INFRAROTSTRAHLUNG Vortrag bei Sentiotec - Abatec

Natürliche & künstliche IR-Strahlung

Natürliche IR-Strahlung (Sonne)1,6Anteil des jeweiligen Spektralbereichs in %:spektrale Bestrahlungsstärke [W m -2 nm -1 ]1,41,21,00,80,60,40,2IR-AUV (290 nm - 400 nm): 3,4 %VIS (400 nm - 780 nm): 50,8 %IR (780 nm - 4000 nm): 45,8 %(IR-A: 33,9 %, IR-B: 11,1 %, IR-C: 0,8 %)IR-BE tot= 900,14 W m -2IR-C0,0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Wellenlänge [nm]

Natürliche IR-Strahlung (Sonne)Spektrale Bestrahlungsstärke [mW m -2 nm -1 ]16001400120010008006004002000Effektive Bestrahlungsstärke 37° geneigt: 962,5 W m -2(über den gesamten Halbraum)Effektive Bestrahlungsstärke pro Spektralbereich:0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500Wellenlänge [nm]direkt37geneigtEffektive Bestrahlungsstärke direkt: 767,2 W m -2UVVISIRAIRBdirekt13,6 W m -2374,4 W m -2272,4 W m -298,4 W m -237° geneigt29,2 W m -2513,3 W m -2308,2 W m -2102,9 W m -2

Künstliche IR-StrahlungEmittenz [W m -2 nm -1 ]0,200,180,160,140,12 IR-B0,10 IR-A0,080,060,040,02IR-C0,002000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Wellenlänge [nm]

Künstliche IR-Strahlung

Künstliche IR-Strahlung• Temperaturstrahler → Öfen,Schmelzen, heiße Oberflächen,Infrarotmodule, Glühlampen,…• Je heißer Temperaturstrahler,desto Größer ist die abgestrahlteLeistung, desto mehr Strahlung ≤3000 nm, desto eher GW-Überschreitung• Bei Temperaturstrahlern istAbschätzung des Risikos beiKenntnis der Temperatur möglich.spektrale Ausstrahlung [W m -2 µm -1 ]1000000100000100001000100102000°C1600°C1000°C600°CIR-AIR-B300°C100°C30°CIR-C10,5 1 1050Wellenlänge [µm]

Wassergefilterte IR-Strahlungspektrale Bestrahlungsstärke [mW m -2 nm -1 ]40035030025020015010050VIS IR-A IR-Bwassergefiltertungefiltert0400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200Wellenlänge [nm]

Photobiologische Gefahren & BiologischeWirkungen

GefahrenHautAuge

Biologische Wirkung……hängt ab von• Wellenlänge• Ort der Absorption• Art der Wechselwirkung (thermisch, fotochemisch)Wo?Wie?• Bestrahlungsdauer• Bestrahlte Fläche/Leistung pro FlächeWie stark?

Wo kann Schaden auftreten?• Schaden tritt dort auf, wo Strahlung absorbiert wirdBindehautLinseNetzhautHornhautAbsorption in %Aderhaut< 280 nm300 nm320 nm340 nm360 nm10092 6 245 17 37 137 14 48 134 12 52 2LederhautGelber FleckVIS & IR-AIR-BIR-CVordere AugenkammerSehnervRegenbogenhautZiliarkörperBlinder FleckGlaskörper

Haut – Eindringtiefe opt. Strahlung

Überblick photobiologische Gefahren

SchädigungsmechanismenPhotochemischThermischBestrahlungsstärke [W/m 2 ]Zeit [s]• Über den Tag akkumulierte Dosis[J/m 2 ] ist entscheidend (Dosis –Wirkungsbeziehung).• Je länger Bestrahlungsdauer undgrößer Bestrahlungsstärke, destogrößer Gefahr.• Vor allem durch UV und blauesLicht verursacht (Photonen hoherEnergie).• Temperaturerhöhung imbestrahlten Gewebe istentscheidend.• Tritt meist bei kurzen, sehrintensiven Bestrahlungen auf (eherdurch Pulse → hoheSpitzenleistung → hoheTemperatur).• Beispiele: Verbrennung der Haut,Thermischer Netzhautschaden

