книги из ГПНТБ / Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека

(и дозиметры), предназначенные для широкого круга научных, про­ изводственных и инспекторских работ. Эти приборы во многом по­ добны приборам контрольной группы, но имеют больший динамиче­ ский диапазон и лучшую точность; они не приспособлены для мас­ совых измерений. В настоящее время проведение некоторых подобных работ удается значительно упростить и даже автоматизировать. При­ мером универсального измерителя поля может служить комплект аппаратуры ПО-І, которую часто неверно используют для кон­ трольных работ.

4. Аппаратура узкоспециального назначения (например, для автоматического или полуавтоматического снятия вертикального раз­ реза поля антенн в целях прогнозирования биологической опасности в строящихся зданиях, на летательных объектах и т. п.). Аппаратура этой группы серийно не выпускается, и для подобных работ чаще всего применяют видоизмененные измерители второй или третьей групп.

Сегодня существует широкий ассортимент аппарату­ ры для измерения уровней радиоизлучений СВЧ, исполь­ зуемой при решении самых (различных задач (антенные измерения, служба радиоконтроля и т. п.), однако, как ни странно, достаточно освоенными можно считать только крайние участки диапазона интенсивностей: очень больших, порядка ІО-4 ... 10 Вт/см2, и очень малых, по­ рядка 1СИ8 ... 10-10 Вт/см2 и менее. Эти области обслу­ живаются аппаратурой, построенной на совершенно раз­ личных принципах (первые обычно используют тепловые методы детектирования, вторые—супергетеродинный прием). Соответственно реализуются разные точности (±50 ... 30% и ±4 .. 8 дБ соответственно) и инерцион­ ность (10~2... 10 и ІО-8... 10_6 с).

Приборы, предназначенные для защиты человека, за­ нимают промежуточное положение почти по всем показа­ телям, и этот диапазон интенсивностей, как оказывается, наименее всего освоен. Существующие приборы этой группы, как правило, используют тепловые методы де­ тектирования, поэтому для повышения реальной чувст­ вительности в них приходится примерять большие по размерам антенны «классического» типа, ограничиваю­ щие возможность измерений вблизи радиоотражающих поверхностей (внутри помещений, у шкафов с аппара­ турой и т. д.).

К недостаткам измерителей поля с тепловыми детек­ торами можно отнести и их высокую инерционность. Появление электронного сканирования в технике излу-

200

чающих антенн, повышение требований к скорости об­ следования облучаемое™ больших территорий ставит вопрос о снижении инерционности (времени установле­ ния показаний) измерителей до значений 10~6 ... ІО-4 с, которые известными тепловыми методами реализовать пока не удается.

Аппаратура, постепенно заполняющая существующий пробел, построена в основном на использовании мощных полупроводниковых диодов, малоинерадионных индика­ торов и к тому же обладает необходимыми показателя­ ми при малых габаритах и массе. Особо перспективны­ ми в этом отношении являются дозиметры СВЧ энергии, применяемые для массового индивидуального контроля.

Ниже мы вкратце рассмотрим основные принципы, используемые в радиометрии полей СВЧ, потенциально опасных для человека, функциональные и конструктив­ ные особенности приборов, а также основные правила их применения в технике измерений. Большое внимание в этой главе будет уделено описанию экспериментальных моделей приборов и приборов, которые нашли примене­ ние на предприятиях отдельных ведомств (например, типа ИП-3425, ИП-3445, все дозиметры, приборы разра­ ботки Института физических проблем АН СССР и т. д.). Такое внимание вполне оправдано, так как многие из них являются перспективными и в самое короткое время, очевидно, получат распространение.

В п. 1.2.2 мы коснулись вопроса об электромагнитной структуре полей, представляющих опасность для орга­ низма человека. Мы увидели, что поле ;в свободном про­ странстве на большом расстоянии от излучателя является бегущим и для его оценки достаточно измерить любой

ношения между этими параметрам« нарушаются, так что измерителями ППМ можно пользоваться с больши­ ми оговорками. Вблизи излучателей результаты измере­ ний ППМ можно применять только после соответствую­ щих пересчетов. В двух последних случаях наиболее пол­ ную оценку биологической опасности могут дать только измерения как Е, так и Я. Такие измерения техни­

201

распространенного источника внутренних полей, как щель, имеет вараженную магнитную структуру; кроме того, как мы увидим ниже, реализация магнитных зон­ дов с устойчивыми характеристиками в интересующем нас диапазоне оказывается задачей технически легко выполнимой.

