2.9. Захист від випромінювань оптичного діапазону

До випромінювань оптичного діапазону відносять електромагнітні поля інфрачервоного (ІЧ) та ультрафіолетового (УФ) діапазону, створювані різними джерелами, у тому числі і випромінювання оптичних квантових генераторів (ОКГ) – лазерні випромінювання (ЛВ).

2.9.1. Захист від ІЧ випромінювань

Характеристика ІЧ випромінювань. Інфрачервоне випромінювання (теплове) виникає скрізь, де температура вище абсолютного нуля, і є функцією теплового стану джерела випромінювання. Більшість виробничих процесів супроводжується виділенням тепла, тепло виділяється виробничим устаткуванням і матеріалами. Нагріті тіла віддають своє тепло менш нагрітим трьома способами: теплопровідністю, тепловипромінюванням, конвекцією. Дослідження показують, що близько 60% тепла, що втрачається, приходиться на частку тепловипромінювання. Промениста енергія, проходячи простір від нагрітого тіла до менш нагрітого, переходить у теплову енергію в поверхневих шарах тіла, що опромінюється. У результаті поглинання випромінюваної енергії підвищується температура тіла людини, конструкцій приміщень, устаткування, що в значній мірі впливає на метеорологічні параметри (приводить до підвищення температури повітря в приміщенні).

Джерела ІЧ випромінювання поділяються на природні (природна радіація сонця, неба) і штучні — будь-які поверхні, температура яких вища порівняно з поверхнями, що опромінюються. Для людини це все поверхні t > 36-37C.

По фізичній природі ІЧ випромінювання явояє собою потік матеріальних часток, яким притаманні квантові і хвильові властивості. ІЧ випромінювання охоплює область спектра з довжиною хвилі 0.78...540 мкм. Енергія кванта лежить у межах 0.0125...1.25 еВ.

За законом Стефана-Больцмана інтегральна щільність випромінювання, Вт/м², абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню його абсолютної температури

, (2.61)

де С₀=5.67Вт/м²; Т — абсолютна температура тіла, К.

Густина випромінювання різних матеріалів описується рівнянням:

, (2.62)

де E — ступінь чорності матеріалу (табл. 2.25) .

Таблиця 2.25

Ступінь чорності матеріалів

Матеріал	t0С	E
Алюміній	225 - 575	0.039 - 0.057
Сталь луджена	25	0.043 - 0.064
Азбестовий картон	24	0.96
Цегла червона	20	0.93

Випромінювальною здатністю чи спектральною щільністю енергетичної світимості тіла називають величину E_w, чисельно рівну поверхневій щільності потужності теплового випромінювання тіла в інтервалі частот одиничної ширини (спектральна характеристика теплового випромінювання)

E_w=dw/dv, Дж/м². (2.63)

Випромінювальною здатністю тіла в напрямку нормалі

. (2.64)

Щільність променистого потоку q_rна відстані r від теплового джерела обернено пропорційна квадрату відстані

q_r= q₁/r²= (0.91S(T₁/100)⁴- (T₂/100)⁴)/ r² , (2.65)

де q₁— щільність променистого потоку на відстані одиниці довжини від випромінювача;

S — площа випромінюваної поверхні;

T₁— температура випромінюючоїповерхні, К;

T₂— температура сприймаючої поверхні, К.

На практиці випромінювання є інтегральним, тому що тіла випромінюють одночасно різні довжини хвиль. Однак максимум випромінювання завжди відповідає хвилям визначеної довжини. В міру збільшення температури тіла довжина хвилі зменшується. Між T і виконується співвідношення Вина:

_максТ = b, (2.66)

де b = 0.002898 мград.

Спектр теплового випромінювання твердих і рідких тіл суцільний і характеризується діапазоном довжин хвиль випромінювання і довжиною хвиль _max, що відповідає максимуму інтенсивності випромінювання. Гази, що мають не менше трьох атомів у молекулі (вуглекислий газ, водяна пара та ін.), мають випромінюючу і поглинаючу здатність, а спектр випромінювання їх носить смугастий характер.

Вплив ІЧ випромінювань на людину. ІЧ випромінювання чинять на організм в основному тепловий вплив. Ефект дії ІЧ випромінювання залежить від довжини хвилі, що обумовлює глибину його проникнення. У зв'язку з цим діапазон ІЧ випромінювань розбитий на три області А(=0.76-1.4 мкм), В(=1.4-3.0 мкм) і С(>3 мкм). Перша область (А) має велику проникність через шкіру і позначається як короткохвильова. В і С відносять до довгохвильових ІЧ. Довгохвильові ІЧ випромінювання поглинаються в епідермісі, а короткохвильові — в шарах дерми і підшкірною жировою клітковиною. Дія ІЧ випромінювань при поглинанні їх у різних шарах шкіри зводиться до нагрівання її. При цьому збільшується обмін речовин, збільшується зміст натрію і фосфору в крові, зменшується число лейкоцитів, відбувається поляризація шкіри людини. ІЧ випромінювання впливає на функціональний стан центральної нервової системи, приводить до змін у серцево-судинній системі, учащається пульс і дихання, підвищується температура тіла, підсилюється потовиділення. ІЧ випромінювання діють на слизову оболонку очей, кришталик і можуть привести до патологічних змін в очах: помутніння рогівки і кришталика, кон’юнктивіту, опіку сітківки. Найбільш тяжкі ураження зумовлюються короткими ІЧ випромінюваннями. При інтенсивному впливі цих випромінювань на непокриту голову може статися так званий сонячний удар — головний біль, запаморочення, частішання пульсу і дихання, непритомність, порушення координації рухів, ураження мозкових тканин аж до менінгіту й енцефаліту.

