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        熒光燈紫外輻射的實驗研究

        來源:浙江省照明學會 發布時間:2016-06-12瀏覽:358
        本文基于輻射度學基礎, 深入探討熒光燈紫外輻射特性, 并以大量的實驗數據論述熒光燈紫外輻射對人眼、皮膚可能造成的危害。
        趙田冬1   趙平海2   劉堂生2     沈同岑2
        (1.浙江大學光電系 杭州 310027; 2.浙江開元光電照明科技有限公司 杭州 310051)
         
        摘要: 本文基于輻射度學基礎, 深入探討熒光燈紫外輻射特性, 并以大量的實驗數據論述熒光燈紫外輻射對人眼、皮膚可能造成的危害。
        關鍵詞: 熒光燈  紫外輻射  皮膚和眼睛   曝輻限值 
         
        一,概述:
        1.1 紫外輻射及其波長范圍:
           通常將波長小于380nm的電磁波稱為紫外輻射。其波長范圍是 1~380nm。實驗證明,短于200nm的紫外輻射在大氣中幾乎全部被吸收(亦稱為真空紫外)。大多數研究工作者感興趣的是200nm~380nm這一區段的紫外輻射, 并且發現不同波長的紫外輻射對特定研究對象的作用效果是不同的,為了便于綜合不同研究領域的特點,將紫外輻射波長區域分為三個區段,我國規定315nm~380nm為UVA波段, 280nm~315nm為UVB波段,而200nm~280nm稱為UVC波段,對紫外輻射測量的任務是分別測量這三個波段的輻射量值。

        1.2 低氣壓熒光燈的發光原理:
           熒光燈泡或燈管內的低氣壓汞蒸氣中含有的汞原子,它們被電場或高頻電磁場激發后產生紫外、可見輻射,輻射波長包括185nm,253.7nm,296.8nm,365nm,404.6nm,435.8nm,546.1nm,577nm,579nm等,紫外線激發玻殼內表面的熒光粉涂層,其中253.7nm紫外線被熒光粉吸收后發出可見光,185nm紫外線對熒光粉具有破壞作用,其它紫外線波段對三基色熒光粉的藍粉有激發作用,因為藍粉具有寬帶激發特性。燈泡或燈管內的汞蒸氣由液態汞或固態汞齊提供。
        由此可見,所有的低壓熒光燈(包括直管熒光燈、節能熒光燈、無極熒光燈等)在發出可見光的同時,都存在有紫外輻射。那么,熒光燈紫外輻射對人眼、皮膚等將造成多大的危害呢?

        1.3 依據國家標準GB/T 20145—2006(等同采用CIE S 009/E:2002)《燈和燈系統的光生物安全性》,紫外危害輻射的發射限,如表1所示:

                                                                  表1  熒光燈紫外輻射各危險類的發射限
        危害類型 光化光譜 符號 發射限 單位
        無危險 低危險 中度危險
        光化紫外 SUV(入) ES 0.001 0.003 0.03 W/m2
        近紫外 -- EUVA 10 33 100 W/m2
         注 譯 1,以上數據來自“GB/T 20145—2006” 表5。
        2, ES: 光化學紫外危害輻射照度, 其作用光譜范圍在200nm-400nm,加權函數的峰值在270nm;
        3, EUVA: 近紫外輻照度, 其作用光譜范圍在315nm-380nm之間(UV-A),無加權函數;
        4,對普通照明(GLS)的燈,危害值(無論輻照度或輻亮度)均應在產生500lx 照度的距離下給出,但這個距離不應小于200mm。

        二、紫外輻射測量儀原理:
           為研究熒光燈紫外輻射對人眼、皮膚造成的危害,依據GB/T 20145—2006的國家標準要求,需要分別測量光譜范圍在315nm-380nm (UV-A)的光輻射對眼睛危害的曝輻限值EUVA、光譜范圍在200nm-400nm之間的皮膚和眼睛的光化學紫外危害曝輻限值ES,并與相應的發射限比較。實際上,對于低氣壓熒光燈,可測量365nm和253.7nm的紫外輻照度大小來表征。

