner als für den idealen schwarzen Körper. Dieser Unterschied wird durch den Emissionsgrad ε(λ,t) ausgedrückt, dessen Werte zwischen 0 und 1 liegen und für zahlreiche Stoffe in der Fachliteratur angegeben sind. Wie Bild 3 zu entnehmen ist, ergeben sich für unterschiedliche Oberflächentemperaturen sehr unterschiedliche spektrale Strahldichten in den einzelnen Spektralgebieten. Während z. B. eine Zimmerwand bzw. der menschliche Körper bei etwa 300 K praktisch nur im IR-Bereich emittieren, befindet sich das Emissionsmaximum der Sonne im sichtbaren Spektralbereich. 1.3 Biologische Bewertungsgrößen Für die Wirkung von Strahlungswärme auf den Energiehaushalt des menschlichen Körpers werden spezielle Meßgrößen eingeführt. Die effektive Bestrahlungsstärke (Nettoeinstrahlung) E eff (Einheit: W/m 2 ) ergibt sich aus der Differenz zwischen der Einstrahlung von außen und der von der Körperoberfläche mit einer Temperatur von 32 C (T = 305 K) emittierten Strahlung (siehe z. B. DIN ). Neben der Bestrahlungsstärke, die häufig mit Gewichtungsfunktionen zu bewerten ist, und der Einwirkungsdauer gibt es eine Reihe weiterer Meßgrößen, die zur Bestimmung der Wärmebelastung einer Person bei gegebenen Umweltbedingungen ermittelt werden müssen. Sie hängt u. a. von Luftdruck, Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit, Wärmeeinstrahlung, Energieerzeugung durch Arbeit, Bekleidungsisolation, Schweißrate ab. Es handelt sich um über 100 Meßgrößen und sogenannte Klimasummenmaße, mit deren Hilfe die Wärmebilanz des Körpers ermittelt werden soll, um sie mit vorgegebenen Belastbarkeitsgrenzen vergleichen zu können. Ein Teil dieser Meßgrößen und Klimasummenmaße berücksichtigt die Energiezu- und -abfuhr durch Strahlung. Da dieser Bereich sehr umfangreich ist und einer eigenen Behandlung bedarf, wird hier auf die entsprechende Literatur verwiesen (z. B. DIN 33403, DIN ISO 7933). 2 Strahlungsquellen Strahlungsquellen kann man in natürliche oder künstliche einteilen, die beide in der - 7 -

8 Arbeitsplatzumgebung eine Rolle spielen. Die wichtigste natürliche Quelle ist die Sonne. Sie emittiert ähnlich der Strahlung eines schwarzen Körpers (Hohlraumstrahlers) einer Temperatur von ca K, also mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 500 nm. Die von ihr erzeugte Bestrahlungsstärke oberhalb der Atmosphäre beträgt 1367 W/m 2 (Solarkonstante). Die auf die Erdoberfläche gelangende Sonnenstrahlung wird allerdings durch selektive spektrale Absorption der Atmosphäre z. T. erheblich reduziert (siehe Tabelle 1). Tab. 1: Zusammenstellung der relativen Sonnenbestrahlungsstärkeanteile am Erdboden und außerhalb der Atmosphäre Spektralbereich außerhalb der Atmosphäre am Erdboden (Meereshöhe) Infrarotstrahlung 44 % 42 % sichtbare Strahlung 47 % 52 % ultraviolette Strahlung 9 % 6 % Es gibt eine Vielzahl von künstlichen Licht- und IR-Strahlungsquellen, wie Glühlampen, Entladungslampen, Flammen, erhitzte Werkstoffe, Öfen, Schweißbögen usw., mit sehr unterschiedlichen Emissionsspektren. Neben den breitbandigen Quellen emittieren die Laser meist nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich. Letztere werden hier nicht behandelt (siehe z. B. Leitfaden Teil "Laserstrahlung"). Zu den typischen Berufsgruppen, die an Arbeitsplätzen intensiver künstlicher und/oder natürlicher sichtbarer und/oder infraroter Strahlung ausgesetzt sind, gehören: - Glasbläser - Hochofenarbeiter - Stahlverarbeiter - Schweißer - Beleuchter - Schauspieler - Bedienungspersonal an Trocknern und Härtern - Graphisches Gewerbe - Feuerwehr - Bauarbeiter - Landarbeiter 3 Biologische Wirkungen auf den Menschen Im folgenden wird die Wirkung von Licht und IR-Strahlung auf die Haut und das Auge des Menschen genauer behandelt. Dabei muß zwischen kurzzeitiger und langwährender Einwirkung unterschieden werden. Für eine ausführliche Diskussion der Wirkungsmechanismen siehe z. B.: (Sutter oder Sliney) 3.1 Sichtbare Strahlung (Licht) Die Photonenenergie von Licht ist zu gering (3,26 ev bis 1,59 ev), um ionisierend zu wirken. Aber Strahlung mit Wellenlängen bis ca. 550 nm kann noch einige kovalente Molekülbindungen aufbrechen und bis ca. 660 nm noch ionische Bindungen. Ins

9 besondere für größere Wellenlängen ist der wesentliche Mechanismus neben diesen photochemischen Prozessen die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme. Deren Wirkung beruht auf der entsprechenden Temperaturerhöhung. Die Eindringtiefe der Strahlung ins Gewebe und der Ort der Umwandlung in Wärme hängen stark von der Wellenlänge ab. In Bild 4 wird dies an Hand der unterschiedlichen Eindringtiefe in leicht pigmentierte Haut schematisch dargestellt. Den spektralen Transmissionsgrad für die verschiedenen Teile des Auges zeigt Bild 5. Von den einzelnen Schichten der Haut und des Auges wird immer nur ein Teil der einfallenden Strahlung absorbiert. Bild 4: Eindringtiefe von Licht und IR- Strahlung in die menschliche Haut. Genauere Angaben über die mittlere Eindringtiefe von verschiedenen Wellenlängen in die Haut sind in Health Council of the Netherlands 1993 aufgeführt Wirkung sichtbarer Strahlung auf die Haut Intensive Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich kann wie Infrarotstrahlung zu mehr oder weniger starker Hauterwärmung führen. Über dadurch verursachte Hautschäden wurde bisher wenig bekannt. Durch Licht, vermutlich auch UV-A, kann eine Lichtdermatose, vielfach "Lichtallergie" genannt, ausgelöst werden. Dabei scheint ein körpereigenes Allergen aktiviert zu werden, was sich in einer Art Nesselsucht äußert, bei der Jucken, Brennen, Rötung und Quaddeln auftreten können Wirkung sichtbarer Strahlung auf das Auge Kurzzeitige Lichteinstrahlung auf das Auge Wirkt Licht hoher Bestrahlungsstärke auf das Auge ein, so kann es zu thermischen Schäden im Bereich der Netzhaut kommen (z. B. Blitzlampen). Daneben führen hohe Leuchtdichten zu einer Blendwirkung. Diese hängt vom Adaptationszustand ab. Aufgrund der Blendwirkung in Verbindung mit Abwendungsreaktionen (meist innerhalb 1 s) und dem Lidschlußreflex (meist innerhalb 0,25 s) sind thermische - 9 -

