Исследование средств защиты от СВЧ излучения
Цель работы: определение параметров электромагнитного излучения на рабочем месте и разработка мероприятий по защите от его воздействия.
Продолжительность работы - 2 часа.
Оборудование и приборы
1. Бытовая микроволновая СВЧ-печь “Плутон”.
2. Анализатор электромагнитного поля АЭМП-01.
3. Защитные экраны.
4. Лабораторный стол с координатной сеткой.
Теоретические сведения
Основу электромагнитного поля (ЭМП) составляет заряд. Соответственно ЭМП различной мощности возникает как при как естественных процессах, так и искусственных. К естественным процессам можно отнести грозовые разряды, северное сияние и др., к искусственным - работу любых электрических приборов.
Важно отметить, что между различными частями тела человека, а также между телом и атмосферой телом и землей постоянно имеется разность потенциалов. Например, положительно заряжены поверхностные ткани человека (кожа) относительно более глубоких; атмосфера относительно Земли. Постоянный энергетический, а следовательно, и информационный обмена человека с внешней средой требует наличия в организме системы поддержания динамического энергоинформационного гомеостаза. Только в живых системах присутствует разность потенциалов на мембранах клеток. Незначительное изменение потенциала сопровождается четко выраженными физиологическими изменениями: нервным импульсом; транспортом ионов через мембрану, сокращением мышечной клетки и др. Длительное нарушение целостности мембраны обязательно ведет к патологии, а выравнивание потенциала - к смерти клетки. Естественно, что организм человека чувствителен к самым различным типам полей. Например, микроволны с плотностью потока выше 1 Вт/см2 вызывают четко выраженное изменение биоэлектрической активности мозга.
Для радиодиапазона (103 - 1011 Гц) наиболее актуальными являются техногенные электромагнитные излучения (ЭМИ). При этом уровни интенсивностей излучения с каждым годом возрастают по сравнению с естественным фоном нашей планеты. Опубликованные данные свидетельствуют о том, что электромагнитное поле является мощным физическим раздражителем, который может вызвать функциональные и органические нарушения всех систем человека. В связи с этим необходимо вести постоянный контроль за уровнем интенсивности полей от источников излучения, а также владеть методами математического расчета напряженности электромагнитного поля. Это имеет большое значение при выборе оптимальных гигиенических условий для размещения излучающих в радиодиапазоне приборов вблизи населенных мест, организации санитарно-защитных зон для охраны населения от вредного воздействия полей. Биологические оценки принято проводить по электрической составляющей ЭМИ.
Переходя к СВЧ диапазону радиоизлучений, следует отметить, что из биоэффектов наиболее хорошо известен тепловой эффект микроволн, связанный с повышением температуры облучаемой ткани. Наряду с этим неконтролируемое воздействие высокой и низкой интенсивностей радиоволнового излучения на организм человека может привести к возникновению различных заболеваний. Например, наиболее биологически активное в радиодиапазоне СВЧ излучение (10–1 - 10–2 м, или 3·109 - 3·1010 Гц) вызывает повреждение тканей глаза. Степень повреждения зависит от интенсивности излучения и длительности воздействия.
В общем случае реакция организма на ЭМИ радиодиапазона идет до некоторого порогового значения плотности потока мощности, начиная с которого и до значений, вызывающих заметный нагрев тканей (превышающий 0,1°), биологический эффект не меняется. Традиционно многие исследователи объясняли биологическое действие микроволн только наличием тепловых эффектов, которые возникают при интенсивности более 10 мВт/см2. Однако в последнее время обнаружено отчетливое действие на организм СВЧ излучений меньшей интенсивности, когда температура повышается несущественно. При этом важным является обнаружение частотных и энергетических окон при воздействии низкоинтенсивных модулированных электромагнитных полей на головной мозг.
Правильно обоснованный предельно допустимый уровень (ПДУ) позволяет не только сохранить здоровье, но и обеспечить достаточную работоспособность, избежать ненужных психологических травм. Особое значение имеет безопасность жизнедеятельности профессионалов, работающих с СВЧ излучением. В этой связи в России предусмотрены следующие, обоснованные с точки зрения медицины, ПДУ непрерывного СВЧ облучения:
· до 8 часов в сутки 10 мкВт/см2;
· до 2 часов в сутки 100 мкВт/см2;
· до 20 минут в сутки 1000 мкВт/см2.
В случае непрерывного СВЧ облучения от вращающихся и сканирующих антенн ПДУ составляет 100 мкВт/см2 при действии в течение 8 часов в сутки и 1000 мкВт/см2 при действии до 2 часов в сутки.
Для остального населения ПДУ регламентируются Санитарными правилами и нормами (табл.1).
