Introduzione alla radiazione ottica: concetti di base

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Introduzione alla radiazione ottica: concetti di base"

Bonaventura Donati
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Introduzione alla radiazione ottica: concetti di base Giovanni D Amore ARPA Piemonte, Centro Regionale Radiazioni Ionizzanti e Non Ionizzanti

2 ONDA ELETTROMAGNETICA

3 SPETTRO ELETTROMAGNETICO

4 RADIAZIONE OTTICA Spettro elettromagnetico

5 Suddivisione UV in relazione all efficacia biologica

6 GRANDEZZE FISICHE E UNITA DI MISURA

7 Angolo solido Ω=S/r 2 Ω max =(4πr 2 )/r 2 =4 πsr

8 GRANDEZZE RADIOMETRICHE Riferite alla Sorgente GRANDEZZA Energia radiante SIMBOLO Q Unità di misura J Flusso radiante Φ=dQ/dt W Intensità radiante I e =dφ/dω W/sr Radianza L e =dφ/(dω da) W/(m 2 sr)

9 GRANDEZZE RADIOMETRICHE Riferite alla superficie GRANDEZZA SIMBOLO Unità di misura Irradianza E=dΦ/dA W/m 2 Esposizione radiante H=dQ/dA J/m 2 Una dose di 100 J/m2 può corrispondere a: E = 1 W/m2 t t = 100 secondi oppure: E = 0,1 W/m2 t t = 1000 secondi

10 GRANDEZZE RADIOMETRICHE Per fasci non monocromatici si utilizzano grandezze riferite alle singole lunghezze d onda aggiungendo nella denominazione il termine spettrale e la grandezza totale su tutto lo spettro è data dall integrale della corrispondente grandezza spettrale Esempi per le grandezze radianza spettrale L e (λ) e irradianza spettrale E(λ) = Le Le ( λ) dλ = E E( λ) dλ

11 GRANDEZZE FOTOMETRICHE Le grandezze fotometriche tengono conto della percezione visiva dell occhio alle diverse componenti spettrali La massima sensibilità spettrale dell occhio è a λ = 555 nm (giallo) Minima sensibilità blu e rosso

12 GRANDEZZE FOTOMETRICHE Le grandezze fotometriche dovranno essere pesate sulla curva di sensibilità spettrale dell occhio Esempio: Flusso Luminoso ottenuto con la ponderazione del flusso radiante sulla curva di efficacia spettrale dell occhio K(λ) Φ = ν Φ (λ) K(λ)dλ e

13 GRANDEZZE FOTOMETRICHE Grandezze relative alla sensibilità spettrale dell occhio umano GRANDEZZA FOTOMETRICA Flusso luminoso GRANDEZZA RADIOMETRICA CORRISPONDENTE Flusso radiante Unità di misura Lumen (Lm) Intensità luminosa Intensità radiante Candela (Cd) Illuminamento Irradianza Lux Luminanza Radianza Cd/m2

14 EFFICIENZA LUMINOSA Rapporto tra Flusso Luminoso e Flusso Radiante emesso da una sorgente Valori indicativi per alcune tipologie di sorgenti Efficienza Luminosa (lm/w) Sorgente Incandescenza Alogena Fluorescenza Arco - Xenon LED

15 Legge dell inverso del quadrato Legge valida a partire da distanze dalla sorgente d>a 5 volte il diametro della sorgente

16 a Parametri dosimetrici Irradianza efficace b E eff = 400nm S Eλ λ 250nm 2 λ [ W / m ] E λ irradianza spettrale S λ fattore di efficacia spettrale relativa Spettri di azione UV a) efficacia nel causare l eritema delle differenti lunghezze d onda b) efficacia nel causare carcinoma squamoso umano(stimato) Esposizione radiante efficace H 2 eff = Eeff ( t) dt [ J / m ]

17 Effetto dello spettro d azione eritemigeno sullo spettro solare

18 INDICE UV L indice UV indica l intensità della radiazione UV UV INDEX = E eff ( 2 ) ( 2 W / m / W / m )

19 MECCANISMI DI EMISSIONE: LE SORGENTI

20 SORGENTI DI RADIAZIONE COERENTE Radiazione emessa con relazione di fase costante in ogni punto dello spazio Fascio collimato Radiazione monocromatica (una sola frequenza) LASER SORGENTI DI RADIAZIONE NON COERENTE Esempi: lampade a incandescenza; lampade a scarica in un gas

21 Spettro di corpo nero W = ( Aλ 5 ) /( e B /( λt ) 1) W potenza radiante emessa per unità di superficie T Temperatura di corpo nero Spostamento del picco di massima emissione in funzione della temperatura Legge di Wien λ max T = k Legge di Stefan Boltzmann W = σt σ costante di Stefan Boltzmann 4

