荧光灯紫外辐射的实验研究

赵田冬¹   赵平海²   刘堂生²     沈同岑²
（1.浙江大学光电系 杭州 310027; 2.浙江开元光电照明科技有限公司 杭州 310051）
 
摘要: 本文基于辐射度学基础, 深入探讨荧光灯紫外辐射特性, 并以大量的实验数据论述荧光灯紫外辐射对人眼、皮肤可能造成的危害。
关键词: 荧光灯  紫外辐射  皮肤和眼睛   曝辐限值 
 
一，概述：
1.1 紫外辐射及其波长范围:
   通常将波长小于380nm的电磁波称为紫外辐射。其波长范围是 1～380nm。实验证明,短于200nm的紫外辐射在大气中几乎全部被吸收(亦称为真空紫外)。大多数研究工作者感兴趣的是200nm～380nm这一区段的紫外辐射, 并且发现不同波长的紫外辐射对特定研究对象的作用效果是不同的,为了便于综合不同研究领域的特点,将紫外辐射波长区域分为三个区段,我国规定315nm～380nm为UVA波段, 280nm～315nm为UVB波段,而200nm～280nm称为UVC波段，对紫外辐射测量的任务是分别测量这三个波段的辐射量值。

1.2 低气压荧光灯的发光原理：
   荧光灯泡或灯管内的低气压汞蒸气中含有的汞原子，它们被电场或高频电磁场激发后产生紫外、可见辐射,辐射波长包括185nm，253.7nm，296.8nm,365nm，404.6nm，435.8nm，546.1nm，577nm，579nm等，紫外线激发玻壳内表面的荧光粉涂层，其中253.7nm紫外线被荧光粉吸收后发出可见光，185nm紫外线对荧光粉具有破坏作用，其它紫外线波段对三基色荧光粉的蓝粉有激发作用，因为蓝粉具有宽带激发特性。灯泡或灯管内的汞蒸气由液态汞或固态汞齐提供。
由此可见，所有的低压荧光灯（包括直管荧光灯、节能荧光灯、无极荧光灯等）在发出可见光的同时，都存在有紫外辐射。那么，荧光灯紫外辐射对人眼、皮肤等将造成多大的危害呢？

1.3 依据国家标准GB/T 20145—2006（等同采用CIE S 009/E:2002）《灯和灯系统的光生物安全性》，紫外危害辐射的发射限，如表1所示：

                                                          表1  荧光灯紫外辐射各危险类的发射限

危害类型	光化光谱	符号	发射限			单位
			无危险	低危险	中度危险
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 译	1，以上数据来自“GB/T 20145—2006” 表5。 2, ES: 光化学紫外危害辐射照度, 其作用光谱范围在200nm-400nm，加权函数的峰值在270nm; 3, EUVA: 近紫外辐照度, 其作用光谱范围在315nm-380nm之间(UV-A)，无加权函数; 4，对普通照明(GLS)的灯，危害值（无论辐照度或辐亮度）均应在产生500lx 照度的距离下给出，但这个距离不应小于200mm。

二、紫外辐射测量仪原理：
   为研究荧光灯紫外辐射对人眼、皮肤造成的危害,依据GB/T 20145—2006的国家标准要求,需要分别测量光谱范围在315nm-380nm (UV-A)的光辐射对眼睛危害的曝辐限值E_UVA、光谱范围在200nm-400nm之间的皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限值E_S，并与相应的发射限比较。实际上,对于低气压荧光灯，可测量365nm和253.7nm的紫外辐照度大小来表征。

2.1 365nm紫外辐照度计
   365nm紫外辐照度计(如图1所示)，由365nm汞谱线滤光片、数字传感器组成的紫外辐射探测器，接收入射辐射，CPU接收辐射的数字信号，并显示辐射参数，或可通过接口电路将参数存入机算机保存。仪器应用365nm谱线以标定，显示辐射的辐照度值。

图1 XYI—V 365nm紫外辐照度计结构框图
 
2.2 253.7nm紫外线测量仪：
    253.7nm紫外线测量仪(如图2所示),由253.7nm汞谱线滤光片、紫外增強型硅光电探测器组成的紫外辐射探测器。接收的入射辐射，经放大和A/D变换后显示辐射参数，并可通过接口电路将参数存入机算机保存，用于253.7nm辐射的相对测量。

图2 253.7nm紫外线测量仪结构框图
  上述二种紫外辐射测量仪、所应用的汞谱线滤光片参数分别为：365nm滤光片半波宽12nm，透射比大于30% 和253.7nm滤光片半波宽12nm，透射比大于15%。
 
三、实验方法:
3.1, 实验仪器：
XYI--III V(入) 照度计, XYI—V 365nm紫外辐照度计,和以253.7nm为探测器的紫外线测量仪等三款仪器;
3.2 测试步骤:
1， 依据GB/T 20145—2006的要求,把被检灯置于距三款探测器(250—500)mm处;
2， 开灯, 预燃约30分钟, 读数显示数据稳定;
3， 分别读取三款仪器的显示数据，其中经标定的V(入) 照度计、365nm紫外辐照度计的显
示数据是实测值 E、E^/_UVA0, 253.7nm紫外线测量仪的显示数据是相对值;
4， 然后分别加一块己知透射比= 94.5%的、厚度为2mm的JB400截止滤光片，再分别读取365nm实测值E^/_UVA+和253.7nm相对测量值。
 