Zeit bis Schadenseintrittakuter SchadenLangzeiteffekte• Tritt sofort nach einmaliger zu hoherStrahlungsbelastung auf (z. B. thermischeNetzhautschädigung)• Tritt nach oftmaliger Bestrahlungerst nach Jahren auf (z. B. Infrarot-Katarakt – Glasbläserstar).Foto reproduziert mit freundlicher Genehmigung derUniversity of Michigan Kellogg Eye - Center

Photobiologische Gefahren durch IR• Netzhautkoagulation (akut) - (IR-A)• Hornhaut Trübung (akut) - (IR-C)• Linse Katarakt (chronisch) - (IR-B)• Haut Verbrennung innerhalb 10 s

Verbrennung• Hitzeschmerz vor Verbrennung• Gefahr nur bei extrem intensiven Quellen und kurzen Abständen• Abwendungsreaktion bevor es zu Schädigung kommt• Bei lokal hohen Bestrahlungsstärken und fehlendem Hitzeschmerz (Medikamente,Alkohol, Drogen)

Netzhautschaden• Photochemisch „Blue light hazard“(„Sonnenbrand“)Starren in grelles LichtBsp: Sonne, Schweißplasmavis• Thermisch IR-A Hohe Intensitäten (Starke Blitze)(„Verbrennung“)

Abwendreaktionen• UV-C, B• UV-AHornhautentzündung keine- spürt man nichtKatarakt (chronisch)• vis-blau Blue Light Hazard„grell“, Blendung vor• vis-rot Netzhaut thermisch Schädigung• IR-A -• IR-B, CKatarakt (chronisch) spürt man „heiß“ aber• ev. keine Abwendreaktion• Hornhaut (akut) Hitzeschmerz vor Schädigung

Erythema ab Igne - Hitzemelanose• Chronische Bestrahlung knapp unterSchmerzreaktion• zu Beginn reversibel• Hauptsächlich kosmetisches Problem• Im Extremfall Stelle für Entstehung vonHautkrebs durch andere Einwirkungen• Erfahrung: kein hohes RisikoFoto: University of Iowa

Hitzestress, Hyperthermie• teilweise erwünscht• auch bei finnischer Sauna• für etwaigen Grenzwert für IR-Bestrahlung: Studien notwendig

Hautkrebs, Hautalterung• These von Prof. Krutmann (Düsseldorf) und Ladival• In Fachkreisen umstritten• „Hausverstand“:• IR-A wird von Melanin wenig absorbiert• Wenn Behauptung Krutmann und Ladival stimmen würde, dannhöhere Krebsrate und Hautalterung in Schwarz-Afrika• Nicht auszuschließen: erhöhte Hauttemp. schlecht wenn vorher DNA-Schäden, z.B. durch UV Strahlung, weil Reparatur beeinträchtigt.

Grenzwerte

Bestrahlungs-GrenzwerteFür Auge und Haut• Wellenlängenabhängig• Bestrahlungsdauerabhängig• Thermischer Netzhautschaden: (Abhängig von Größe derscheinbaren Quelle)

Grenzwerte – Wo?Für Auge und Haut• ICNIRP: Guidelines on limits of exposure to broad-band incoherent optical radiation,statement on far infrared radiation exposure• IEC/EN 62471: Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen• EN 60335-2-53: Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnlicheZwecke, Teil 2-53: Besondere Anforderungen für Sauna-heizgeräte und Infrarot-Kabinen• ÖNORM M 6219-2:2010: Anforderungen an öffentliche und gewerblicheSaunaanlagen, Infrarotkabinen, Dampf- und sonstige Wärmekammern, Teil 2:Planung und Betrieb von Infrarotkabinen → in vorgesehener Sitzposition dürfenGrenzwerte der ICNIRP Guidelines bzw. der EN 60335-2-53 nicht überschrittenwerden → Einhaltung durch akkreditierte Stelle nachzuweisen.

