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

Maria Guglielmina Pelizzo

CNR-IFN e UNIPD-DEI, Laboratorio LUXOR

Via Trasea 7, Padova

Padova, 9 giugno 2010

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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

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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

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Suddivisione dello spettro – 81/08Art.214

• Radiazione ultraviolette: da 100 a 400 nm– UVA: 315-400 nm

– UVB: 280-315 nm

– UVC: 100-280 nm

• Radiazione visibile: 380-780 nm

• Radiazione infrarossa: 780 nm-1 mm– IRA: 780-1400 nm

– IRB: 1400-3000 nm

– IRC: 3000-1 mm

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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=t2-t1: 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)

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• Sorgente S di energia radiante idealmente puntiforme• Intensità radiante I: energia emessa per unità di tempo

(=potenza radiante) per unità di angolo solido

• In termini elementari, si può anche scrivere che:• L’intensità radiante si misura in W/sr.

S

Intensità radiante

Ω

PI

Ω

PI

d

d

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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/m2

• Per una sorgente puntiforme:

S

d dA

r

dA

dPE

Esempio:Area Rivelatore

2r

dAd

22 r

IP

r

1

d

dE

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Irradianza (II)

• legge dell’inverso del quadrato: l’irradianza su una superficie è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente (assunta puntiforme).

1/4

1/9

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Perché l’irradianza?

• L

• L’irradianza è una misura sulla superficie investita

Lo strumento di misura deve raccogliere e pesare in maniera uguale la radiazione proveniente da tutto l’ambienteÈ necessario pertanto una testa radiometrica

SENSORE

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Radianza• Si definisce radianza L, la potenza emessa per unità di angolo solido e per

unità di area

• La radianza si misura in W/sr/m2 .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.

ΩA

PL

dd

d

S

Sorgente estesa – A/cosθ

A

Normale alla superficie

θ

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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

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Riassunto delle grandezze (I)

• E=E(t): irradianza (W/m2); si riferisce a tutta la regione spettrale in cui la sorgente emette

• Eλ=E(λ, t): irradianza spettrale (W/m2/nm); è un valore dato per la singola lunghezza d’onda

• EΔλ: irradianza totale nell’intevallo Δλ (W/m2) – Esempio: se Δλ si riferisce all’intervallo UVA, allora:

nm

nm

UVA dEE400

315

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Riassunto delle grandezze (II)

• H: esposizione radiante (J/m2); integrale nel tempo di esposizione di E(t)– sia Δt=t1-t2 il tempo di esposizione alla sorgente; allora:

– Se E (t) è costante nel tempo allora E(t)=E e H=E· Δ t

• Hλ=H(λ): esposizione radiante spettrale (J/m2/nm); integrale nel tempo di Eλ

• H Δλ: esposizione radiante nell’intevallo Δλ (J/m2); integrale nell’intervallo Δλ di Hλ

2

1

t

t

EdtH

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Riassunto delle grandezze (II)

• L: radianza della sorgente (W/sr/m2)

• Lλ=L(λ): radianza spettrale della sorgente (W/sr/m2/nm);

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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

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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’irradianzaspettrale efficace di una sorgente (nel caso in esempio del sole)

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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

2

1

t

t

effeff dtEH

nm

nm

eff dSEE400

180

Eλ,eff

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Grandezze efficaci (II)

2

1

t

t

effeff dtEH

nm

nm

eff dSEE400

180

Eλ,eff

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Grandezze efficaci (II)

• Altri esempi:

nm

nm

B dBEE1400

380

nm

nm

B dBLL1400

380

nm

nm

R dRLL1400

380

nm

nm

R dREE1400

380

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Esempio

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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 spettro-radiometrica, 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

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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 spettro-radiometri portatili)

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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

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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-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

250 300 350 400

Wavelength (nm)

CIE erythemal action curve

Experimental prototype response

Theoretical prototype response

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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

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Classificazione dei laser

• La norma tecnica CEI EN 60825-1, riguardante la sicurezzadegli apparecchi laser, è stata recentemente aggiornata nellaclassificazione delle sorgenti; alla data del 01/07/2005 gliapparecchi nuovi che vengono immessi sul mercato devonoessere necessariamente conformi alla nuova classificazione.

• In ogni caso la classificazione è stabilita sulla base dei LEA(Livello di Emissione Accessibile: il livello massimo permesso inuna particolare classe). Si basa sulla potenza emessa e sullaregione spettrale di emissione

• Nel caso dei laser, la classificazione del singolo apparecchio è fornita dal produttore

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Vecchia classificazione

• Classe 1 – Laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamentoragionevolmente prevedibili

• Classe 2 – Laser che emettono radiazione visibile nell’intervallo dilunghezze d’onda tra 400 700 nm; la protezione dell’occhio è normalmenteassicurata dalle reazione di difesa compreso il riflesso palpebrale

• Classe 3A – Laser che sono sicuri per la visione ad occhio nudo. Per i laserche emettono nell’intervallo di lunghezza d’onda tra 400 e 700 nm, laprotezione dell’occhio è assicurata dal riflesso palpebrale; per le altrelunghezze d’onda il rischio per l’occhio nudo non è superiore a quello diClasse 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 semprepericolosa; la visione di riflessioni diffuse normalmente non è pericolosa

• Classe 4 – Laser che sono anche in grado di produrre riflessioni diffusepericolose; possono causare lesioni alla pelle

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Nuova classificazione

• Classe 1 – Laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmenteprevedibili, 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 eche sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, ma possonoessere 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 e700 nm; la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazione di difesacompreso il riflesso palpebrale. Questa reazione fornisce un’adeguata protezione nellecondizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l’uso di strumenti ottici perla visione del fascio

• Classe 2M – Laser che emettono radiazione visibile nell’intervallo di lunghezza d’onda tra 400e 700 nm; la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazione di difesacompreso il riflesso palpebrale; comunque, la visione del fascio può essere più pericolosa sel’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, dovela visione diretta del fascio è potenzialmente pericolosa ma il rischio è più basso dei laser diClasse 3B. Il LEA è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 2 per l’intervallo di lunghezzad’onda tra 400 e 700 nm, ed è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 1 per le altre lunghezzed’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 causarelesioni alla pelle e potrebbero costituire un pericolo d’incendio. Il loro uso richiede estremacautela.

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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)

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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

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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

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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”

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Segnaletica e modulistica in laboratorio

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Protezioni e allestimento dei localiesempi

• Protezioni personali– Occhiali

– Visiere e schermi

– Indumenti protettivi

– ……………………………………

• Allestimento del laboratorio– Superfici non riflettenti

– Attrezzi non riflettenti

– Attenzione agli strumenti ottici usati (esempio sistemi focalizzanti)

– Elementi separatori

– …………………………………