При тривалому перебуванні в зоні ІЧ випромінювань відбувається порушення теплового балансу в організмі. Порушується робота терморегулюючого апарату, підсилюється діяльність серцево-судинної і дихальної систем, підсилюється потовиділення, відбувається втрата потрібних організму солей. Втрата організмом солей позбавляє кров здатності утримувати воду, що приводить до швидкого виділення з організму знову випитої рідини. Порушення теплового балансу викликає захворювання, що називається гіпотермією. Температура в цьому випадку може досягати 40⁰(температура живої людини 26-43⁰С) із запамороченнями, частішанням пульсу і дихання, втратою свідомості, зміною зорового відчуття. При систематичних перегріваннях підвищується сприйнятливість до застуд. Спостерігається зниження уваги, підвищується стомлюваність, знижується продуктивність праці.

Нормування ІЧ випромінювань. Інтенсивність ІЧ радіації необхідно вимірювати на робочих місцях чи у робочій зоні поблизу джерела випромінювання. Нормування ІЧ випромінювань здійснюється згідно санітарних норм ДСН 3.3.6.042-99, ДСТ - 12.4.123-83. Припустима тривалість дії ІЧ на людину наведено у таблиці 2.26.

Таблиця.2.26

Припустима тривалість дії на людину теплової радіації

Теплова радіація, Вт/м2	Тривалість дії радіації, с
280 — 560 (слабка)	Довготривало
560 – 1050 (помірна)	180 – 300
1050 – 1600 (середня)	40 – 60
Більше 3500(дуже сильна)	2 –5

Теплова радіація 560-1050 Вт/м²є межею, яка переноситися людиною. Згідно діючим санітарним нормам допустима щільність потоку ІЧ випромінювань не повинна перевищувати 350 Вт/м². Інтенсивність теплового опромінення працюючих від нагрітих поверхонь технологічного устаткування, освітлювальних приладів та інсоляція від засклених огороджень не повинна перевищувати 35,0 Вт/м²— при опроміненні 50 % та більше поверхні тіла, 70 Вт/м²— при величині опромінюваної поверхні від 25 до 50 %, та 100 Вт/м²— при опроміненні не більше 25 % поверхні тіла працюючого.

При наявності джерел з інтенсивністю 35,0 Вт/м² і більше температура повітря на постійних робочих місцях не повинна перевищувати верхніх меж оптимальних значень для теплого періоду року, на непостійних — верхніх меж допустимих значень для постійних робочих місць.

При наявності відкритих джерел випромінювання (нагрітий метал, скло, відкрите полум'я) допускається інтенсивність опромінення до 140,0 Вт/м². Величина опромінюваної площі не повинна перевищувати 25 % поверхні тіла працюючого при обов'язковому використанні індивідуальних засобів захисту (спецодяг, окуляри, щитки).

Для виміру щільності потоку випромінювання на робочому місці застосовують актинометр (алюмінієва пластина, що має в шаховому порядку почорніння; термопари, приєднані до гальванометра). Для визначення спектральної інтенсивності випромінювань застосовують інфрачервоні спектрометри (ІЧС-10).

Захист від ІЧ випромінювань. Способи захисту від ІЧ випромінювань наступні:

1 — захист часом;

2 — захист відстанню;

3 — усунення джерела тепловиділень;

4 — теплоізоляція;

5 — екранування й охолодження гарячих поверхонь;

6 — індивідуальні засоби захисту.

1,2,3 — способи очевидні і випливають з раніше приведених залежностей і табличної залежності q_доп= f(t) (табл. 2.26).

Теплова ізоляція є найефективнішим і найбільш економічним заходом щодо зменшення ІЧ випромінювання (зменшуються загальні тепловиділення), запобіганню опіків, скороченню витрат палива. Згідно діючих СН температура нагрітих поверхонь устаткування та огороджень не повинна перевищувати 45⁰ С. Застосовують також внутрішню теплоізоляцію — футеровку для зниження температур робочих поверхонь конструкцій і устаткування.