10 Netzhautschäden durch starke Lichtquellen selten. Eine Möglichkeit des Auftretens von Schäden sind sehr intensive Lichtblitze, für die diese Reaktionen nicht schnell genug ablaufen oder unterdrückt werden (Schauspieler im Scheinwerferlicht). Bild 5: Spektraler Transmissionsgrad τ(λ) bis zur Vorderseite der im Bild angegebenen Teile des Auges (Boettner et al. 62). Untersuchungen am Auge von Rhesusaffen (Maher 78) führen zu sehr ähnlichen Werten Längerzeitige Lichteinstrahlung auf das Auge Licht hoher Leuchtdichte (> 10 4 cd/m²) kann bei Einwirkung auf das Auge über längere Zeiten (Bereich Sekunden bis Stunden) durch photochemische Reaktionen zu einer Netzhautschädigung, wie z. B. die Photoretinitis, führen. Dies gilt insbesondere für den kurzwelligen Bereich unterhalb von 500 nm (Blaulichtgefährdung). Netzhautschäden sind irreversibel. Für Personen, bei denen die Augenlinse durch eine künstliche Linse ersetzt wurde, sowie für Kinder ist das Risiko erhöht, da deren Augenlinse, insbesondere im UV, durchlässiger als bei Erwachsenen ist. Moderne Implantate sind allerdings meist mit entsprechenden UV-Absorbern ausgestattet. 3.2 Infrarotstrahlung Die Photonenenergie (1,59 ev bis 1,24 mev) von IR-Strahlung ist zu gering, um chemische Reaktionen auszulösen oder gar ionisierend zu wirken. Der wesentliche Mechanismus bei der Einwirkung von IR-Strahlung auf menschliches Gewebe beruht auf der Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme. Die Wellenlängenabhängigkeit des Eindringens von IR-Strahlung in leicht pigmentierte Haut und in das Auge sind in den Bildern 4 und 5 dargestellt

11 3.2.1 IR-Einstrahlung auf die Haut Kurzzeitige Hautbestrahlung Bei Einwirkung intensiver IR-Strahlung auf die Haut kann es zur Verbrennung der Haut kommen. IR-Strahlung dringt in Abhängigkeit von der Wellenlänge unterschiedlich weit in die Haut ein (siehe Bild 4). Strahlung von 1 µm Wellenlänge wird überwiegend bis in etwa 1 mm Tiefe in der Haut absorbiert, längerwellige Strahlung bereits in der Epidermis, d. h. in einigen 10 µm Tiefe, also in der aus abgestorbenen Zellen bestehenden Hornhaut. Bild 6: Schmerzgrenze der unbekleideten Haut in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke (DIN ) Insbesondere bei größeren Wellenlängen (z. B. 10 µm) führt dies bei intensiver Strahleneinwirkung zu starker lokaler Erwärmung. Wegen der beteiligten Wärmetransportvorgänge ist die Bestrahlungsstärke, die zu einer Verbrennung führt, von der Dauer der Einwirkung abhängig. Diese Abhängigkeit ist in DIN (Bild 6) dargestellt. Dabei ist in Abhängigkeit von der Einwirkungsdauer diejenige Bestrahlungsstärke aufgezeichnet, die zu einer Schmerzempfindung führt; dies bildet das Vorstadium zu einer Verbrennung. So führt z. B. eine Bestrahlungsstärke von etwa 7 kw/m 2 bis 10 kw/m 2 nach etwa 5 s zu einer Schmerzempfindung und kurz darauf zur Verbrennung. Aber schon Bestrahlungsstärken von ca. 1,5 kw/m 2 führen bei längerer Bestrahlung (über 10 min) zu Schmerzempfindungen Langandauernde Hautbestrahlung Eine IR-Strahlungswirkung kann auch unterhalb der Verbrennungsschwelle zu einer thermischen Belastung des Menschen führen. Durch die Zufuhr von Wärme über die Strahlung wird der Wärmehaushalt des Menschen beeinflußt. Dieser Wärmehaushalt befindet sich in einem Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung (Energieumwandlung der aufgenommenen Nahrung, Muskelarbeit) und Wärmeabgabe (Wärmeleitung, Konvektion, Schwitzen). Das Gleichgewicht ist auf einen engen Temperaturbereich beschränkt. Eine großflächige Wärmestrahlungseinwirkung, wie sie z. B. an einem Schmelzofen auftritt, kann dieses Gleichgewicht stören und zu einer Erhöhung der Körpertemperatur führen. In Bild 7 aus DIN ist dieser Zusammenhang dargestellt. Man sieht, daß ohne Muskelarbeit eine effektive Bestrahlungsstärke von ca. 300 W/m 2 die Grenze derjenigen Strahleneinwirkung darstellt, die über 8 Stunden erträglich ist. Bei schwerer Muskelarbeit von z. B. 200 W liegt die Erträglichkeitsgrenze für eine 8-stündige Exposition bei nur noch 140 W/m 2. Auf Wirkungen, die durch langzeitige IR-Exposition verursacht werden, gibt es in der

12 Literatur einige Hinweise. Genannt werden z. B. Degradation (Verschlechterung) der Haut und Schädigung der Atemwege. Es gibt aber nur sehr wenige Untersuchungen, so daß die Relevanz dieser Effekte eher als gering eingeschätzt werden kann. Hinweise, daß durch IR-Strahlung karzinogene oder genetische Wirkungen ausgelöst werden, sind bisher nicht gefunden worden. Arbeitsenergieumsatz AU in W Orientierungsbereich erträglicher Dauerexposition durch Wärmestrahlung Bild 7: Orientierungsbereiche für die IR-Strahlungsexposition in Abhängigkeit vom Arbeitsenergieumsatz AU nach DIN Mittlere effektive Bestrahlungsstärke in W/m 2 orient.cdr IR-Einstrahlung auf das Auge Während sichtbare Strahlung die Netzhaut weitgehend ungeschwächt erreicht, ergibt sich durch den gallertartigen Glaskörper und die davorliegenden Augenteile, die alle einen hohen Wassergehalt aufweisen, im IR-Bereich eine stärkere, wellenlängenabhängige Schwächung. Durch die Hornhaut kommt nur ein kleiner Anteil von Strahlung, die langwelliger ist als 2000 nm. Die vordere Augenkammer absorbiert alle Strahlung über 2000 nm. Die Iris absorbiert weitgehend alle infrarote Strahlung. Durch Linse und Glaskörper werden alle Wellenlängen größer nm herausgefiltert (siehe Bild 5 und die schematische Darstellung in Bild 8). Auf die Retina (Netzhaut) kann im wesentlichen Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis nm fallen. Die Energie der Infrarotstrahlung, die das Auge absorbiert, wird in Wärme umgewandelt. Wegen der Absorption im vorderen Teil des Auges kann es, insbesondere in der Augenlinse, zu Schädigungen durch IR-Strahlung kommen. Zwar ist auch eine Schädigung der Hornhaut möglich; wegen der Schmerzempfindung bei Einwirkung von so intensiver Strahlung wird das Auge aber normalerweise reflexartig geschlossen, so daß in der Praxis Hornhautschädigungen selten beobachtet werden

