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非游離輻射

非游離輻射. 綱要. 非游離輻射的範圍 紫外線 紅外線 雷射 電磁場. 何謂非游離輻射. 非游離輻射不同於游離輻射來自於放射性核種的蛻變，它不會造成受暴露物質的組成原子產生游離效應。 為能量低於 10 電子伏特 (eV) ，也就是說頻率小於 2.4 10 15 赫茲 (Hz) ，波長大於 124 nm 的 電磁輻射波段 。. 電磁輻射光譜. 非游離輻射的種類. 非游離輻射包括 : 紫外線 (ultraviolet, UV) 可見光 (visible light) 紅外線 (infrared, IR)

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非游離輻射

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  1. 非游離輻射

  2. 綱要 • 非游離輻射的範圍 • 紫外線 • 紅外線 • 雷射 • 電磁場

  3. 何謂非游離輻射 • 非游離輻射不同於游離輻射來自於放射性核種的蛻變，它不會造成受暴露物質的組成原子產生游離效應。 • 為能量低於 10 電子伏特(eV) ，也就是說頻率小於 2.41015赫茲(Hz)，波長大於 124 nm 的電磁輻射波段。

  4. 電磁輻射光譜

  5. 非游離輻射的種類 • 非游離輻射包括: • 紫外線 (ultraviolet, UV) • 可見光 (visible light) • 紅外線 (infrared, IR) • 雷射 (laser): 包括紫外線、可見光和紅外線三種波段 • 微波 (microwave) • 射頻 (radio frequency)或無線電波 • 非常低頻及極低頻電磁場 (very low frequency and extremely low frequency electric and magnetic fields, VLF and ELF)

  6. 紫外線 (Ultraviolet, UV) (1) • 為非游離輻射中頻率最高的輻射(或能量)的輻射。 • 來源: 主要為太陽光 • 波長範圍: 100 nm ~ 400 nm • 由波長範圍大小，區分為三種紫外線: • UVA (近紫外線) • 波長範圍: 315 nm ~ 400 nm • 可穿透空氣、石英、玻璃和水 • UVB (中紫外線) • 波長範圍: 280 nm ~ 315 nm • 可穿透空氣和石英，但無法穿透玻璃 • UVC (遠紫外線) • 波長範圍: 100 nm ~ 280 nm • 對所有介質的穿透力極低，為大氣的臭氧層吸收，鮮少到達地表。

  7. 紫外線 (Ultraviolet, UV) (2) • 測量單位: • 光度(irradiance)或稱為 power density • 依國家制單位(International System, SI, units)為瓦特/平方公尺(W/m2)或微瓦特/平方公分(mW/cm2)。 • 輻射暴露(radiant exposure) • 光生物反應的能量劑量(energy dose)，單位為焦耳/平方公尺(J/ m2)或微焦耳/平方公分(mJ/cm2)。 • 光譜光度(spectral irradiance) • 某一小段波長的光度除以一段波長範圍，W/ m3 或 W/ m2/nm。

  8. 紫外線 (Ultraviolet, UV) (3) • 據估計，當臭氧減少 10% 時，將使波長小於 300 nm 的紫外線到達地球的量增加一倍，但對於 UVA 波段的紫外線，並沒有顯著影響。 • 所謂光化性的紫外線(actinic ultraviolet)是指能導致化學反應的紫外線，包括波長小於 320 nm 的紫外線。 • 由以人體模型所做的紫外線劑量測定研究指出，人體最大日照部位包括: 足尖、肩膀和耳朵、後頸部、和接近鼻子、顴骨和下嘴唇區域。

  9. 紫外線 (Ultraviolet, UV) (4) • 在 UVB 產生日曬灼傷的有效性研究上發現，約 60%接受上午 10 時到下午 2 時的日照，波長 300 nm 的紫外線在上午 9 時和下午 3 時的太陽光度，相對於正午而言減低 10 倍。 • 在瑞典的研究指出，對室外、室內和室內外混合的工人的 UVB 年暴露劑量分別為 6、2 和 1 kJ/m2 (20%)。 • 由反射而來的 UV， 對於考慮眼睛所遭受的劑量相當重要。 • 大多數的物質並不反射 UV，自然的 UV 反射物包括：雪、海面及富含石英和石灰的乾海沙。 • 人為的 UV 反射面如不光亮的鋁、含金屬氧化物的白漆塗面、灰色的瀝青鋪面、淺色的水泥人行道等。

