Grandezze fisiche radiometriche, loro misura e stima dei valori di esposizione ad una sorgente Gestione della sicurezza al LUXOR: un esempio

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1 Grandezze fisiche radiometriche, loro misura e stima dei valori di esposizione ad una sorgente Gestione della sicurezza al LUXOR: un esempio Maria Guglielmina Pelizzo CNR-IFN e UNIPD-DEI, Laboratorio LUXOR Via Trasea 7, Padova Padova, 9 giugno 2010

2 Sorgenti coerenti e incoerenti (1) Il laser emette luce direzionata (sorgente coerente) Con un opportuno rivelatore è semplice raccogliere tutta la luce emessa Una generica sorgente emette in tutte le direzioni (sorgente incoerente) Si raccoglie una quantità di luce che dipende dall area sensibile del rivelatore

3 Sorgenti coerenti e incoerenti (2) Il laser emette luce ad una specifica lunghezza d onda (sorgente coerente) La misura effettuata si riferisce alla specifica lunghezza d onda Una generica sorgente emette a più lunghezze d onda Spesso invece è richiesta una misura che si riferisce alla singola lunghezza d onda PORZIONE DI SPETTRO INTERESSATO DALLA 81/08: da 100 nm a 1 mm

4 Suddivisione dello spettro 81/08 Art.214 Radiazione ultraviolette: da 100 a 400 nm UVA: nm UVB: nm UVC: nm Radiazione visibile: nm Radiazione infrarossa: 780 nm-1 mm IRA: nm IRB: nm IRC: mm

5 Grandezze fisiche utili e unità di misura λ: lunghezza d onda, espressa in nanometri Δλ: intervallo spettrale, espresso in nanometri t: tempo, espresso in secondi Δt=t 2 -t 1 : intervallo di tempo, espresso in secondi Ω: angolo solido (sr) P - Potenza radiante (o flusso radiante): energia radiante al secondo di una sorgente, espressa in Watt (Joule/sec)

6 Intensità radiante Sorgente S di energia radiante idealmente puntiforme Intensità radiante I: energia emessa per unità di tempo (=potenza radiante) per unità di angolo solido S I P Ω In termini elementari, si può anche scrivere che: L intensità radiante si misura in W/sr. I dp dω

7 Irradianza (I) Si definisce come irradianza E la quantità di energia radiante incidente per unità di tempo (potenza radiante) per unità di superficie L unità di misura è W/m 2 Per una sorgente puntiforme: S d da r r d da Esempio: Area Rivelatore E dp d dp da E 1 r I r

8 Irradianza (II) legge dell inverso del quadrato: l irradianza su una superficie è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente (assunta puntiforme). 1/9 1/4

9 Perché l irradianza? L SENSORE Lo strumento di misura deve raccogliere e pesare in maniera uguale la radiazione proveniente da tutto l ambiente È necessario pertanto una testa radiometrica L irradianza è una misura sulla superficie investita

10 Radianza Si definisce radianza L, la potenza emessa per unità di angolo solido e per unità di area Sorgente estesa A/cosθ Normale alla superficie S θ A L dp dadω La radianza si misura in W/sr/m 2. È da tener presente che in questa definizione l area emittente è misurata perpendicolarmente alla direzione di uscita della radiazione, e quindi in generale è diversa dall area fisica della superficie emittente.

11 Perché la radianza L a radianza è utilizzate per caratterizzare le sorgenti che possono produrre danno sulla retina (formazione dell immagine) α è l angolo sotteso dalla sorgente. Se è α < 11 mrad la sorgente può essere considerata puntiforme (ossia l immagine ha dimensioni inferiori circa 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 perchè essa si conserva a meno della trasmissione dell occhio (ossia la radianza dell immagine è uguale a quella dell oggetto moltiplicata per la trasmissione del sistema ottico; l irradianza NON si conserva) α

12 Riassunto delle grandezze (I) E=E(t): irradianza (W/m 2 ); si riferisce a tutta la regione spettrale in cui la sorgente emette E λ =E(λ, t): irradianza spettrale (W/m 2 /nm); è un valore dato per la singola lunghezza d onda E Δλ : irradianza totale nell intevallo Δλ (W/m 2 ) Esempio: se Δλ si riferisce all intervallo UVA, allora: E UVA 400nm E 315nm d

