Optische Strahlungssicherheit im Physikunterricht

baua: Fokus

im Physikunterricht

E. Romanus

, L. Udovičić

Der Physikunterricht zur „Optischen Strahlung“ bietet vor dem Hintergrund sich rasant entwickelnder optischer Technologien zahlreiche Möglichkeiten für spannende Experimente mit Laser- oder auch mit inkohärenter optischer Strahlung. Um dabei Gefährdungen für Schülerinnen, Schüler und Lehrkräfte auszuschließen, gilt es die Anforderungen von Arbeitsschutzvorschriften im Hinblick auf optische Strahlung aus künstlichen Quellen zu erfüllen. Der Bei- trag erläutert mögliche Gefährdungen durch künstliche optische Strahlung und bietet in kompakter Form Hinweise zur Gefährdungsbeurteilung bei Experimenten mit optischen Strahlungsquellen wie Laserprodukten, Lampen und LED anhand von Emissionsangaben der Hersteller.

Inhalt

1 Einleitung

Als optische Strahlung werden elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm bezeichnet (Abbildung 1). Das Spektrum der optischen Strahlung wird unterteilt in sichtbare Strahlung (Licht) und für die Menschen unsichtbare ultraviolette (UV) und infrarote Strahlung (IR-Strahlung).

Die Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (OStrV) [1] bildet gemeinsam mit dem Arbeitsschutzgesetz [2] den Rechtsrahmen zum Schutz der Beschäftigten vor Gefähr- dungen durch optische Strahlung aus künstlichen Quellen. Die OStrV setzt die Europäische Arbeitsschutzrichtlinie 2006/25/EG „Künstliche optische Strahlung“ [3] in nationales Recht um.

Die Bestimmungen der OStrV gelten gleichermaßen für Schülerinnen und Schüler, Studierende sowie sonstige Personen in Ausbildungseinrichtungen, die bei ihren Tätigkeiten künstlicher optischer Strahlung ausgesetzt sind. Zentrale Forderungen sind dabei die Beurteilung der Ge- fährdungen sowie die Ableitung und Umsetzung von Schutzmaßnahmen, um Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit zu gewährleisten. Ziel der OStrV ist insbesondere die Vermeidung von Augen- und Hautschäden, die durch künstliche optische Strahlung verursacht werden.

1 Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin

1 Einleitung ... 1

2 Biologische Wirkungen optischer Strahlung ... 2

3 Optische Strahlungsquellen ... 4

4 Zusammenfassung ... 9

Literatur... 10

Zur Beurteilung der Gefährdung werden die in der RL 2006/25/EG festgelegten und gemäß OStrV verbindlichen Expositionsgrenzwerte für inkohärente optische Strahlung bzw. Laser- strahlung herangezogen. Diese Expositionsgrenzwerte berücksichtigen die Art des bestrahl- ten Gewebes, die Art der Schädigung, die Wellenlänge der optischen Strahlung sowie die Höhe und die Dauer der Exposition. Bei einer Überschreitung der Expositionsgrenzwerte sind Arbeitgeber verpflichtet, entsprechende Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Die Gefährdungs- beurteilung ist regelmäßig zu überprüfen und gegebenenfalls zu aktualisieren, insbesondere dann, wenn maßgebliche Veränderungen der Arbeitsbedingungen dies erforderlich machen - z. B. bei neu konzipierten, nicht aber beim wiederholten Aufbau von Unterrichtsexperimenten.

Die Ergebnisse der Gefährdungsbeurteilung und die Schutzmaßnahmen sind zu dokumentie- ren und für eine spätere Einsichtnahme aufzubewahren.

Abb. 1 Spektralbereiche der optischen Strahlung (aus [4]).

Um die Gefährdungsbeurteilung und die Festlegung von Schutzmaßnahmen in der Praxis zu unterstützen wurden Technische Regeln zur Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (TROS) [4, 5] erarbeitet. Technische Regeln lösen die sogenannte Ver- mutungswirkung aus: Durch ihre Anwendung kann der Arbeitgeber davon ausgehen, die Anforderungen der OStrV zu erfüllen. TROS gibt es separat für Laserstrahlung und inkohä- rente optische Strahlung. Beide beinhalten jeweils einen allgemeinen Teil, der in kompakter Form Anwendungsbereich, Struktur und wichtige Begriffe erläutert und jeweils drei Teile (Gefährdungsbeurteilung, Messungen/Berechnungen, Schutzmaßnahmen), die die wesentli- chen Anforderungen der OStrV konkretisieren. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung muss stets die Exposition am Arbeitsplatz ermittelt und bewertet werden. Da die messtechnische Überprüfung der Einhaltung der Expositionsgrenzwerte häufig nicht trivial und zudem noch mit Berechnungen verbunden sein kann, sollten, falls vorhanden, Herstellerangaben zur Emis- sion optischer Strahlung für die Gefährdungsbeurteilung herangezogen werden. Das können bei Laserprodukten Laserklassen nach der Lasersicherheitsnorm DIN EN 60825-1 [6] und bei Quellen inkohärenter optischer Strahlung die Einteilung in Risikogruppen nach der Lampen- sicherheitsnorm DIN EN 62471 [7] sein.

