LE GRANDEZZE RADIOMETRICHE ED I LIMITI DI ESPOSIZIONE ROA

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1 LE GRANDEZZE RADIOMETRICHE ED I LIMITI DI ESPOSIZIONE ROA franco fusi Dip Scienze Biomediche UNIFI Ringrazio il Dr A. Guasti per il materiale didattico 1

2 LA RADIAZIONE OTTICA La radiazione ottica comprende tutte le componenti a minore lunghezza d onda dello spettro della radiazione elettromagnetica non ionizzante, cioé: IR (1 mm-780 nm) VIS ( nm) UV ( nm) Le regioni spettrali della radiazione infrarossa e della radiazione UV sono state ulteriormente suddivise in: IR-A ( mm) IR-B (1.4-3 mm) IR-C (3 mm-1 mm) e UV-A ( nm) UV-B ( nm) UV-C ( nm) La suddivisione delle regioni spettrali e la sovrapposizione parziale della banda del visibile con quella della radiazione UV sono il risultato di decisioni 2 prese, per motivi pratici, dalla Commission Internationale de l Eclairage (CIE).

3 Radiometria Tradizionale 3

4 GRANDEZZE RADIOMETRICHE Possiamo distinguere in grandezze radiometriche totali e grandezze radiometriche spettrali. Nei valori totali si considera la quantità di energia a prescindere dalla lunghezza d onda. Le grandezze spettrali invece sono funzioni della lunghezza d onda. Le grandezze totali perdono una dimensione m -1 Es.: Radianza spettrale L e (l) [Watt sr -1 m -3 ] Radianza [Watt sr -1 m -2 ] 4

5 RADIOMETRIA E FOTOMETRIA descrivono la propagazione di energia nello spazio per mezzo della radiazione elettromagnetica tra una sorgente e un ricevitore. In fotometria il rivelatore è l occhio umano. LA RADIOMETRIA tratta questo problema in modo puramente fisico, in termini di energia o potenza e della geometria del mezzo in cui la propagazione ha luogo. LA FOTOMETRIA descrive lo stesso problema; l analisi però è basata non solo sulla potenza propagata, ma anche sugli effetti visuali che tale potenza produce su un osservatore umano. Le quantità radiometriche hanno significato in tutto lo spettro elettromagnetico Le quantità fotometriche hanno significato nella regione visibile dello spettro 5

6 Articolo 214 Definizioni.. Omissis 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 densità di potenza : la potenza radiante incidente per unità 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 unità d'angolo solido per unità di superficie, espressa in watt su metro quadrato su steradiante (W m -2 sr -1 ); i) livello : la combinazione di irradianza, esposizione radiante e radianza alle quali è esposto un lavoratore. 6

7 GRANDEZZE RADIOMETRICHE Possono essere divise in due classi Quelle che descrivono la sorgente emettitrice (Φ, L) Quelle che descrivono la superficie irradiata (E, H) 7

8 Energia radiante Q Flusso radiante Intensità radiante Radianza I L 8

9 Flusso Totale ENERGIA RADIANTE è l'energia totale emessa da una sorgente, Luce emessa in TUTTE le direzioni Q. Si misura in Joule (J). FLUSSO RADIANTE (POTENZA RADIANTE) è l'energia irraggiata da una sorgente per unità di tempo. Se Q rappresenta l'energia allora: dq dt L'unità di misura del flusso è il Watt (W) Questa è la grandezza radiometrica fondamentale, da questa derivano le altre grandezze radiometriche 9

10 Unità di Misura 10

11 FLUSSO TOTALE RADIANTE è la potenza che una sorgente emette nello spazio circostante sotto forma di radiazione. FLUSSO TOTALE LUMINOSO è la frazione di questa potenza percepita dall occhio umano come luce. Per misurare il flusso totale radiante o luminoso emesso da una sorgente occorre misurare tutta la radiazione emessa. Ciò può essere fatto inserendo la sorgente in una sfera integratrice oppure integrando su tutto lo spettro il campo radiante e usando un gonio-fotometro. 11

12 INTENSITA RADIANTE Utilizzata solo per sorgenti collimate (laser) Intensità angolare Luce emessa sotto specifiche direzioni e angoli Un detector di flusso completamente illuminato che abbia un area attiva A D ad una distanza r da una sorgente puntiforme misura l intensità della sorgente. L area del detector e la distanza dalla sorgente definiscono l angolo solido: 12

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14 RADIANZA Dalla sorgente Radianza [Watt sr -1 m -2 ] E' la quantità di energia emessa da una superficie nell unità di tempo (= Flusso Radiante) per unità di angolo solido (= Intensità radiante) e per unità di superficie: Luce emessa da aree della sorgente da area della sorgente emittente cosө dipende dall angolo che la sorgente ha rispetto al ricettore dω dipende dalla dimensione del ricettore (pupilla, sensore) e dalla distanza sorgente d (angolo solido sotteso da da ) R da ' (area perpendicolare a R) i da ( area della superficie illuminata) 14

