Neue Richtlinie für den Augenschutz beim Einsatz von IR-Strahlern in der Impulsthermographie Jürgen Nolting und Günter Dittmar (Fachhochschule Aalen) 1. Einleitung In der Impulsthermographie kommen energiereiche IR-Strahler zum Einsatz, um das Untersuchungsobjekt lokal aufzuheizen, damit anschließend die thermische Dissipation erfasst werden kann. Diese Strahler erzeugen hohe Bestrahlungsstärken und weisen eine hohe Strahldichte auf. Aus der Sicht des Augenschutzes kann ein direkter Blick in den Strahler aus einer Entfernung im Meterbereich durchaus gefährlich sein, da sowohl die Hornhaut und Linse des Auges thermisch geschädigt als auch die Netzhaut lokal thermisch überlastet werden kann. Derzeit ist keine anzuwendende Norm bekannt, die explizit vorgibt, wie Scheinwerfer und andere Quellen inkohärenter optischer Strahlung ausgelegt sein müssen, um Augenschädigungen zu vermeiden. Es existieren aber sehr wohl umfangreiche medizinische Erfahrungen über Schädigungen und Schädigungsmechanismen des Auges durch Laserstrahlung. Diese sind eingeflossen in nationale und internationale Normen für die Sicherheit von Lasern, wie z.b. DIN EN 60825-1 und ANSI Z136.1. Die internationalen Normungsgremien sind aber offensichtlich übereinstimmend der Ansicht, dass Lasersicherheitsnormen das Gefährdungspotential durch inkohärente optische Strahlung (insbesondere bei ausgedehnten Strahlerflächen) nur unzureichend und häufig zu konservativ bewerten [1]. Hier besteht offensichtlich Normungsbedarf. Dies haben auch die Berufsgenossenschaften der Bundesrepublik Deutschland erkannt. Unter Mitarbeit der Autoren wird die Unfallverhütungsvorschrift BGV B9 Künstliche Optische Strahlung [2] erarbeitet, die als Entwurf mit dem Stand Juni 2003 vorliegt. 2. Schädigende irkungen optischer Strahlung auf das Auge Das irkungsspektrum optischer Strahlung am Auge ist stark wellenlängenabhängig. Eine erste grobe Einteilung ergibt sich durch die spektral unterschiedlichen Absorptionsgrade der einzelnen Teile des Auges. So kann aus Abbildung 1 entnommen werden, dass eine direkte Schädigung der Netzhaut im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts (0.4-0.78 µm) und im nahen Infrarot bis zu einer ellenlänge von 1.4 µm möglich ist. Die Einwirkung von 97
Strahlung im UV-Bereich ist hier nicht dargestellt, da sie für die vorzustellenden Anwendungsbeispiele nicht relevant ist. Im IR-B-Bereich, der bei einer ellenlänge von 1.4 µm beginnt, gelangt die Strahlung nicht mehr bis zur Netzhaut. Hier werden eher die vorderen Augenteile geschädigt. Allerdings ist hier mit deutlich höheren Schädigungsschwellen zu rechnen, da die fokussierende irkung der Augenlinse bei diesen ellenlängen nicht mehr gegeben ist, so dass eine Bündelung der Strahlung im Auge nicht mehr erfolgen kann. Gerade durch langanhaltende Einwirkung von IR-B kann z.b. die Augenlinse selbst geschädigt werden, wie das gehäufte Auftreten von Linsentrübungen bei Arbeitern der Hüttenindustrie belegt. Abb. 1: Einwirkung optischer Strahlung auf das menschliche Auge Die irkungsmechanismen im Sichtbaren und nahen Infrarot sind die thermische Netzhautgefährdung, die thermische Netzhautgefährdung bei schwachem visuellen Reiz und die photochemische Netzhautgefährdung durch blaues Licht. Als schwacher visueller Reiz gilt dabei eine Leuchtdichte der Quelle von unter 10 cd/m². Im Gegensatz zur Lasersicherheitsnorm DIN EN 60825-1 (2001) werden im aktuellen Normentwurf BGV B9 die verschiedenen Schädigungsmechanismen durch optische Strahlung realistischer behandelt. 98