13 Iris Hornhaut >2500nm >2000nm >1400nm 400 nm bis 1400 nm Vordere Augenkammer Retina Foveola Papille Linse Glaskörper Aderhaut Sehachse optische Achse Hinterer Augenpol Sehnerv Lederhaut cdr Bild 8: Schnitt durch das menschliche Auge und schematische Darstellung der Eindringtiefe von Strahlung verschiedener Wellenlängenbereiche Kurzzeitige IR-Strahleneinwirkung auf das Auge Bei Absorption sehr intensiver IR-Strahlung in der Linse wird deren Temperatur erhöht, was zu einer Trübung der Linse führen kann. Dieses kann auch durch Wärmeenergie ausgelöst werden, die nach Strahlenabsorption in Iris, Hornhaut oder vorderer Augenkammer über Wärmeleitung in die Linse gelangt (Vos u. a.). In der Literatur sind Werte zwischen 1 kw/m 2 und 4 kw/m 2 für die Bestrahlungsstärke genannt, die bei kurzzeitiger Einwirkung unmittelbar zu einer Trübung der Linse führen. Solche Werte sind meist Ergebnisse von Tierversuchen. In der Praxis kommt es, außer bei Lasern, kaum vor, daß solch hohe Bestrahlungsstärken unbemerkt auf ein ungeschütztes menschliches Auge einwirken. Die in Frage kommenden Strahlungsquellen sind in der Regel Breitbandquellen, die auch intensiv im sichtbaren Bereich emittieren. Wegen der Blendwirkung und Hitzeeinwirkung geschieht der beabsichtigte Blick in solche intensiven Strahlungsquellen praktisch immer mit geschützten Augen. Eine unmittelbare Trübung der Augenlinse durch IR-Einwirkung ist daher sehr unwahrscheinlich. Nur bei Infrarot-Strahlungsquellen ohne wesentlichen sichtbaren Anteil besteht die Möglichkeit erhöhter Exposition im IR-A-Bereich Langandauernde IR-Strahleneinwirkung auf das Auge Auch eine langzeitige schwache IR-Strahlungseinwirkung kann zu einer Trübung der Augenlinse (Katarakt) führen. Diese Erkrankung wird als Feuerstar oder Glasbläserstar bezeichnet und trat früher häufiger als heute bei Arbeiten in Metallschmelzen und in Glasbläsereien auf. Die erforderlichen Einwirkungszeiten liegen im Bereich von 10 bis 30 Jahren. Die Trübung beginnt am hinteren Pol der Augenlinse (Bild 8) und breitet sich von dort zu den Seiten hin aus. Der genaue Wirkungsmechanismus ist bis heute umstritten. Möglicherweise wird durch die Strahleneinwirkung die Genese der Linsenzellen gestört, so daß die wachsenden Zellen nicht mehr durchsichtig sind. Ob dies durch Temperaturerhöhung oder einen anderen Mechanismus verursacht wird, ist unklar. Es hat eine Reihe von Untersuchungen gegeben, um die Bestrahlung (Bestrahlungs

14 stärke mal Einwirkungsdauer) zu ermitteln, die zu einer solchen Erkrankung führen kann. Naturgemäß ist es aber schwierig, bei Einwirkungszeiten im Bereich von Jahrzehnten, genaue Zahlenwerte zu ermitteln. Es wird meist empfohlen, die IR-Bestrahlungsstärke auf 100 W/m 2 zu begrenzen, um eine langfristige Kataraktbildung zu vermeiden. Durch das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitssicherheit (BIA) sind Messungen durchgeführt worden, um den Zusammenhang zwischen dem Auftreten einer Linsentrübung und der IR-Strahlungseinwirkung am Arbeitsplatz zu untersuchen. Danach haben sich neben der Bestrahlungsstärke weitere Kriterien für die Beurteilung eines solchen Krankheitsfalles als nötig erwiesen. Dazu gehören die Dauer der Einwirkung, das Alter des Geschädigten und - soweit vorhanden - ein pathologischer Befund. Als Grenzbereich für die Auslösung einer Linsentrübung durch Infrarot-Strahlung wird in der Literatur eine Bestrahlungsstärke von 10 W/m 2 bis 100 W/m2 (als 8-Stunden Mittelwert) genannt. In Zusammenhang mit der Infrarot- Katarakt muß auch eine schwedische epidemiologische Studie über das Auslösen einer Linsentrübung durch Infrarot-Strahlung bei Glasbläsern hervorgehoben werden (Lydahl). Beim Tragen von Kontaktlinsen in der Nähe von starken Infrarot-Quellen kann es zu Reizungen der Bindehaut durch Austrocknung der Tränenflüssigkeit kommen. Meldungen, wonach Kontaktlinsen durch Strahlungseinwirkungen mit der Hornhaut verkleben können und bei deren Herausnehmen die Hornhaut mit abgezogen werden kann, haben sich nicht bestätigt. 3.3 Indirekte Wirkungen Über indirekte Wirkungen von Licht und IR-Strahlung ist nicht sehr viel bekannt. Viele Quellen infraroter Strahlung sind auch sehr heiß und können daher Verbrennungen hervorrufen oder entzündliche Gemische zur Explosion bringen. Bei offenen Flammen und Schmelzen muß immer mit giftigen Dämpfen oder Gasen gerechnet werden, beim Schweißen z. B. mit NO x. Es ist bekannt, daß durch gleichzeitige Einwirkung von IR- und UV-Strahlung die Schwelle für das Auftreten eines UV-Erythems gesenkt wird. Die Blendwirkung intensiver Lichtquellen kann Unfälle verursachen. Dies gilt insbesondere für den Straßenverkehr, aber auch an entsprechenden Arbeitsplätzen. 4 Zulässige Werte 4.1 Grenzwerte für das Auge Für den Bereich Licht und Infrarotstrahlung gibt es bisher in Deutschland keine umfassenden verbindlichen Sicherheitsstandards und Grenzwerte. Es gibt lediglich für einige Teilbereiche (UV-Strahlung im Gesundheitswesen, Laser) Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften und Normen, in denen Grenzwerte festgelegt sind. Allerdings ist derzeit eine Unfallverhütungsvorschrift über optische Strahlung in Vorbereitung, die inkohärente Strahlung behandelt. Im Rahmen der europäischen Gesetzgebung hatte die EG-Kommission 1994 einen Vorschlag für eine Richtlinie über "Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen" erarbeitet. Dieser Richtlinienentwurf, der neben der optischen Strahlung