  10. 人為的紫外線來源 (1) • 水銀燈 • 低壓燈泡放射 253.7 nm 的 UV，主要用途為殺菌。 • 中高壓燈泡放射 365 nm 的UV，主要用途為 curing 及區域照明，如健身防和停車場。為帶青色的光線，近距離直視會導致 UV 傷害。 • 典型的區域照明水銀燈泡會有兩層包封，內層包封的材質為石英，外層包封為 UV 的不透明物質如硼矽酸鹽所製，倘若外層包封破裂而仍繼續使用，則可能因為小於 350 nm 的 UV 增加，而造成健康危害。 • 日光燈 • 日光燈照明和皮膚癌的相關曾經被調查，國際輻射保護協會(International Radiation Protection Association, IRPA)認為日光燈照明並不是黑色素皮膚癌(melanoma skin cancer)的成因。 • 在非黑色素皮膚癌(nonmelanoma skin cancer)發生率的模式研究發現，對於無壓克力遮罩的燈管可測得 UVA、B 和 C，有壓克力遮罩的燈管則測不到 UV。

  11. 人為的紫外線來源 (2) • 白熱光源 • 鎢絲燈泡因為溫度從不超過 3000 K，僅放射少量 UV。 • 玻璃包封減少 UV 的放射，高溫白熱光源如鹵素燈UV，以石英包封增加 UV 的放射。 • 氫氧焰和氧炔焰亦為產生 UV 的白熱光源。 • 電焊 • 產生高強度的 UV，決定 UV 放射的因子包括: 電弧電流、遮蔽氣體、電極線圈材質、基質金屬和接合形態(joint geometry)。 • 一些較具 UV 危害性的電焊製程包括:用鋁或鐵合金的氬金屬電弧電焊(argon-shielded gas-metal arc welding, GMAW)和用鐵合金的氦鎢電弧電焊(helium-shielded gas tungsten arc welding, GTAW) 。

  12. 人為的紫外線來源 (3) • 電腦顯示器 • 由於電子束和黃磷塗裝的螢幕作用，使得電腦顯示器產生低量的 UVA。 • 據研究，在距離螢幕一公尺的 UVA光度， 小於1.8 10-4W/m2。由電腦顯示器所放射的 UVA，遠小於由日光透過玻璃進入室內的量。 • UVB 貢獻極少的顯示器總 UV放射，在距離 50 公分的光度為 1.0 10-5W/m2。 • 醫學及牙醫 • 醫學上 UV 主要用於光治療(phototherapy)、光化學治療(photo-chemo-therapy)、曬成褐色，消毒和滅菌。 • 有研究指出，光治療的人員暴露於超過暴露標準的 UVB 和 UVC。 • 6 J/m2的 UV每日中位劑量(median daily dose)，被使用於光治療操作人員死於 UV 誘發的非黑色素皮膚癌的風險。假定 40 年的工作生命，光治療操作人員死於皮膚癌的機會比非暴露的人多 25%。 • 由牙醫的 leaky curing tool 所造成的 300 ~ 400 nm 間的 UV 暴露約為 0.04 mW/m2， 300 nm 的暴露為 0.003 ~ 0.004 mW/m2。

  13. 人為的紫外線來源 (4) • 實驗室 • 低壓水銀燈用於控制實驗室內的細菌、病毒、酵母菌和黴菌的產生，造成 UV 的暴露。 • 主要的 UV 燈波長有 253.7 和 300 nm。 • 健身房中的日照燈或亭(tanning lamps/booths) • 健身房中的日照燈或亭是一個重要的 UV 發生源，一般在日照床表面的 UV 光度，因為燈泡老化和不佳的配置，因而光度在 5.7 ~ 22 W/m2範圍內變化。 • 燈泡應該在使用前使其老化 10 小時，以減少 UV和不相等的 UV 暴露劑量。 • 使用 UVA 燈泡作人工日照曬黑，可能使全身性紅斑性狼瘡(systemic lupus erythematosus)惡化及造成皮膚炎。

