ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению лабораторной работы
по курсу «Безопасность жизнедеятельности»
ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Набережные Челны
2006
УДК
Защита от сверхвысокочастотного излучения: Методические указания к лабораторной работе по БЖД /Составители: И.М.Нуриев, Г.Ф.Юсупова. - Набережные Челны: КамПИ. 2004. – 15с.
Методические указания предназначены для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения. Даются разъяснения по вредному действию СВЧ излучения, их нормированию и методам определения. Предлагается порядок проведения эксперимента и оформление полученных результатов.
Рецензент: д.т.н., профессор кафедры МиТЛП Н.Н.Сафронов.
Печатается по решению научно-методического совета Камского государственного политехнического института.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы – ознакомиться с характеристиками электромагнитного излучения, с принципом установления нормативных требований к электромагнитному излучению, провести измерения электромагнитного излучения СВЧ диапазона в зависимости от расстояния до источника и оценить эффективность экранов из различных материалов.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электромагнитные поля (ЭМП) генерируются токами, изменяющимися во времени. Спектр электромагнитных (ЭМ) колебаний находится в широких пределах по длине волны : от 1000 км до 0,001 мкм и менее, а по частоте : от 3*102 до 3*1020 Гц, включая радиоволны, оптические и ионизирующие излучения. В настоящее время наиболее широкое применение в различных отраслях находит ЭМ энергия неионизирующей части спектра. Это касается, прежде всего, ЭМ полей радиочастот. Они подразделяются по длине волны на ряд диапазонов (табл.1).
ЭМ поле складывается из электрического поля, обусловленного напряжением на токоведущих частях электроустановок, и магнитного, возникающего при прохождении тока по этим частям. Волны ЭМП распространяются на большие расстояния.
Таблица 1
|
Название диапазона
|
Длина волны
|
Диапазон частот
|
Частота
|
По международному регламенту
|
|
|
|
|
|
Название диапазона частот
|
Номер
|
|
Длинные волны (ДВ)
|
10 - 1 км
|
Высокие частоты (ВЧ)
|
3 - 300 кГц
|
Низкие (НЧ)
|
5
|
|
Средние волны (СВ)
|
1 – 0,1 км
|
То же
|
0,3 - 3 МГц
|
Средние (СЧ)
|
6
|
|
Короткие волны (КВ)
|
100 - 10 м
|
То же
|
3 - 30 МГц
|
Высокие (ВЧ)
|
7
|
|
Ультракороткие волны (УКВ)
|
10 - 1 м
|
Высокие частоты (УВЧ)
|
30 - 300 МГц
|
Очень высокие (ОВЧ)
|
8
|
|
Микроволны:
дециметровые (дм);
сантиметровые (см);
миллиметровые (мм);
|
100 - 10 см
10 - 1 мм
1 см - 1 мм
|
Сверхвысокие частоты (СВЧ)
|
0,3 - 3 ГГц
3 - 30 ГГц
30 - 300 ГГц
|
Ультравысокие (УВЧ) Сверхвысокие (СВЧ) Крайневысокие (КВЧ)
|
9
10
|
Таблица 2
|
Составляющая ЭМП, по которой оценивается его воздействие, и диапазон частот, МГц
|
Предельно допустимая напряженность ЭМП в течение рабочего дня
|
|
Электрическая составляющая:
0,06 – 3
3 – 30
30 – 50
50 – 300
|
50 В/м
20 В/м
10 В/м
0,5 В/м
|
|
Магнитная составляющая:
0,06 – 1,5
30 – 50
|
5,0 А/м
0,3 А/м
|
В промышленности источниками ЭМП являются электрические установки, работающее на переменном токе частотой от 10 до 106 Гц, приборы автоматики, электрические установки с промышленной частотой 50 - 60 Гц, установки высокочастотного нагрева (сушка древесины, склеивание и нагрев пластмасс и др.). В соответствий с ГОСТ 12.1.006-84 значения предельно допустимой напряженности ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06 - 300 Мгц на рабочих местах приведены в табл.2.