2 Biologische Wirkungen optischer Strahlung

Die biologische Wirkung optischer Strahlung ist im Wesentlichen auf Augen und Haut be- grenzt. Innere Organe können nur bei höchsten Bestrahlungsstärken gefährdet werden. Die Eindringtiefe ist von der Wellenlänge abhängig: Während kurzwellige UV-Strahlung und lang- wellige IR-Strahlung bereits an der Oberfläche absorbiert werden, dringt Strahlung im sicht- baren und nahen IR-Spektralbereich tiefer ein. Art und Schwere einer durch optische Strah- lung hervorgerufenen Schädigung ist außerdem abhängig von der Bestrahlungsstärke, der Bestrahlungsdauer, der bestrahlten Fläche sowie den optischen Eigenschaften des Gewebes.

Die grundlegenden biologischen Wirkungsmechanismen sind die thermische Wirkung (durch Absorption der Strahlung im Gewebe entsteht Wärme), die photochemische Wirkung (haupt- sächlich durch kurzwellige optische Strahlung werden chemische Reaktionen ausgelöst) und

sogenannte nichtlineare Effekte wie Photoablation (hohe Bestrahlungsstärken bis 1 GW⋅cm^-2 und kurze Impulsdauern im Mikro- bis Nanosekundenbereich lassen Gewebe verdampfen, praktisch explosionsartiger Abtrag) oder Photodisruption (Erhöhung der Bestrahlungsstärken auf 1 TW⋅cm^-2 und Verkürzung der Impulsdauern auf Werte im Nano- bis Pikosekundenbe- reich führt zur Enstehung von Plasma, dieser Prozess wird von einer akustischen Stoßwelle begleitet, die sich ausbreitet und das Gewebe mechanisch zerstört).

2.1 Gefährdungen der Augen

Der Schutz der Augen hat den höchsten Stellenwert. Besonders schwerwiegende und irrever- sible Schädigungen mit erheblichen Beeinträchtigungen des Sehvermögens sind Netzhaut- schädigungen. Im Hinblick auf eine potenzielle Netzhautschädigung muss berücksichtigt werden, dass auch optische Strahlung im IR-A-Spektralbereich auf die Netzhaut fokussiert wird. Eine thermische Netzhautschädigung entsteht immer dann, wenn in dem retinalen Pigmentepithel (Trennschicht zwischen Netzhaut und Aderhaut), durch die absorbierte optische Strahlung eine Temperaturerhöhung von 10-20 K erreicht wird. Dieser Mechanismus der Netzhautschädigung ist bei kurzer Bestrahlungsdauer von weniger als 10 s dominant. Die Netzhautschädigung ist normalerweise sofort bemerkbar. Thermische Netzhautschädigungen werden hauptsächlich durch Laserstrahlung verursacht, da durch Hornhaut und Augenlinse der bereits stark gebündelte Laserstrahl zusätzlich auf die Netzhaut fokussiert wird. Dadurch kann optische Strahlung im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 1400 nm bis zu 400.000fach verstärkt werden. Eine photochemische Netzhautschädigung (Photoretinitis) entsteht bei län- gerer Bestrahlungsdauer von mehr als 10 s und wirkt kumulativ. Eine bemerkbare Schädigung verzögert sich hier um mehr als zwölf Stunden. So eine Netzhautschädigung kann beispiels- weise bei der ungeschützten Beobachtung einer Sonnenfinsternis entstehen.

Abb. 2 Eindringtiefen optischer Strahlung in das Auge (aus [4]).

Eine übermäßige Exposition gegenüber UV-Strahlung kann Entzündungen der Hornhaut (Photokeratitis) und/oder der Bindehaut (Photokonjunktivitis) verursachen. Die Schädigung macht sich vier bis zwölf Stunden nach der Exposition durch starke Augenschmerzen be- merkbar. Weil in der Horn- und Bindehaut immer neue Epithelzellen nachgebildet werden, ist diese Schädigung reversibel. Die Heilung tritt normalerweise innerhalb weniger Tage ein.

