1 aprile 2011 Aula A Complesso Biotecnologico dell'università di Parma, Via Volturno 39 - Parma

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1 Seminario Prevenzione dei Rischi da Radiazioni Ottiche Artificiali 1 aprile 2011 Aula A Complesso Biotecnologico dell'università di Parma, Via Volturno 39 - Parma Determinazione dell esposizione a ROA: le grandezze, la misura, i limiti Misure di prevenzione e protezione Paolo Zanichelli ARPA ER Sede di Reggio Emilia 1

2 D.Lgs. 9 aprile 2008, n. 81 Art Capo V Protezione dei lavoratori dai rischi di esposizione a radiazioni ottiche artificiali Campo di applicazione 1. Il presente capo stabilisce prescrizioni minime di protezione dei lavoratori contro i rischi per la salute e la sicurezza che possono derivare, dall'esposizione alle radiazioni ottiche artificiali durante il lavoro con particolare riguardo ai rischi dovuti agli effetti nocivi sugli occhi e sulla cute. 2

3 D.Lgs. 9 aprile 2008, n. 81 Art Definizioni Capo V Protezione dei lavoratori dai rischi di esposizione a radiazioni ottiche artificiali 1. Agli effetti delle disposizioni del presente capo si intendono per: a) radiazioni ottiche: tutte le radiazioni elettromagnetiche nella gamma di lunghezza d'onda compresa tra 100 nm e 1 mm. Lo spettro delle radiazioni ottiche si suddivide in radiazioni ultraviolette, radiazioni visibili e radiazioni infrarosse: 1) radiazioni ultraviolette: radiazioni ottiche a lunghezza d'onda compresa tra 100 e 400 nm. La banda degli ultravioletti e suddivisa in UVA ( nm), UVB ( nm) e UVC ( nm); 2) radiazioni visibili: radiazioni ottiche a lunghezza d'onda compresa tra 380 e 780 nm; 3) radiazioni infrarosse: radiazioni ottiche a lunghezza d'onda compresa tra 780 nm e 1 mm. La regione degli infrarossi e' suddivisa in IRA ( nm), IRB ( nm) e IRC (3000 nm-1 mm); 3

4 4 100 nm Fotone Raggi Gamma UVC 280 nm Raggi X UVB 315 nm Radiazioni Ottiche Infrarosso - Visibile - Ultravioletto UVA VISIBILE 380 nm 780 nm Trasmissioni Satellitari Radar, Ponti Radio Ghz IRA Telefonia Mobile MHz MHz 10 8 Frequenza (Hz) 1400 nm Radioemissioni Televisive MHz 10 6 IRB 3000 nm Radioemissioni AM-FM MHz 10 4 Campi Frequenza industriale 50 Hz 10 2 IRC 4 Campi Statici 0 Hz 0 1 mm

5 D.Lgs. 9 aprile 2008, n. 81 Segue art Definizioni 5 b) laser (amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione): qualsiasi dispositivo al quale si possa far produrre o amplificare le radiazioni elettromagnetiche nella gamma di lunghezze d'onda delle radiazioni ottiche, soprattutto mediante il processo di emissione stimolata controllata; c) radiazione laser: radiazione ottica prodotta da un laser; d) radiazione non coerente: qualsiasi radiazione ottica diversa dalla radiazione laser; e) valori limite di esposizione: limiti di esposizione alle radiazioni ottiche che sono basati direttamente sugli effetti sulla salute accertati e su considerazioni biologiche. Il rispetto di questi limiti garantisce che i lavoratori esposti a sorgenti artificiali di radiazioni ottiche siano protetti contro tutti gli effetti nocivi sugli occhi e sulla cute conosciuti; f) irradianza (E) o densita' di potenza: la potenza radiante incidente per unita' di area su una superficie espressa in watt su metro quadrato (W/m 2 ); g) esposizione radiante (H): integrale nel tempo dell'irradianza espresso in joule su metro quadrato (J/m 2 ); h) radianza (L): il flusso radiante o la potenza per unita d'angolo solido per unita' di superficie, espressa in watt su metro quadrato su steradiante (W/sr m 2 ); i) livello: la combinazione di irradianza, esposizione radiante e radianza alle quali e' esposto un lavoratore.

