Guida Banca dati Riflettanza Materiali

Sviluppata nell'ambito del Piano Mirato di Prevenzione sulla Radiazione Riflessa Laser della Regione Toscana D.D.R.T. n. 4276/2009

In collaborazione con:

• Azienda Sanitaria di Firenze: Dipartimento di Prevenzione - U.O. Fisica Sanitaria
• Azienda Ospedaliera Universitaria Careggi Firenze - U.O. Fisica Sanitaria
• Azienda Ospedaliera Universitaria Siena - U.O. Fisica Sanitaria
• CNR-IFAC Istituto di Fisica Applica "Nello Carrara"
• CNR-INO Istituto Nazionale di Ottica

Soggetti che hanno effettuato le misure:
Dott. A. Guasti - Fisica Sanitaria AOU Siena
Dott. D. Fedele - Fisica Sanitaria ASL 10
Prof. F. Fusi e Dott. G.Romano - sez. Fisica Medica Dipartimento di Fisiopatologia Clinica Università Firenze
Dott. L. Mercatelli - Laboratorio di Fotometria & Illuminotecnica- Istituto Nazionale Ottica Applicata
 

Riflessione Speculare e Diffusa

Un aspetto che occorre prendere in considerazione quando si tratta di sicurezza durante l’utilizzo di sorgenti di radiazioni ottiche è quello che riguarda il fenomeno della riflessione della radiazione ottica. Infatti, per effettuare una valutazione corretta è necessario determinare in quale misura una radiazione ottica, emessa da un’apparecchiatura/sorgente, continui ad essere pericolosa per l’uomo a seguito della sua interazione con un materiale incontrato nel suo percorso. Per fare questo occorre tenere presente tutti gli aspetti di questo fenomeno; infatti, sia uno specchio che un foglio di carta bianca riflettono la luce, però con effetti diversi sull’occhio: guardando nello specchio si vede la sorgente, guardando nel foglio di carta no. La spiegazione sta in parte nel grado di rugosità della superficie.

La luce, rispettando le leggi della riflessione, si riflette su una superficie in un modo molto prevedibile. Una volta individuata la normale alla superficie nel punto di incidenza può essere determinato l’angolo di incidenza. Il raggio di luce quindi si riflettere in modo tale che l’angolo di riflessione è uguale all’angolo di incidenza. Un fascio di luce può essere pensato come un fascio di raggi di luce individuali che viaggiano paralleli gli uni agli altri e ogni singolo raggio di luce del fascio segue la legge di riflessione. Se il fascio di raggi di luce è incidente su una superficie liscia anche a livello microscopico, come può esserlo uno specchio, i raggi di luce riflessi e rimarranno paralleli e concentrati in un fascio riflesso dopo aver lasciato la superficie. D’altra parte, se la superficie è microscopicamente ruvida, come nel caso della carta, i raggi di luce, pur seguendo sempre le leggi della riflessione, si rifletteranno in molte direzioni diverse dando luogo ad una luce diffusa. La maggior parte degli oggetti che vediamo sono visibili a causa della riflessione diffusa che si genera sulle loro superfici.

Il meccanismo più generale per cui una superficie generi una riflessione diffusa non coinvolge esattamente la superficie, ma la maggior parte della luce che emerge dal materiale è dovuta a riflessioni multiple dei raggi luminosi al di sotto della superficie.

Questo meccanismo è molto generale perché quasi tutti i materiali comuni sono fatti da oggetti più piccoli tenuti insieme. Per esempio, i materiali minerali sono generalmente policristallini, ovvero si possono descrivere come costituiti da un mosaico tridimensionale di piccoli cristalli di forma irregolare. I materiali organici sono generalmente costituiti da fibre o cellule, con le loro membrane e la loro struttura interna complessa, e ogni disomogeneità di interfaccia o imperfezione può deviare, riflettere o disperdere la luce, riproducendo il meccanismo di cui sopra.

Praticamente tutti i materiali possono dare riflessione speculare a condizione che la loro superficie possa essere lucidata per eliminare le irregolarità comparabili con lunghezza d’onda della luce (una frazione di micrometro). Tra i materiali comuni, solo i metalli lucidati possono riflettere specularmente la luce con grande efficacia, infatti il materiale riflettente degli specchi è di solito costituito da uno strato in alluminio o argento. Tutti gli altri materiali comuni, anche se perfettamente lucidati, forniscono in genere non più di qualche punto percentuale di riflessione speculare.

La misura di quanto un corpo è in grado di riflettere la radiazione ottica è data da una quantità chiamata riflettanza. La riflettanza indica la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere, valutata per ogni lunghezza d’onda, ed è quindi rappresentata dal rapporto tra l’intensità del flusso radiante riflesso e l’intensità del flusso radiante incidente in specifiche condizioni di irradiamento.

Con l’impiego di differenti strumentazioni e differenti configurazioni di misura si è cercato di ottenere un quadro che fosse il più completo possibile circa il comportamento dei materiali esaminati. Le misure sono state eseguite in un ampio intervallo di lunghezze d’onda . Per questo motivo si possono dividere le misure in quattro parti:

• Misure di riflessione totale nell’intervallo spettrale 250 − 2500nm;
• Misure di riflessione speculare a 45° nello stesso intervallo spettrale;
• Misure di riflessione speculare nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 2380nm e 25050nm, con angolo d’incidenza di 30°
• Misure di rugosità superficiale per i materiali metallici.

Sia per la riflessione totale che per quella speculare è stato utilizzato uno spettrofotometro dotato di un modulo con una sfera integratrice per la misura di diffusione totale e di un modulo per la misura della riflettanza speculare a vari angoli.

Le misure di riflessione a piccoli angoli fino al lontano infrarosso sono state invece realizzate con uno spettrometro IR a Trasformata di Fourier.