15 auch mit anderen physikalischen Einwirkungen behandelt, ist zwischenzeitlich durch einzelne Richtlinien bzw. -entwürfe weiterverfolgt worden, wobei z. Zt. die optische Strahlung nicht behandelt wird. Sollte eine solche Richtlinie erlassen werden, müßten die EG-Mitgliedsstaaten dann deren Inhalt in ihr nationales Recht übernehmen. Sie könnten, z. B. im Hinblick auf die Grenzwerte, auch schärfere Regelungen in ihrem Bereich festlegen, dürften im Schutzniveau aber nicht unter dem EG-Vorschlag bleiben. Daneben gibt es weitere Aktivitäten auf dem Gebiet der Grenzwerte für inkohärente optische Strahlung. Von der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) existieren jährlich aktualisierte Grenzwertsätze. Von der International Commission on Non-ionizing Radiation Protection (ICNIRP) wurden Richtwerte in Health Physics veröffentlicht. Bei der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) ist der Technische Bericht IEC TR über Grenzwerte für inkohärente optische Strahlung erschienen. Diese drei Dokumente stimmen im wesentlichen überein. Die Grenzwerte für die Exposition des Auges durch sichtbare und IR-Strahlung sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Bei der Bewertung aller genannten Grenzwerte ist zu beachten, daß sie nicht als scharfe Trennlinie zwischen "sicher" und "unsicher" anzusehen sind. Diese Tabelle enthält in der ersten Spalte den jeweiligen Wellenlängenbereich, in der zweiten Spalte die Größe, für die Grenzwerte festgelegt sind sowie die Formel, wie diese Größe zu bestimmen ist und in den weiteren Spalten in Abhängigkeit von der Einwirkungsdauer die zulässigen Grenzwerte. Die zweite und dritte Zeile der Tabelle enthalten die Grenzwerte für Strahler, die eine Leuchtdichte über 10 cd/m 2 (gemittelt über ein Gesichtsfeld von 0,011 rad) haben, die Zeile darunter die Grenzwerte für Strahler, deren Leuchtdichte kleiner ist, so daß kein oder nur ein geringer visueller Reiz zu erwarten ist. Dadurch werden Abwendungsreaktionen, wie der Lidschlußreflex u. U. nicht wirksam und es ist möglich, längere Zeiten in derartige Quellen zu sehen. Die Grenzwerte beginnen aus diesem Grunde erst bei 10 s Einwirkungsdauer. Alle Grenzwerte dieser drei Zeilen sind als Strahldichten ausgedrückt. Die letzte Zeile der Tabelle 2 enthält schließlich Grenzwerte, die die Gesamtbestrahlung im Infraroten begrenzen, hauptsächlich im Hinblick auf eine mögliche Entstehung einer Katarakt. Diese Grenzwerte sind auf Wellenlängen bis nm beschränkt, obwohl auch längerwellige Strahlung, wie oben diskutiert, über Wärmeleitung zur Kataraktentstehung beitragen kann. Für lange Zeiten gilt der bereits genannte Grenzwert von 100 W/m 2. Nur bei diesem Grenzwert muß die Gesamtbestrahlungsstärke im Wellenlängenbereich von 780 nm bis nm ermittelt werden. Bei allen anderen Grenzwerten ist die Strahlung mit Gewichtungsfunktionen R(λ) oder B(λ) zu bewerten. Dies betrifft einerseits die thermische Gefährdungsfunktion R(λ) für die Netzhaut, andererseits die Netzhautgefährdung durch blaues Licht, die durch die Blaulichtgefährdungsfunktion B(λ) beschrieben wird. Beide Funktionen sind in Bild 9 dargestellt. Die Zahlenwerte können Tabelle 5 entnommen werden. Ein wichtiger Hinweis: Die Blaulichtgefährdungsfunktion B(λ) endet nicht an der Grenze zwischen Sichtbarem und UV, sondern erstreckt sich sogar bis 300 nm, d. h. bis ins UV-B. Ferner gibt es einen Entwurf für die Unfallverhütungsvorschrift BGV B 9 "Optische Strahlung". Dieser Entwurf enthält ganz ähnliche Grenzwerte wie das IEC- bzw. ICNIRP-Dokument (siehe Tabelle 3). Eine Besonderheit ist dort allerdings, daß der Grenzwert von 100 W/m 2 zur Kataraktverhinderung nicht festgelegt wurde, sondern eine Tagesdosis von J/m

16 Tabelle 2: Maximal zulässige Bestrahlung des Auges durch inkohärente optische Strahler im Sichtbaren und im Infraroten nach IEC TR Einwirkungsdauer t / s Wellenlänge λ / nm Größe und Gewichtungsfunktion 700 nm B ) 300 nm 300 bis 700 L = L λ ( λ) B( λ λ nm 380 bis LRTH = L λ ( λ) R( λ) λ 380 nm 780 bis nm Leuchtdichte des LIR = L λ ( λ) R( λ) λ Strahlers <10 cd/m nm 10-9 bis 1, ,2 0,9 Cα t m W 2 sr C 1, bis α t t 4 1/ 4 W 2 m sr m W darüber stehende Zeile gilt 2 sr 10 bis bis 104 2,8 10 C α C α 4 m m W W 2 2 sr sr 104 bis W 2 m sr nm 780 bis EIR = E λ λ) 780 nm ( λ 18, 10 4 W t 34 / m W m

17 Tabelle 3: Maximal zulässige Bestrahlung des Auges durch inkohärente Strahler im Sichtbaren und im Infraroten nach dem Fachausschußentwurf der BGV B9 Größen und Gewichtungsfunktionen nm L R = 380 Einwirkungsdauer t in s ( λ) L λ ( λ) R d λ nm Für α 0,011 rad: 600 nm L B = 380 L λ ( λ) B( λ) d λ nm C α < 1, , bis , t W m² sr 0, C α t t W m ² sr 0, 25 6 W m² sr 10 bis , 8 10 C α bis W m ² sr bis W 100 m ² sr Für α < 0,011 rad: 600 nm 100 W W 0,01 E B = E λ ( λ) B( λ) d λ t m² m ² 380 nm nm 0,75 W E IR = E λ ( λ) dλ t m² ist nicht erforderlich 780 nm 3000 nm 6 J H IR = H λ ( λ) dλ 3 10 m ² 780 nm