6 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplificazione di luce mediante l emissione stimolata di radiazione 6

7 LIMITAZIONE DELLE ESPOSIZIONI (EMP) NECESSARIA PER PREVENIRE I DANNI PRODOTTI DALL INTERAZIONE DELLA RADIAZIONE LASER CON LA BIOMATERIA Valori Limite di Esposizione (VLE) Livello della radiazione a cui, in condizioni normali, possono essere esposte le persone senza subire effetti dannosi. I VLD rappresentano il livello massimo al quale l occhio o la pelle possono essere esposti senza subire un danno a breve o a lungo termine 7

8 Valori Limite di Esposizione RIGUARDA GLI OCCHI E LA PELLE E TUTELA DAI SEGUENTI EFFETTI: EFFETTI TERMICI - In questo processo l energia ottica trasportata dalla radiazione viene assorbita dalle molecole del materiale biologico irradiato e rapidamente convertita in energia termica. Quando la temperatura del tessuto raggiunge i C ha inizio la denaturazione delle macromolecole (proteine, collagene, lipidi, emoglobina). Per temperature superiori hanno luogo processi di necrosi cellulare coagulativa e di vacuolizzazione. A 100 C inizia la vaporizzazione prevalentemente per il riscaldamento dell acqua libera tissutale. La trasformazione dell acqua in vapore produce un aumento di volume di oltre tre ordini di grandezza e le pareti cellulari vengono rotte in modo esplosivo. Il vapore prodotto viene eiettato dalla cellula e porta con sé il calore in eccesso prodotto evitando così l ulteriore crescita della temperatura. Quando l acqua presente nelle cellule è completamente evaporata, i frammenti residui subiscono un rapido aumento di temperatura, fino a raggiungere i C. A questa temperatura il tessuto si annerisce e carbonizza cominciando a produrre gas e fumo. Oltre i 500 C, in presenza di ossigeno, il tessuto brucia ed evapora. 8

9 EFFETTI FOTOCHIMICI - Questo processo avviene in generale senza produzione di calore ed è tipico anche delle radiazioni ottiche non coerenti. Consiste nell assorbimento di un fotone hν da parte di strutture molecolari del tessuto irradiato. Tale assorbimento porta alla generazione di prodotti eccitati generalmente instabili che reagiscono con le altre molecole presenti nel mezzo. Poiché il fenomeno richiede una soglia minima di energia del fotone esso avviene preferenzialmente con quelle radiazioni a maggior contenuto energetico e quindi con quelle UV e parte di quelle visibili (violetto e luce blu). EFFETTI FOTOMECCANICI - Un impulso di radiazione ottica può generare in un mezzo materiale un onda d urto meccanica, il cui fronte si propaga velocemente nel materiale. La pressione all interno del fronte d onda può superare il valore di resistenza meccanica del materiale stesso, producendone la rottura. La propagazione dell onda d urto attraverso le cellule e le strutture del tessuto può indurre anche un eccessivo riscaldamento del mezzo e/o produrre un cambiamento di fase liquido-gas dando luogo ad effetti di cavitazione e formazione di bolle. Le bolle di gas possono espandersi rapidamente, raggiungere il volume massimo ed infine collassare causando la distruzione violenta delle cellule. 9

10 TRASMISSIONE E ASSORBIMENTO A LIVELLO DELLA RETINA 10

11 PENETRAZIONE DELLE RADIAZIONI OTTICHE NELLA PELLE 11

12 EFFETTI DANNOSI DELLE RADIAZIONI OTTICHE 12

13 EFFETTI DANNOSI DELLE RADIAZIONI OTTICHE 13

14 PRINCIPALI FATTORI FISICI CHE HANNO INFLUENZA SULLE CONSEGUENZE DELL ESPOSIZIONE LUNGHEZZA D ONDA (λ nm) 14 L ESPOSIZIONE ENERGETICA (H J/m 2 ) L IRRADIAMENTO (E W/m 2 ) LA RADIANZA (L W/m 2 sr) LA DURATA E LA FREQUENZA DI RIPETIZIONE DEGLI IMPULSI (t s; F Hz) LE DIMENSIONI DELL IMMAGINE RETINICA (d r μm)