四、实验测试数据综合:
4.1测试数据处理的几点说明:
1,  照度归化系数f: 依据GB/T 20145—2006的要求，对荧光灯的危害值（无论辐照度或辐亮度）均应以500lx 照度值归化。如PHILIPS节能灯的f=500/164.2=3.045;
2,  365nm实测值E^/_UVA0、E^/_UVA+ : 分别为不加JB400(以0表示)和加上JB400(以+表示) 时的365nm实测值E^/ _UVA0、E^/ _UVA+ 。如PHILIPS节能灯的E^/_UVA0 = 0.782、E^/_UVA+ =0.078(W/cm²);
    同样, 以0或+ 符号分别表示了不加或加上JB400时的253.7nm相对测量值;
3,  365nm归化值E_UVA = f(E^/_UVA0 - E^/_UVA+ /) 。如PHILIPS节能灯的E_UVA = 2.128(W/cm²) 。
4.2实验测试数据综合: 实验测试了十余款国内外荧光灯，下表列出了代表性6款光源的测试数据:
表2

序 号	样品名称		功率 （W）	色温 (K)	照度实测值E(lx) 归化系数f	365nm实测值E/UVA0、E/UVA+ 、归化值EUVA(W/cm2)			253.7nm相对 测量值
1	节 能 荧 光 灯	荷兰 PHILIPS	9	2700	164.2 3.045	0	0.782	2.128	0	16
						+	0.078		+	15
2		德国 OSRAM	23	2700	496 1.008	0	1.059	0.956	0	27
						+	0.105		+	26
3		中国 螺旋灯	11	6400	205 2.44	0	0.886	1.935	0	18
						+	0.088		+	17
4	无极荧光灯	美国GE Genura	23	2700	450 1.111	0	2.183	2.166	0	36
						+	0.217		+	34
5		中国LTTS (一体化)	20	3000	410 1.22	0	3.04	3.658	0	34
						+	0.04		+	33
6		中国LTTS (台灯)	20	5000	512 0.977	0	1.26	1.231	0	41
						+	0.0		+	39

 
五, 实验原理及测试数据分析:
5.1,实验原理:
    由于低气压荧光灯的玻壳,是用硬料或软料玻璃制成的，253.7nm紫外线不能通过，因此，灯泡或灯管内的253.7nm紫外线不会向外辐射(由石英材料制成的玻壳除外)。但是365nm紫外辐射有可能溢出玻壳，需要检测它用作照明时、对人的眼睛和皮肤的危害是否在允许的范围内?
理论上，以253.7nm或365nm紫外辐射探测器制成的紫外辐照度计, 以该单波长标定,可以测量低气压荧光灯在这二个波长的紫外辐照度，并能获得较准确的测量值;但由于253.7nm或365nm滤光片具有测量波长的带宽, 和约12nm半波宽的特性，用于低气压荧光灯这样的宽带光谱测量紫外辐射时、会带来测量读数偏大的误差，特别是仪器测量带宽的底部, 光谱响应可达15-20nm，为了正确评价低气压荧光灯的紫外辐射，实验中应用了JB400截止滤光片，截止小于400nm的紫外线，以利于减少短波蓝光对测量数据的影响。
  实验过程是，首先用紫外辐照度计测量待测光源照明的测试台面辐照度，这一测量值包括了宽带光谱照明中由于仪器测量带宽造成的测量读数偏大的误差，例如对365nm紫外辐射测量，365nm紫外照度计可能测量到可见蓝光部份，这会造成测量数据偏大 ，然后将JB400截止滤光片复蓋在紫外辐照度计表面，由于小于400nm的紫外线不能透过，显示的测量读数值已经消除了紫外辐射，二次测量数据的差值并以JB400截止滤光片透射比修正，可以获得
正确365nm紫外辐照度值。
对253.7nm紫外辐射, 可应用同样的方法消除长波中的杂散光干扰。
图3为253.7nm、365nm、JB400及可见光在光谱图中的对应位置。

        图3 253.7nm、365nm、JB400及可见光在光谱图中的对应位置
 
5.2, 实验测试数据分析:
由表2实验样品的测试数据分析可知, 500lx照度下的近紫外归化值为:
                        (1)
 式中:   为照度实测值对500lx的归化系数, 即500lx /各灯的照度实测值lx;
         为不加JB400截止滤光片时的实测辐照度(单位: W/cm²);
         为加JB400截止滤光片时的实测辐照度(单位: W/cm²)，该值为滤除紫外辐射后的杂散光;
         为截止滤光片JB400的透射比。
依据国家标准，对国内外典型的节能荧光灯、无极荧光灯的照度实测值对500lx照度进行归化后，实验样品中测试的最大365nm辐照度为3.658，远低于” GB/T 20145—2006灯和灯系统的光生物安全性”中近紫外无危害值水平(10  = 1X10³ )。
实验样品对253.7nm的紫外辐射测量数据、按式(1) 计算分析均为零。实验证明，以硬料或软料玻璃制成的荧光灯泡（或管）的玻壳，253.7nm的紫外辐射被全部屏蔽在玻壳内。
作为253.7nm的紫外辐射特性消毒杀菌的荧光灯泡（或管）, 必须应用石英玻璃制成的玻壳，使253.7nm的紫外辐射通过玻壳向外辐射，达到消毒杀菌的效果。
    低气压荧光灯没有253.7nm紫外辐射，近紫外无危害值水平远低于GB/T 20145—2006灯和灯系统的光生物安全性中限值。在阅读和教室照明中，由于无极荧光灯的无频闪、长寿命、照度分布的均匀性等优点，光生物安全性性能达到GB/T 20145—2006《灯和灯系统的光生物安全性》的要求，有广泛的应用领域。