18 Blaulichtfunktion B(λ) Thermische Gefährdungsfunktion R(λ) ,1 0,01 0,001 B(λ) 0, Wellenlänge λ/ nm R(λ) jnb Bild 9: Wellenlängenabhängigkeit der thermischen Netzhautgefährdung R(λ) und der photochemischen Netzhautgefährdung durch blaues Licht B(λ) Die beiden Grenzwertsätze im Wellenlängenbereich von 380 nm bis nm, die mit der Gewichtungsfunktion für die thermische Netzhautgefährdung bewertet werden, enthalten außerdem einen Faktor C α. Dieser Faktor nimmt folgende Werte an: C α = α min für α α min C α = α für α min < α α max C α = α max für α max < α α ist dabei der Winkel, unter dem die Quelle vom Beobachter aus erscheint. α min stellt den kleinsten Winkel dar, der bei der Berechnung zu verwenden ist. Unterhalb von α min sind die Grenzwerte vom Winkel unabhängig, ebenso oberhalb von α max = 100 mrad. α min hängt nach IEC TR von der Einwirkungsdauer t ab (siehe Tabelle 4). In dem Entwurf der BGV B 9 ist diese Abhängigkeit entfallen, und es wird unabhängig von der Zeit α min = 1,5 mrad gesetzt. Dieses Vorgehen ist biologisch zutreffender. Tabelle 4: Grenzwinkel für das Auge α min = 1,5 mrad für t < 0,7 s α min = 2. t 3/4 mrad für 0,7 s t < 10 s α min = 11 mrad für t 10 s α max = 100 mrad = 0,1 rad

19 Zur Bestimmung der Winkelausdehnung der Quelle ist bei nicht kreisförmigen Quellen der Mittelwert von größter und kleinster Ausdehnung zu benutzen. Quellenabmessungen, die größer als α max oder kleiner als 1,5 mrad sind, müssen vor Berechnung des Mittelwertes auf α max bzw. 1,5 mrad begrenzt werden. Letzteres gilt auch für kreisförmige Quellen, die kleiner als 1,5 mrad oder größer als 0,1 rad sind. Eine besondere Behandlung erfordern Folgen von Lichtimpulsen (Lichtblitzen), die in das Auge fallen. In diesem Falle muß die Gesamtzahl der Lichtblitze N bestimmt werden, die während einer erwarteten Expositionsdauer den Beobachter erreichen kann. Die Grenzwerte L B und L RTH müssen dann mit N -1/4 multipliziert werden, d. h. proportional zur vierten Wurzel aus dieser Anzahl reduziert werden. Diese Reduktion erfolgt so lange, bis der Grenzwert für lange Einwirkungsdauern unterschritten wird, d. h. für L B der Wert 100 W/(m 2 sr) und für L RTH der Wert 2, /C α W/(m 2 sr). Maximal zulässige Strahldichte L / W/(m 2 sr) d - G7.jnb Thermische Netzhautgefährdung 1050 nm 1150 nm L RTH für α max und 435 nm 440 nm L RTH für α max L RTH für α min Blaulichtgefahr L B 435 nm 440 nm Einwirkungsdauer t / s L IR für α min LIR für αmax Bild 10: Vergleich der maximal zulässigen spektralen Strahldichte L(λ) (gezeigt für L IR, L RTH und L B ) für zwei Wellenlängenbereiche (von 1050 nm bis 1150 nm ist R(λ) = 0,2, zwischen 435 nm und 440 nm ist R(λ) = 10 (siehe Bild 9)) Graphisch sind die Grenzwertfunktionen in Bild 10 für einige Wellenlängenbereiche dargestellt. Auf Grund der Wellenlängenabhängigkeit der Gewichtungsfunktionen ist dies immer nur für einzelne Wellenlängen/-bereiche möglich. Aus diesem Bild erkennt man, daß die Grenzwerte für die Blaulichtgefährdung bei langen Einwirkungsdauern am niedrigsten sind. Ab welcher Zeit und für welche Quelle dies gilt, kann man allerdings nicht allgemeingültig vorhersagen. Dies bedeutet, daß stets alle Funktionen ausgewertet werden müssen und dann der restriktivste Wert für die Bewertung eines Strahlers verwendet werden muß. Außerdem erkennt man in Bild 10 (obere Kurven), daß in den zulässigen Strahldichten nach den verschiedenen Wirkungsfunktionen bei 10 s Einwirkungsdauer zwischen L RTH und L IR im Infraroten ein Sprung von nahezu einer Größenordnung auftritt

20 Tabelle 5: Gewichtungsfunktionen für die thermische Netzhautgefährdung und die Blaulichtgefährdung Wellenlänge Blaulicht- Gefährdungsfunktion B(λ) Thermische Gefährdungsfunktion R(λ) nm , ,01 0, ,013 0, ,025 0, ,05 0, ,10 1, ,20 2, ,40 4, ,80 8, ,90 9, ,95 9, ,98 9, ,00 10, ,00 10, ,97 9, ,94 9, ,90 9, ,80 8, ,70 7, ,62 6, ,55 5, ,45 4, ,40 4, ,22 2, ,16 1, ,10 1,0 > ,02 (450 - λ / nm) 1 > ,001 1 > ,002 (700 - λ / nm) 10 > ,2 > ,02*(1150 λ / nm) 0,2*10 > , Grenzwerte für die Haut Zum Schutz der Haut gibt es in den weiter oben genannten Grenzwertpapieren nur einen einzigen Grenzwert. Dabei gilt nach IEC TR für t < 10 s zwischen 380 nm und nm folgender Höchstwert für die Gesamtbestrahlung H: H = t 1/4 J/m 2 (1)

