Экспериментальная часть

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение характеристик электромагнитных полей и излучений, нормативных требований к ним, методики определения интенсивности и средств защиты.

Основные задачи работы:

1) определение зоны максимальной интенсивности излучения генерирующего поле объекта – СВЧ-печи;

2) исследование зависимости интенсивности излучения от расстояния до излучающего объекта;

3) практическое определение эффективности защиты от микроволнового излучения с помощью экранов из различных материалов.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Принято различать статические (постоянные) электрические и магнитные поля, поля токов промышленной частоты (в России – 50 Гц) и электромагнитные излучения (ЭМИ). Единую природу с последними имеют оптические волны (при длинах волн менее 340 мкм) и, далее по электромагнитному спектру, ионизирующие излучения (рентгеновское и γ –излучение).

Электромагнитные поля (ЭМП) и излучения не обнаруживаются органами чувств человека.

Количественными характеристиками постоянного электрического и магнитного полей являются соответственно напряженность электрического поля E (В/м) и напряженность магнитного поля H (А/м). Воздействие постоянных полей с напряженностью выше допустимого уровня приводит к нарушениям со стороны нервной и сердечно-сосудистой систем, органов дыхания, пищеварения и изменению биохимических показателей крови. Кроме того, в электростатическом поле возможна электризация диэлектрических материалов и, соответственно, электрические разряды, способные вызвать судороги и рефлекторные действия людей, приводящие к механическим и иным травмам. Разряды статического электричества могут вызвать пожары и выход из строя электронной аппаратуры. Эти последствия в большинстве случаев опаснее, чем собственно воздействие постоянных полей на организм человека. Предельно допустимые уровни (ПДУ) постоянных полей достаточно велики. Напряженность постоянного магнитного поля на рабочем месте не должна превышать 8 кА/м. Для электростатического поля ПДУ на рабочем месте зависит от продолжительности воздействия: от 60 кВ/м (при воздействии до 1 часа) до 20 кВ/м (в течение рабочего дня).

Значительно чаще (особенно, вне производственных объектов) человек сталкивается с ЭМП промышленной частоты, источниками которых являются линии электропередач, трансформаторы и т. д. (в той или иной мере – все устройства, получающие питание от сетей переменного тока). Основным параметром, характеризующим биологическое действие ЭМП промышленной частоты, является напряженность электрического поля E (магнитная составляющая H при уровнях, создаваемых большинством действующих установок, заметного влияния на организм человека не оказывает). Электрическая составляющая ЭМП промышленной частоты влияет непосредственно на мозг и центральную нервную систему. Кроме того, в поле промышленной частоты опять-таки возможны разряды, связанные с эффектом электризации. Нормирование полей промышленной частоты осуществляют, в основном, по ПДУ напряженности электрического поля в зависимости от времени воздействия []. Пребывание в поле напряженностью до 5 кВ/м (включительно) допускается в течение рабочего дня. Допустимое время T нахождения в поле напряженностью E = 5…20 кВ/м определяется (в часах) по формуле: T = (50/ E) – 2. При E = 20…25 кВ/м время пребывания персонала в поле не должно превышать 10 минут, а пребывание в поле напряженностью свыше 25 кВ/м без средств защиты не допускается.

Для населенных мест установлены следующие предельные значения напряженности электрического поля промышленной частоты []:

– внутри жилых зданий – 0,5 кВ/м;

– на территории жилой застройки – 1 кВ/м;

– в населенной местности вне зоны жилой застройки (зоны отдыха, сады, огороды) – 5 кВ/м.

Не менее вероятно в современном мире воздействие на человека ЭМП радиочастот. Проникающая способность, биологическое воздействие этих ЭМП, а также выбор средств защиты во многом определяется частотой поля (для полей радиодиапазона волновые свойства еще превалируют над корпускулярными; поэтому предпочтительно указывать частоту, а не длину волны). Регламентом радиосвязи, принятым Международным консультативным комитетом (МККР), установлена номенклатура диапазонов частот (длин волн), представленная в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Классификация ЭМП радиодиапазона по частотам (длинам волн)