Grenzwerte HautHaut thermisch:Wellenlänge = 380 nm – 3000 nm120000100000H H = 20000 · t 0,25 J/m 2 (bei t < 10 s)Für t = 10 s: 20000 ,E H = 3556 W/m 2E skin[W/m 2 ]80000600004000020000GW E skin nicht definiert fürBestrahlungsdauern > 10 s0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Expositionsdauer [s]

Grenzwerte vordere AugenmedienAuge Infrarot:Wellenlänge = 780 nm – 3000 nmFür t > 1000 s (16 min 40 s):E IR = 100 W/m 2Für t ≤ 1000 s:E IR = 18000 · t -0,75 W/m 2E IR[W/m 2 ]100001000Für t = 1 min (= 60 s):E IR = 835 W/m 21000 200 400 600 800 1000 1200 1400Zeit [s]

Vergleiche nur Anteil < 3000 nm mit GWSpektrale BestrahlungsstärkeIR-BIR-CGrauer Strahlerfür 330 °C0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Wellenlänge (µm)

Grenzwerte NetzhautNetzhaut thermisch:Wellenlänge = 380 nm – 1400 nmNetzhaut thermisch, schwachervisueller Reiz (Leuchtdichte< 10 cd/m 2 ):Wellenlänge = 780 nm – 1400 nmFür t ≤ 10 s: 50000 · , / Für t > 10 s: 6000/ Berücksichtigung des biologischenWirkungsspektrums R()Berücksichtigung des biologischenWirkungsspektrums R()

Grenzwert EN 60335-2-53• Bestrahlungsstärke darf an keinem Punkt des nutzbaren Bereichesder vorgefertigten Infrarot-Kabine 1000 W/m 2 überschreiten.• Gemittelte Bestrahlungsstärke über einen Raster von 20 cm x 20 cmim Brust- und Rückenbereich.1x RückenstrahlerVitae DIR-500-R(stehend)y4 cmSitzrostzx30 cmMessfeld20 cm x 20 cmx50 cm84 cmyz1x FrontstrahlerVitae DIR-750-R(stehend)

Exposition > GW: „Gefahrenbereich“Biologische WirkungSchädigungsschwellwertReduktionsfaktor(„Sicherheitsfaktor“)ExpositionsgrenzwertE x p o s i t i o n s n i v e a u

Messtechnische Erfassung

Messgeräte für Breitbandstrahlung• Spektrometer: Messung erfolgt spektral aufgelöst (wellenlängenaufgelöst)160140→ man erhält Spektrum120• Integral (Bewertungsfunktion100VIS IR-A80optisch eingebaut)60→ man erhält einen Messwert4020• Thermografie: Messung derOberflächentemperatur mittelsThermokamera → Spektrum kann modelliert werdenspektrale Bestrahlungsstärke [mW m -2 nm -1 ]IR-B0500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000Wellenlänge [nm]Leistung:100 %75 %50 %

Zu beachten!• Prüfling korrekt vorbereitet• Prüfling in thermisch stabilem Zustand• Umgebungseinflüsse (Reflexionen,…)• Wahl der geeigneten Messgeräte• Vorgaben in Guidelines und Normen (z.B. Mittelungssichtfeld)

Integrale Messung der Leistung-ThermosäulendetektorVorteile:• Breite Absorption, geringe Wellenlängenabhängigkeit• µW – kW• Info über gesamte Leistung (0,2 µm – 50 µm)• In Kombination mit Filter: Leistung innerhalb eines bestimmtenWellenlängenbereiches (z.B. < 3 µm)Nachteile:• Empfindlich gegenüber Umgebung