Per ogni campione composto da materiale metallico è stato inoltre acquisito il profilo superficiale con un rugosimetro per caratterizzarne maggiormente la superficie. Il procedimento di misura della rugosità consiste nella registrazione del profilo della superficie ottenuto lungo una determinata linea di misura (o di scansione); tale profilo viene poi analizzato definendo un parametro numerico che costituisce la misura della rugosità. Parte fondamentale del processo di calcolo dei vari parametri di rugosità è l’operazione di filtraggio che consente di ottenere una misura della sola qualità della superficie, depurata dagli effetti che gli errori di geometria del pezzo hanno sul profilo misurato (per esempio la presenza di una curvatura macroscopica del campione).

La misura della rugosità, espressa in micron, è il valore medio aritmetico degli scostamenti del profilo reale della superficie rispetto al valore medio dei punti misurati.

Tutte le misure di riflettanza sono state rese possibili dalla collaborazione del laboratorio di fotometria e illuminotecnica dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR ad Arcetri (FI) che ha messo a disposizione le sue strumentazioni e i suoi locali.

Materiali

E' stata presa in esame una vasta gamma di materiali di comune utilizzo in ambito sanitario, industriale e di ricerca al fine di poterne prevedere la pericolosità in relazione all'entità della radiazione da questi riflessa - quando usati in presenza di sorgenti di radiazioni ottiche di note caratteristiche -  e fornire indicazioni utlili sui materiali più indicati in relazione alla riduzione del rischio per gli operatori.

Le misure fino ad oggi condotte sono state effettuate su campioni con superficie riflettente piana  e con dimensioni non inferiori a circa 2cm × 2cm e non superiori a circa 10cm × 10cm.

I materiali presi in esame  sono costituiti da dispositivi medicali (come per esempio telini in materiale sintetico, telini di cotone, garze di cotone mascherine protettive, guanti in lattice o altro materiale sintetico), da materiali abitualmente  presenti nei  locali in cui vengono utilizzate le sorgenti di radiazioni ottiche di interesse protezionistico, quali componenti architettonici ed elementi di arredo, prendendo in esame, per i componenti metallici, i  possibili differenti trattamenti delle superfici, quali ad esempio satinatura, sabbiatura, anodizzazione.
 

Comportamento dei materiali nelle diverse regioni spettrali

Dai dati raccolti durante le analisi dei campioni si possono fare alcune considerazioni generali. Dal punto di vista della sicurezza, la misura più interessante è quella della riflettanza speculare ed è l’aspetto che tratteremo nel seguito. Tuttavia i laser di classe IV possono essere pericolosi anche per riflessioni diffuse, quindi in presenza di questi laser dovranno essere fatte opportune considerazioni anche su questo tipo di riflessione.

• 180-400 nm
• Nella regione dell’ultravioletto i materiali che presentano una migliore capacità di riflettere in maniera speculare la radiazione ottica sono i metalli come alluminio e acciaio; il ferro, l’ottone e il rame per via del loro colore riflettono meno a queste lunghezze d’onda. I più alti livelli di riflessione si raggiungono quanto più la superficie è levigata, un campione di acciaio molto lucido ha mostrato una riflettanza speculare fino al 43% a 400 nm. Con lavorazioni superficiali della superficie, come la sabbiatura, si riesce ad abbattere la riflettanza fino a valori dell’ordine di pochi punti percentuali.
• Altri materiali come Plexiglass o alcuni tipi di mattonelle lucide chiare hanno mostrato una capacità di riflettere in maniera speculare abbastanza limitata, intorno al 5-6%; tuttavia è necessario prendere in considerazione con attenzione anche questi materiali, soprattutto se in presenza di laser di potenza.
• 400-700 nm
• In questo intervallo tutti i metalli mostrano una capacità sempre maggiore, rispetto all’intervallo precedente, di riflettere la radiazione ottica. Nel caso di superfici molto lucide di acciaio o rame si arriva ad avere una riflettanza speculare oltre il 60%.
• Anche nei campioni non metallici si nota un aumento della riflettanza pur rimanendo su livelli molto bassi, in qualche caso dell’ordine del 6-7%.

«  700- 1400 nm

• In generale la capacità delle superfici metalliche di riflettere specularmente la radiazione ottica continua ad aumentare anche a queste lunghezze d’onda arrivando addirittura all’86% nel caso di superfici molto lucide. Per ridurre notevolmente questa capacità è fondamentale che le superfici vengano trattate con particolari tipi di lavorazioni. La più efficace tra queste è la sabbiatura.
• Tra i materiali non metallici non c’è un aumento della riflettanza in questo intervallo di lunghezza d’onda, ma occorre sempre prestare attenzione a quei materiali che hanno valori di riflettanza di alcuni punti percentuali.
• 1400-10⁶ nm
• La riflettanza dei metalli continua ad aumentare fino anche oltre il 90%, per le superfici più levigate, quindi occorre prestare la massima attenzione alla presenza di questo tipo di materiali in prossimità di apparecchiature laser.
• Per gli altri tipi di materiali non sono da escludere comportamenti inaspettati, come ad esempio una potenzialmente pericolosa capacità di riflettere da parte di un campione di PVC nero lucido, che arriva ad una riflettanza del 5%.

Valutazioni più precise devono essere condotte in ogni singola situazione per effettuare un’analisi dei rischi accurata, in funzione dell’utilizzo e della tipologia di sorgente laser nonché dell’ambiente in cui viene adoperata. Consultando questi dati possono essere recuperate informazioni utili per la messa in opera di tutte le soluzioni necessarie all’eliminazione dei rischi da riflessione per il lavoratore e anche per i pazienti dovuti all’impiego di sorgenti di Radiazioni Ottiche Artificiali coerenti.