        2.1 365nm紫外輻照度計
           365nm紫外輻照度計(如圖1所示),由365nm汞譜線濾光片、數字傳感器組成的紫外輻射探測器,接收入射輻射,CPU接收輻射的數字信號,并顯示輻射參數,或可通過接口電路將參數存入機算機保存。儀器應用365nm譜線以標定,顯示輻射的輻照度值。

        圖1 XYI—V 365nm紫外輻照度計結構框圖
         
        2.2 253.7nm紫外線測量儀:
            253.7nm紫外線測量儀(如圖2所示),由253.7nm汞譜線濾光片、紫外增強型硅光電探測器組成的紫外輻射探測器。接收的入射輻射,經放大和A/D變換后顯示輻射參數,并可通過接口電路將參數存入機算機保存,用于253.7nm輻射的相對測量。

        圖2 253.7nm紫外線測量儀結構框圖
          上述二種紫外輻射測量儀、所應用的汞譜線濾光片參數分別為:365nm濾光片半波寬12nm,透射比大于30% 和253.7nm濾光片半波寬12nm,透射比大于15%。
         
        三、實驗方法:
        3.1, 實驗儀器:
        XYI--III V(入) 照度計, XYI—V 365nm紫外輻照度計,和以253.7nm為探測器的紫外線測量儀等三款儀器;
        3.2 測試步驟:
        1, 依據GB/T 20145—2006的要求,把被檢燈置于距三款探測器(250—500)mm處;
        2, 開燈, 預燃約30分鐘, 讀數顯示數據穩定;
        3, 分別讀取三款儀器的顯示數據,其中經標定的V(入) 照度計、365nm紫外輻照度計的顯
        示數據是實測值 E、E/UVA0, 253.7nm紫外線測量儀的顯示數據是相對值;
        4, 然后分別加一塊己知透射比= 94.5%的、厚度為2mm的JB400截止濾光片,再分別讀取365nm實測值E/UVA+和253.7nm相對測量值。
         
        四、實驗測試數據綜合:
        4.1測試數據處理的幾點說明:
        1,  照度歸化系數f: 依據GB/T 20145—2006的要求,對熒光燈的危害值(無論輻照度或輻亮度)均應以500lx 照度值歸化。如PHILIPS節能燈的f=500/164.2=3.045;
        2,  365nm實測值E/UVA0、E/UVA+ : 分別為不加JB400(以0表示)和加上JB400(以+表示) 時的365nm實測值E/ UVA0、E/ UVA+ 。如PHILIPS節能燈的E/UVA0 = 0.782、E/UVA+ =0.078(W/cm2);
            同樣, 以0或+ 符號分別表示了不加或加上JB400時的253.7nm相對測量值;
        3,  365nm歸化值EUVA = f(E/UVA0 - E/UVA+ /) 。如PHILIPS節能燈的EUVA = 2.128(W/cm2) 。
        4.2實驗測試數據綜合: 實驗測試了十余款國內外熒光燈,下表列出了代表性6款光源的測試數據:
        表2

        樣品名稱 功率
        (W)
        色溫
        (K)
        照度實測值E(lx)
        歸化系數f
        365nm實測值E/UVA0、E/UVA+ 、歸化值EUVA(W/cm2) 253.7nm相對
        測量值
        1




         
        荷蘭
        PHILIPS
         9 2700 164.2
        3.045
        0 0.782 2.128 0 16  
        + 0.078 + 15  
        2 德國
        OSRAM
        23 2700 496
        1.008
        0 1.059 0.956 0 27  
        + 0.105 + 26  
        3 中國
        螺旋燈
        11 6400 205
        2.44
        0 0.886 1.935 0 18  
        + 0.088 + 17  
        4 無極熒光燈 美國GE Genura 23 2700 450
        1.111
        0 2.183 2.166 0 36  
        + 0.217 + 34  
        5 中國LTTS
        (一體化)
        20 3000 410
        1.22
        0 3.04 3.658 0 34  
        + 0.04 + 33  
        6 中國LTTS
        (臺燈)
        20 5000 512
        0.977
        0 1.26 1.231 0 41  
        + 0.0 + 39  
         
