紫外光源的光安全性參數(shù)測量及評價(jià)方法

1、紫外光源的光安全性參數(shù)測量及評價(jià)方法    虞建棟，牟同升摘要：本文根據(jù)新的IEC及國家標(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價(jià)方法進(jìn)行了討論，介紹了基于紫外光譜輻射度法測量紫外有效輻射度量的方法。結(jié)合實(shí)際兩種紫外燈，對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價(jià)方法進(jìn)行了討論，介紹了基于紫外光譜輻射度法測量紫外有效輻射度量的方法。結(jié)合實(shí)際兩種紫外 燈，對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部分為紫外線輻射(Ultraviolet radiationUVR)。太陽的紫外輻射是人類接受的紫外輻射的主體，但是由于紫外線在大氣傳播中的衰減過程，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。國際照明委員會(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。而波長在180nm以下很易被空氣吸收，所以實(shí)際上沒有太大的生物學(xué)意義。不僅太陽輻射紫外線，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。然而過多的紫外線輻射也會對人類健康造成負(fù)面影響。所以人類在開發(fā)和利用紫外線的同時(shí)又要防護(hù)

5、紫外線傷害。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)以內(nèi)(不考慮超過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)之間的光輻射對眼睛的總曝輻射量，在時(shí)間小于1000s的情況下將不能超過10000J·m-2；在時(shí)間大于1000s的情況下，對沒有采取保護(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

7、帶寬，單位是nm；t輻照時(shí)間，單位是秒。          三、測量原理光譜輻射法：在每一個(gè)波長處測量光源的光譜輻射功率，通過計(jì)算機(jī)對相應(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，該光信號通過紫外石英光纖引到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，再經(jīng)過放大后由測控單片機(jī)測量。

8、同時(shí)，測控單片機(jī)控制波長驅(qū)動及控制系統(tǒng)，逐一波長地測量光源的光譜輻照度。四、光源的安全分析為了對紫外光源進(jìn)行安全分析及評價(jià)，我們測試了兩種紫外燈。1、紫外線汞燈紫外線汞燈輻射峰值波長為254nm，譜線波長短，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，測試其紫外光譜輻照度分布。測試條件： 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：紫外線汞燈光譜分布圖4：紫外線汞燈光安全評價(jià)曲線圖由上述式子可劃畫出安全評價(jià)曲線，如圖4(由于兩曲線光照度值相差較大，為清楚起見，光照度取對數(shù)形式，圖6同理)所示，由圖可知：a)要在該紫外線汞燈照射下同時(shí)避免上述兩類紫外線危害，必須使該燈工作于圖中兩條曲線以下區(qū)域的公共部分(圖4中

11、就是指光化學(xué)危害評價(jià)曲線與照射時(shí)間坐標(biāo)軸之間的那部分區(qū)域)。b)該紫外線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。如果我們在光照度為10lx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，測試其紫外光譜輻照度分布。測試條件：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價(jià)曲線圖同理，由上述式子可作出安全評價(jià)曲線，如圖6所示，由圖可知：a)要在該紫外保健燈照射下同時(shí)避免上述兩類紫外線危害，那就必須在圖中兩條曲線以下區(qū)域的公共部分使用該燈。

14、b)舉例說明：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。如果我們在光照度為10lx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：紫外器具類型 有效輻射照度(W/m2) 對應(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兩類紫外燈進(jìn)行了測試與光安全性的分析，獲得了預(yù)期的為安全利用這兩類紫外燈提供實(shí)際可執(zhí)行的依據(jù)的目的。第