21 und nach dem Entwurf der BGV B9 im Wellenlängenbereich von 280 nm bis 10 6 nm H = 1, t 1/4 J/m 2, wobei t die Einwirkungsdauer in Sekunden ist. Dieser Grenzwert soll vor Verbrennungen schützen. Für längere Zeiten als 10 s ist kein Grenzwert festgelegt. Der Grund dafür ist, daß natürliche Abwendungsreaktionen gegen eine zu hohe langdauernde Bestrahlung schützen 0,1 sollen. Für diese Fragen kann auch die DIN zur Hilfe genommen werden. Sie gibt (siehe Bild 5) diejenige Bestrahlungstärke an, die 0,01 nach einer bestimmten Einwirkzeit zu einer Schmerzempfindung und danach zu einer Verbrennung führt (siehe auch Abschnitt 3.2.1). Darüber hinaus wird die Wärmeeinstrahlung in einer Vielzahl von Klimasummenmaßen berücksichtigt, für die auch Grenzwerte festgelegt sind. Da dieser Bereich einen großen Umfang einnimmt, soll hier nicht näher darauf eingegangen werden. Gewichtsfaktor HCN.cdr nm 10 Wellenlänge Bild 11: Vergleich der spektralen Gewichtungsfunktionen T(λ) für thermische Schäden an der Haut nach dem Health Council 93 mit den hier genannten, ungewichteten Werten ( ), d. h. der Gewichtungsfaktor ist 1. Diese Werte werden nur bis nm summiert, daher endet die Funktion auch dort. 4.3 Health Council der Niederlande In den Niederlanden wurde 1993 durch den Health Council der Niederlande ein umfangreiches Dokument mit eigenen Grenzwertempfehlungen vorgestellt. Diese Empfehlungen, die sehr ausführlich begründet sind, weichen teilweise erheblich von den genannten Empfehlungen ab. Besonders im IR-C werden, auf Grund der sehr geringen Eindringtiefe der Strahlung in die Haut und das Auge, um Größenordnungen niedrigere Grenzwerte empfohlen (siehe Bild 11). Bei den hier vorgestellten Grenzwerten nach IEC TR endet die Summation allerdings bei nm. Für den Schutz der Haut und des Auges sind über den gesamten Spektralbereich und für unterschiedlich lange Expositionsdauern umfassend Daten dargestellt und bei den verschiedenen Grenzwerten berücksichtigt. 5 Messung von sichtbarer und infraroter Strahlung In Abhängigkeit von der jeweiligen Gefährdung, die untersucht werden soll und von

22 den anzuwendenden Grenzwerten, ist die Strahldichte bzw. die Bestrahlungsstärke entweder spektral aufgelöst oder integral in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu messen: a) Im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und nm muß die spektrale Strahldichte der Quelle gemessen werden. Daher sind in diesem Spektralbereich Meßgeräte erforderlich, die spektral aufgelöst messen, sogenannte Spektroradiometer. Es gibt auch integral messende Systeme, die die jeweiligen Bewertungsfunktionen mit Filtern nachbilden. Allerdings haben diese meist eine größere Meßunsicherheit. b) Ferner muß auch die Winkelausdehnung der Quelle vom Ort des Beschäftigten aus gemessen werden, um den Faktor C α bestimmen zu können. c) Für die Beurteilung von chronischen IR-Expositionen der Augen im Wellenlängenbereich 780 nm bis nm sind integral messende Meßgeräte für die Bestrahlungsstärke erforderlich. Die Geräte müssen eine konstante spektrale Empfindlichkeit haben, d. h. sie müssen unselektiv sein. Die Begrenzung des Wellenlängenbereiches wird durch eine Kombination mit geeigneten optischen Filtern erreicht (Durch Differenzbildung der Meßergebnisse mit verschiedenen Filterkombinationen lassen sich Messungen in unterschiedlichen Bereichen realisieren). Meist ist es jedoch einfacher, einen breitbandigen Empfänger zu verwenden (z. B. Thermoelemente, Bolometer oder pyroelektrische Empfänger) und den Spektralbereich zum Kurzwelligen hin mit einem Kantenfilter einzuengen, z. B. einem RG 780. Man erfaßt dann zwar auch noch etwas langwelligere Strahlung, liegt damit aber auf der sicheren Seite. Dies gilt allerdings nicht für den Entwurf der BGV B 9, da dort die Summation bis 10 6 nm zu erstrecken ist. d) Will man bei Fragen der Hautverbrennung die gesamte Strahlungsbelastung bewerten, so sind für die Messung integral messende, unselektive Systeme für einen großen Wellenlängenbereich ausreichend, die man am Besten ganz ohne Filter verwenden sollte. e) An Hitzearbeitsplätzen müssen zur Beurteilung des Klimas und zur Festlegung der Erträglichkeitsbereiche (siehe DIN ) und weiterer Maßnahmen Messungen durchgeführt werden. Hierzu gibt es Meßgeräte, die die "effektive" Bestrahlungsstärke als Nettowert der Ein- und Ausstrahlung auf einen oder von einem menschlichen Körper erfassen. Daneben gibt es eine Reihe von Raumklimameßgeräten zur Ermittlung von Klimasummenmaßen, die neben der Strahlungseinwirkung auch die Lufttemperatur, die Luftfeuchte und die Windgeschwindigkeit berücksichtigen. f) Strahldichtemessungen sind sehr aufwendig und meist mit großen Fehlern behaftet. Man kann sich die Messung dadurch vereinfachen, daß man zunächst nur die Bestrahlungsstärke mißt und unter vereinfachenden Annahmen, die zur sicheren Seite gehen, den Strahldichtegrenzwert in einen Bestrahlungsstärkegrenzwert umrechnet. Ist dann dieser Grenzwert unterschritten, dann erspart man sich die Strahldichtemessung. Eine derartige vereinfachende Annahme wäre, daß der Strahler eine kleine Quelle ist, d. h. daß ihre Ausdehnung vom Betrachter aus gesehen kleiner als 1,5 mrad ist. In diesem Fall errechnet sich der Grenzwert für die Bestrahlungsstärke E aus dem Grenzwert für die Strahldichte L (mit Ω = α 2 π / 4, siehe Bild 2) nach der Formel