        五, 實驗原理及測試數據分析:
        5.1,實驗原理:
            由于低氣壓熒光燈的玻殼,是用硬料或軟料玻璃制成的,253.7nm紫外線不能通過,因此,燈泡或燈管內的253.7nm紫外線不會向外輻射(由石英材料制成的玻殼除外)。但是365nm紫外輻射有可能溢出玻殼,需要檢測它用作照明時、對人的眼睛和皮膚的危害是否在允許的范圍內?
        理論上,以253.7nm或365nm紫外輻射探測器制成的紫外輻照度計, 以該單波長標定,可以測量低氣壓熒光燈在這二個波長的紫外輻照度,并能獲得較準確的測量值;但由于253.7nm或365nm濾光片具有測量波長的帶寬, 和約12nm半波寬的特性,用于低氣壓熒光燈這樣的寬帶光譜測量紫外輻射時、會帶來測量讀數偏大的誤差,特別是儀器測量帶寬的底部, 光譜響應可達15-20nm,為了正確評價低氣壓熒光燈的紫外輻射,實驗中應用了JB400截止濾光片,截止小于400nm的紫外線,以利于減少短波藍光對測量數據的影響。
          實驗過程是,首先用紫外輻照度計測量待測光源照明的測試臺面輻照度,這一測量值包括了寬帶光譜照明中由于儀器測量帶寬造成的測量讀數偏大的誤差,例如對365nm紫外輻射測量,365nm紫外照度計可能測量到可見藍光部份,這會造成測量數據偏大 ,然后將JB400截止濾光片復蓋在紫外輻照度計表面,由于小于400nm的紫外線不能透過,顯示的測量讀數值已經消除了紫外輻射,二次測量數據的差值并以JB400截止濾光片透射比修正,可以獲得
        正確365nm紫外輻照度值。
        對253.7nm紫外輻射, 可應用同樣的方法消除長波中的雜散光干擾。
        圖3為253.7nm、365nm、JB400及可見光在光譜圖中的對應位置。

                圖3 253.7nm、365nm、JB400及可見光在光譜圖中的對應位置
         
        5.2, 實驗測試數據分析:
        由表2實驗樣品的測試數據分析可知, 500lx照度下的近紫外歸化值為:
                                (1)
         式中:   為照度實測值對500lx的歸化系數, 即500lx /各燈的照度實測值lx;
                 為不加JB400截止濾光片時的實測輻照度(單位: W/cm2);
                 為加JB400截止濾光片時的實測輻照度(單位: W/cm2),該值為濾除紫外輻射后的雜散光;
                 為截止濾光片JB400的透射比。
        依據國家標準,對國內外典型的節能熒光燈、無極熒光燈的照度實測值對500lx照度進行歸化后,實驗樣品中測試的最大365nm輻照度為3.658,遠低于” GB/T 20145—2006燈和燈系統的光生物安全性”中近紫外無危害值水平(10  = 1X103 )。
        實驗樣品對253.7nm的紫外輻射測量數據、按式(1) 計算分析均為零。實驗證明,以硬料或軟料玻璃制成的熒光燈泡(或管)的玻殼,253.7nm的紫外輻射被全部屏蔽在玻殼內。
        作為253.7nm的紫外輻射特性消毒殺菌的熒光燈泡(或管), 必須應用石英玻璃制成的玻殼,使253.7nm的紫外輻射通過玻殼向外輻射,達到消毒殺菌的效果。
            低氣壓熒光燈沒有253.7nm紫外輻射,近紫外無危害值水平遠低于GB/T 20145—2006燈和燈系統的光生物安全性中限值。在閱讀和教室照明中,由于無極熒光燈的無頻閃、長壽命、照度分布的均勻性等優點,光生物安全性性能達到GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全性》的要求,有廣泛的應用領域。

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