15 GRANDEZZE UTILIZZATE NELLA DEFINIZIONE DEGLI STANDARD DI PROTEZIONE E NEL CONTROLLO DELL ESPOSIZIONE Grandezza Q P = dq/dt H = dq/da E = dp/da H λ = dh/dλ E λ = de/dλ L = de/dω Definizione Energia radiante: energia totale trasportata dal fascio di radiazione o che raggiunge l organo critico Potenza radiante: potenza trasportata dal fascio di radiazione o che raggiunge l organo critico. A volte è indicata anche con Φ Esposizione radiante o energetica: energia radiante dq depositata sulla superficie da Irradianza o irradiamento: potenza radiante dp depositata sulla superficie da Esposizione radiante spettrale: energia radiante depositata per unità di superficie e di lunghezza d onda Irradianza spettrale: potenza radiante depositata per unità di superficie e di lunghezza d onda Radianza (Brillanza): potenza radiante per unità di superficie e di angolo solido J Unità di misura W Applicazione Classificazione Laser a impulsi. Caratterizzazione di lampade a flash Caratterizzazione di lampade ad emissione continua (CW) e classificazione di laser CW J/m 2 Limiti di esposizione e classificazione laser a impulsi W/m 2 J/m 2 nm W/m 2 nm W/m 2 sr Limiti di esposizione per laser CW e per sorgenti UV IR incoerenti. Classificazione laser CW Valutazione delle esposizioni a sorgenti a larga banda Parametro normalmente oggetto di rilievo strumentale nella valutazione delle esposizioni a sorgenti a larga banda Valutazione delle esposizioni retiniche da sorgenti coerenti e incoerenti estese 15

16 Grandezze utilizzate per la definizione dei Limiti di Esposizione

19 19 Sezione Provinciale di Reggio Emilia

21 Fattore di peso (S) per gli effetti sulla salute delle radiazioni UV sull'occhio e sulla cute Fattore di peso (S) Lunghezza d'onda (nm)

22 Fattore di peso (B) per lesione fotochimica provocata all'occhio dalla radiazione di luce blu Fattore di peso (B) Lunghezza d'onda (nm)

23 Fattore di peso (R) per lesioni termiche provocate sull'occhio dalle radiazioni visibili e IRA Fattore di peso (R) Lunghezza d'onda (nm)

24 Grandezze utilizzate per la definizione dei Limiti di Esposizione - LASER 24

25 LASER 25

30 CONTROLLI: APPARECCHIATURE ESAMINATE 30 (1) su queste macchine è presente anche un laser di puntamento He-Ne (2) n. 2 macchine 94 Totale apparecchi: 17 Laser di potenza: CO 2 λ = nm Laser di puntamento: He-Ne λ = 633 nm presente solo su due macchine, potenza < 5 mw

31 CONTROLLI: CHEK LIST NORMA CEI EN Sicurezza degli apparecchi laser Parte 1: classificazione delle apparecchiature, prescrizioni e guida per l utilizzatore FASCICOLO CEI 3849R Sezione 3A Guida per l applicazione di apparati laser alle lavorazioni dei materiali Requisiti di costruzione targhettatura, interblocchi, ecc. Classificazione Esposizioni Massime Permesse (EMP) Distanze Nominali di Rischio Oculare. Requisiti di utilizzazione barriere dispositivi di protezione oculare Tecnico Sicurezza Laser (TSL) Procedura Standard Operativa (PSO) CHECK - LIST 31