№ диапазона	Диапазон частот	Диапазон длин волн λ	Метрическое Подразделение
	От 30 до 300 кГц   От 300 до 3000 кГц   От 3 до 30 МГц   От 30 до 300 МГц   От 300 до 3000 МГц     От 3 до 30 ГГц     От 30 до 300 ГГц	От 104 до103 м   От 103 до 102 м   От 102 до 10 м   От 10 до 1 м   От 1 до 0,1 м     От 10 до 1 см     От 10 до 1 мм	Километровые волны (низкие частоты, НЧ) Гектометровые волны (средние частоты, СЧ) Декаметровые волны (высокие частоты, ВЧ) Метровые волны (очень высокие частоты, ОВЧ) Дециметровые волны (ультравысокие частоты, УВЧ) Сантиметровые волны (сверхвысокие частоты, СВЧ) Миллиметровые волны (крайне высокие частоты, КВЧ)

Примечания: 1. Поддиапазоны 1…4 к радиочастотам не относятся.

2. Граница ЭМП радиочастот и оптического (инфракрасного) диапазона по разным источникам колеблется в широких пределах – от 300 ГГц (длина волны 1 мм) до 3000 ГГц (100 мкм).

 

В отечественной практике волны 5-го диапазона частот именуют длинными (ДВ), 6-го диапазона – средними (СВ), 7-го диапазона – короткими (КВ), 8-го – ультракороткими (УКВ). Кроме того, частотным диапазонам с 9-го по 11-й иногда присваивают одно наименование – СВЧ-излучение (или, что более корректно, микроволновое излучение).

Вокруг любого источника ЭМП различают ближнюю (индукции) и дальнюю (излучения или волновую) зоны воздействия. Иногда в зоне излучения выделяют промежуточную зону (интерференции). Если геометрические размеры источника меньше длины волны λ (т. е. его можно считать точечным), границы зон определяются следующими расстояниями R:

– зона индукции – при R ≤ λ / 2π ≈ λ / 6;

– зона интерференции – при λ /2π < R ≤ 2π·λ;

– волновая зона – при R > 2π·λ.

В зоне излучения бегущая электромагнитная волна (в которой синхронные колебания векторов E и H происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях) еще не сформировалась. Поэтому ЭМП можно характеризовать относительно независимыми электрической E и магнитной H составляющими. Для полей меньших частот (больших длин волн λ) граница зоны индукции располагается достаточно далеко от источника, а за ее пределами поле в значительной степени ослабевает из-за геометрического рассеивания (плотность переносимой полем энергии обратно пропорционально квадрату расстояния от источника). Следовательно, для диапазонов НЧ, СЧ и, в известной степени, диапазонов ВЧ и ОВЧ существенное воздействие поля на человека реализуется в зоне индукции. Поэтому в качестве характеристик ЭМП с частотой 30 кГц…300 МГц приняты напряженность электрического поля E и напряженность магнитного поля H. При одновременном воздействии n источников суммарные значения параметров ЭМП определяются по формулам:

,

 

Для полей частотой свыше 300 МГц вследствие малой величины радиуса сферы индукции человек будет находиться в зоне воздействия бегущей волны. Поэтому для радиочастотных диапазонов 9…11 интенсивность воздействия поля на человека оценивается величиной плотности потока энергии (ППЭ) в Вт/м², т. е. мощностью, переносимой излучением через единицу площади поверхности (сам параметр иногда и именуют плотностью потока мощности, что является более корректным). Суммарная ППЭ при наличии n источников определяется простым сложением:

 

Переменное ЭМП вызывает нагрев живых тканей как за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т. д.), так и за счет появления токов проводимости. Начиная с определенной интенсивности поля, называемой тепловым порогом, механизм терморегуляции человека перестает справляться с отводом тепла, и температура тела начинает повышаться. С увеличением частоты возрастает доля поглощенной энергии поля (по сравнению с отраженной и прошедшей), что усиливает тепловой эффект. Пороговые интенсивности теплового воздействия ЭМП на организм составляют: для диапазона средних частот – 8000 В/м, высоких частот – 2250 В/м, очень высоких частот – 150 В/м, дециметровых волн – 40 мВт/см², сантиметровых волн – 10 мВт/см². При этом коэффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз больше, чем в тканях с низким ее содержанием. Поэтому тепловое воздействие особенно вредно для органов с высоким содержанием воды и слабо развитой сосудистой системой (глаза, головной мозг, почки, желудок, желчный пузырь, мочевой пузырь), так как кровеносную систему можно рассматривать как систему водяного охлаждения. Кроме того, облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте).