В залежності від принципу дії теплозахисні засоби поділяються на:

 тепловідбивні — металеві листи (сталь, залізо, алюміній, цинк, поліровані або покриті білою фарбою тощо) одинарні або подвійні; загартоване скло з плівковим покриттям; металізовані тканини; склотканини; плівковий матеріал та ін.;

 тепловбираючі — сталеві або алюмінієві листи або коробки з теплоізоляцією з азбестового картону, шамотної цегли, повсті, вермикулітових плит та інших теплоізоляторів; сталева сітка (одинарна або подвійна з загартованим силікатним склом); загартоване силікатне органічне скло та ін.;

 тепловідвідні — екрани водоохолоджувальні (з металевого листа або сітки з водою, що стікає), водяні завіси та ін.;

 комбіновані.

В залежності від особливостей технологічних процесів застосовують прозорі і напівпрозорі екрани.

Вибір теплозахисних засобів обумовлюється інтенсивністю та спектральним складом випромінювання, а також умовами технологічного процесу.

Теплозахисні екрани повинні забезпечувати нормовані величини опромінення працівників; бути зручними в експлуатації; не ускладнювати огляд, чищення та змащування агрегатів; гарантувати безпечну роботу з ними; бути міцними і зручними для виготовлення та монтажу; мати достатньо тривалий строк експлуатації; у процесі експлуатації зберігати ефективні теплозахисні якості.

Для зниження інтенсивності випромінювань від зовнішніх поверхонь застосовується водяне охолодження. Недолік методу — небезпека вибуху паротворення при контакті води з рідким металом і нагрітими матеріалами.

Для теплових екранів визначають наступні параметри: кратність послаблення m, кратність зниження температури μ, коефіцієнт ефективності екрану (рис. 2.19).

Кратність послаблень теплового потоку відбиваючим екраном визначається за формулою:

m=q₁₂/ q_э2 (2.67)

де q_1,2 ­— густина теплового потоку між рівнобіжними площинами 1,2;

q_е2— густина теплового потоку між екраном і площиною 2.

Рис. 2.19. Схема до визначення параметрів теплових екранів:

Е – екран; 1, 2 – рівнобіжні площини

Кратність зниження температури випромінюючої поверхні μ

. (2.68)

Коефіцієнт пропускання теплового потоку

=1/m (2.69)

Коефіцієнт ефективності екрана

=1-=(m-1)/m (2.70)

Ефективність деяких теплових екранів наведено у таблиці 2.27.

Таблиця 2.27

Ефективність деяких теплових екранів

Тип екрану	Граничне теплове навантаження, Егр, кВт/м2	Ефективність екрана, 
Футеровані екрані:	10,5
матеріал футеровки — цегла		0,3
матеріал футеровки — азбест		0,6
Теплоізоляційні екрани:
сітки	1.05	0.67
чіпки (ланцюги)	4.9	0.7
силікатні і кварцові стекла	0.7-1.4	0,7
водяна плівка	1.7	0.9
Тепловідвідні екрани	14,0	0,9

При неможливості технічними засобами забезпечити допустимі гігієнічні нормативи опромінення на робочих місцях використовуються засоби індивідуального захисту (ЗІЗ) — спецодяг, спецвзуття, ЗІЗ для захисту голови, очей, обличчя, рук.

В залежності від призначення передбачаються такі ЗІЗ:

 для постійної роботи в гарячих цехах — спецодяг (костюм чоловічий повстяний), а при ремонті гарячих печей та агрегатів — автономна система індивідуального охолодження в комплекті з повстяним костюмом;

 при аварійних роботах — тепловідбиваючий комплект з металізованої тканини;

 для захисту ніг від теплового випромінення, іскор і бризок розплавленого металу та контакту з нагрітими поверхнями — взуття шкіряне спеціальне для працюючих в гарячих цехах;

 для захисту рук від опіків — вачеги, рукавиці суконні, брезентові, комбіновані з надолонниками з шкіри та спилку;

 для захисту голови від теплових опромінень, іскор та бризок металу — повстяний капелюх, захисна каска з підшоломником, каски текстолітові або з полікарбонату;

 для захисту очей та обличчя — щиток теплозахисний сталевара, з приладнаними для нього захисними окулярами із світлофільтрами, маски захисні з прозорим екраном, окуляри захисні козиркові з світлофільтрами.

Спецодяг повинен мати захисні властивості, які виключають можливість нагріву його внутрішніх поверхонь на будь-якій ділянці до температури 313 К (40° C) у відповідності з спеціальними ДСТами (ГОСТ 12.4.176-89, ГОСТ 12.4.016-87).

У виробничих приміщеннях, в яких на робочих місцях неможливо встановити регламентовані інтенсивності теплового опромінення працюючих через технологічні вимоги, технічну недосяжність або економічно обгрунтовану недоцільність, використовуються обдування, душування, водоповітряне душування і т. ін.

При тепловому опроміненні від 140 до 350 Вт/м²необхідно збільшувати на постійних робочих місцях швидкість руху повітря на 0,2 м/с за нормовані величини; при тепловому опроміненні, що перевищує 350 Вт/м², доцільно застосовувати повітряне душування робочих місць (ДНАОП 0.03-1.23-82), охолодження стін, підлоги, стелі, створення оазису, вживати підсолену воду (водний розчин 0.5% NaCl). Застосовують раціональний питний режим, режим праці, гідропроцедури.