Предельно допустимые уровни (ПДУ) по электрической составляющей, согласно [5], не должны превышать 20В/м, а по магнитной составляющей – 5А/м. ЭМП характеризуется совокупностью переменных электрических и магнитных составляющих. Различные диапазоны радиоволн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру распространения, поглощения, отражения, а вследствие этого, – по действию на среду, в т.ч. и на человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант ЭМ излучения. Связь между энергией Е и частотой колебаний определяется как:
Е =h· или, поскольку длина волны и частота связаны соотношением = c/,
Е = h · c / ,
где: с – скорость распространения электромагнитных волн в воздухе (с = 3*108 м/с), h – постоянная Планка, равная 6,62*10-34 Вт/см2.
ЭМП вокруг любого источника излучения разделяют на 3 зоны: ближнюю – зону индукции, промежуточную – зону интерференции и дальнюю – волновую зону. Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения (т.е. источник можно рассматривать как точечный), границы зон определяются следующими расстояниями R:
- ближняя зона (индукции) формирования волны находится на расстоянии R < /2;
- промежуточная зона (интерференции) – наличия максимумов и минимумов находится на расстоянии /2 < R < 2;
- дальняя зона (волновая) – зона излучения находится на расстоянии R > 2.
Работающие с источниками Излучения НЧ, СЧ и, в известной степени, ВЧ и ОВЧ диапазонов находятся в зоне индукции. При эксплуатации генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов работающие часто находятся в волновой зоне.
В волновой зоне интенсивность поля оценивается величиной плотности потока энергии (ППЭ), т.е. количеством энергии, падающей на единицу площади поверхности. В этом случае ППЭ выражается в Вт/м2 или производных единицах: мВт/см мкВт/см2. ЭМП по мере удаления от источника излучения быстро затухает. ЭМ волны диапазона УВЧ, СВЧ и КВЧ (микроволны) используются в радиолокации радиоастрономии, радиоспектроскопии, геодезии, дефектоскопии, физиотерапии. Иногда ЭМП УВЧ диапазона применяются для вулканизации резины, термической обработки, пищевых продуктов, стерилизации, пастеризации, вторичного разогрева пищевых продуктов. СВЧ – аппараты используются для микроволновой терапии.
Наиболее опасными для человека являются ЭМП высокой и сверхвысокой частот. Критерием оценки степени воздействия на человека ЭМП может служить количество электромагнитной энергии, поглощаемой им при пребывании в электрическом поле. Величина поглощаемой человеком: энергии зависит от квадрата силы тока, протекавшего, через его тело, времени пребывания в электрическом поле и проводимости тканей, человека.
По законам физики изменения в веществе может вызвать только та часть энергии излучения, которая поглощается этим веществом, а отраженная или проходящая через него энергия действия не оказывает. Электромагнитные волны лишь частично поглощаются тканями биологического объекта. Поэтому биологический эффект зависит от физических параметров ЭМП радиочастотного диапазона: длины волны (частоты колебаний), интенсивности и режима излучения, (непрерывный, прерывистый, импульсно-модулированный), продолжительности и характера облучения организма, а также от площади облучаемой поверхности, и анатомического строения органа или ткани.
Степень поглощения энергии тканями зависит от их способности к ее отражению на границе раздела, определяемой содержанием воды в тканях и другими их особенностями. Колебания дипольных молекул воды и ионов, содержащихся в тканях, приводят к преобразованию электромагнитной энергии внешнего поля в тепловую энергию, что сопровождается повышением температуры тела или локальным избирательным нагревом тканей, органов, клеток, особенно с плохой терморегуляцией (хрусталик глаза, стекловидное тело, семенники и др.). Тепловой эффект, зависит от интенсивности облучения. Пороговые интенсивности теплового действия ЭМП на организм животного составляют для диапазона средних частот – 8000 Вт/см2, высоких – 2250 Вт/см2, очень высоких – 150 Вт/см2, дециметровых – 40 мВт/см2, сантиметровых – 10 мВт/см2 , миллиметровых – 7 мВт/см2.
ЭМП с меньшей интенсивностью не обладает термическим действием на организм, но вызывает слабовыраженные эффекты аналогичной направленности, что согласно ряду теорий считается специфическим нетепловым действием, т.е. переходом ЭМ энергии в объекте в какую-то форму нетепловой энергии. Нарушение гормонального равновесия при наличии СВЧ - фона на производстве следует рассматривать как противопоказания для профессиональной деятельности, связанной с нервной напряженностью труда и частыми стрессовыми ситуациями.