При интенсивностях значительно ниже теплового порога переменные поля способны оказывать вредное биологическое воздействие (часто называемое нетепловым) за счет высокочастотной переориентации белковых молекул. При длительном облучении развиваются функциональные расстройства центральной нервной системы, нарушения обмена веществ и изменения состава крови. Симптомы в какой-то степени напоминают последствия воздействия ионизирующих излучений: головные боли, повышение или понижение кровяного давления, выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела (поэтому ЭМП радиочастотного диапазона и называют – и чем выше частота, тем чаще – электромагнитными излучениями). Такие изменения носят обратимый характер только на ранней стадии развития. Доказана наибольшая биологическая активность СВЧ-поля в сравнении с ВЧ и УВЧ. Начиная с частот порядка 10 ГГц, наряду с дальнейшим ростом степени поглощения наблюдается максимальное поглощение энергии поверхностными тканями, преимущественно кожей.

Нормирование ЭМИ радиочастотного диапазона производится по ГОСТ 12.1.006 – 84 и Санитарным правилам и нормам СанПиН 2.2.4/2.1.8.055 – 96. В диапазоне частот 60 кГЦ…300 МГц нормируемыми параметрами являются предельно допустимые напряженности электрического E_ПД и магнитного H_ПД полей, а также их энергетические нагрузки (дозы): ЭН_Е = Е²·Т, ЭН_H = H²·Т (Т – время воздействия в часах). Предельно допустимые значения E и H на рабочих местах персонала установлены исходя из допустимых энергетических нагрузок и времени воздействия и могут быть определены по следующим формулам:

 

, ,

 

где ЭН_EПД и ЭН_HПД – предельно допустимые значения энергетических нагрузок в течение рабочего дня (табл. 2.2).

Предельные напряженности E_ПД и H_ПД в любом случае не должны превышать значений, указанных в табл. 2.2

Таблица 2.2

Максимально допустимые значения нормируемых параметров ЭМП

частотой 60 кГц…300 МГц

Параметр	Диапазон частот, МГц
0,06…3	3…30	30…300
EПД, В/м HПД, А/м ЭНEПД, (В/м)2ч ЭНHПД, (А/м)2ч		– –	– –

 

В диапазоне частот 300 МГц…300 ГГц нормируемым параметром является плотность потока энергии (ППЭ), а также соответствующая энергетическая нагрузка ЭН_ППЭ = ППЭ·T (где T – время воздействия в часах). Предельно допустимое значение ППЭ определяется по формуле:

 

ППЭ_ПД = k·ЭН_ППЭПД / T,

 

где k – коэффициент ослабления биологической эффективности (k = 10 – при облучении от вращающихся и сканирующих антенн; k = 1 – во всех остальных случаях);

ЭН_ППЭПД – предельно допустимая энергетическая нагрузка, равная 2 Вт·ч/м²;

T – время пребывания в зоне облучения за рабочую смену, ч.

Во всех случаях максимальное значение ППЭ_ПД не должно превышать 10 Вт/м² = 0,1 мВт/м² = 100 мкВт/м² (при локальном облучении кистей рук – 50 Вт/м²).

При одновременном облучении от n источников в частотном диапазоне 60 кГц…300 МГц и m источников в диапазоне 300 МГц…300 ГГц должно выдерживаться условие:

 

+

Для населения (при круглосуточном непрерывном облучении) величина ППЭ_ПД составляет 1 мкВт/см² = 10 мВт/м².

За рубежом степень воздействия микроволнового излучения на организм человека дополнительно оценивается таким показателем SAR (Specific Adsorption Rate) – удельная поглощаемая мощность на единицу массы всего тела или его части (органа, ткани). Этот параметр широко используется при тестировании сотовых телефонов. Например, в Европе максимальный уровень SAR мобильного телефона для всего тела не должен превышать 0,08 Вт/кг, а в любом объеме органа или ткани массой 10 г – 2 Вт/кг (в течение 6 минут разговора). В США последняя норма несколько более жесткая: 1,6 Вт/кг для любой части тела массой 1 г. В России установлены предельно допустимые уровни ППЭ: применительно к отдельному телефону – 100 мкВт/см², для базовой станции сотовой связи 10 мкВт/см² (для мест постоянного нахождения людей) []. Следует отметить, что излучение мобильного телефона максимально в момент соединения (величина ППЭ на расстоянии 3 см достигает 18 мВт/см², т. е. на несколько порядков выше установленных норм и на порядок выше, чем во время разговора).