23 E = L Ω = L α 2 π / 4, d. h. E = L *0, * π / 4 = L * 1, Schutzmaßnahmen Für Schutzmaßnahmen gegenüber Einstrahlung sichtbarer und infraroter Strahlung hoher Strahlungsleistung gilt die im Arbeits- und Strahlenschutz übliche Priorität: Man wird zunächst - soweit mit vertretbarem Aufwand möglich - durch technische oder organisatorische Maßnahmen eine Strahlenexposition überhaupt vermeiden. Ein Beispiel ist die Automatisierung im Bereich von Hoch- und Schmelzöfen. Dann kommen Maßnahmen wie Abschirmung, Verringerung der Expositionsdauer und Vergrößerung des Abstandes zur Strahlenquelle. Als letzte Möglichkeit ist der Einsatz persönlicher Schutzausrüstungen anzusehen. Dabei fordert die EU-Richtlinie über persönliche Schutzausrüstungen (89/686/EWG), daß alle persönlichen Schutzausrüstungen mit dem CE-Zeichen versehen sein müssen. Das CE-Zeichen ist weder ein Qualitäts- noch ein Sicherheitszeichen. Es wird auf Grund einer einmaligen Bauartprüfung vergeben und bescheinigt die Übereinstimmung mit den wesentlichen Anforderungen der EU-Richtlinie. Dieses Wort wesentlich wird von den Prüf- und Zertifizierungsstellen sehr unterschiedlich interpretiert. Will man daher ein höheres Niveau an Sicherheit und Qualität, sollte man auf persönliche Schutzausrüstungen mit den GS-Zeichen bzw. dem DIN-Prüf- und Überwachungszeichen zurückgreifen. Daneben existiert auch noch das DIN-Plus-Zeichen, das auf Grund höherer Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen vergeben wird. Weitere Hinweise für die Wahl geeigneter Schutzbrillen enthält z. B. das Augenschutzmerkblatt. 6.1 Schutz vor sichtbarer Strahlung Der häufigste Fall, bei dem man sich vor intensiver sichtbarer Strahlung schützen muß, ist das Schweißen. Bei dieser Anwendung ist es so, daß man nicht nur das Auge vor einem Schaden schützen muß, sondern daß man die Leuchtdichte des Schweißlichtbogens so weit reduzieren muß, daß man den Schweißvorgang blendfrei beobachten kann. Verbunden mit dieser Dämpfung der Strahlung im Sichtbaren sind nach der Norm für Schweißerschutzfilter DIN EN 169 hohe Anforderungen an den UV- und IR-Schutz. Den Schweißerschutzfiltern sind Schutzstufen zwischen 1,4 und 16 zugeordnet, wobei eine höhere Schutzstufennummer einem niedrigeren Lichttransmissionsgrad entspricht. Transmissionskurven typischer Schweißerschutzfilter aus Glas zeigt Bild 12. Man erkennt die sehr gute Absorption der Strahlung im UV und im IR

24 Spektraler Transmissiongrad Transmissionskurven von Schweißerschutzfiltern verschiedener Schutzstufe ring-sf.jnb Wellenlänge in nm Bild 12: Spektraler Transmissionsgrad von Schweißerschutzfiltern der Schutzstufen 2, 4, 5, 8, 10, 11 und 15. Neben diesen Schweißerschutzfiltern mit fester Schutzstufe gibt es auch Schweißerschutzfilter, die beim Zünden des Schweißlichtbogens von einem Hellzustand (typische Schutzstufe 4) in einen Dunkelzustand umschalten, der vielfach noch wählbzw. einstellbar ist oder sich sogar automatisch an die Helligkeit des Schweißlichtbogens anpaßt. Dieses Umschalten erfolgt innerhalb von größenordnungsmäßig 1 ms. Die Anforderungen an diese Filter, auch an die Schaltzeit, sind in DIN EN 379 geregelt. Diese Filter sind sehr zu empfehlen, da dann die Gefahr des Verblitzens, die beim Ansetzen der Schweißelektroden durch unvorschriftsmäßiges Vorbeiblicken am Schweißerschild entsteht, vermieden wird. Ist der Blick in einen Strahler sehr hoher Leuchtdichte erforderlich (z. B. eine Xenonoder eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe), so empfiehlt sich ebenfalls die Verwendung von Schweißerschutzfiltern. Eine Augengefährdung durch sichtbare Strahlung entsteht auch beim Beobachten einer Sonnenfinsternis. Bei jedem derartigen Ereignis gibt es viele Augenverletzungen. Auch hier empfiehlt sich die Verwendung von Schweißerschutzfiltern, typischerwerweise der Schutzstufen 12 bis 16. Eine weitere Schutzvorrichtung zum Schutz vor primär sichtbarer Strahlung sind die sogenannten Schweißervorhänge. Diese sind in der europäischen Norm EN 1598 geregelt. Sie dienen hauptsächlich dazu, Schweißerarbeitsplätze gegeneinander und von Verkehrswegen abzuschirmen. Sie können aber auch dazu verwendet werden, Arbeitsplätze, an denen nicht geschweißt wird, von denen aber durch helle Lichtquellen Irritationen ausgehen, voneinander abzuschirmen. Bei Schweißverfahren, bei denen ein großer Wärmestrahlungsanteil entsteht und in

25 gleicher Weise bei Schweißverfahren, für die hohe Schutzstufen verwendet werden müssen, empfiehlt es sich, verspiegelte Schweißerschutzfilter einzusetzen. Derartige Filter reflektieren einen hohen Prozentsatz der Infrarotstrahlung und halten die Temperatur des Schweißerschutzfilters daher niedriger (Sutter, Ott). Andernfalls können im Augenbereich durchaus Strahlenbelastungen bis in die Gegend von 100 W/m 2 entstehen. Bild 13 zeigt den Einfluß der Verspiegelung auf die Endtemperatur eines Schweißerschutzfilters nach mehrminütigem Schweißen. Man erkennt eine deutliche Verminderung der Filtertemperatur. Da die Gesamtstrahlung nach dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz proportional zu T 4 ist, wirkt sich auch eine geringe Temperaturänderung stark aus. In einer Neuausgabe der europäischen Normen für Augenschutzfilter sind Mindestanforderungen an die Verspiegelung festgelegt, so daß Hersteller mit minderwertigen Spiegelschichten ( grau verspiegelt in Bild 13) nicht mehr mit der Verspiegelung werben dürfen. Endtemperatur in C Endtemperatur eines Schweißerschutzfilters der Schutzstufe 14 Absorptionsfilter Grau verpiegeltes Filter Goldfarbig verspiegeltes Filter Silberfarbig verspiegeltes Filter Bild 13: Endtemperatur von verspiegelten Schweißerschutzfiltern der Schutzstufe 14 in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke jnb Bestrahlungsstärke in W/m 2 Auch die Sonne ist eine intensive Strahlungsquelle. Bei längeren Arbeiten im Freien ist für ausreichenden Schutz (Schutzbrille, Kopfbedeckung, geeignete Bekleidung) zu sorgen. Bei Schutzbrillen steht im allgemeinen der Blendschutz, insbesondere bei Arbeiten in hellem Umfeld, z. B. in Kreidebrüchen, im Vordergrund. Nur sehr wenige Sonnenbrillengläser haben einen Infrarotschutz. Normativ sind die Sonnenbrillen für den betrieblichen Gebrauch in DIN EN 172 und die Sonnenbrillen für den allgemeinen Gebrauch in DIN EN 1836 geregelt. 6.2 Schutz vor infraroter Strahlung Infrarotschutz wird hauptsächlich bei thermischen Strahlern relativ niedriger Temperatur erforderlich. Anforderungen an Augenschutzfilter für diese Anwendung sind in DIN EN 171 festgelegt. Auch hier kann die Verwendung persönlicher Schutzausrüstungen vielfach durch apparative Schutzmaßnahmen ersetzt werden, z. B. durch Sichtschutzscheiben an den jeweiligen Arbeitsplätzen. Häufig werden als Schutzscheiben gegen IR-Strahlung Schweißerschutzfilter ein