Messung der spektralenBestrahlungsstärkeZu messende (ungewichtete) Größe wird spektral aufgelöst gemessen.Messgeräte: Monochromatoren, PhotodiodenarraysPhotodiodenarrayDoppelmonochromatorBentham DMc150V

Thermografie• Heiße Oberfläche muss zugänglich sein• Messung der Oberflächentemperatur mittels Thermokamera• Anhand der Temperatur kann Spektrum modelliert werden (Planck).• In Kombination mit Thermosäulendetektor0,200,180,16Emittenz [W m -2 nm -1 ]0,140,12 IR-B0,10 IR-A0,080,060,040,02IR-C0,002000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Wellenlänge [nm]

Gutachten LE-G18/13 IR-Strahler Sentiotec

Was wurde begutachtet?• Infrarot-Vollspektrumstrahler Vitae und ECO• Ausführung mit Gitter (G), Filterglas Robax weiß (W), Filterglas Robaxdunkel (D) sowie unterschiedlichen elektrischen Anschlussleistungen(Vitae: 350 W – 1300 W, ECO: 350 W – 750 W)• Strahlenschutztechnische Beurteilung zum Einsatz in IR-Kabinen• Messung der Bestrahlungsstärke in repräsentativenExpositionspunkten• Vergleich mit internationalen Grenzwerten gemäß ICNIRP und EN60335-2-53 (für eine mögliche Schädigung von Augen und Haut)

Was wurde nicht begutachtet?• Andere potentiell mögliche Nachteilige Wirkungen auf Haut oderOrganismus → keine anwendbaren Grenzwerte• Keine Bewertung der IR-Strahlung im medizinisch-physiologischenoder therapeutischen Sinn

ECO 500-GVISIR-AIR-BSpektrale Bestrahlungsstärke ECO 500G im Messabstand von 80 cm. Ohne Gittererhöht sich die spektrale Bestrahlungsstärke um den Faktor 1,4.

Vitae 500-GVISIR-AIR-BSpektrale Bestrahlungsstärke Vitae 500 bei demontiertem Gitter im Messabstandvon 80 cm.

Anteil je Spektralbereich anGesamtbestrahlungsstärkeSpektrale Verteilung ECO 500G im Messabstand 80 cm:Integrale Bestrahlungsstärke in Prozent [%]BezeichnungWellenlängenbereich Wenige Minuten nachdem EinschaltenThermisch stabilerZustand (t >>)UV < 400 nm 0 0VIS 400 nm – 780 nm 0,8 0,6IR-A 780 nm – 1400 nm 18,6 14,5IR-B 1400 nm – 3000 nm 54,7 42,6IR-C 3000 nm – 1 mm 25,9 42,3Spektrale Verteilung Vitae 500 (ohne Gitter) im Messabstand 80 cm:Integrale Bestrahlungsstärke in Prozent [%]BezeichnungWellenlängenbereich Wenige Minuten nachdem EinschaltenThermisch stabilerZustand (t >>)UV < 400 nm 0,0 0,0VIS 400 nm – 780 nm 1,0 0,9IR-A 780 nm – 1400 nm 20 18IR-B 1400 nm – 3000 nm 53 47IR-C 3000 nm – 1 mm 25 35

Einfluss Filterglas (Beispiel Vitae 500)Spektrale Bestrahlungsstärke in 30 cm ohne Filter beidemontiertem Gitter sowie mit den SCHOTT FiltergläsernSpektrale Transmissionsgrad SCHOTT RESISTAN -Filtergläser

Erste Ergebnisse ECO und Vitae• ICNIRP-Grenzwerte betreffend UV und Netzhaut (thermisch &photochemisch) werden selbst bei Strahlern mit demontierten Gitterweit unterschritten.• Bei Verwendung der Filtergläser wird in keinem repräsentativenAbstand der ICNIRP-Grenzwert für die Haut überschritten, selbstwenn IR-C Strahlung im Messwert mitberücksichtigt wird.↓Wie sieht‘s aus für die Haut wenn kein Filterglas verwendet wird bzw.besteht eine Gefahr für die vorderen Augenmedien aufgrund der IR-Strahlung?