Wiederholte Einwirkung der UV- und IR-Strahlung mit Intensitäten, die unterhalb derjenigen liegen, die zu einer akuten Schädigung führen, kann langfristig eine Linsentrübung (Katarakt) verursachen. Da in der Augenlinse keine neuen Zellen nachgebildet werden, ist diese Schädi- gung irreversibel.

2.2 Gefährdungen der Haut

Hautschädigungen können je nach Bestrahlungsstärke von Rötungen bis hin zu massiven Verbrennungen der Haut führen. Eine chronische UV-Exposition kann zu einer vorzeitigen Hautalterung führen, die durch eine faltige Lederhaut charakterisiert ist. Hierfür ist vor allem Strahlung im UV-A-Spektralbereich verantwortlich. Eine Exposition im UV-A-Spektralbereich kann außerdem eine sofortige, jedoch vorübergehende Veränderung der Hautpigmentierung (Sofortpigmentierung) auslösen. Die hauptsächliche Wirkung optischer Strahlung im UV-B- Spektralbereich ist die Erythembildung (Hautrötung bzw. der allgemein bekannte Sonnen- brand). Mit dem Abklingen der Hautrötung entsteht infolge des Erythems eine verzögerte Pigmentierung der Haut. Die schwerwiegendste Langzeitfolge starker UV-Expositionen sind die Hautkarzinome. So verzeichnet Deutschland jährlich ca. 290.000 Erkrankungen an Hautkrebs – Tendenz steigend. Intensive Strahlung im sichtbaren Spektralbereich kann zur Hauterwärmung führen und photosensitive Reaktionen hervorrufen. Bei Einwirkung intensi- ver IR-Strahlung auf die Haut kann es zur Verbrennung kommen.

Abb. 3 Eindringtiefen optischer Strahlung in die Haut (aus [5]).

2.3 Indirekte Gefährdungen durch optische Strahlung

Neben direkter Gefährdung der Augen und Haut können durch Laserstrahlung auch indirekte Auswirkungen auf die Sicherheit und Gesundheit entstehen. Brand- und Explosionsgefahr drohen immer dann, wenn die Strahlung auf brennbares Material oder eine explosionsfähige Atmosphäre trifft. Bereits Laserstrahlung mit sehr geringer Leistung (im µW-Bereich) oder leistungsstarke LED können vorübergehende Blendung hervorrufen. Bei sicherheitsrelevanten Tätigkeiten wie dem Lenken von Fahrzeugen oder Führen von Luftfahrzeugen sowie dem Bedie- nen von Geräten und Anlagen kann dadurch ein erhebliches Gefährdungspotential entstehen.

3 Optische Strahlungsquellen

3.1 Laserstrahlungsquellen

Laserprodukte werden vom Hersteller nach der Lasersicherheitsnorm DIN EN 60825-1 entsprechend der zugänglichen Laserstrahlung und damit ihrer Gefährlichkeit für den Men- schen klassifiziert. Dazu dienen Emissionsgrenzwerte, die Grenzwerte zugänglicher Strah- lung (GZS). Worst-case-Betrachtungen innerhalb entsprechender Sicherheitskonzepte führen zu einem System von Laserklassen, das auch bei der Beurteilung der Gefährdungen bei der Arbeit mit Laserprodukten eine entscheidende Rolle spielt. Der GZS ist der maximale Wert

zugänglicher Strahlung, der innerhalb einer bestimmten Laserklasse zugelassen ist. Über den GZS lässt sich abschätzen, ob die Expositionsgrenzwerte für Augen oder Haut eingehalten sind. Die Lasernorm DIN EN 60825-1:2008-05 sieht die Einteilung in sieben Laserklassen vor:

1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B und 4. Dabei stehen die Buchstaben M für Magnifying optical viewing instrument, R für Relaxed bzw. Reduced (reduzierte Anforderungen für Hersteller und Ver- wender). Die Bezeichnung B hat historische Gründe: vor 2001 existierte eine Laserklasse 3A, deren Bedeutung mit den heutigen Klassen 1M und 2M vergleichbar war. Mittlerweile wurde eine neue DIN EN 60825-1:2015-07 veröffentlicht. Für Arbeitsschutzregelungen maßgeblich sind jedoch immer noch die Laserklassen, wie sie in der DIN EN 60825-1:2008-05 definiert wurden, vgl. auch die TROS Laserstrahlung.

