3006
.pdf
658 З-402
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Методические указания к выполнению лабораторной работы
Новосибирск
2016
УДК 658.382(076.5) З-402
Защита от сверхвысокочастотного излучения: Метод. указ. к вы-
полнению лабораторной работы / Сост. В.Л. Павлова, М.Г. Рублев. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2016. – 15 с.
Содержат теоретические сведения о свойствах электромагнитных полей радиочастот и методах защиты от них, описание экспериментальной установки для выполнения лабораторной работы, расчетные формулы для оценки эффективности экранирования электромагнитных полей различными защитными материалами. Включены ссылки на нормативные документы, регламентирующие параметры сверхвысокочастотного излучения, приведены значения нормируемых параметров.
Предназначены для студентов всех специальностей и направлений обучения, изучающих дисциплину «Безопасность жизнедеятельности».
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности».
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р
д-р техн. наук, проф. В.И. Медведев
Р е ц е н з е н т
канд. техн. наук, доц. И.О. Тесленко
©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2016
©Павлова В.Л., Рублев М.Г., сост., 2016
2
Введение
Впроцессе жизнедеятельности человек постоянно находится в зоне действия электромагнитного поля Земли. Такое поле, называемое фоном, считается нормальным и не наносит здоровью людей никакого вреда. Однако прочно вошедшие в нашу жизнь различные машины (компьютеры, сотовые телефоны, микроволновые печи, телевизоры) не так безобидны, как кажется на первый взгляд, и на самом деле способны принести человеку большой вред.
Масштабные исследования о влиянии электромагнитного излучения на здоровье человека в мире были начаты еще в 60-е гг. прошлого столетия. Был накоплен большой клинический материал
онеблагоприятном воздействии магнитных и электромагнитных полей. Уже в это время было предложено ввести новое заболевание: «радиоволновая болезнь», или «хроническое поражение микроволнами». В дальнейшем российскими учеными было установлено, что наиболее чувствительной к воздействию электромагнитных полей является нервная система человека. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке санитар- но-гигиенических норм в России. Поэтому изучение влияния электромагнитного излучения на организм человека и подбор соответствующей защиты от него является актуальной задачей.
Цель лабораторной работы – ознакомиться с характеристиками электромагнитного излучения, нормативными требованиями к электромагнитному излучению; провести измерения электромагнитного излучения сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в зависимости от расстояния до источника и оценить эффективность защиты от СВЧ-излучения с помощью экранов.
Вданных методических указаниях особое внимание уделяется изучению сверхвысокочастотного излучения. В конце издания приведены контрольные вопросы.
3
1. Общие сведения
Электромагнитные поля (ЭМП) генерируются постоянными токами и токами, изменяющимися во времени. Спектр электромагнитных колебаний находится в широких пределах по длине волны λ – от 1 000 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 производства находит электромагнитная энергия неионизирующей части спектра [1]. Это касается прежде всего электромагнитных полей радиочастот. Они подразделяются в зависимости от длины волны на ряд диапазонов (табл. 1).
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Диапазоны электромагнитного поля радиочастот |
||||
|
|
|
|
|
|
Наименование |
Диапазоны |
По международному регламенту |
|||
|
|
Название |
Номер |
||
волн |
|
длин волн |
частот |
||
|
диапазона частот |
диапазона частот |
|||
|
|
|
|
||
ДВ |
|
10–1 км |
3–300 кГц (ВЧ) |
НЧ |
5 |
СВ |
|
1–0,1 км |
0,3–3 МГц (ВЧ) |
СЧ |
6 |
КВ |
|
100–10 м |
3–30 МГц (ВЧ) |
ВЧ |
7 |
УКВ |
|
10–1 м |
30–300 МГц (УВЧ) |
ОВЧ |
8 |
Микроволны: |
|
|
|
|
|
ДМВ |
|
1–0,1м |
0,3–3 ГГц (СВЧ) |
УВЧ |
9 |
СМВ |
|
10–1 см |
3–30ГГц (СВЧ) |
СВЧ |
10 |
ММВ |
|
1–0,1 см |
30–300 ГГц (СВЧ) |
КВЧ |
Более 10 |
Примечание. ДВ – длинные волны, СВ – средние волны, КВ – короткие волны, УКВ – ультракороткие волны, ДМВ – дециметровые волны, СМВ – сантиметровые волны, ММВ – миллиметровые волны, НЧ – низкие частоты, СЧ – средние частоты, ВЧ – высокие частоты, УВЧ – ультравысокие частоты, СВЧ – сверхвысокие частоты, КВЧ – крайневысокие частоты, ОВЧ – очень высокие частоты.
Электромагнитное поле складывается из электрического поля, обусловленного напряжением на токоведущих частях электроустановок, и магнитного поля, возникающего при прохождении тока по этим частям. Волны ЭМП распространяются на большие расстояния.
В промышленности источниками ЭМП являются электрические установки, работающие на переменном токе частотой от 10 до 106 Гц, приборы автоматики, электрические установки с промышленной частотой 50–60 Гц, установки высокочастотного нагре-
4
ва (для сушки древесины, склеивания, нагрева пластмасс и др.) [1]. В соответствии 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.
