紫外光源的光安全性參數(shù)測(cè)量及評(píng)價(jià)方法

1、紫外光源的光安全性參數(shù)測(cè)量及評(píng)價(jià)方法    虞建棟，牟同升摘要：本文根據(jù)新的IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)光生物安全的要求，就紫外光源在實(shí)際應(yīng)用中存在的皮膚和眼睛的光化學(xué)危害及眼睛的近紫外危害等安全性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了討論，介紹了基于紫外光譜輻射度法測(cè)量紫外有效輻射度量的方法。結(jié)合實(shí)際兩種紫外燈，對(duì)安全利用紫外燈的條件進(jìn)行了分析和討論，為人們安全利用紫外燈提供了實(shí)際可執(zhí)行的依據(jù)。關(guān)鍵字：紫外線(xiàn)輻射；光安全；曝輻限；一、引言電磁波譜從100nm到400nm部分為紫        

2、0;                                                虞建棟，牟同升摘要：本文根據(jù)新

3、的IEC及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)光生物安全的要求，就紫外光源在實(shí)際應(yīng)用中存在的皮膚和眼睛的光化學(xué)危害及眼睛的 近紫外危害等安全性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了討論，介紹了基于紫外光譜輻射度法測(cè)量紫外有效輻射度量的方法。結(jié)合實(shí)際兩種紫外 燈，對(duì)安全利用紫外燈的條件進(jìn)行了分析和討論，為人們安全利用紫外燈提供了實(shí)際可執(zhí)行的依據(jù)。關(guān)鍵字：紫外線(xiàn)輻射；光安全；曝輻限；一、引言電磁波譜從100nm到400nm部分為紫外線(xiàn)輻射(Ultraviolet radiationUVR)。太陽(yáng)的紫外輻射是人類(lèi)接受的紫外輻射的主體，但是由于紫外線(xiàn)在大氣傳播中的衰減過(guò)程，真正照射到地球表面的紫外輻射量只占總輻射量的4%左右。但它是一種非常重要

4、的自然界物理因子，是各種生物維持正常新陳代謝所不可缺少的。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)為討論UVR的生物學(xué)效應(yīng)而把紫外光譜劃分為3個(gè)波段：UV-A為320400nm，UV-B為280320nm，UV-C為100280nm。而波長(zhǎng)在180nm以下很易被空氣吸收，所以實(shí)際上沒(méi)有太大的生物學(xué)意義。不僅太陽(yáng)輻射紫外線(xiàn)，一些人造光源如紫外燈，電弧等也能產(chǎn)生紫外輻射。目前紫外線(xiàn)應(yīng)用發(fā)展迅速，例如感光油漆或油墨等光敏材料的固化、照相制版、光刻、復(fù)印、皮膚病及內(nèi)外科疾病治療、殺菌消毒、保健、熒光分析等領(lǐng)域的應(yīng)用都有了快速發(fā)展。然而過(guò)多的紫外線(xiàn)輻射也會(huì)對(duì)人類(lèi)健康造成負(fù)面影響。所以人類(lèi)在開(kāi)發(fā)和利用紫外線(xiàn)的同時(shí)又要防護(hù)

5、紫外線(xiàn)傷害。其中最容易受UVR輻射的器官是眼睛和皮膚，因?yàn)樗鼈兺耆┞对诳諝猱?dāng)中，而從一些牙科疾病的例子中可以看出口腔內(nèi)部也可能被輻射到。但是只要我們能將紫外輻射控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，那么人們即可在紫外輻射下正常地生活和工作，而不受此類(lèi)輻射危害，這就是研究紫外波段光安全性的目的。二、紫外光源光安全性要求1、皮膚和眼睛的光化學(xué)紫外危害曝輻限照射時(shí)間在8小時(shí)以?xún)?nèi)(不考慮超過(guò)8小時(shí)的情況)，入射到?jīng)]有采取保護(hù)措施的皮膚和眼睛的紫外有效輻射的曝輻限為30J·m-2。為了保護(hù)眼睛或皮膚不受由寬譜光源產(chǎn)生的紫外輻射的損傷，光源的有效積分光譜輻照度Es不應(yīng)超過(guò)由下式定義的限值。  

6、     2、眼睛的近紫外危害的曝輻限光譜范圍在315nm到400nm(UVA)之間的光輻射對(duì)眼睛的總曝輻射量，在時(shí)間小于1000s的情況下將不能超過(guò)10000J·m-2；在時(shí)間大于1000s的情況下，對(duì)沒(méi)有采取保護(hù)措施的眼睛的UVA波段輻照度EUVA不應(yīng)該超過(guò)10W·m-2。         (1)、(2)式中：E(,t)光譜輻照度，單位是W·m-2·nm-1；SUV ()光化學(xué)紫外危害加權(quán)函數(shù)(如圖1所示)；波長(zhǎng)

7、帶寬，單位是nm；t輻照時(shí)間，單位是秒。          三、測(cè)量原理光譜輻射法：在每一個(gè)波長(zhǎng)處測(cè)量光源的光譜輻射功率，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)波段的光譜數(shù)據(jù)積分或?qū)ι锕饨邮枕憫?yīng)函數(shù)加權(quán)積分后，獲得特定波段的輻射照度（或輻射功率）和光生物有效輻射量。測(cè)試原理如圖2所示。光源放在黑色的紫外輻射箱內(nèi)，在離光源一定距離上接收光源的輻照度信號(hào)，該光信號(hào)通過(guò)紫外石英光纖引到C-T單色儀和濾光片組成的分光系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)光柵單色儀分光后，出射光譜由光電倍增管PMT接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大后由測(cè)控單片機(jī)測(cè)量。