LASERKLASSEN NACH DIN EN 60825-1:2008-05

• Laser der Klasse 1 verursachen auch bei längerer Bestrahlung keine Schäden am Auge, selbst dann nicht, wenn optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) in den Strahlengang gehalten werden. Klasse 1 umfasst auch Laser mit einem höheren GZS, die aber voll gekapselt sind, so dass keine gefährliche Strahlung zugänglich wird, wie z. B. bei Lasern in CD-, DVD- und Blu-ray-Playern, Laserdruckern und Scannern sowie bei gekapselten Materialbearbeitungslasern. Bei Service, Wartung und Instandsetzung von gekapselten Lasereinrichtungen kann Laserstrahlung einer höheren Klasse zugänglich werden und somit Schutzmaßnahmen notwendig ma- chen. Gefährdungen drohen auch beim Ausbau von Laserquellen höherer Leistung aus Klasse-1-Produkten mit dem Ziel einer anderen als der vorgesehenen Verwen- dung. Auch vor dem Hintergrund der weiter unten beschriebenen Problematik mit möglicherweise nicht korrekter Kennzeichnung von Laserprodukten soll bei Klasse- 1-Produkten der absichtliche Blick in den direkten oder reflektierten Strahl unbedingt vermieden werden.

Beispiel: Laserdrucker, CD-Player

• Laser der Klasse 1M sind ungefährlich, solange der Strahlquerschnitt nicht durch optische Instrumente verkleinert wird (eine Brille gilt hier nicht als optisches Instru- ment). Bei Einsatz optisch sammelnder Instrumente können jedoch vergleichbare Gefährdungen wie bei Klasse 3R oder 3B auftreten.

Beispiel: Barcodescanner an Supermarktkassen

• Laser der Klasse 2 sind bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 250 ms) für das Auge ungefährlich. Dies gilt auch, wenn sich ein optisches Instrument im Strahlengang befindet. Für Dauerstrichlaser der Klasse 2 beträgt der GZS 1 mW.

Beispiel: Laserpointer, Laserwasserwaagen

• Laser der Klasse 2M sind bei kurzzeitiger Bestrahlungsdauer (bis 250 ms) für das Auge ungefährlich, solange der Strahlquerschnitt nicht durch optische Instrumente verkleinert wird. Beim Einsatz optisch sammelnder Instrumente können jedoch ver- gleichbare Gefährdungen wie bei Klasse 3R oder 3B auftreten.

Beispiel: Projektionslaser (zur Projektion geometrischer Figuren auf Flächen)

• Laser der Klasse 3R können für die Augen gefährlich sein. Für Dauerstrichlaser der Klasse 3R beträgt der GZS 5 mW im sichtbaren Wellenlängenbereich.

Beispiel: Nivellierlaser, Laserzieleinrichtungen

• Laser der Klasse 3B sind gefährlich für das Auge, häufig auch für die Haut. Laser der Klasse 3B sind typischerweise Dauerstrichlaser mit einem GZS von 5 mW bis 500 mW.

Beispiel: Showlaser in Clubs, Kosmetiklaser

• Laser der Klasse 4 sind sehr gefährlich für das Auge und die Haut. Auch diffus ge- streute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- und Explosi- onsgefahr verursachen. Lasereinrichtungen der Klasse 4 sind Hochleistungslaser, die einen GZS im sichtbaren Wellenlängenbereich von mehr als 500 mW haben.

Beispiel: Materialbearbeitungslaser (Schneiden, Schweißen …), Medizinlaser

Das Potential der Gefährdung steigt mit steigender Laserklasse. Werden im Betrieb Laser- einrichtungen der Klassen 3R, 3B oder 4 eingesetzt, so ist ein Laserschutzbeauftragter durch den Arbeitgeber schriftlich zu bestellen.

3.1.1 Nur Laserprodukte der Klassen 1 und 2 zu Unterrichtszwecken

Die Benutzung von Lasern zu Unterrichtszwecken in allgemeinbildenden Schulen wird im Teil 3 der TROS Laserstrahlung „Maßnahmen zum Schutz vor Gefährdungen durch Laser- strahlung“ behandelt. Danach sollen für Unterrichtszwecke nur Lasereinrichtungen der Klas- sen 1 oder 2 verwendet werden. Bei der Benutzung von Lasereinrichtungen der Klasse 2 ist dafür zu sorgen, dass besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden, insbesondere durch zusätzliche Leistungsbegrenzung, Abgrenzung, Kennzeichnung und Unterweisung. Konkret ist dafür zu sorgen, dass

• der Laserbereich durch Abschirmung auf das notwendige Maß begrenzt und durch Abgrenzung gegen unbeabsichtigtes Betreten gesichert ist,

• Zugänge zu Laserbereichen mit Laserwarnzeichen gekennzeichnet sind,

• die Lasereinrichtungen nur von Befugten und unterwiesenen Personen betrieben werden,

• bei der Vorbereitung von Versuchen und Vorführungen nur Personen beteiligt oder zugegen sind, die zuvor über die Gefahren der Laserstrahlung und die erforderlichen Schutzmaßnahmen unterrichtet worden sind,

• beobachtende bzw. teilnehmende Personen vor Beginn des Versuches bzw. der Vor- führung über die Gefahren der Laserstrahlung unterrichtet worden sind und

• Versuche und Vorführungen mit der jeweils geringsten notwendigen Laserleistung durchgeführt werden.