Таблица 2
Предельно допустимая напряженность электромагнитного поля радиочастот
Составляющая ЭМП, по которой оценивается |
Предельно допустимая напряженность |
его воздействие, и диапазон частот, МГц |
ЭМП в течение рабочего дня |
Электрическая составляющая: |
|
0,06–3 |
50 В/м |
3–30 |
20 В/м |
|
|
30–50 |
10 В/м |
50–300 |
0,5 В/м |
Магнитная составляющая: |
|
0,06–1,5 |
5,0 А/м |
30–50 |
0,3 А/м |
Предельно допустимые уровни по электрической составляющей не должны превышать 20 В/м [2], а по магнитной составляющей – 5 А/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, a вследствие этого – по действию на окружающую среду и на человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант электромагнитного излучения. Связь между энергией Y и частотой колебаний f определяется как
Y hf ,
(1)
где
f |
|
h – постоянная Планка, равная 6,6 ∙ 10–34 Вт/см2. Поскольку длина волны λ и частота связаны соотношением с / , формулу (1) можно записать следующим образом:
Y
hс /
,
(2)
где с – скорость распространения электромагнитных волн в воз-
духе (с = 3 · 108 м/с).
ЭМП вокруг любого источника излучения разделяют на три зоны: ближнюю (зону индукции), промежуточную (зону интерференции) и дальнюю (волновую зону). Если геометрические
5
размеры источника излучения меньше длины волны излучения λ (т.е. источник можно рассматривать как точечный), то границы зон определяются следующими расстояниями R:
– ближняя зона: R |
|
|
; |
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
– промежуточная зона: |
R |
|
2 ; |
|||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
– дальняя зона: R 2 .
Работающие с источниками излучения НЧ-, СЧ- и (в известной степени) ВЧ-, 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 ваттах на метр квадратный (Вт/м2) или в производных единицах: мВт/см2, мкВт/см2. ЭМП по мере удаления от источника излучения быстро затухает. Электромагнитные 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 частоты [3]. 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, протекающего через его тело, времени пребывания в электрическом поле и проводимости тканей тела 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 степень вреда здоровью человека зависит от физических параметров
6
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 особенностями. Колебания дипольных молекул воды и ионов, содержащихся в тканях, сопровождаются 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 – 8 000 Вт/м2, высоких – 2 250 Вт/м2, очень высоких – 150 Вт/м2, 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 электромагнитной энергии в объекте в какую-то форму нетепловой энергии. Нарушения гормонального равновесия при наличии СВЧ-фона на производстве следует рассматривать как противопоказания для профессиональной деятельности, связанной с нервно-психическим напряжением. Постоянные изменения в крови наблюдаются при ППЭ выше 1 мВт/см2. Это фазовые изменения лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина. Поражения 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.
При работе с источниками ЭМП СВЧ предельно допустимые интенсивности ЭМП в соответствии с санитарными нормами и правилами приведены в табл. 3.
7
Таблица 3
Предельно допустимые интенсивности ЭМП
|
В диапазоне СВЧ (300 МГц – 300 ГГц) |
Предельно допустимая |
|
интенсивность, мкВт/см2 |
|
|
|
|
1. |
Для работающих при облучении |
|
|
в течение всего рабочего дня |
10 |
|
не более двух часов за рабочий день |
100 |
|
не более 15–20 мин за рабочий день |
1 000 |
|
|
|
2. |
Для лиц, не связанных профессионально, и для населения |
1 |
Защитные меры от действия ЭМП сводятся в основном к применению защитного экранирования, дистанционного управления устройствами, излучающими электромагнитные волны, применению средств индивидуальной защиты. Защитные экраны делятся:
–на отражающие излучения,
–поглощающие излучения.
К первому типу относятся сплошные металлические экраны, экраны из металлической сетки или из металлизированной ткани. Ко второму типу относятся экраны из радиопоглощающих материалов. К средствам индивидуальной защиты относятся: спецодежда, выполненная из металлизированной ткани; защитные халаты, фартуки, накидки с капюшоном, перчатки, щитки; защитные очки (при интенсивности выше 1 мВт/см2), стекла которых покрыты слоем диоксида олова, а также сетчатые очки в виде полумасок из медной или латунной сетки.
2. Описание лабораторного стенда
Внешний вид стенда показан на 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 размещена СВЧ-печь 3, которая является источником излучения, и координатное устройство 4, регистрирующее перемещение датчика 5 СВЧ-поля по осям X, Y. Координата Z определяется по шкале, нанесенной на измерительную стойку 6, по которой датчик 5 может свободно перемещаться. Это дает возможность исследовать распределение СВЧизлучения в пространстве со стороны передней панели СВЧ-печи (элементы наиболее интенсивного излучения).
8
Рис. 1. Лабораторная установка для исследования СВЧ-излучений:
1 – стол в виде сварного каркаса со столешницей; 2 – сменные экраны; 3 – СВЧ-печь (источник излучения); 4 – координатное устройство; 5 – датчик СВЧ-поля; 6 – измерительная стойка; 7 – мультиметр
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 огнеупорный шамотный 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.
9
Мультиметр (рис. 2) конструктивно выполнен в пластмассовом корпусе. На передней панели прибора располагаются четырехразрядный светодиодный индикатор 2, кнопки управления (3– 8). На боковой поверхности располагаются разъемы для подключения прибора к компьютеру и сетевого адаптера. На верхней панели расположен разъем для подключения первичного преобразователя 1.
В качестве источника СВЧизлучений служит бытовая микроволновая печь Scarlett SC1711, представленная на рис. 3.
Рис. 2. Мультиметр для измерения интенсивности СВЧ-излучений:
1 – разъем для подключения первичного преобразователя; 2 – четырехразрядный светодиодный индикатор;
3, 4, 5, 6, 7, 8 – кнопки управления
Рис. 3. Микроволновая печь (источник электромагнитных излучений): 1 – устройство герметичного защелкивания дверцы; 2 – защитное стекло; 3 – заслонка волновода; 4 – ось вращения; 5 – вращающееся кольцо;
6 – стеклянное блюдо; 7 – панель управления; 8 – цифровой дисплей; 9 – кнопка открывания дверцы
10