Die beiden erstgenannten irkungsmechanismen werden in der Bewertung mit der sog. thermischen Gefährdungsfunktion R() gewichtet erfasst. Die Netzhautgefährdung durch blaues Licht wird durch die Blaulichtgefährdungsfunktion B() beschrieben. Beide Funktionen sind in der BGV B9 tabellarisch wiedergegeben. Die Abbildung 2 zeigt den spektralen Verlauf von R() und B() [3]. Abb. 2: Spektraler Verlauf der Gefährdungsfunktionen R() und B() Daneben ist noch ein vierter ert zu beachten, die Gefährdung durch Infrarotstrahlung. Dies ist ein ungewichteter ert der Gesamtbestrahlungsstärke von 780 nm bis 3000 nm. Die restriktivste der für die jeweilige ellenlänge zutreffenden Bewertungen bestimmt die Gefährdung durch eine Strahlungsquelle. Dies bedeutet, dass bei der Beurteilung eines Strahlers insgesamt vier Funktionen ausgewertet werden müssen, für die gleiche ellenlänge allerdings meist nur zwei Funktionen. 3. Unfallverhütungsvorschrift BGV B9 Künstliche Optische Strahlung (Entwurf) Der Normentwurf BGV B9 sieht vor, dass für Gefährdung durch Infrarotstrahlung die Bestrahlungsstärke bewertet werden muss: E IR 3000nm E ( ) d 780nm mit: : ellenlänge E IR : gesamte Bestrahlungsstärke von 780 bis 3000 nm E (): spektrale Bestrahlungsstärke Für die Bewertung der thermischen Netzhautgefährdung geht die mit R() gewichtete Strahldichte der Quelle in die Bewertung ein: 99
L R 1400nm 380nm L ( ) R( ) d mit L R : gesamte mit R() gewichtete Strahldichte L (): ungewichtete spektrale Strahldichte Bei der Bewertung der photochemischen Netzhautgefährdung wird je nach inkelausdehnung der Quelle entweder die mit B() gewichtete Strahldichte (für Quellen mit inkelgrößen α über 11 mrad) oder die mit B() gewichtete Bestrahlungsstärke (für Quellen mit inkelgrößen unter 11 mrad) bewertet: Für α 11 mrad: L B 600nm 380nm L ( ) B( ) d Für α < 11 mrad: E B 600nm 380nm L ( ) B( ) d mit L B : gesamte mit B() gewichtete Strahldichte E B : gesamte mit B() gewichtete Bestrahlungsstärke Gegenüber den Lasernormen ergibt sich insgesamt eine wesentlich komplexere Problemstellung bei der Bewertung einer inkohärenten Quelle bezüglich Augengefährdung, da sowohl Bestrahlungsstärken als auch Strahldichten immer gleichzeitig bewertet werden müssen und in vielen Fällen zusätzlich die Schadfunktionen R() und B() mit berücksichtigt werden müssen. Dies kann auch die messtechnische Überprüfung einer Quelle deutlich verkomplizieren. Die BGV B9 definiert zusätzlich eine maximale Bestrahlung durch Infrarotstrahlung: H IR 3000nm H 780nm ( ) d mit: H IR : gesamte Bestrahlung von 780 bis 3000 nm H (): spektrale Bestrahlung Diese Größe wird zur Bewertung der Exposition während eines 8-stündigen Arbeitstages herangezogen, um ein Maß für die Gefahr einer strahlungsinduzierten Linsentrübung zu erhalten. Für die einzelnen Bewertungsgrößen gibt die BGV B9 in tabellarischer Form Grenzwerte an. Diese sind abhängig von der Expositionsdauer und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Hierbei wurden die für den UV-Bereich gültigen Regelungen der BGV B9 nicht mit berücksichtigt. 100
Tabelle 1: Expositionsgrenzwerte für das Auge nach dem Normentwurf BGV B9 (nur sichtbarer und infraroter Spektralbereich) Erläuterung: in sek., C α in rad, *) ist nicht erforderlich Größen und ichtungsfunktionen Einwirkungsdauer t in s < 1,8 10-5 1,8 10-5 10 1 000 10 000 bis 10 bis 1 000 bis 10 000 bis 30 000 L R 1400 nm 380 nm ( ) L ( ) R d C α 41,2 t m ² sr 0,9 5 10 C α t 4 0,25 m² sr 2,8 10 C α 4 m² sr Für α 0,011 rad: L B 600 nm 380 L ( ) B( ) d nm 1 10 t 6 m² sr 100 m ² sr Für α < 0,011 rad: E B 600 nm ë 380 nm E ( ë) B( ë) d ë 100 0,01 2 t m m ² E IR 3000 nm E 780 nm ( ) d 18 000 0,75 t m ² *) *) H IR 3000 nm H 780 nm ( ) d 3 10 6 J m 2 Für die Bewertung der thermischen Netzhautgefährdung ist in die Beziehungen zur Berechnung des Grenzwertes der Strahldichte L R(G) ein Korrekturterm C α eingefügt, der den Grenzwert abhängig von der inkelgröße α der Quelle verändert, da die Bestrahlungsstärke auf der Netzhaut von der inkelgröße der Quelle abhängt. Der kleinste bei der Berechnung anwendbare inkel ist der minimale Grenzwinkel α min. Sein ert beträgt 1.5 mrad. Der größte wird als Grenzwinkel α max bezeichnet. Sein ert beträgt 100 mrad 0.1 rad. Die Abhängigkeit des Expositionsgrenzwertes von der inkelausdehnung der Quelle wird durch den Korrekturfaktor C α beschrieben, der wie folgt bestimmt wird: C α α min C α α C α α max für α α min für α min < α α max für α > α max 101