22 Ionizzazione ed eccitazione Emissione di radiazione Eccitazione Configurazione instabile Emissione Sono coinvolte solo quantità discrete si energia multiple di hν Transizione atomiche Raggi x Raggi UV Radiazione visibile Transizioni molecolari Radiazione infrarossa Radiazione a microonde

23 L ATOMO DI MERCURIO

24 Sorgenti luminose e UV

25 Sorgenti incandescenti Riscaldamento di un filamento di tungsteno a temperature dell ordine di 3000 C Gas di riempimento miscela di argon e azoto Distribuzione spettrale simile a quella di corpo nero, prevalentemente nel visibile e infrarossi Emissione UV = 0.1 % (100 W) 0.17 % (1 kw) Lampade ad incandescenza alogene Gas alogeno (iodio o bromo) ciclo alogeno tungsteno Bulbo in quarzo (elevate temperature) Emissione rilevante nella regione UV Spot luminosi Utilizzo Proiettori (5kW) Illuminazione domestica e di ufficio ( W)

26 Lampada a incadescenza

27 Spettro di emissione di una lampada ad incandescenza

28 Lampada a scarica Bassa pressione bassa temperatura emissione a righe Alta pressione allargamento delle righe

Lampada a scarica a bassa pressione Pressione dell ordine di 10-3 -10-5 atm Vapori di mercurio + gas inerte (argon) Lampade germicide Emissione prevalente a

29 Lampada a scarica a bassa pressione Pressione dell ordine di atm Vapori di mercurio + gas inerte (argon) Lampade germicide Emissione prevalente a 254 nm (massimo assorbimento del DNA a circa 260 nm) Sterilizzazione di ambienti, cibi e prodotti farmaceutici In ambiente ospedaliero per limitazione del contagio

30 Lampade fluorescenti

31 Lampade fluorescenti Particolare tipo di lampada a scarica in cui l emissione luminosa visibile è indiretta, ovvero non è emessa dal gas ionizzato, ma da un materiale fluorescente (silicati, fostati, tungstati) Rischio di frattura dell involucro con conseguente emissione di radiazione UV Lampada di wood emissione di luce nera (UVA) Utilizzo delle lampade Illuminazione ambienti (tubi fluorescenti) Test fotosensibilizzazione applicazioni odontoiatriche (lampada di wood) Fototerapia ittero neonatale (luce blu da 400 a 500 nm)

33 Lampade a scarica a media pressione Pressione del gas: 1 10 atm Bulbo interno in quarzo bulbo esterno in vetro borosilicato (alte temperature) Lampade ad alogenuri metallici (emissione UV ~ 22%) Utilizzo delle lampade Fotopolimerizzazione di resine trattamento di inchiostri (200W 10kW) Lampade abbronzanti (80 300W) Solarium UVA (rivestimenti fluorescenti) Foto Stampa (Alogenuri metallici) Terapia dermatologica (psoriasi, acne, eczemi ) Irradiazione localizzata lampada sagomata ad U in paraboloide riflettente Irradiazione globale cabina di irradiazione (terapia PUVA)

Lampade a scarica a alta pressione Pressione del gas > 10 atm 50atm P 200atm (sistema di raffreddamento ad acqua) Radianza molto elevata Dimensioni ragionevolmente

34 Lampade a scarica a alta pressione Pressione del gas > 10 atm 50atm P 200atm (sistema di raffreddamento ad acqua) Radianza molto elevata Dimensioni ragionevolmente piccole Utilizzo in reattori fotochimici e sistemi di proiezione LAMPADE ALLO XENON Lampade ad arco con pressione fino a 12atm Potenza nell intervallo 25kW 75kW Simulatore Solare

35 Lampade a LED (Light Emitting Diode) Diodi a giunzione p-n Tensione applicata per ridurre la barriera di potenziale Ricombinazione elettroni - lacune Rilascio di energia (emissione luce)

36 Lampade a LED (Light Emitting Diode) Luce monocromatica: rosso, giallo, verde, blu (luce bianca con una combinazione di più led) Ridotte dimensioni Elevata efficienza Lunga durata a causa di assenza di dispersione di calore

Documenti analoghi

Illuminotecnica - Grandezze Fotometriche

Massimo Garai - Università di Bologna Illuminotecnica - Grandezze Fotometriche Massimo Garai DIN - Università di Bologna http://acustica.ing.unibo.it Massimo Garai - Università di Bologna 1 Radiazione