26 gesetzt. Wie aus Bild 13 hervorgeht, haben manche Schweißerschutzfilter eine hohe Absorption im Infraroten. Trotzdem kann diese Lösung ungeeignet sein. Besser ist der Einsatz von IR- Schutzfiltern nach Norm. Die Norm gibt dabei die für die jeweilige Strahlertemperatur geeignete Schutzstufe an. Die Bemerkung hinsichtlich der Temperaturerhöhung von Schweißerschutzfiltern gilt hier in besonderem Maße: bei sehr intensiven, insbesondere großflächigen IR- Strahlern kann die Erwärmung normaler Schutzscheiben durch Strahlungsabsorption so stark werden, daß reflektierende Beschichtungen verwendet werden müssen (siehe Bild 13). Schweißerschutzfilter sind meist grün, IR-Schutzfilter meist blau. Eine derartige Eigenfarbe kann das Erkennen von Farben im Umfeld erschweren. Wo eine gute Farberkennung notwendig ist, z. B. bei kunstgewerblichen Glasbläserarbeiten, wären weitgehend farblose Schutzfilter wünschenswert. Diese Forderung wird z. B. weitestgehend sowohl von infrarotabsorbierenden Gläsern der Typen Schott KG 3 und KG 5 erfüllt, als auch von Gläsern, die mit sogenannten Hitzespiegeln beschichtet sind. Dabei handelt es sich um Reflexionsschichten, die vorzugsweise den infraroten Spektralbereich reflektieren. Nach der Neuausgabe der europäischen Normen für Augenschutzfilter werden Filter, die eine Farberkennung erlauben, in der Kennzeichnung mit einem "C" kenntlich gemacht. Arbeiten in der Nähe starker IR-Quellen bedeuten häufig auch eine erhöhte Ganzkörperbelastung bei erhöhter Temperatur und damit erschwerte Arbeitsbedingungen. Deshalb sind technische Schutzmaßnahmen, wie eine weitgehende Abschirmung der Strahlungsquelle, zu empfehlen. Schutzmaßnahmen vor der Einwirkung intensiver IR-Strahlung auf die Haut sind reflektierende Hitzeschutzanzüge und -handschuhe. An Arbeitsplätzen, an denen durch Strahlungsquellen die Thermoregulation des Körpers belastet werden kann (z. B. an Hochöfen), sind einige Vorkehrungen zu treffen: a) Für diese Arbeiten dürfen nur Personen eingesetzt werden, die vorher arbeitsmedizinisch auf ihre Eignung hin untersucht worden sind. b) Es sind ausreichende Eingewöhnungs- und Akklimatisierungszeiten vorzusehen. c) Wenn nicht Hitzeschutzkleidung getragen werden muß, ist auf gut ventilierbare Kleidung zu achten. d) Eine ausreichende Versorgung der Beschäftigten mit Getränken und eine Zufuhr der durch den Schweiß ausgeschiedenen Salze, Mineralstoffe und Vitamine ist sicherzustellen. e) Kann es an bestimmten Arbeitsplätzen zu einem Wärmestau (der Körper kann die erzeugte Wärme nicht mehr abgeben) kommen, sind Hitzepausen oder eine Verringerung der Arbeitsschwere vorzusehen. f) Auf eine ausreichende Belüftung der Arbeitsplätze ist zu achten. Um eine Gefährdung von Arbeitnehmern weitgehend zu vermeiden, sind intensive Infrarot-Quellen mit einem Gefahrenhinweis zu versehen. Dies gilt besonders dann, wenn von diesen Quellen keine intensive sichtbare Strahlung ausgeht. Eine Einweisung und Belehrung des Bedienungspersonals an den betreffenden Anlagen sollte immer durchgeführt werden

27 7 Literatur - ACGIH: Guide to Occupational Exposure Values The American Conference of Governmental Industrial Hygienists, Cincinnati (2002) - Arbeitsstättenverordung vom , Bundesgesetzblatt I, S. 729, geändert vom , Bundesgesetzblatt I, S (1983) - BGV A1 (früher VBG 1): Allgemeine Vorschriften; Sammlung der Einzel- Unfallverhütungsvorschriften der gewerblichen Berufsgenossenschaften; Hrsg.: Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Carl Heymanns Verlag, Köln - BGV B9 (Entwurf): Optische Strahlung BGV C8 (früher (VBG 103): Gesundheitsdienst; Sammlung der Einzel-Unfallverhütungsvorschriften der gewerblichen Berufsgenossenschaften; Hrsg.: Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Carl Heymanns Verlag, Köln - Boettner E.A., Wolter J.R.: Invest. Ophthalmol. 6 (1), 776 (1962) - DIN EN : Sicherheit von Laser-Einrichtungen, Teil 1: Klassifizierung von Anlagen, Anforderungen und Benutzer-Richtlinien, Beuth Verlag, Berlin (2001) - DIN ISO 7933: Analytische Bestimmung und Beurteilung der Wärmebelastung durch Berechnung der erforderlichen Schweißabgabe, Beuth Verlag, Berlin (1991) - DIN EN 169: Sichtscheiben für Augenschutzgeräte - Filter für das Schweißen und verwandte Techniken, Beuth Verlag, Berlin - DIN EN 171: Sichtscheiben für Augenschutzgeräte - Schutzfilter gegen Infrarot-Strahlung (IR-Strahler), Beuth Verlag, Berlin - DIN EN 172: Sonnenschutzfilter für den betrieblichen Gebrauch, Beuth Verlag, Berlin - DIN EN 379: Anforderungen an Schweißerschutzfilter mit umschaltbarem Lichttransmissionsgrad und Schweißerschutzfilter mit zwei Lichttransmissionsgraden, Beuth Verlag, Berlin - DIN EN 1598: Durchsichtige Schweißervorhänge und -abschirmungen für Lichtbogenschweißverfahren, Beuth-Verlag, Berlin - DIN EN 1836: Sonnenbrillen und -schutzfilter für den allgemeinen Gebrauch, Beuth Verlag, Berlin - DIN : Strahlenphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche, Beuth Verlag, Berlin - DIN : Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung - Teil 1: Grundlagen zur Klimaermittlung, Beuth Verlag, Berlin - DIN : Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung; Beurteilung des Klimas im Erträglichkeitsbereich, Beuth Verlag, Berlin - EG-Kommission: Vorschlag für eine Richtlinie des Rates über Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen; Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft C 230/3 (1994) - Grandolfo M., Rindi A., Sliney D. H.: Light, Lasers, and Synchrotron Radiation; a Health Risk Assessment. Plenum Press, New York (1991)