Постоянные изменения в крови наблюдаются при ППЭ выше 1 мВт/см2. Это фазовые изменения лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина. Поражение глаз в виде помутнения хрусталика (катаракты) – последствия воздействия ЭМП в условиях производства. При воздействии миллиметровых волн изменения наступают немедленно, но быстро проходят. В то же время при частотах около 35 ГГц возникают устойчивые изменения, являющиеся результатом повреждения эпителия роговицы.
Клинические исследования людей, подвергшихся производственному воздействия СВЧ облучения при его интенсивности ниже 10 мВт/см2, показали отсутствие каких-либо проявлений катаракты.
Воздействие ЭМП с уровнями, превышающими допустимые, приводит к изменениям функционального состояния сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, нарушению обменных процессов [2]. При воздействии значительных интенсивностей СВЧ поля может возникать более или менее выраженное помутнение хрусталика глаза (катаракты). Нередко отмечают изменения и в составе крови.
В соответствии с санитарными нормами и правилами при работе с источниками ЭМП СВЧ частот предельно допустимые интенсивности ЭМП на рабочих местах приведенные в табл. 3.
Таблица 3
|
В диапазоне СВЧ (300 МГц - 300 ГГц)
|
Предельно допустимая интенсивность
|
|
1. Для работающих при облучении и течение:
1) всего рабочего дня
2) не более 2 ч за рабочий, день
3) не более 15-20 мин за рабочий день
|
10 мкВт/см2
100 мкВт/см2
1000 мкВт/см2
|
|
2. Для лиц не связанных профессионально, и для населения
|
1 мкВт/см2
|
Защитные меры от действия ЭМП сводятся, в основном, уменьшению излучения в источнике, изменению направленности излучения, уменьшению времени воздействия, увеличению расстояния до источника излучения, к применению защитного экранирования, дистанционного управления устройствами, излучающими ЭМ волны; применению средств индивидуальной защиты. Защитные экраны делятся на:
1) отражающие излучение;
2) поглощающие излучение.
К первому типу относятся сплошные металлические экраны, экраны из металлической сетки, из металлизированной ткани. Ко второму типу относятся экраны из радиопоглощающих материалов. К средствам индивидуальной защиты (СИЗ) относятся: спецодежда, выполненная из металлизированной ткани: защитные халаты, фартуки, накидки с капюшоном, перчатки, щитки, а также защитные очки (при интенсивности выше 1 мВт/см2), стекла которых покрыты слоем полупроводниковой окиси олова, иди сетчатые очки в виде полумасок из медной или латунной сетки.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1. ОПИСАНИЕ СТЕНДА
Внешний вид стенда представлен па рис.1. Стенд представляет собой стол, выполненный в виде сварного каркаса со столешницей 1, под которой размещаются сменные экраны 2, используемые для изучения экранирующих свойств различных материалов. На столешнице 1 размещены СВЧ печь 3 (источник излучения ЭМ колебаний с = 2,45 ГГц, длиной волны = 12,5 см) и координатное устройство 4.
Координатное устройство 4 регистрирует перемещение датчика 5 СВЧ поля по осям «X», «Y». Координата «Z» определяется по шкале, нанесенной на измерительную стоику 6, но которой датчик 5 может свободно перемещаться. Это дает возможность исследовать распределение СВЧ излучения в пространстве со стороны передней панели СВЧ печи (элементы наиболее интенсивного излучения).
Датчик 5 выполнен в виде полуволнового вибратора, рассчитанного на частоту 2,45 ГГц и состоящего из диэлектрического корпуса, вибраторов и СВЧ диода.
Координатное устройство 4 выполнено в виде планшета, на который нанесена координатная сетка. Планшет приклеен непосредственно к столешнице 1. Стойка 6 изготовлена из диэлектрического материала (органического стекла), чтобы исключить искажение распределения СВЧ поля.
В качестве нагрузки в СВЧ печи используется строительный красный кирпич, устанавливаемый на неподвижную подставку, в качестве которой используется неглубокая фаянсовая тарелка, обеспечивающая стабильность измеряемого сигнала.
Сигнал с датчика 5 поступает на мультиметр 7, размещенный на свободной части столешницы 1 (за пределами координатной сетки).
На столешнице 1 имеются гнезда для установки сменных защитных экранов 2, выполненных из следующих материалов:
сетка из оцинкованной стали с ячейками 50 мм;
сетка из оцинкованной стали с ячейками 10 мм;
лист алюминиевый;
полистирол;
резина.
Рис.1