Neben Lasern der Klassen 1 und 2 können auch Laser der Klassen 1M und 2M verwendet werden, wenn zusätzlich sichergestellt wird, dass der Strahlquerschnitt nicht durch optisch sammelnde Instrumente verkleinert werden kann [5].

3.1.2 Lasersicherheit beginnt beim Einkauf

Laserprodukte entwickeln sich rasant hin zu immer kompakteren Bauformen bei gleichzei- tig steigender Leistung. Vielfach befinden sich Produkte, insbesondere Laserpointer, auf dem Markt, die nicht oder falsch gekennzeichnet sind und Laserstrahlung höherer Leistung emittieren. Das tatsächliche Gefährdungspotenzial ist ohne entsprechende Messtechnik nicht leicht zu bestimmen. Aber mit einem Kauf solcher Produkte im Fachhandel und der Überprüfung formaler Anforderungen, wie z. B. einer korrekten Kennzeichnung, lassen sich Risiken minimieren. Bei Zweifeln an der Produktsicherheit stehen die regional zuständigen Marktüberwachungsbehörden beratend zur Verfügung. Wer Laserpointer verkauft, der muss gewährleisten, dass Verwender alle Informationen (Gebrauchsanleitung, Warnhinweise und Kennzeichnung) für die sichere Verwendung in deutscher Sprache erhalten. Die Gebrauchs- anleitung muss mindestens folgende Verhaltensregeln enthalten [8]:

• Den Laserstrahl nicht auf Personen richten (auch Laser der Klasse 1 dürfen nicht auf Personen gerichtet werden, da es durch Blendung zu Unfällen kommen kann).

• Nicht in den direkten oder reflektierten Strahl blicken.

• Falls Laserstrahlung der Klasse 1M (wenn sichtbar), 2 oder 2M ins Auge trifft, sind die Augen bewusst zu schließen und der Kopf sofort aus dem Strahl zu bewegen.

• Bei der Verwendung von Lasereinrichtungen der Klassen 1M und 2M dürfen keine optischen Instrumente zur Betrachtung der Strahlungsquelle verwendet werden. Dies kann zu einer Überschreitung der Expositionsgrenzwerte führen.

• Manipulationen (Änderungen) an der Lasereinrichtung sind unzulässig.

• Diese Gebrauchsanleitung ist aufzubewahren und bei Weitergabe der Lasereinrich- tung mitzugeben.

Name und Adresse des Herstellers oder Inverkehrbringers sind auf dem Verbraucherprodukt oder, wenn dies nicht möglich ist, auf dessen Verpackung anzubringen. Darüber hinaus ist das Verbraucherprodukt so zu kennzeichnen (z. B. mit der Artikelnummer), dass es eindeutig identifiziert werden kann. Beispiele zur korrekten Kennzeichnung von Laserpointern zeigt Abbildung 4. Weitere Beispiele sind in der „Technischen Spezifikation zu Lasern als bzw. in Verbraucherprodukte(n)“ [8] beschrieben.

Abb. 4 Beispiele für eine korrekte Kennzeichnung von Klasse-2-Laserprodukten (aus [8], Foto: BAuA).

3.1.3 Augenschäden vermeiden durch aktive Schutzreaktionen

In der Lasersicherheitsnorm beruht das Sicherheitskonzept für die Klassen 2, 2M und 3R auf einer Zeitbasis von 250 ms (kurzzeitige Exposition). Untersuchungen haben allerdings gezeigt, dass abhängig von der Wellenlänge nur bei ca. 20 % der Probanden ein Lidschluss- reflex vorhanden war, wenn sie mit Laserstrahlung z. B. 250 ms lang bei 80 % der maximal zulässigen Bestrahlung exponiert wurden. Abwendungsreaktionen wie Kopf- und Augenbewe- gungen bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl traten mit weniger als 9 % noch seltener auf [9]. Somit sind keine gesicherten Aussagen zum Schutz der Augen durch den Lidschlussreflex und Abwendungsreaktionen im Sinne der Prävention möglich. Beim bewussten Blick in den Strahl eines Lasers der Klassen 2 oder 2M steigt mit zunehmender Expositionsdauer das Risi- ko eines Augenschadens. Selbst eine mit einer Exposition verbundene starke Blendung führt nicht unbedingt zu Abwendungsreaktionen und somit nicht zur Verkürzung der Expositions- dauer. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Schutz vor einer Laserstrahlexposition mit Lasern der Klasse 2 durch aktive Schutzreaktionen (bewusstes Schließen der Augen und das Abwenden des Kopfes) deutlich gesteigert werden kann.