6.1. МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ИНТЕНСИМЕТРИИ СВЧ ПОЛЕЙ БИОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ УРОВНЕЙ

Измерение энергетических параметров воздействую­ щего ноля, интенси'метр'ия, как неразрывное целое вклю­ чает в себя следующие фазы: прием энергии поля, детек­ тирование, т. е. преобразование выходного сигнала зонда в форму, удобную для дальнейшей обработки его уси­ ление (если это оказывается необходимым) и реги­ страция.

6.1.1. Параметры интенсиметрической аппаратуры.

Наиболее важные из них следующие.

1. Диапазон длин волн должен соответствовать тому участку диапазона СВЧ, который используется в тех­ нике генерации достаточно высоких мощностей. Даже беглое рассмотрение занятости спектра СВЧ подобными установками (см. и. 1 .2 .1 ) убеждает нас в том, что уча­ стков спектра, свободных от возможного облучения человека мощными полями, к настоящему времени фак­ тически «ет. Некоторое исключение составляет участок СВЧ диапазона выше 3 ГГц, где самолетные и судовые радиолокаторы занимают сравнительно узкие участки. Поэтому здесь допустима разработка узкополосных из­ мерителей, тем более что широкополосная аппаратура тля этого участка спектра сложна и дорога.

2. Чувствительность аппаратуры полностью опреде­ ляется нормированными уровнями. В соответствии с нор­ мативами США, поля с уровнем ниже 100 мкВт/см2 из­ мерять считается нецелесообразным, и вся американская пнтенсиметрическая аппаратура строится из расчета

202

с сегодняшними отечественными нормативами, минималь­ ный уровень, подлежащий измерению, равен 10 мкВт/см2 и с учетом намечаемой тенденции -нормативов для насе­ ления — 1 мкВт/см2.

3. Термин «динамический диапазон» (ДД) аппара­ туры включает в себя по крайней мере три различных понятия: «шкальный» диапазон интенсивностей, уклады­ вающихся на шкале регистратора (например, стрелочно­ го показывающего прибора); «разовый» ДД — диапазон интенсивностей, которые могут быть измерены без слож­ ной перестановки элементов аппаратуры (например, внешних аттенюаторов, антенн и т. п.), и наконец, общий ДД — диапазон интенсивностей, которые вообще могут быть измерены данным измерителем. Общий динамиче­ ский диапазон определяет пригодность аппаратуры для заданных целей. Например, для контрольных целей вполне достаточно обеспечить диапазон 20 ... 25 дБ

(5 ... 2 000 мкВт/см2) .

Контрольные приборы (назовем их приборами груп­ пы К) удобно выпускать однотипными сериями, пред­ назначенными для включения в состав каждой РТС или узла. Задача другой группы (инспекторские и исследо­ вательские приборы — группа И ) — обследование облучаемости больших территорий в зоне работы станций. Динамический диапазон этих приборов составляет по

приборов этих типов должен быть намного выше, чем контрольных приборов. С учетом неравномерности ам­ плитудно-частотных характеристик ВЧ тракта измери­ телей приведенную величину динамического диапазона приходится увеличивать на 5 ... 10 дБ.

Шкальный и разовый ДД определяют удобство рабо­ ты с аппаратурой, от них зависит и скорость проведения измерений. В идеальном случае все три диапазона долж­ ны совпадать, но часто это невыполнимо. Поэтому при обеспечении общего ДД свыше 20... 30 дБ даже в по­ следних моделях измерительной аппаратуры приходится пользоваться дополнительными плавно-переменными ат­ тенюаторами, обеспечивающими разовый диапазон 40 ...

... 50 дБ, а свыше 50 ... 60 дБ — дополнительными по­ стоянными аттенюаторами по 20 ... 30 дБ.

Следует упомянуть еще один параметр—устойчивость к перегрузкам, который проще всего нормировать в де­

203

цибелах к мощности в рабочей точке на характеристике чувствительного элемента прибора — детектора.

4. Высшая точность измерения интенсивности в сво­ бодном СВЧ иоле, полученная в настоящее время (еди­ ницы процентов), достигается за счет высокой сложно­ сти и стоимости аппаратуры, требованием создания осо­ бых условий (исключением влияния побочных факторов и т. п.) и очень малой производительностью. С другой стороны, помещение ;в поле любого биологического тела с обычной пространственной структурной анизотропией настолько искажает это поле, что выдержать достигае­ мую в свободном поле точность, тем более при различ­ ных ракурсах освещения, оказывается фактически невоз­ можным и не имеющим смысла. Поэтому приведенную выше (§ 4.1) точность измерений интенсивности ±3 дБ (для некоторых случаев даже ±4 дБ) при всех видах измерительных работ, связанных с защитой человека, можно считать вполне достаточной.