Для СВЧ-печей, работающих на частоте 2450 МГц (2,45 ГГц), установлен ПДУ утечки 10 мкВт/см² на расстоянии 0,5 м от печи (Санитарные нормы СН № 2666 – 83 «Предельно допустимые плотности потока энергии, создаваемой микроволновыми печами»).

Следует отдельно остановиться и на ЭМП, излучаемых персональными электронно-вычислительными машинами (ПЭВМ). Компьютеры являются источником ЭМП в достаточно широком частотном диапазоне. Основное воздействие на человека оказывает поле, создаваемое пилообразным напряжением, подаваемым на отклоняющие катушки строчной развертки электронно-лучевой трубки монитора. Таким образом, вокруг работающего монитора имеется поле, частота которого совпадает с частотой строчной развертки (десятки килогерц), а также поля с кратными частотами (меньшей интенсивности) гармоник разложения в ряд Фурье. Временно допустимые уровни ЭМП, создаваемых на рабочих местах пользователей, а также в помещениях использующих ПЭВМ образовательных, дошкольных и культурно-развлекательных учреждений, представлены в табл. 2.3 []:

 

.Таблица 2.3

Временно допустимые уровни (ВДУ) ЭМП, создаваемых ПЭВМ

Параметры	ВДУ
Напряженность электрического поля	В диапазоне частот 5 Гц…2 кГц	25 В/м
В диапазоне частот 2 кГц…400 кГц	2,5 В/м
Плотность магнитного потока	В диапазоне частот 5 Гц…2 кГц	250 нТл
В диапазоне частот 2 кГц…400 кГц	25 нТл
Напряженность электростатического поля	15 кВ/м

Примечание. Плотностью магнитного потока – магнитная индукция B, пропорциональная напряженности магнитного поля H: B = μ₀μH (где μ₀ – магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость, для воздуха близкая к 1).

 

Защитные мероприятия от воздействия переменных ЭМП заключаются в устройстве санитарно-защитных зон вокруг излучающих объектов, применении дистанционного управления излучающими устройствами и экранирования (последнее реализуется как установкой стационарных экранов, так и в средствах индивидуальной защиты). Экранируют либо источник излучения, либо рабочее место.

Для частот до 300 МГц эффективность экранирования чаще всего оценивают уровнем ослабления электрической составляющей поля (в дБ – децибеллах):

L_E = 20 ·lg (E₀/E),

 

где E₀ и E – напряженности электрического поля при, соответственно, отсутствии и наличии экрана, В/м.

Для ЭМИ с частотой свыше 300 МГц также оценивается уровень (в дБ) снижения интенсивности поля, но по другому параметру – ППЭ:

 

L_ППЭ = 10 ·lg (ППЭ₀/ППЭ),

 

где ППЭ₀ и ППЭ – плотности потока энергии при, соответственно, отсутствии и наличии экрана, Вт/м².

При небольших значениях уровня ослабления (из-за малых размеров экрана, не позволяющих полностью закрыть источник излучения, и т. д.) эффективность экранирования оценивается непосредственно в процентах:

 

%

 

Различают отражающие и поглощающие экраны. Отражающие экраны изготавливают из хорошо проводящих электрический ток металлов – меди, латуни, алюминия, стали. Такие экраны могут выполняться как сплошными, так и сетчатыми, а эффективность защиты существенно увеличивается при их заземлении. Наиболее эффективны сплошные металлические экраны, которые уже при толщине 0,01 мм обеспечивают ослабление уровня ППЭ до 50 дБ (до 10⁵ раз). Сетчатые экраны удобнее в случае необходимости наблюдения за объектом и применяются в тех случаях, когда необходимо снижения уровня поля на 20…30 дБ (в 100…1000 раз). Такой же результат дает использование экранов из оптически прозрачного стекла, покрытого полупроводниковой двуокисью олова (при этом обеспечивается пропускание не менее 75 % видимого человеком света).

Экраны из радиопоглощающих материалов (резины, поролона, пропитанной соответствующим составом древесины и т. п.) часто требуют применения систем охлаждения.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