  14. 紫外線和物質的作用機制---吸收 • UV 和生物體組織的作用機制為熱和光化學效應，這些機制涉及分子中吸收結構色素基 (chromophore)的非隨機 UV 吸收。 • 最重要的分子吸收結構為含非飽和的雙鍵的有機化合物，包括核酸和蛋白質，其他如酵素和荷爾蒙亦相當重要。 • 在任何光化學變化發生前，必有 UV 光的吸收。然後吸光分子被活化，產生熱或造成相同或不同波長光放射，或導致次級反應，造成原始分子結構的改變。 • 核酸的次級反應為 pyrimidine 水解物的形成、DNA-protein crosslinks、prrimidine adducts、pyrimidine dimerization 和 DNA斷裂。 • Dimerization 為最重要的反應，它造成兩個相同結構的分子形成一個小的聚合物 (polymer)，這個聚合物也許干擾 DNA 的合成和複製。

  15. 紫外線的生物效應 • UV 的主要的危害標的器官或系統(target organ system)為皮膚、免疫系統和眼睛。 • 生物效應和頻率有密切關係，因此定義出幾個作用波段(action spectrum)，來描述暴露劑量和生理反應的關係。 • 作用波段為對生物效應閾值的倒數，通常表達生物效應效能(biological efficacy) 經由對 UV 波段以生物效應最有效波長作常態化，如對皮膚以 297 nm、對眼睛以 270~280 nm。

  16. UV誘發靈長類眼角膜炎的作用波段

  17. 紫外線對皮膚的危害 (1) • 表皮為皮膚阻隔光線的主要結構，表皮的主要色素基包括:最外層角質層(stratum corneum)的蛋白質胺基酸和最內層的核酸。 • UV 穿透組織的深度和波長、色素沉積狀況和組織厚度有關。 • 波長小於 297 nm 的 UV 為表皮所吸收，波長大於 297 nm 的 UV 穿透至真皮。 • UV 對不同膚色的人種穿透深度不同，白人> 印地安人 > 黑人。 • 穿透力和組織厚度成指數衰減。

  18. 皮膚的結構 Stratum Corneum

  19. 紫外線對皮膚的危害 (2) • 急性效應 • 皮膚發紅 (erythema) • 血管舒張、血管滲透性增加、血流及細胞排出物增加、 。 • 250 nm UV 產生最大效應，297 nm 其次。 • 最低皮膚發紅劑量 (minimal erythema dose, MED)是使皮膚產生可看得到的發紅現象所需的最低 UV 劑量。 • 皮膚較黑的人有較高的 MED。在 UV 暴露後，表皮增厚和黑色素沉積，以增加皮膚的保護。 • 光敏感 (photosensitization) • 在特定化化學物質存在下，皮膚對 UV 的不正常反應，通常發生在臉部、手臂和手。這些反應在本質上可能是光毒性 (phototoxic) 或光過敏 (photoallergic)。 • 光毒性物質有:煤焦油、古龍水、口紅、化粧品和防曬油。光過敏物包括: 水楊醯氨基苯、抗生素、六氯苯、化粧品和古龍水。

  20. 紫外線對皮膚的危害 (3) • 慢性效應 • 皮膚老化 • 特徵為皮膚的結締組織遭受破壞而減少彈性。 • 免疫系統的影響 • 可能為局部或全身反應，包括壓抑對化學物質的接觸性過敏，及在實驗動物誘發惡性腫瘤的成長。 • 皮膚癌 • 所有底部和上皮細胞癌均為非黑色素皮膚癌 (nonmelanoma skin cancer，NMSC)，主要和 UVB 的暴露有關。 • 黑色素瘤為在表皮內管制皮膚色素產生的細胞 ( mlanocytes) 變化為腫瘤細胞。