Die inkelausdehnung von rechteckigen Quellen ist durch den arithmetischen Mittelwert der größten und der kleinsten inkelausdehnung bestimmt. inkelausdehnungen über 100 mrad und unter 1.5 mrad werden vor der Mittelung auf 100 mrad bzw. 1.5 mrad begrenzt. 4. Zwei Fallbeispiele Die Anwendbarkeit der neuen Unfallverhütungsvorschrift konnte von den Autoren in zahlreichen Fällen bei der Bewertung von Autoscheinwerfern demonstriert werden [4]. Auch für die in der Impulsthermographie eingesetzten Strahlungsquellen ermöglicht sie eine sicherheitstechnische Bewertung. Im Folgenden wird dieses anhand von zwei Fallbeispielen vorgestellt. Beispiel 1: Halogenscheinwerfer der 3k-Klasse Bewertet wird ein hypothetischer Halogenscheinwerfer, der durch folgende Parameter charakterisiert werden kann: Elektrische Eingangsleistung: 3 k Optischer irkungsgrad: 30 % Glühfadentemperatur: 3150 K Spektrum: Planck-Kurve Austrittsöffnung: kreisförmig, Durchmesser 200 mm Divergenz: ± 10 x ± 10 Strahldichteverteilung: homogen, keine hot spots Bestrahlungsstärkeverteilung: gegenüber einer homogenen Verteilung im Zentrum um den Faktor 6 erhöht Gegen die Blendwirkung wird in diesem Scheinwerfer ein Langpassfilter eingesetzt, das Strahlung unterhalb einer ellenlänge von 800 nm blockt. Beispiel 2: Quarzrohrstrahler der 10k-Klasse 102
Für beide Quellen kann bei der Bewertung nach BGV B9 festgestellt werden, dass der Grenzwert für die ungewichtete Bestrahlungsstärke E IR(G) den einzuhaltenden Sicherheitsabstand limitiert. Somit ist in erster Linie von einer Gefährdung für die vorderen Augenpartien Hornhaut und Linse, nicht aber von einer Gefährdung der Netzhaut auszugehen. Abbildung 3 zeigt die einzuhaltenden Sicherheitsabstände für den Halogenscheinwerfer (Beispiel 1) und den Quarzrohrstrahler (Beispiel 2) in Abhängigkeit von der Expositionszeit im Bereich von 0.25 s bis 1000 s. Abb. 3: Berechnete Sicherheitsabstände nach BGV B9 für die beiden Beispielstrahler im Expositionszeitbereich von 0.25 s bis 1000 s Trotz ihrer unterschiedlichen Spektren und Strahlungsleistungen verhalten sich die Sicherheitsabstände beider Strahler im Langzeitbereich über 10 s sehr ähnlich. Im Bereich kurzer Expositionszeiten unter 1 s ist der Quarzrohrstrahler ungünstiger, es sind hier höhere Sicherheitsabstände erforderlich als für den Halogenstrahler. Auffällig ist, dass schon für in der Praxis durchaus auftretende Expositionszeiten im Bereich um 10 s für beide Strahler ein 103
Sicherheitsabstand im Bereich von 3 m erforderlich wird. Auch bei einer kurzen Expositionszeit von nur 1 s darf ein Sicherheitsabstand von etwa 1 m nicht unterschritten werden. Diese Resultate lassen erkennen, dass beim Einsatz von vergleichbaren Strahlungsquellen für die Impulsthermographie mit äußerster Vorsicht vorgegangen werden sollte. Schon ein kurzer unbedachter Blick in den Strahler aus einer Entfernung im Meterbereich kann die zulässigen Grenzwerte für die Strahlungsbelastung der vorderen Augenpartien überschreiten. Der Lidschlussreflex hilft hier nicht, da der visuell wahrnehmbare Anteil der Strahlung nicht ausreicht, um diesen Schutzmechanismus mit Sicherheit ansprechen zu lassen. 5. Literatur [1] ICNIRP: Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (0.38 to 3 µm) Health Physics, Vol. 73, No. 3, pp 539-554 (1997) [2] HVBG: Unfallverhütungsvorschrift Künstliche Optische Strahlung BGV B9 und BG- Regel zur Unfallverhütungsvorschrift BGR B 9, Entwurf mit dem Stand 3.6.2003 [3] E.. Sutter: Grenzwerte für inkohärente optische Strahlung - Aktivitäten bei IEC/TC76/G 9 in: N. Krause, C. ernli: Nichtionisierende Strahlung - Fortbildungsveranstaltung des Arbeitskreises Nichtionisierende Strahlung des Fachverbandes für Strahlenschutz, Luzern, 15. September 1997, Dok. FS-97-85-AKNIR [4] J. Nolting, G. Dittmar: Augenschutz bei IR-Scheinwerfern 14 Studien im Auftrag der Automobil- und Scheinwerferindustrie (2001-2003) 104