13 Riassunto delle grandezze (II) H: esposizione radiante (J/m 2 ); integrale nel tempo di esposizione di E(t) sia Δt=t 1 -t 2 il tempo di esposizione alla sorgente; allora: H Se E (t) è costante nel tempo allora E(t)=E e H=E Δ t t2 t1 Edt H λ =H(λ): esposizione radiante spettrale (J/m 2 /nm); integrale nel tempo di E λ H Δλ : esposizione radiante nell intevallo Δλ (J/m 2 ); integrale nell intervallo Δλ di H λ

14 Riassunto delle grandezze (II) L: radianza della sorgente (W/sr/m 2 ) L λ =L(λ): radianza spettrale della sorgente (W/sr/m 2 /nm);

15 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 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

16 Esempio: curva di azione dell eritema La curva di azione dell eritema pondera l effetto indotto dalla singola lunghezza d onda sull arrossamento della pelle ( scottatura ) Moltiplicando il fattore peso per l irradianza spettrale si ottiene l irradianza spettrale efficace di una sorgente (nel caso in esempio del sole)

17 Grandezze efficaci (I) La 81/08 riporta 3 curve di azione (=fattori di peso spettrale: S(λ) danno da UV su occhio e cute B(λ) lesione fotochimica all occhio da luce blu R(λ) lesioni termiche all occhio da VIS e IRA Esempio: Calcolo di una irradianza efficace secondo S: Esposizione radiante efficace secondo S t2 E eff H 400nm eff E 180nm S t1 E eff d dt E λ,eff

18 Grandezze efficaci (II) E eff 400nm E 180nm S d E λ,eff H eff t2 t1 E eff dt

19 Grandezze efficaci (II) Altri esempi: E B 1400nm E 380nm B d L B 1400nm L 380nm B d E R 1400nm E 380nm R d L R 1400nm L 380nm R d

20 Esempio

21 Strumenti e modalità di misura Ogni settore deve seguire specifiche linee guida che riguardano il proprio ambito produttivo e le indicazioni relative al proprio apparato. Tipicamente vengono fornite indicazioni sulla geometria della misura, sulle caratteristiche della strumentazione, sulle risoluzione ecc. La misura che può dare maggiori informazioni, e che è tipicamente richiesta dalle linee guida, è quella di spetrale, in quanto fornisce un dato specifico per lunghezza d onda e unità di tempo, successivamente elaborabile. Trattasi di una misura spettroradiometrica, piuttosto complessa da eseguire e che per essere correttamente effettuata richiede l uso di strumentazione sofisticata In certi intervalli spettrali possono essere usati spettro-radiometri portatili (ma non sempre) Misure indicative possono essere eseguite con radiometri, la cui risposta spettrale e calibrazione però deve essere tenuta considerazione nell analisi del dato di output. Possono essere utili per una prima scrematura Ogni intervallo spettrale utilizza diverse categorie di strumenti e rivelatori

22 Misura spettro-radiometrica Sia irradiamento spettrale sia radianza spettrale richiedono sofisticate apparecchiature per essere correttamente misurate In primis è necessario un monocromatore (spesso ad alto rapporto segnale/rumore, quindi per esempio a doppio reticolo), che separi le lunghezze d onda Sono necessarie sorgenti o rivelatori calibrati E necessario definire in maniera accurata il sistema e la geometria della misura In generale pertanto sono misure che si effettuano in laboratorio (anche se in certi casi possono essere usati anche spettroradiometri portatili)

23 Sonda radiometrica Sonda radiometrica portatile per la misura di irradianza Attenzione alla sua risposta spettrale: le risposte non sono mai rettangolari ; pertanto bisogna informarsi sulla calibrazione Diffusore

24 Sonda radiometrica con risposta equivalente Esistono teste radiometriche con curve di risposta equivalenti a quelle di azione biologica; probabilmente troveremo in commercio anche quelle con risposta S, B e R Esempio: sviluppato un sensore con curva di risposta a quella dell eritema; fornisce direttamente l irradiamento efficace. 1.E+01 1.E+00 1.E-01 CIE erythemal action curve Experimental prototype response Theoretical prototype response 1.E-02 1.E-03 1.E Wavelength (nm)

25 Nel laser è possibile la misura di potenza Essendo il laser direzionale, il fascio può essere tutto raccolto dal rivelatore, quindi è possibile fornire la potenza del laser Laser power meter: con fotodiodi per basse potenze, con termopile per alte potenze Se il fascio è espanso, allora si misura anche in questo caso l irradianza