15 Dalla sorgente RADIANZA Luce emessa da aree della sorgente 15

16 La radianza è una grandezza utilizzata per descrivere quanto un fascio di radiazione ottica è concentrato. Può essere calcolata dividendo l irradianza ( in W/m 2 ) ad una data posizione dalla sorgente per l angolo solido con cui la si osserva da quella posizione. La radianza è utilizzate per caratterizzare le sorgenti che possono produrre danno sulla retina (formazione dell immagine) detto α l angolo sotteso dalla sorgente. Se è α< 11 mrad la sorgente può essere considerata puntiforme (ossia l immagine ha dimensioni inferiori circa uguali a quelle della fovea); il limite di danno viene pertanto dato ancora come valore di irradianza Se α> 11 mrad l occhio produce un immagine sulla retina. Il limite di esposizione si da allora in radianza α = (Z/ d ) cos θ Ζ= dimensione media della sorgente d = distanza θ = ( angolo di osservazione) 16

17 Irradianza E d d cos da 17

18 IRRADIANZA Irradianza: è definita come il rapporto tra la potenza radiante incidente su un elemento infinitesimo di una superficie e l area proiettata da tale elemento, da, la cui normale forma un angolo rispetto alla direzione di propagazione E d d cos da si misura in W/m 2. L Irradianza che cade su una superficie varia con il coseno dell angolo di incidenza Viene utilizzata per valutare il potenziale rischio di un fascio di radiazione CW E una grandezza fondamentale per valutare i danni alla pelle, alla cornea, al cristallino 18

19 Legge dell inverso del quadrato Se lo stesso detector viene posto a due distanze differenti da una sorgente isotropa (stesso flusso in tutte le direzioni) ne consegue che Se r 2 = ar 1 legge dell inverso del quadrato 19

20 Legge dell inverso del quadrato per l irradianza Entrambi i detectors misurano lo stesso flusso radiante o luminoso: = I e A i = r i 2 Combinando queste espressioni si ha: Legge dell inverso del quadrato per l irradianza 20

21 ESPOSIZIONE RADIANTE H E l integrale nel tempo dell Irradianza H t 2 t1 Edt La esposizione radiante descrive quanta energia, per unità di superficie, è arrivata in un dato luogo rispetto alla posizione della sorgente. Può essere calcolata moltiplicando l irradianza (in W/m 2 ) per il tempo complessivo della esposizione in secondi. La esposizione radiante consente quindi di quantificare l effetto dell esposizione integrata nel tempo ed il conseguente rischio. Si misura in J/m 2. Il simbolo che la esprime è H. Utilizzata sia per effetti integrati nel tempo di esposizione CW che per impulsi

22 GRANDEZZE FOTOMETRICHE Grandezze che caratterizzano la sola radiazione visibile, basate sul concetto di corpo nero e sulle curve relative all efficienza spettrale dell occhio: Intensità luminosa Grandezza fondamentale nel Sistema Internazionale la cui unità di misura, la candela (cd), è l intensità luminosa di una sorgente che, in una data direzione, emette luce alla lunghezza d onda di 555 nm con intensità radiante pari a 1/683 W/sr. Luminanza E l intensità luminosa emessa per unità di superficie (cd/m 2 ). Flusso luminoso Prodotto dell intensità luminosa di una sorgente puntiforme isotropa per l angolo solido di emissione considerato (cd. sr = lumen, lm). Illuminanza (o illuminamento) Flusso luminoso incidente per unità di superficie irradiata (cd. sr/m 2 = lm/m 2 = lux, lx). Quantità di luce (convenzionale) Prodotto del flusso luminoso per il tempo di illuminazione (lm. s = talbot, tb).

23 LIMITI DI ESPOSIZIONE Il rispetto dei limiti di esposizione garantisce i lavoratori esposti a ROA dagli effetti nocivi sugli occhi e sulla cute. I limiti sono definiti per: [E] = Irradianza (W/m 2 ) [H] = Esposizione radiante (J/m 2 ) [L] = Radianza (W/m 2 sr)

24 L irradianza E viene adottata, quale VLE, quando gli effetti sono indipendenti dall angolo di osservazione e dal tempo di esposizione L esposizione radiante H viene adottata, quale VLE, quando si deve considerare l effetto dell energia assorbita in relazione al tempo di Esposizione La radianza L viene adottata, quale VLE, quando è importante la dipendenza angolare Le curve di azione di danno biologico Da un punto di vista del danno da radiazione sono richiesti i valori di irradianza e esposizione radiante efficaci (o dose), ossia legati al danno biologico che generano alle diverse lunghezze d onda Esempi di danno sono: agli occhi (fotocheratite, fotocongiuntivite ), alla pelle (eritema, tumore ) Selezionato un tipo di danno, si vede che non tutte le lunghezze d onda sono ugualmente responsabili nel provocarlo Pertanto ad ogni danno, quando possibile, rimane associata una curva di azione, ossia una curva in cui si fornisce un fattore peso (un valore da 0 a 1) in funzione della lunghezza d onda

