PROMIENIOWANIE OPTYCZNE

1. Widmo promieniowania optycznego, energia

• Promieniowanie EM o dł. fali od 100nm-1mm (UV, VIS, IR)

• UV-A (nadfiolet bliski) - 315 ÷ 400 nm, UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm, UV-C (nadfiolet daleki) - 100 ÷ 280 nm

• IR-A (podczerwień bliska) - 780 ÷ 1400 nm, IR-B (podczerwień średnia) - 1400 ÷ 3000 nm, IR-C

(podczerwień daleka) - 3000 nm ÷ 1 mm.

• Energia promieniowania wypromieniowana w przedziale (E, E+dE): E ⋅

( )

f ( E) dE =

f

E dE

T

, f ( E) dE - rozkład podający ułamek liczby fotonów E

∫

T

E ⋅ f ( E) dE

T

wyemitowanych w przedziale (E,E+dE)

2. Źródła promieniowania optycznego

• Źródła naturalne :

o Słońce – 7% UV, 43% VIS, 50% IR

• Źródła elektryczne:

o UV -Lampy ksenonowe, metalohalogenkowe, rtęciowe (UVA, UVB, UVC), świetlówki bakteriobójcze, lampy Wooda

3. Ciało doskonale czarne, wzór Plancka, prawo Wiena, prawo Stefana-Boltzmanna, prawo Kirchoffa

• Widmo promieniowania słońca przypomina rozkład ciała doskonale czarnego o temp. 5800K, max rozkładu przypada dla fali 500nm (barwa zielona)

• Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego (Plancka) 2

2

π ⋅ c h

1

o

R(λ, T ) =

⋅

5

hc(λ kT )

λ

e

−1

o Porcje energii E = υ

h , υ - częstość fali, υ = c / λ

o

R(λ, T ) - moc promieniowania na jednostkę powierzchni

• Prawo Wiena – ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych Tλ

max = const = 2896

m

µ ⋅ K

λ

/

max = b

T

b = 8

,

2 ⋅

−3

10

m ⋅ K

• Prawo Stefana-Boltzmana – całkowita moc wypromieniowana przez ciało na jednostkę powierzchni jest proporcjonalna do 4 potęgi temp. ciała

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W

/ m2]

σ - stała Stefana-Boltzmanna

T - temperatura w skali Kelvina

4. Ochrona przed promieniowaniem optycznym (skuteczna luminancja energetyczna, napromienienie skuteczne, natężenie napromienienia, skuteczność widmowa, czas ekspozycji)

• Wpływy biologiczne promieniowania optycznego

o Termiczne (IR)

o Fotochemiczne (UV,VIS)

o Wpływ na molekuły biologiczne

• Skutki działania promieniowania optycznego na organizm człowieka o Skutek biologiczny promieniowania optycznego zależy przede wszystkim od rozkładu widmowego i ilości pochłoniętego promieniowania, czasu i częstotliwości ekspozycji oraz rodzaju eksponowanej tkanki. Ilość promieniowania pochłoniętego przez tkankę jest zależna od jej napromienienia i współczynnika odbicia.

o Promieniowanie nadfioletowe o długości fali powyżej 104 nm nie powoduje jonizacji powietrza i tkanki biologicznej, może natomiast wywoływać reakcje fotochemiczne w tkance biologicznej.

o Głębokość wnikania promieniowania nadfioletowego w skórę jest wprost proporcjonalna do długości fali (największa dla l = 400 nm) i wynosi przeciętnie kilka mikrometrów. Najczęściej spotykanym objawem nadmiernej ekspozycji skóry na promieniowanie nadfioletowe jest rumień. Z medycznego punktu widzenia rumień (erytema) jest objawem procesu zapalnego skóry. Wielokrotne narażenie skóry na promieniowanie nadfioletowe o dużym natężeniu może także być przyczyną złuszczania się naskórka, powstania przebarwień na skórze oraz powstawania zmian przednowotworowych i nowotworowych.

o intensywne promieniowanie nadfioletowe (np. laserowe) może powodować oparzenia skóry.

o Promieniowanie o długości fali poniżej 290 nm jest silnie pochłaniane przez rogówkę i spojówkę oka. Absorpcja promieniowania z tego zakresu powoduje stany zapalne spojówki i rogówki, a w przypadku ekspozycji oka na promieniowanie laserowe może dodatkowo wystąpić uszkodzenie rogówki.

o Nadfiolet z zakresu powyżej 290 nm jest przepuszczany przez rogówkę i ciecz wodnistą oka, dociera do soczewki i jest przez nią pochłaniany. Długotrwałe narażenie soczewki na intensywne promieniowanie nadfioletowe o długościach fali powyżej 290 nm może doprowadzić do jej trwałego zmętnienia, czyli zaćmy o Intensywne promieniowanie widzialne (zwłaszcza światło niebieskie) może powodować termiczne lub fotochemiczne uszkodzenia i schorzenia siatkówki oka.