Ergebnisse ECO 500-G betreffend HautMessposition5 cm axial vorFront5 cm vor FrontStrahler2,5 cm überAchse Stab5 cm vor FrontStrahler2,5 cm unterAchse StabIntegrationsbereich380 nm bis1mm(380 nm bis3µm)380 nm bis1mm(380 nm bis3µm)380 nm bis1mm(380 nm bis3µm)MaximaleintegraleBestrahlungsstärke[W m -2 ]1684(1007)2016(1216)1912(1216)Strahler mit GitterMaximalzulässigeBestrahlungsdauer>10s(> 10 s)>10s(> 10 s)>10s(> 10 s)Strahler ohne GitterMaximaleintegraleBestrahlungsstärke[W m -2 ]3472(2517)3742(2702)3742(2702)MaximalzulässigeBestrahlungsdauer>10s(> 10 s)9,35 s(> 10 s)9,35 s(> 10 s)

Ergebnisse Vitae 500-G betreffend HautMessposition5 cm axial vorFront5 cm vor FrontStrahler2 cm überAchse StabIntegrationsbereich380 nm bis1mm(380 nm bis3µm)380 nm bis1mm(380 nm bis3µm)MaximaleintegraleBestrahlungsstärke[W m -2 ]2505(1339)1528(933)Strahler mit GitterMaximalzulässigeBestrahlungsdauer>10s(> 10 s)>10s(> 10 s)Strahler ohne GitterMaximaleintegraleBestrahlungsstärke[W m -2 ]3773(2284)2422(1658)MaximalzulässigeBestrahlungsdauer9s(> 10 s)> 10 s(> 10 s)

Ergebnisse Haut thermisch ECO & Vitae500-G• Verbrennung der Haut ist in den repräsentativen Abständen nichtmöglich (5 cm für Rückenstrahler).• Grenzwertüberschreitung am ehesten möglich wenn repräsentativerAbstand unterschritten wird und Rückenstrahler ohne Gitter verwendetwird.

Infrarot – vordere Augenmedien• Viele Einflussfaktoren: Kabinengeometrie, Anzahl Frontstrahler,Sitzposition, Blickverhalten, Körpergröße,… .• „Worst-case“ – Messungen: Gefahrenabstand durch Messung direktund mittig auf Frontstrahler bestimmt.• Gefahrenabstände bei Variation der Kopfposition bestimmt.

Infrarot – vordere Augenmedien(Beispiel Vitae 500-G, „worst-case“)• Gefahrenabstand: Jener Abstand, bei dem der Messwert gleich demGrenzwert für Dauerbestrahlung ist (100 W/m 2 für t ≥ 16 min 40 s)yx41 cmDetektor L40AbstandInfrarotstrahler (stehend)

Gefahrenabstände für Haut und Augen –Vitae („worst-case“)Infrarotstrahler Gefahrenabstand Haut Gefahrenabstand AugeVitae DIR-350-R - ca. 73 cmVitae DIR-500-R ca. 2 cm ca. 100 cmVitae DIR-750-R ca. 6 cm ca. 139 cmVitae DIR-1300-R ca. 16 cm ca. 179 cmVitae WIR-350-R - ca. 64 cmVitae WIR-500-R ca. 2 cm ca. 80 cmVitae WIR-750-R ca. 4 cm ca. 104 cmVitae WIR-1300-R ca. 14 cm ca. 167 cm