25 VLE per radiazioni NON coerenti

26 I LIMITI DI ESPOSIZIONE (EL) Alcuni di essi sono espressi in termini efficaci. Quindi: Irradianza efficace Esposizione radiante efficace Radianza efficace Eeff Heff L R Il termine efficace si riferisce alle grandezze radiometriche pesate per gli effetti biologici che generano alle diverse lunghezze d onda. Per fare ciò sono definiti alcuni fattori adimensionali

27 FATTORI ADIMENSIONALI S(λ) fattore di peso spettrale: tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda degli effetti sulla salute delle radiazioni UV sull occhio e sulla cute R(λ) fattore di peso spettrale: tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda delle lesioni termiche provocate sull occhio dalle radiazioni visibili e IRA B(λ) ponderazione spettrale: tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda della lesione fotochimica provocata all occhio dalla radiazione di luce blu

28 S(λ) UV sull occhio e sulla cute Tutti i dati in tale curva sono normalizzati al valore corrispondente alla lunghezza d onda a cui si ha la massima efficacia biologica della radiazione. Tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda dell effetto biologico rappresentato dall eritema cutaneo, nonché fotocheratite, congiuntivite e catarattogenesi

29 R(λ) radiazioni visibili e IRA Tutti i dati in tale curva sono normalizzati al valore corrispondente alla lunghezza d onda a cui si ha la massima efficacia biologica della radiazione. Tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda delle lesioni termiche provocate sull occhio (danno termico retinico)

30 B(λ) radiazione di luce blu Tutti i dati in tale curva sono normalizzati al valore corrispondente alla lunghezza d onda a cui si ha la massima efficacia biologica della radiazione. Tiene conto della dipendenza dalla lunghezza d onda della lesione fotochimica provocata all occhio dalla luce blu

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33 Tabella 1.1 ALLEGATO XXXII parte I

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35 VALORI LIMITE PER RADIAZIONI LASER (ROA COERENTI) valori limite di esposizione per le radiazioni incoerenti sono riportati nell allegato XXXVII, parte II, tabelle 2.2, 2.3, 2..4; Essi sono espressi per mezzo dell irradianza E e della Esposizione Radiante H Le suddette grandezze devono essere prese, di volta in volta, come riferimento ed assumono valori differenti (adottati quale valore limite, appunto) in funzione dei seguenti parametri:

36 Data la variabilità dei casi, viene preliminarmente identificata una tabella (la tabella 2.1 dell allegato XXXVII) per la scelta delle tabelle dei valori limite di riferimento.

37 In relazione, poi, alla durata dell esposizione (breve o lunga) ed alla parte del corpo interessata dall esposizione medesima, vengono proposte differenti tabelle riportanti i valori limite, secondo la seguente suddivisione: VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE DELL OCCHIO A RADIAZIONI LASER (ESPOSIZIONE BREVE < 10 secondi) TABELLA 2.2 VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE DELL OCCHIO A RADIAZIONI LASER (ESPOSIZIONE LUNGA > 10 secondi TABELLA 2.3 VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE DELLA CUTE A RADIAZIONI LASER TABELLA 2.4

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43 RADIAZIONE LASER L ICNIRP ha prodotto linee guida per la limitazione dell esposizione a radiazione laser per: 180 nm l 1 mm 1 ns t s (8.33 ore) Le linee guida ICNIRP sono state adottate dal Comitato Elettrotecnico Internazionale (IEC) per il suo standard sulla sicurezza laser. I limiti di esposizione (EL) proposti dipendono molto fortemente dalla lunghezza d onda e dalla durata dell esposizione. Un fascio laser viene focalizzato ( nm) sulla retina (immagine di ~10 m) con amplificazioni di irradianza fino ad un fattore In questo intervallo di lunghezze d onda, gli EL sono coerentemente molto più piccoli che negli altri intervalli spettrali. Le linee guida ICNIRP definiscono specifiche aperture per i processi di media nella determinazione dell irradianza. E il valore misurato mediando sull apertura in queste indicate quello a dover essere confrontato con il corrispondente limite di esposizione.

44 DURATA DELL ESPOSIZIONE PER LA DETERMINAZIONE DEGLI EL PER L OCCHIO INFRAROSSO VISIBLE Viene generalmente usata una durata di esposizione di 10 s Viene generalmente usata una durata di esposizione di 0.25 s (battito dell occhio) Per esposizioni a lungo termine, possono essere usate durate fino a s ULTRAVIOLETTO IMPULSO SINGOLO IMPULSI MULTIPLI L effetto dell esposizione si cumula su diverse ore e viene assunta una durata di esposizione di s La durata dell esposizione corrisponde a quella del singolo impulso Sono applicati ulteriori criteri relativi all esposizione media su lunghi periodi ed all effetto di successive esposizioni a livelli inferiori agli EL

45 t G = L(t) dt [Jm -2 sr -1 ] 0

46 VLE per esposizione laser breve <10sec

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