o Ekspozycja skóry na widzialne promieniowanie laserowe o dużej mocy może powodować jej oparzenia.

o IR – głównie reakcje termiczne

o Promieniowanie IR jest w większości absorbowane w powierzchniowych warstwach skóry, co przy długotrwałej ekspozycji i dużym natężeniu napromienienia może doprowadzić do jej przegrzania lub oparzenia. Reakcją skóry na nadmierną dawkę podczerwieni może być wystąpienie tzw. rumienia cieplnego charakteryzującego się rozlanym zaczerwienieniem obszaru poddanego działaniu promieniowania.

o Oczy są narażone na szkodliwe działanie podczerwieni w większym stopniu niż skóra.

Podczerwień jest najsilniej pochłaniana przez rogówkę: całkowicie w paśmie IR-C i częściowo w paśmie IR-B

o Do soczewki oka dociera przede wszystkim promieniowanie z pasma podczerwieni bliskiej IR-A oraz częściowo z pasma IR-B (o długościach fali poniżej 2400 nm). Gdy

poziom natężenia promieniowania jest duży, wówczas następuje przegrzanie soczewki

o Długotrwała ekspozycja na promieniowanie podczerwone może również wywoływać stany zapalne tęczówek i spojówek, wysuszanie powiek i rogówek oraz zapalenie brzegów powiek.

o Promieniowanie podczerwone z zakresu IR-A (780 ÷ 1400 nm) dociera do siatkówki oka, co przy dużym natężeniu napromienienia może prowadzić do jej uszkodzenia termicznego.

• Korzystne skutki:

o Przeciwkrzywiczne UV

o Gojenie ran UV

o Wzrost odporności UV

o Umożliwia widzenie VIS

o Poprawia krążenie IR

• Wartość skuteczna luminancji światła

1400

5

−2

1

−

o ∑ L R

λ λ ∆λ =

t

[ W ⋅ cm sr ]

4

330

α t

• UV nielaserowe

o Skutek zależy od ilości pochłoniętego promieniowania i rodzaju eksponowanej tkanki o Dawka zależy od współczynnika odbicia i przepuszczania VIS

o Oddziaływanie ma charakter fotochemiczny lub termiczny w odniesieniu do siatkówki

5. Oddziaływanie promieniowania optycznego z materia

• Oddziaływanie z materią

a. Tłumienie (rozpraszanie, absorpcja)

b. Prawo Beera

− α

( + ρ ) x

jα

Φ = Φε e

−

= Φε e

c. Na granicy 2 ośrodków – odbicie zwierciadlane

6. Luminancja energetyczna a gęstość spektralna energii

• Wielkości charakteryzujące moce:

a. Luminancja energetyczna - stosunek natężenia promieniowania do powierzchni rzutu elementu źródła na płaszczyznę prostopadłą do danego kierunku (rozchodzenia się promieniowania):

dI

dΦ

[W/(m2sr)]

L

e

e

≡

=

e

dS cosε

dω dS cosε

b. Spektralna gęstość energii

d

W

Φ (λ

Φ

)

E

=

[

]

E

dλ

nm

c. Luminancja widmowa

d. Natężenie promieniowania - stosunek strumienia padającego na element powierzchni odbiornika do wielkości tej powierzchni:

[W/m2]

dΦ e

E ≡

e

dSo

e. Ilość energii promienistej

Energia promienista emitowana jest przez ciała, gdy są one ogrzewane bądź

pobudzane energetycznie w inny sposób.

f. Moc energii (moc promieniowania):

dΦ

Φ (λ)

E

=

[ W ]

E

dt

g. Emitancja energetyczna jest to stosunek mocy φ wypromieniowywanej przez powierzchnię S do wielkości tej powierzchni.

W odróżnieniu od luminancji, emitancja opisuje całkowity strumień energii emitowany z jednostki powierzchni źródła we wszystkich kierunkach.

Φ

= d

M

E

θ φ

θ

E

= ∫

W

L ( , ) cos

E

Ω

d

[

]

2

dA

m

• Typowe szerokości spektralne światła – laser He-Ne: 1MHz, słońce 1015Hz

• Detektory:

a. Emulsje fotograficzne

b. Metody aktynometryczne np. fotoliza

c. Mikroorganizmy jako dozymetry UV

d. termopary, kalorymetry

e. fotokomórki, fotodiody

f. detektory termoluminescencyjne

jakieś okropne definicje i wzorki: http://www.fizyka.umk.pl/~ptarg/Prac_med/ZAD_1MED.PDF