3.2 Inkohärente optische Strahlungsquellen (Lampen/LED)

In der Lampensicherheitsnorm DIN EN 62471 wird beschrieben, auf welche Weise die pho- tobiologische Sicherheit von Quellen inkohärenter optischer Strahlung, wie Glüh-, Leucht- stoff-, Gasentladungslampen sowie auch Licht emittierenden Dioden (LED) bewertet werden kann. Damit werden, ähnlich wie bei Laserprodukten, auch Lampen/Lampensysteme vom

Hersteller entsprechend ihres Gefährdungspotentials klassifiziert, hier jedoch in eine von vier Risikogruppen. Da dem Hersteller die zukünftigen Expositionsbedingungen (Abstand zur Quelle, Expositionsdauer) bei der Verwendung der Lampe unbekannt sind, erfolgt diese Einteilung anhand der von einer Lampe ausgehenden Strahlungsemission. Die Emissions- grenzwerte der Lampensicherheitsnorm beziehen sich auf bestimmte vorhersehbare Exposi- tionsdauern. Folglich kann die Berücksichtigung der Risikogruppe einer Lampe die Gefähr- dungsbeurteilung am Arbeitsplatz unterstützen. Sie gibt nämlich Auskunft darüber, wie lange man der optischen Strahlung in einem bestimmten Abstand ausgesetzt sein kann, ohne dass es zur Überschreitung von Expositionsgrenzwerten kommt. Auf diese Weise wird die Verbin- dung zu den Expositionsgrenzwerten der OStrV hergestellt. Je höher die Risikogruppe ist, desto kürzer ist die erlaubte Expositionsdauer. Entscheidende Voraussetzung für die Verwen- dung der Risikogruppen zur Gefährdungsbeurteilung ist auch hier, dass beim Einkauf der Produkte das Vorhandensein und die zumindest formal korrekte Angabe der Emissionsanga- ben durch den Hersteller beachtet wurden.

Die rasanten Fortschritte in der LED-Technologie der letzten Jahre haben zu leistungsstarken LED geführt. Die Lichtausbeute bei kaltweißen LED-Chips liegt derzeit in der Größenordnung von 100 lm/W, die LED-Lampen erreichen eine Lichtausbeute von 50 lm/W. Eine Reihe von Untersuchungen und Stellungnahmen der letzten Jahre hat sich mit unterschiedlichen As- pekten der photobiologischen Sicherheit von LED befasst. Im Rahmen eines BAuA-Projektes wurde die photobiologische Sicherheit unterschiedlicher LED nach den Vorgaben der Lam- pensicherheitsnorm DIN EN 62471 untersucht. Der Forschungsbericht [11] enthält zahlreiche Beispiele zur Bewertung von Einzel-LED, LED-Taschenlampen und LED-Lampen im sichtba- ren Spektralbereich. Zusammenfassend konnte festgestellt werden:

• Rot- und Gelblicht emittierende LED stellen keine photobiologische Gefährdung dar.

• Bei einem kurzen Blick in eine Weiß- oder Blaulicht emittierende LED werden die Expositionsgrenzwerte nicht überschritten.

RISIKOGRUPPEN NACH DIN EN 62471:2009-03

• Als uneingeschränkt sicher zu betrachten sind ausschließlich die Lampen, die in die Freie Gruppe (Risikogruppe 0) eingestuft sind. Eine Zuordnung zu dieser Gruppe sichert gleichzeitig die Einhaltung der Expositionsgrenzwerte.

• Bei Lampen der Risikogruppe 1 ist mit der Überschreitung der Expositionsgrenzwerte nicht zu rechnen, außer für sehr lang andauernde Betrachtung im Referenzabstand mit direkter Augenexposition. (Der Referenzabstand für Lampen, die für die Allge- meinbeleuchtung bestimmt sind (Lampen zur Beleuchtung von Büros, Wohnungen, Straßen, usw.), ist der Abstand, bei dem die Beleuchtungsstärke 500 lx beträgt, wobei dieser Abstand nicht kleiner als 20 cm sein soll. Für alle anderen optischen Quellen beträgt der Referenzabstand 20 cm.