  21. 紫外線對眼睛的危害 • 角膜炎和結膜炎 • 角膜和結膜的腫脹現象，最有效波長在 270 ~ 280 nm。 • 通常症狀在過度暴露 UV 6 ~ 12 小時後發生。主要症狀為疼痛、瞼痙攣、流淚、結膜充血、畏光、視力模糊和眼睛抓傷感覺。 • 白內障 • 最有效波長為 290 ~ 310 nm，在 300 nm 附近為高峰。 • 流行病學研究顯示白內障的發生和環境 UV 的強度有關。

  22. 紫外線的暴露恕限值 • UVA (315 ~ 400 nm) • 沒有任何保護的眼睛，對暴露時間持續1000 秒以下者，其暴露不應該超過 1.0 J/cm2。對暴露時間持續1000 秒以上者，總暴露光度不可超過 1.0 mW/cm2。 • 沒有任何保護的眼睛或皮膚的暴露，不可超出下表所列的數值。 • UVB 和 UVC • 沒有任何保護的眼睛或皮膚的暴露，不可超出下表所列的數值，其暴露時間(以秒計算)可依下列公式計算:

  23. ACGIH 的 UV 暴露恕限值

  24. ACGIH 的 UV 暴露恕限值圖示

  25. UV 暴露控制 (1) • 工程控制 • 隔離或封閉 • 塗漆 • 連結鎖(interlock)和警報 • 個人保護裝備 • 眼睛 • 防護鏡 • 皮膚 • 穿著防 UV 的衣服 • 塗抹防曬油 對 Actinic UV 僅有 0.003% 穿透的布料

  26. UV 暴露控制 (2) • 皮膚 • 防曬系數(Sun protection factor, SPF) • 有防護對無防護下 UVB 造成皮膚發紅所需的劑量的比值。 • 常見的皮膚保養品的防曬系數為 15。 • 行政控制 • 防護設備採購前的審核 • 限制特別敏感工人的接觸 • 增加到發生源的距離和減低暴露時間 • 警告標誌和標示

  27. 紫外線指數 (UV Index) • 紫外線指數 (UV Index) 是對隔天中午時間，對特定地區到達地球的可能傷害皮膚 UV 量的預測，這個指數是對 中午時間在考慮雲層的影響下，估計紫外線暴露值。 • 晴朗的天空 UV 100% 穿透 • 些許雲層 UV 89%穿透 • 零碎雲層 UV 73%穿透 • 陰暗的天空 UV 32%穿透

  28. 紅外線 (Infrared, IR) (1) • 紅外線的頻率恰巧和分子的振動和轉動一致，當它和物質作用時，導致化合物在紅外線某特定範圍光譜明顯的吸收。 • 所有紅外線放射體所放射的紅外線能量為這些物體的黑體溫度和放射係數(emissivity)有關，此放射係數為一個 0 到 1 的修正因子。 • 大多數的紅外線放射源放射一個寬帶波長，其最大能量波長可由下式計算:

  29. 紅外線 (Infrared, IR) (2) • 紅外線光譜範圍在 0.8 ~ 1000 m 之間，通常整個光譜範圍被分為三個區段: • 近紅外線 (near infrared, IRA): 波長在 0.8 ~ 1.4 m 之間 • 中紅外線 (middle infrared, IRB): 波長在 1.4 ~ 3 m 之間 • 遠紅外線 (far infrared, IRC: 波長在 3 ~ 1000 m 之間 • 紅外線在工業上的應用包括: • 塗漆、釉料、瓷釉、黏著劑、油墨和表面處理的乾燥和烘烤 • 金屬零件加熱裝配 • 布料、紙張、皮革、肉類、蔬菜、陶器和砂模的乾燥

  30. 紅外線的危害 (1) • 眼睛 • 影響角膜(cornea)和較深層的組織如水晶體(lens)和玻璃狀液(vitreous humor)，紅外線對眼睛的穿透和波長有關係，在 0.8 ~ 1.2 m 波長的紅外線大約有 50% 穿透到眼睛的深層組織。 • 暴露到高強度的紅外線會使眼睛產生疼痛和上皮細胞燒傷，不過這些效應會受眨眼反應所影響。 • 低強度長時間的暴露可能加熱虹膜和水晶體。 • 紅外線所導致的白內障已在吹玻璃工人和熔爐工人發現，主要起因於對水晶體和其附近的組織加熱。 • 視網膜對近紅外線(760~1400 nm) 至為敏感，其傷害可能和因加熱組織造成蛋白質和其他大分子變性。