32 CONTROLLI: Involucri di protezione (p.to CEI EN ) Ogni apparecchio laser deve avere ripari di protezione che, quando in posizione, impediscano l accesso umano a radiazione laser (compresa la radiazione laser vagante) che supera i limiti della Classe 1, tranne quando l accesso umano è necessario per lo svolgimento delle funzioni dell apparecchio 32

33 CONTROLLI:Involucri di protezione (p.to CEI EN ) APPARECCHIO PER PUNZONATURA E TAGLIO SPROVVISTO DEI RIPARI DI PROTEZIONE 33

34 CONTROLLI: Risultati per requisiti di costruzione 34

35 CONTROLLI: Risultati per requisiti di utilizzazione 35

36 CONTROLLI: Dispositivi di Protezione Oculare (DPO) L uso dei protettori oculari è previsto ogni qualvolta è possibile ipotizzare esposizioni a livelli superiori a quelle massime permesse (EMP) macchine senza cabina o barriere di protezione operazioni di centratura fascio senza barriere manutenzione con rimozione protezioni I DPO devono essere conformi a UNI EN

37 CONTROLLI: DISTANZE NOMINALI DI RISCHIO (DNR) Riflessioni speculari sul piano di lavoro sono eventi rari ma non impossibili. Il raggio riflesso si propaga in una direzione inaspettata mantenendo livelli di radiazione superiori alle EMP fino alla DNR DNR= 4 P π E Φ EMP d f 37

38 CONTROLLI: ACCERTAMENTI SANITARI Esami oculistici di preimpiego o impiego interinale dovrebbero essere eseguiti da uno specialista. Un esame medico dovrebbe essere eseguito da uno specialista, immediatamente dopo una esposizione oculare o dermatologica nociva o presunta tale. Gli accertamenti sanitari specifici sono risultati attivati in 2 delle 8 aziende esaminate. 38

39 CONTROLLI: CONCLUSIONI mancanza di adeguati ripari di protezione (41 %) sulla zona di taglio e di protettori oculari specifici (65 %). L adeguamento deve essere attuato prioritariamente rispetto alle altre non conformità rilevate. Sui ripari di protezione trasparenti non era indicato il tempo di perforazione e la relativa densità ottica (100 %). Generalmente sono utilizzati lexan, macrolon e plexiglas di vario spessore. Alla λ di nm questi materiali sono opachi. La valutazione della distanza nominale di rischio (DNR) ha permesso di mettere chiaramente in evidenza come l assenza di ripari di protezione estende la zona a potenziale rischio di superamento dell EMP fino a distanze comprese tra 9 e 16 m. Le apparecchiature più recenti dimostrano in generale di incontrare meglio i requisiti previsti dalla norme considerate, soprattutto per quanto riguarda la cabinatura con conseguente declassamento del sistema laser in classe 1. 39

40 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO APPARECCHIO PER PUNZONATURA E TAGLIO LASER 40

41 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO La macchina per il taglio laser della slide precedente ha le seguenti caratteristiche: P = 4000 W - Potenza del fascio laser sull ottica terminale (P 63 e fascio gaussiano) λ = nm a = 15 mm - Diametro del fascio laser sull ottica terminale (a 63 e fascio gaussiano) d f = 0.2 mm - Diametro del fascio laser nel p.to focale f = 5 (128 mm) - Focale della lente terminale Φ intrinseca = 1 mrad - Divergenza intrinseca del fascio laser a f 41 Tenuto conto che l operatore alla consolle di comando ha visibilità diretta, senza elementi interposti, della zona di taglio (distante 3 m) e che sono possibili lavorazioni con lastre di Alluminio, effettuare una valutazione del rischio di esposizione laser e dire: 1. Se sussiste per l operatore un rischio di esposizione a livelli superiori alle Esposizioni Massime Permesse (EMP)? 2. Nel caso si evidenzino possibili superamenti delle EMP, quali misure di protezione in via prioritaria intraprendereste? 3. Fino a quale massima distanza dalla testa laser, nelle normali condizioni d impiego e di assistenza da parte del fabbricante, il fascio è potenzialmente pericoloso? 4. Nel corso delle operazioni di centratura del fascio l operatore predispone la macchina per effettuare una erogazione ridotta a 200 W con durata 300 ms. Quale è la densità ottica del protettore oculare per una distanza di visione di 50 cm? Φ