• Die Sicherheit der Lampen der Risikogruppe 2 basiert auf der Auslösung von Abwen- dungsreaktionen. Bei einer Lampe, die den Emissionsgrenzwert der Risikogruppe 2 erreicht, sollte eine Abwendungsreaktion innerhalb von 250 ms stattfinden. Allerdings haben Untersuchungen mit LED von Reidenbach et al. [10] gezeigt, dass nur 23 % der Probandinnen und Probanden innerhalb von 250 ms mit einem Lidschlussreflex reagieren. Zusätzlich können auch Medikamente, Drogen oder Krankheiten zur Ver- zögerung der Auslösung des Lidschlussreflexes führen.

• Am kritischsten sind die Lampen der Risikogruppe 3, weil hier die Expositionsgrenz- werte überschritten werden können.

• Bei einem langzeitigen, absichtlichen Blick in eine Weiß- oder Blaulicht emittierende LED können die Expositionsgrenzwerte für die photochemische Netzhautgefährdung überschritten werden. Die kürzeste maximale Expositionsdauer, die ermittelt wurde, betrug 10 s. Diese Zeit ist einerseits lang genug, um bei einem einmaligen Blick in sol- che LED eine Abwendungsreaktion hervorzurufen. Allerdings sind, da es sich hier um eine photochemische Gefährdung handelt, alle Einzelexpositionen über einen acht- stündigen Arbeitstag hinweg zu berücksichtigen. Bei Beschäftigten in der LED-Produk- tion z. B., kann die Summe der Einzelexpositionen rasch diese Zeit übersteigen.

• Weiß- und Blaulicht emittierende LED erreichen zurzeit maximal die Risikogruppe 2 der Lampensicherheitsnorm aufgrund der Überschreitung des Emissionsgrenzwertes für die photochemische Netzhautgefährdung.

• Keiner der Emissionsgrenzwerte für thermische Netzhautschädigung wird bei Weiß- und Blaulicht emittierenden LED überschritten. Bei LED sind derzeit die Leistungen nicht ausreichend, um eine thermische Netzhautschädigung hervorzurufen.

Bei der Beurteilung der Gefährdung sind die konkrete Expositionsdauer und der Abstand zur Strahlungsquelle von Bedeutung. Der Einteilung in Risikogruppen liegt ein worst-case-Scena- rio zu Grunde. In einer realen Expositionssituation bei einem Unterrichtsexperiment (gro- ßer Abstand, kurze Expositionsdauer) kann das photobiologische Risiko, insbesondere mit steigendem Abstand, deutlich reduziert werden. Folglich können auch inkohärente optische Strahlungsquellen einer höheren Risikogruppe bei Einhaltung größerer Abstände gefahrlos verwendet werden. Bei der Verwendung von UV-Lampen der Risikogruppe 0 im Unterricht ist eine Besonderheit zu beachten. Bei Expositionen im UV-A-Spektralbereich gilt die sichere Ein- haltung der Expositionsgrenzwerte nur für Expositionsdauern von weniger als 1000 s. Dies ist auf eine Diskrepanz bei der Festlegung der Expositions- und Emissionsgrenzwerte zurückzu- führen: Während die Lampensicherheitsnorm für die Risikogruppe 0 von einer Zeitbasis von 1000 s ausgeht, wird in der OStrV ein Arbeitstag von 30.000 s zu Grunde gelegt. Experimente mit UV-Strahlungsquellen lassen sich aber einfach mit durchsichtigem Polymethylmethacrylat (PMMA, auch Acrylglas, Plexiglas) abschirmen.

4 Zusammenfassung

Bei der Vorbereitung und Durchführung von Unterrichtsexperimenten gelten die Vorschriften der Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung auch für Schülerinnen und Schüler. Die bei der Arbeit mit optischer Strahlung aus künstlichen Quellen auftretenden Gefährdungen betreffen vor allem Augen und Haut. Bei der Beurteilung von Gefährdungen und der Ableitung von Schutzmaßnahmen ist zwischen inkohärenter optischer Strahlung und Laserstrahlung zu unterscheiden. Die Forderung nach Einhaltung staatlicher Vorschriften zur Gewährleistung von Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit soll keineswegs zur Vermeidung von Unterrichtsexperimenten mit optischer Strahlung führen. Die vorausschauende Beschaf- fung sicherer Produkte als entscheidende Voraussetzung für die sichere Verwendung opti- scher Strahlungsquellen im Unterricht ist mit moderatem Aufwand möglich und hilft Risiken zu minimieren. Im vorliegenden Beitrag wurde deshalb der Schwerpunkt auf Hinweise zur Gefährdungsbeurteilung an Hand von Herstellerangaben zur Emission der Strahlungsquel- len gelegt. Für Laserexperimente im Unterricht sollen nur Lasereinrichtungen der Klassen 1 oder 2 verwendet werden. Bei der Benutzung von Lasereinrichtungen der Klasse 2 ist dafür zu sorgen, dass besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden. Die erforderliche Unterweisung über die Gefährdungen durch Laserstrahlung kann dazu beitragen, Schülerinnen und Schüler vor einem sorglosen Umgang mit Laserpointern zu bewahren. Experimente mit inkohärenter Strahlung lassen sich mit geringem Aufwand wie Abstandsvergößerung zur Quelle oder ein- facher Abschirmung mit Acrylglas bei UV-Strahlungsquellen sicher durchführen. Ein absicht- licher Blick aus kurzer Distanz (ca. 20 cm) in eine LED-Taschenlampe könnte bereits nach 10 s eine Netzhautschädigung verursachen und soll deshalb in jedem Fall vermieden werden.