  31. 紅外線的危害 (2) • 皮膚 • 紅外線危害的次要目標器官。 • 主要的效應包括造成微血管擴張及色素沉積。 • 當紅外線造成皮膚溫度升高至 45 °C時，會到達皮膚疼痛閾值。

  32. 紅外線 的暴露恕限值 • 保護角膜和水晶體 • 為了避免角膜的熱傷害和可能的延遲效應，在熱環境的紅外線暴露時間大於 1000 秒的情形，應限制光度最高為 10 mW/cm2；對於暴露時間小於 1000 秒的情況，光度限制依下列公式計算: • 為保護視網膜，IRA (700 nm <  < 1400 nm) 的光度肉眼所能正視的數值，在暴露時間大於 10 秒時，其值如下:

  33. 雷射 (Laser) (1) • 雷射的英文名稱 LASER 是由下列 5 個字的開頭字母所組成: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思為經由(原子)激發的所產生的強烈光線放射。 • 產生雷射的元件主要包括:一個光學空腔、一個幫浦系統和一些適當的物質 。下圖為典型的雷射腔。

  34. 雷射的描述單位 • 雷射可以在脈衝或連續波兩種主要形式下操作。 • 對於脈衝式雷射的輸出以 J/cm2表示，對於連續波式雷射的輸出則以 W/cm2表示。

  35. 雷射危害的生物機轉 (1) • 雷射所造成的生物危害主要透過下列三個機轉 • 熱燒傷 • 雷射所誘發的組織傷害為熱效應，組織的蛋白質會因吸收熱而變性。 • 在可見光和紅外光範圍的雷射 (波長400 - 1400 nm) 進入眼睛後會聚焦在視網膜上，而導致視網膜熱燒傷。 • 眼睛的聚光強度放大效果大約為 100,000; 因此 1 mW/cm2的光度進入眼睛後，會造成視網膜暴露到 100 W/cm2光度的暴露，此強度的能量足以造成視網膜組織燒傷。因為視網膜為不會再生的組織，這樣的傷害會造成永久的失能。 • 光化學傷害 • 不同於可見光雷射的熱效應方式，紫外線和藍光的毫秒脈衝雷射可能傷害眼睛和皮膚組織以光化學反應機制。其作用方式為刺激光接受器，提昇細胞內的活動兒而造成失能。

  36. 雷射危害的生物機轉 (2) • 熱音震效應 • 小於 10 s 的脈衝雷射可在視網膜上誘發出一個震波，而造成視網膜產生一個永久破口。事實上這樣的音震傷害比熱燒傷更具傷害性，因為它會造成視網膜上較大面積的傷害，且它的效應能量閾值明顯較低。 • 雷射暴露的主要熱效應和下列因素有關: • 組織對特定雷射波長的吸收和散射係數大小 • 所暴露雷射的強度 • 暴露持續時間和重複的次數 • 局部組織的血流程度 • 受照射組織的大小

  37. 眼睛的結構 視網膜 視神經 水晶體 角膜 虹膜 玻璃體

  38. 雷射危害分類 (1) • 雷射危害分類的目的為對雷射使用者提供一些警語和標示，以告知其所使用裝置的雷射危害等級，及用作為定義控制測定和醫學調查的基礎。 • 雷射危害等級 • 雷射危害依其潛在的生物危害分為四個等級 (I 、II、III 和 IV): • 等級 I • 沒有放射任何已知危害程度的雷射，這一個等級的雷射被認為〝眼睛安全〞雷射。 • 使用等級 I 的雷射產品或裝置，在操作和維修期間通常並不需要雷射危害防護裝置 。