26 Classificazione dei laser La norma tecnica CEI EN , riguardante la sicurezza degli apparecchi laser, è stata recentemente aggiornata nella classificazione delle sorgenti; alla data del 01/07/2005 gli apparecchi nuovi che vengono immessi sul mercato devono essere necessariamente conformi alla nuova classificazione. In ogni caso la classificazione è stabilita sulla base dei LEA (Livello di Emissione Accessibile: il livello massimo permesso in una particolare classe). Si basa sulla potenza emessa e sulla regione spettrale di emissione Nel caso dei laser, la classificazione del singolo apparecchio è fornita dal produttore

27 Vecchia classificazione Classe 1 Laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili Classe 2 Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezze d onda tra nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazione di difesa compreso il riflesso palpebrale Classe 3A Laser che sono sicuri per la visione ad occhio nudo. Per i laser che emettono nell intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm, la protezione dell occhio è assicurata dal riflesso palpebrale; per le altre lunghezze d onda il rischio per l occhio nudo non è superiore a quello di Classe 1. La visione diretta del fascio laser di Classe 3A con strumenti ottici (binocoli, microscopi, ecc.) può essere pericolosa Classe 3B La visione diretta del fascio di questi laser è sempre pericolosa; la visione di riflessioni diffuse normalmente non è pericolosa Classe 4 Laser che sono anche in grado di produrre riflessioni diffuse pericolose; possono causare lesioni alla pelle

28 Nuova classificazione Classe 1 Laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l uso di strumenti ottici per la visione del fascio Classe 1M Laser che emettono nell intervallo di lunghezza d onda tra 302,5 nm e 4000 nm e che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, ma possono essere pericolosi se l operatore impiega ottiche di osservazione all interno del Fascio Classe 2 Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezze d onda tra 400 e 700 nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazione di difesa compreso il riflesso palpebrale. Questa reazione fornisce un adeguata protezione nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l uso di strumenti ottici per la visione del fascio Classe 2M Laser che emettono radiazione visibile nell intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm; la protezione dell occhio è normalmente assicurata dalle reazione di difesa compreso il riflesso palpebrale; comunque, la visione del fascio può essere più pericolosa se l operatore impiega ottiche di osservazione all interno del fascio Classe 3R Laser che emettono nell intervallo di lunghezze d onda tra 302,5 e 1060 nm, dove la visione diretta del fascio è potenzialmente pericolosa ma il rischio è più basso dei laser di Classe 3B. Il LEA è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 2 per l intervallo di lunghezza d onda tra 400 e 700 nm, ed è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 1 per le altre lunghezze d onda. Classe 3B Laser che sono normalmente pericolosi nel caso di esposizione diretta del fascio; la visione della radiazione diffusa normalmente non è pericolosa Classe 4 Laser che sono in grado di produrre riflessioni diffuse pericolose; possono causare lesioni alla pelle e potrebbero costituire un pericolo d incendio. Il loro uso richiede estrema cautela.

29 Organizzazione della sicurezza I seguenti suggerimenti provengono dell esperienza di gestione della sicurezza presso il CNR-IFN Lab. LUXOR Responsabile della sicurezza (nel nostro caso il direttore) Preposti (nel nostro caso i ricercatori responsabili di singoli laboratori, nominati dal direttore con atto pubblico) Operatori autorizzati (autorizzati dai preposti) Visitatori (devono essere sempre accompagnati da un operatore e non possono operare la strumentazione)

30 Modulistica interna Sono state realizzate una serie di modulistiche informative è obbligo degli operatori prenderne visione Moduli di autorizzazione richiesta di autorizzazione da parte degli operatori, firmata dal preposto e contro-firmata dal responsabile sicurezza

31 Modulistica interna Sono state realizzate una serie di modulistiche informative è obbligo degli operatori prenderne visione Moduli di autorizzazione richiesta di autorizzazione da parte degli operatori, firmata dal preposto e contro-firmata dal responsabile sicurezza

32 Segnaletica e modulistica in laboratorio Affisso all esterno della porta: Indicazioni delle fonti di pericolo e indicazioni di comportamento Indicatore luminoso nel caso di laser con classe 3R, 3B e 4 Tastierino blocca-accessi per laser 3B e 4 All interno: Elenco del personale autorizzato Modalità delle operazioni in laboratorio Manuale d uso delle sorgenti pericolose

33 Segnaletica e modulistica in laboratorio

34 Protezioni personali Occhiali Visiere e schermi Indumenti protettivi Protezioni e allestimento dei locali esempi Allestimento del laboratorio Superfici non riflettenti Attrezzi non riflettenti Attenzione agli strumenti ottici usati (esempio sistemi focalizzanti) Elementi separatori