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Gestaltung: R. Grahl | doi:10.21934/baua:fokus20180801 | August 2018

Ausführliche Erläuterungen zur Beurteilung von Gefährdungen durch optische Strahlung an Arbeitsplätzen, zu Messungen und Berechnungen sowie zur Ableitung von Schutzmaßnah- men bieten die Technischen Regeln zur Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung unter www.baua.de/tros.

Literatur

[ 1] Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung vom 19. Juli 2010 (BGBl. I, S. 960)

[ 2] Arbeitsschutzgesetz vom 7. August 1996 (BGBl. I S. 1246), das zuletzt durch Artikel 427 der Verordnung vom 31. August 2015 (BGBl. I S. 1474) geändert worden ist

[ 3] Richtlinie 2006/25/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 5. April 2006 über Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (künstliche optische Strahlung) (19. Einzelrichtlinie im Sinne des Artikels 16 Absatz 1 der Richtlinie 89/391/EWG), (ABl. L 114 vom 27.4.2006, S. 38-59)

[ 4] Technische Regeln zur Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung - TROS Inkohärente Optische Strahlung vom 30.12.2013 (GMBl. 65-67, S. 1302), das zu letzt am 3.6.2014 (GMBl. 28-29, S. 630) geändert worden ist. www.baua.de/tros [ 5] Technische Regeln zur Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung -

TROS Laserstrahlung vom 05.05.2015 (GMBl. 12-15, S. 211). www.baua.de/tros [ 6] DIN EN 60825-1 (VDE 0837-1):2008-05: Sicherheit von Lasereinrichtungen – Teil 1:

Klassifizierung von Anlagen und Anforderungen (IEC 60825-1:2007); Deutsche Fassung EN 60825-1:2007

[ 7] DIN EN 62471:2009-03; VDE 0837-471:2009-03: Photobiologische Sicherheit von Lampen und Lampensystemen (IEC 62471:2006, modifiziert); Deutsche Fassung EN 62471:2008 [ 8] Technische Spezifikation für Laser als oder in Verbraucherprodukte(n), Stand: Oktober

2013, GMBl 2014 S. 202 vom 20.03.2014 (Nr. 8/9). www.baua.de/dok/805812

[ 9] Reidenbach, H.-D.; K. Dollinger; J. Hofmann; G. P. Schneider; N. Voss; H. Warmbold, 2002. Wie sicher ist der Lidschlussreflex beim Einsatz von Laser der Klasse 2? - Teil 2:

Reihenuntersuchungen bei Feldversuchen. In: StrahlenschutzPRAXIS 8 H. 2, S. 33-43.

[10] Reidenbach, H.-D., Dollinger, K., Hofmann, J., Olding, S., Grave, R., Schneider, G.P., Voss, N., Kirch, M.: Untersuchungen von Abwendungsreaktionen bei Stimulation durch LED-Strahlung, (in German; Investigations of aversion responses after stimulation by LED irradiation), In H.-D. Reidenbach, K. Dollinger, J. Hofmann (Eds.) Nichtionisierende Strahlung NIR 2004, Publ. Ser. Progress in Radiation Protection, Köln, Bd. II, 849-864 [11] Udovičić, L.; F. Mainusch, M. Janßen, D. Nowack, G. Ott, 2013. Photobiologische

Sicherheit von Licht emittierenden Dioden (LED). 1. Auflage. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin. www.baua.de/dok/8656834

Diese Publikation benutzt eine geschlechtergerechte Sprache. Dort, wo das nicht möglich ist oder die Lesbarkeit stark eingeschränkt würde, gelten die gewählten personenbezogenen Bezeichnungen für beide Geschlechter.