  39. 雷射危害分類 (2) • 等級 IIA • 當暴露時間少於 1000 秒，不考慮為具慢性視覺危害(chronic viewing hazard)。但是當暴露時間大於 1000 秒時，則認為具危害性。這個等級僅適用於功率低於 3.9 W 的可見光雷射。 • 等級 II • 低功率可見光雷射(400 ~ 710 nm)，其放射功率高於等級 I 雷射的功率，但不超過 1 mW。這個等級的雷射當暴露時間大於 0.25 秒，被認為具慢性視觀危害。 • 人類對明亮光線的厭惡反應，被認為提供一些保護。僅需要一些特定的限制性控制。 • 等級 IIIA • 這個等級的雷射會造成急性或慢性視覺危害，其危害程度依光度而定。通常指可見光雷射功率小於 5 mW 。 • 危害發生在眼睛暴露於雷射光束中，建議需要一些限制性控制。

  40. 雷射危害分類 (3) • 等級 IIIB • 直接照射具急性眼睛和皮膚危害，為中度功率的雷射(連續波: 5-500 mW, 脈衝式: 10 J/cm2) • 這個等級的雷射不會導致火災，但是有可能產生危害性的擴散反射(hazardous diffuse reflection)或稱間接照射危害 ，被建議採用特殊控制裝置。 • 等級 IV • 直接照射或間接照射(scattered laser radiation)均具急性眼睛和皮膚危害 • 為高功率雷射 (連續波: 500 mW,脈衝式: 10 J/cm2)，具有潛在性火災危害，需要重要的控制裝置和防護設施。

  41. 雷射暴露限值 • 可接近放射限值 (accessible emission limit, AEL) • AEL 定義為最大容許暴露值和限制孔徑的面積的乘積，對可見光和進紅外線雷射的限制孔徑為 7 mm。 • 最大容許暴露值 (maximum permissible limit, MPE) • 對於雷射暴露者的眼睛和或皮膚不會造成任何危害或生物效應和變化的最大容許雷射光度。 • 名義危害區域 (nominal hazard zone, NHZ) • 名義危害區域指一個空間，在正常操作情況下，其內的直接、反射或散射的雷射超過最大容許暴露值。在名義危害區域周邊外圍區域，其雷射暴露強度則低於最大容許暴露值。

  42. 暴露時間 • 對不同的雷射操作條件，不同的暴露時間的最大容許暴露值並不同，這些暴露時間的選定如下: • 0.25 秒 • 為人類對明亮光線刺激的厭惡時間，也就是說眨眼反射時間，這是人體對不期望的雷射暴露的 第一線防衛，這也是雷射等級 II 的制定觀念。 • 10 秒 • 代表眼睛對紅外線(主要為近紅外線暴露)雷射最壞情況的暴露時間， 眼睛的自然運動情況不太可能大於 10 秒鐘。 • 600 秒 • 代表觀測可見的擴張反射源，典型的最壞情況暴露時間，如定位工作時。 • 30,000 秒 • 代表一個近似 8 小時工作的職業暴露時間 (28,800 )。

  43. 控制測定和安全措施 • 工程控制 • 防護罩 (protective housing) • 主開關控制 • 光學觀測安全系統 • 光束停止或衰減裝置 • 雷射啟動警告系統 • 防護罩連結鎖(interlock)裝置 • 遙控連結鎖 • 個人保護設備 • 眼睛保護設備和防護衣 • 行政和程序控制 • 標準操作程序的建立 • 定位程序的建立 • 限制無關人員的進出 • 防護設備

  44. 雷射控制區的標示 • 適當的雷射危害警告標示包括: • 等級 IIIA、等級 IIIB 和 等級IV 雷射 • 需要標示危險信號，格式為: 白色背警, 紅色雷射符號、 黑色邊線和黑色文字 。 • 等級II 或 等級 IIIA 區域 • 需要標示小心的符號，格式為: 黃色背景、黑色符號和文字。 • 當暫時的雷射控制區域建立時，需標示注意的符號，格式為: 白色背景、紅色雷射符號、藍框和黑色文字。這個標示僅在雷射使用中貼出。

  45. 雷射等級檢查 • 如何決定雷射等級 • 分類雷射產品是一個相當複雜的過程，它涉及可接近放射限值(accessible emission limit, AEL)的決定，雷射放射的測定，測定放射脈衝的特性，及標準制定機構對雷射產品功能的評估。 • 分類等級是製造商必須提供的一個必要明細，而且僅能標示在產品的一個位置上，在雷射警告標示的左下方，必須明白指出產品的雷射等級。

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