8、同時(shí)，測(cè)控單片機(jī)控制波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，逐一波長(zhǎng)地測(cè)量光源的光譜輻照度。四、光源的安全分析為了對(duì)紫外光源進(jìn)行安全分析及評(píng)價(jià)，我們測(cè)試了兩種紫外燈。1、紫外線(xiàn)汞燈紫外線(xiàn)汞燈輻射峰值波長(zhǎng)為254nm，譜線(xiàn)波長(zhǎng)短，能量強(qiáng)，主要用于滅菌等用途。根據(jù)圖2的原理，將紫外汞燈放在紫外輻射箱中，測(cè)試其紫外光譜輻照度分布。測(cè)試條件： 光接收頭離光源中心距離為1米。燈管電流0.297A，燈管電壓102V，功率29.2W。測(cè)量結(jié)果：光譜輻射分布如圖3所示。光照度：30.94 lx；輻射照度：89.21uW/cm2殺菌用254nm有效輻射照度：63.374uW/cm2皮膚和眼睛的光化學(xué)危害有效輻射照度：31.9318

9、uW/cm2眼睛的近紫外危害有效輻射照度：3.5935uW/cm2由于紫外線(xiàn)汞燈正常工作時(shí)光譜輻照度分布是固定不變的，又因各加權(quán)函數(shù)V()、SUV ()等也是固定不變的，由此可知各類(lèi)有效輻照度與光照度之比為常數(shù)。由此可知，只要將光照度控制在一定范圍內(nèi)，即可控制各類(lèi)危害的有效輻射照度值，由此可得以下結(jié)論。            a)皮膚和眼睛的光化學(xué)危害b)眼睛的近紫外危害         

10、0;  由公式(2a)、(2b)得：注：以上(3)、(4)式中與圖4中的E代表光照度，下面2中(5)、(6)式和圖6中同。               圖3：紫外線(xiàn)汞燈光譜分布圖4：紫外線(xiàn)汞燈光安全評(píng)價(jià)曲線(xiàn)圖由上述式子可劃畫(huà)出安全評(píng)價(jià)曲線(xiàn)，如圖4(由于兩曲線(xiàn)光照度值相差較大，為清楚起見(jiàn)，光照度取對(duì)數(shù)形式，圖6同理)所示，由圖可知：a)要在該紫外線(xiàn)汞燈照射下同時(shí)避免上述兩類(lèi)紫外線(xiàn)危害，必須使該燈工作于圖中兩條曲線(xiàn)以下區(qū)域的公共部分(圖4中

11、就是指光化學(xué)危害評(píng)價(jià)曲線(xiàn)與照射時(shí)間坐標(biāo)軸之間的那部分區(qū)域)。b)該紫外線(xiàn)汞燈造成眼睛近紫外危害的可能性大大小于造成皮膚和眼睛光化學(xué)危害的可能性。原因是造成眼睛近紫外危害的波段315400nm內(nèi)光譜輻照度較小（圖3）。c)舉例說(shuō)明：為防止紫外危害，當(dāng)人體被照射時(shí)間為1000s時(shí)，必須控制人體被照射區(qū)域的光照度小于2.9068lx，此時(shí)的殺菌用254nm有效輻射照度最大只能為5.954 uW/cm2。如果我們?cè)诠庹斩葹?0lx下使用該燈，人接受照射的時(shí)間要小于290.68s，而此時(shí)該燈殺菌用254nm有效輻射照度為20.48 uW/cm2。2、紫外保健燈紫外保健燈被用于美容去斑，日光浴等。同理根據(jù)

12、圖2的原理，將紫外保健燈放在紫外輻射箱中，測(cè)試其紫外光譜輻照度分布。測(cè)試條件：光接收頭離光源中心距離為1m。燈管電流0.0823A，燈管電壓219.8V，功率18.1W。測(cè)量結(jié)果：光譜輻射分布如圖5所示：光照度：6.25 lx；輻射照度：11.4uW/cm2皮膚和眼睛的光化學(xué)危害有效輻射照度：0.5309uW/cm2眼睛的近紫外危害有效輻射照度：6.5284uW/cm2250320nm B波段有效輻射照度(E1)：1.0682172uW/cm2320400nm A波段有效輻射照度(E2)：0.005564uW/cm2a)皮膚和眼睛的光化學(xué)危害b)眼睛的近紫外危害由公式(2a)、(2b)得：&#

13、160;                               圖5：紫外保健燈光譜分布 圖6：紫外保健燈光安全評(píng)價(jià)曲線(xiàn)圖同理，由上述式子可作出安全評(píng)價(jià)曲線(xiàn)，如圖6所示，由圖可知：a)要在該紫外保健燈照射下同時(shí)避免上述兩類(lèi)紫外線(xiàn)危害，那就必須在圖中兩條曲線(xiàn)以下區(qū)域的公共部分使用該燈。

14、b)舉例說(shuō)明：當(dāng)人體被照射時(shí)間為1000s時(shí)，必須控制人體被照射區(qū)域的光照度小于35.317lx。如果我們?cè)诠庹斩葹?0lx下使用該燈，接受照射的時(shí)間要小于353.2s。c)結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)用于紫外器具的規(guī)定可知：紫外器具類(lèi)型 有效輻射照度(W/m2) 對(duì)應(yīng)光照度 (lx) 安全照射時(shí)間 (s)UV type 3 E1<0.15，E2<0.15 E<87.76 t由式(5)確定UV type 4 E10.15，E2<0.15 E87.76 t402.4(由式5得到)五、結(jié)論第一、本文結(jié)合紫外光安全性要求對(duì)兩類(lèi)紫外燈進(jìn)行了測(cè)試與光安全性的分析，獲得了預(yù)期的為安全利用這兩類(lèi)紫外燈提供實(shí)際可執(zhí)行的依據(jù)的目的。第