42 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO 1. sussiste per l operatore un rischio di esposizione a livelli superiori alle Esposizioni Massime Permesse (EMP)? 1. Calcolo dell EMP Cornea e Pelle e dell irradiamento E EMP = 1000W m 2 a df Φ = 2arctg = 2 arctg = 115.5mrad = f 2128 a L f D1 D2 E D 4P = = = 42276W m 2 2 Φ tg L + D1 π 2 tg π Φ E EMP 2 2 = 1000W m ED2 = 42267W m 42 Esiste pertanto per l operatore un rischio di esposizione a livelli superiori alle EMP

43 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO 2. Nel caso si evidenzino possibili superamenti delle EMP, quali misure di protezione in via prioritaria intraprendereste? In via prioritaria occorre prevedere la compartimentazione della macchina con materiali opachi alla radiazione a nm. Dove è richiesta la visibilità all interno dell area compartimentata, si usano materiali come il Lexan, macrolon e plexiglas 43

44 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO 3. Fino a quale massima distanza dalla testa laser, nelle normali condizioni d impiego e di assistenza da parte del fabbricante, il fascio è potenzialmente pericoloso? r 4 P π E d r EMP 1000 DNRO = = π = φ m nelle normali condizioni d impiego r 4 P π E d r EMP 1000 DNRO = = π = 2257 φ m nelle condizioni di assistenza da parte del fabbricante 44

45 ROA COERENTI UN CASO INDAGATO 4. Nel corso delle operazioni di centratura del fascio l operatore predispone la macchina per effettuare una erogazione ridotta a 200 W con durata 300 ms. Quale è la densità ottica del protettore oculare per una distanza di visione di 50 cm? E EMP = 5600 t J m = 5600 t W m = 13815W m a L a df Φ = 2arctg = 2 arctg = 115.5mrad = f 2128 f 45 D1 D λ = D2 E D H 0 log = log10 EMP 4P = = = 75607W m 2 2 Φ tg L + D1 π 2 tg π = Φ

46 ROA COERENTI il caso del puntatore laser Esempi di calcolo dell EMP 5. Un puntatore laser emette un fascio con le seguenti caratteristiche: λ=660 nm; potenza=3.8 mw. Calcolare la distanza di osservazione alla quale un esposizione di durata pari a 0.25 s eguaglia quella massima permessa d = r 1 4mm d = mm r 2 30 r = 0m r = 20m 1 2 φ = 2 arctg d dr1 2 ( r r ) r 2 = mrad H EMP = 18 t C6J m E EMP t C = 18 t C6 = 25W = m t r 4 P π E d 0 r1 EMP DNRO = = φ m 46

47 ROA NON COERENTI UN CASO INDAGATO 47

50 ROA NON COERENTI UN CASO INDAGATO Attraverso lo spettroradiometro è stato possibile rilevare i livelli di irradiamento UV nelle varie posizioni di misura con riferimento alla distribuzione spettrale dell energia radiante che potenzialmente raggiunge l operatore. In particolare, gli spettri UV sono stati acquisiti a passi di avanzamento del monocromatore di 1 nm e successivamente elaborati per ricavare l irradianza efficace (E eff ) e quella totale UVA (E UVA ) a partire dai valori di irradianza spettrale E λ misurati direttamente dallo spettroradiometro. I valori dei tempi di esposizione richiesti per raggiungere i limiti di esposizione radiante Heff e HUVA sono poi calcolati utilizzando le seguenti formule (si veda a tal proposito la prima pagina dell Allegato 1 della Direttiva): H eff eff t = = E eff 30 E eff (secondi) UVA HUVA t = = (secondi) E E UVA uva 50

51 ROA NON COERENTI UN CASO INDAGATO Elenco dei p.ti di rilievo, rispettiva descrizione e stato di funzionamento delle apparecchiature 51