Gefahrenabstände für Haut und Augen –ECO („worst-case“)Infrarotstrahler Gefahrenabstand Haut Gefahrenabstand AugeECO-350-G - ca. 69 cmECO-350-R - ca. 79 cmECO-500 (ohne Gitter) ca. 5 cm ca. 109 cmECO-500-G < 5 cm ca. 85 cmECO-500-R < 5 cm ca. 88 cmECO-500 Filter 724-8 < 5 cm ca. 70 cmECO-750-R ca. 6 cm ca. 119 cm

Variation der Kopfposition – BeispielECO 500-Gyx≥ 40 cm41 cmFrontstrahler750 W130 cm41 cmca. 5 cmAnnahme: Person blickt geradeaus.ECO 500-G: Bestrahlungsstärke bis 3000 nm alsFunktion der Höhe y sowie der Distanz x.

Gefahrenabstände für Augen beivariabler Kopfposition – Vitae & ECO(Beispiele)InfrarotstrahlerLänge Strahler[cm]Vitae DIR-500-R 82Vitae WIR-750-R 82ECO-500-G 82ECO-750-R 82y miny=+20cm (ca. 20 cmüber Oberkante Strahler)y=+20cm (ca. 20 cmüber Oberkante Strahler)y=+20cm (ca. 20 cmüber Oberkante Strahler)y=+40cm (ca. 40 cmüber Oberkante Strahler)GefahrenabstandAuge (axialeAusrichtung)ca. 100 cmca. 105 cmca. 85 cmca. 120 cmAnmerkung: Bei der minimalen Höhe y min über der Strahleroberkante ist der Gefahrenabstand für das Augebereits unmittelbar beim Strahler.

Ergebnisse IR – vordere Augenmedien• Alle 350 W – 750 W Strahler eignen sich als Frontstrahler für IR-Kabine → Augen eines aufrecht sitzenden Erwachsenen befindensich in entsprechender Höhe über Strahleroberkante• Höhere Bestrahlungsstärken am Auge bei Kindern und liegendenPersonen → „worst-case“-Gefahrenabstände heranziehen• 1300 W Strahler nicht als Frontstrahler geeignet → wird nur alsDeckenstrahler eingesetzt.

Gefahrenabstände Auge bei 3 Frontstrahlern(Vitae DIR-750-R) fürunterschiedliche KopfpositionenDetektor L4030 cm30 cmx3x FrontstrahlerVitae DIR-750-R(stehend)yzAnmerkung: Strahler wurden bei höchster Leistungsstufe (8) betrieben

Schlussfolgerung für Einbau in Kabine• Nur ein Strahler innerhalbeines Blickfeldes von 80° →Ergebnis Einzelstrahler kannverwendet werden• Bei Mindestkabinentiefe 95 cm→ Abstand zwischen Strahlerzumindest 80 cm

Einfluss Dimmen – Frontstrahler VitaeDIR-750-R

Einfluss Dimmen – Frontstrahler VitaeDIR-750-RLeistungsstufeLeistungStrahler[%]GefahrenabstandAuge[cm]E

Verhältnis E ges /E

Prüfung gemäß EN 60335-2-531x Rückenstrahler VitaeDIR-500-R (stehend)y4 cmzSitzrostx30 cmPrüfung restriktiver als Praxis →Mindestkabinentiefe beträgt 95 cmMessfeld20 cm x 20 cm84 cmyxz50 cmErgebnis für Front- und Rückenstrahlerbei höchster Leistungsstufe (8):1x Frontstrahler VitaeDIR-750-R (stehend)E mittel Brust = 540 W/m 2E mittel Rücken = 1400 W/m 2(540 W/m 2 + 1400 W/m 2 )/2 = 970 W/m 2

Prüfung gemäß EN 60335-2-53Messwert ist abhängig von• Tiefe der IR-Kabine• Anzahl und Typ eingebauter Frontstrahler bzw. Typ Rückenstrahler• Abstand zwischen eingebauten Frontstrahlern• Gewählte Leistungsstufe bei Front- und Rückenstrahler

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!