Таблица 1
ПДУ воздействия ЭМИ радиочастотного диапазона на человека
| Диапазоны частот | Размерность | ПДУ |
| 30 – 300 кГц | В/м | |
| 0,3 - 3 МГц | - | |
| 3 - 30 МГц | - | |
| 30 - 300 МГц | - | |
| 300 МГц - 300 ГГц | МкВт/см2 |
Основные параметры ЭМИ - это частота, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля. Существуют различные методики оценки напряженности ЭМИ. Напряженность магнитного поля Н - силовая характеристика магнитного поля, не зависящая от магнитных свойств среды. В вакууме H совпадает с магнитной индукцией. В среде Н определяет вклад в магнитную индукцию, который вносят внешние источники поля. Напряженность электрического поля Е - силовая характеристика электрического поля, равная отношению силы, действующей на точечный электрический заряд в данной точке пространства, к величине заряда. Приводимые в литературе формулы, как правило, пригодны для расчета напряженности поля Е на больших расстояниях. Такова, например, формула Введенского:
где Р - мощность сигнала, излучаемого антенной, Вт; K - коэффициент усиления антенны; d - расстояние от антенны до рассматриваемой точки пространства, м; λ- длина волны, м; h 1- высота подъема передающей антенны от поверхности земли, м; h 2 - высота, на которой определяют напряженность поля, м.
Эта формула справедлива в весьма узких пределах расстояний и длин радиоволн при выполнении условия h 1 · h 2 ≤ d λ /18.
Расчет напряженности поля в зоне излучения может производиться для электрической составляющей ЭМП Е ипо формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля:
E = 7,750 × (P·G a)1/2 ·F / d.
Здесь Е - напряженность электрического поля ЭМП, В/м; Р - мощность передатчика, Вт; G a- коэффициент усиления антенны; d - расстояние от антенны до точки измерения, м; F - множитель ослабления для определения потерь электромагнитной энергии в почве, который зависит от параметров почвы, расстояния от точки измерения до антенны и длины волны.
СВЧ излучение, в отличие от низкочастотного радиодиапазона, распространяется в пределах прямой видимости. На его распространение заметное влияние оказывает тропосфера, состоящая из смеси газов и паров воды. В дециметровом диапазоне волны поглощаются в тропосфере слабо, а в сантиметровом и миллиметровом диапазонах наблюдаются значительные потери СВЧ энергии вследствие резонансного поглощения в парах воды на длинах волн 1,35, 1,5 и 0,75 см, а в кислороде на 0,5 и 0,25 см.
Количественной характеристикой СВЧ излучения является плотность потока мощности
W = 1∕2×(ε ·E 2 – μ H 2), (1)
где ε - диэлектрическая постоянная среды (воздуха), ε = 1 Ф/м; μ - относительная магнитная проницаемость среды, μ = 1 Гн/м.
Плотность потока мощности излучения измеряется в Вт/м2, мВт/см2, мкВт/см2. Если облучение проводится в СВЧ тракте, его интенсивность определяется удельной поглощательной мощностью в единице объема или массы объекта и выражается в Вт/м3 или Вт/кг. Дозу поглощения выражают через энергию микроволн, поглощаемую единицей массы объекта (Дж/кг).
Доля поглощенной СВЧ энергии и ее относительное распределение в различных материалах зависят от формы и размеров объекта, его ориентации в поле, длины волны, электрических свойств материала. В микроволновом диапазоне линейные размеры облучаемого объекта сравнимы с длиной волны или превышают ее. Количественной мерой поглощения служит отношение поглощенной в объекте мощности к общей мощности, падающей на его поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В связи с тем, что некоторые изделия имеют композитную структуру, слои которой обладают разной толщиной, диэлектрической проницаемостью и проводимостью, максимумы поглощения могут возникать и внутри объекта.
В общем виде поглощенную мощность СВЧ излучения Р пможно оценить по формуле:
,
где εк- диэлектрическая проницаемость объекта; Р о - плотность потока мощности у поверхности объекта, мВт/см2; S - площадь сечения объекта, см2.
Поглощенная мощность убывает с глубиной проникновения по экспоненциальному закону. Так, для электрической составляющей ЭМИ поглощенная мощность связана с глубиной проникновения соотношением:
P n = (σ / 2) Е 2 еxp(-2 r / δc),
где r - расстояние от поверхности, м; δc - глубина проникновения, м;
Е - напряженность электрической составляющей ЭМИ, В/м; σ - проводимость материала, (Ом×м)–1.
Уровни излучений на предприятиях связи обязательно регламентируются (табл.2). Настройка, регулировка и профилактические работы излучающего оборудования должны проводиться на пониженной мощности, при этом оборудование будет давать только часть проектной мощности. Одновременно необходимо предусматривать дистанционное управление с использованием заземленных поглощающих и отражающих экранов в виде листов или мелкоячеистой сетки. Материал экранов должен обладать высокой электропроводностью (Сu, Аl). При необходимости визуального контроля за работой излучающего оборудования можно использовать смотровые окна из стекла, покрытого двуокисью олова, обладающего экранирующим действием. Толщину экрана выбирают исходя из конструктивных соображений, учитывая, что глубина проникновения высоких и сверхвысоких частот в экран обычно не превышает одного миллиметра.
Таблица 2