В зоне действия одной или нескольких РТС интен­ сивность поля в различных точках обследуемого участ­ ка изменяется по столь сложному закону, что ее можно рассматривать как случайную функцию координат обсле­ дуемого объекта. Поэтому одиночное измерение, произ­ веденное в той или иной точке участка, мало о чем говорит. Для характеристики интенсивности поля в ок­ рестностях обследуемой . точки должны быть проведены измерения в возможно большем количестве точек и в ка­ честве действующего значения интенсивности на данном участке должно быть принято среднее значение. Необхо­ димая массовость измерений может быть получена толь­ ко с помощью высокоскоростной или автоматизирован­ ной аппаратуры.

Наконец, большое значение для правильной оценки облучаемости имеет (выбор методики, вернее методоло­ гии, обработки результатов. Например, ранее мы гово­ рили о полной необоснованности оценки облучаемости территории несинхронно вращающимися антеннами по сумме максимумов ППМ от всех станций. В этом отно­ шении одним из перспективных методов обработки результатов измерений можно считать оценку на осно­ вании известных дозных принципов, тем более с исполь­ зованием массовых измерений автоматизированными приборами—дозиметрами и измерителями мощности дозы.

204

5. Быстродействие* полностью определяет возмож­ ность проведения массовых измерений (имея в виду, что время измерения как правило ограничено), оно находит­ ся в прямой зависимости от функционального и конст­ руктивного решения. Применение прямопоказывающей системы регистрации (индикации), неполяризованный прием в широком телесном угле позволяет до минимума сократить время измерения. Степень эксплуатационных удобств, необходимость тщательной пространственной и поляризационной ориентации антенны также в значи­ тельной степени влияют на быстродействие аппаратуры.

Приборы, использующие тепловые принципы детекти­ рования, регистрацию с помощью инерционных стрелоч­ ных микроамперметров и косвенный отсчет, являются наименее быстродействующими измерителями. Быстро­ действие современных интенсиметров составляет 50 ...

.. .100 измерений в час.

6. Инерционность является «внутренним» параметром интенсиметрической аппаратуры, но тем не менее она является одним из основных параметров, определяющих быстродействие аппаратуры при измерении полей стан­ ций с перемещающимися диаграммами. Инерцион­ ность—это минимальное время действия сигнала, кото­ рое обеспечивает регистрацию результата с заданной точностью; инерционность современных лучших боломет­ ров и термопар оценивается величиной ІО”4. ..10”3 с, и поэтому инерционность аппаратуры, использующей эти элементы, в принципе не может быть меньше этой вели­ чины.

Применение диодного детектирования совместно с за­ поминанием и индикацией на электролюминесцентных приборах позволяет обеспечить инерционность аппара­ туры порядка 10~в. . .ІО-5 с. Это дает возможность произ­ водить измерения «на проходе», без остановки переме­ щения диаграммы излучателя, часто не меняя обычного режима работы станции.

* Здесь это понятие применяется для оценки скорости проведе­ ния всего цикла измерений, включающего обычно Следующие фазы: пространственный и поляризационный поиск (поляризационный поиск — поиск такого положения приемной антенны, когда устанав­ ливается заданное направление поляризации), проверка нуля, под­ готовка к отсчету и отсчет показаний. Быстродействие опреде­ ляется количеством измерений в единицу времени, например в час. При этом время на смену точек измерения, на изменение режимов излучения и другие процессы обычно не учитывается.

205

в исследуемое поле вызывает эффекты по меньшей мере трех видов:

—искажение первичного поля; при этом заранее предугадать такую структуру зонда, чтобы исключить или сильно уменьшить эти искажения, оказывается за­ дачей достаточно трудной, если вообще возможной;

—пространственное усреднение поля по приемной поверхности. Этот эффект проявляется в полях с явно выраженной пространственной неоднородностью (внутри

помещений с радиоаппаратурой и т. п.). Неучет этого эффекта приводит к значительной отрицательной погре­ шности в измерениях уровня поля, хотя на точности измерения дозы почти не сказывается;

— появление погрешности оценки биологической эф­ фективности поля на основании данных измерений из-за несоответствия электромагнитной структуры поля и того поля, для которого она рассчитана. Под этим углом зре­ ния «черное» тело в виде абсорбирующих шариков (на который возлагали большие надежды при разработке зондов с высокой пространственной и поляризационной изотропностью [151]) больше не кажется идеальным зон­

в общем случае не пропорционален ни одному из изме­ ряемых параметров поля: П, Е или Н.

Вообще говоря, можно предположить, что создание зонда, исключающего все три эффекта, в будущем едва ли возможно; разработка малогабаритных зондов с эф­ фективной поглощающей подложкой позволила в некото­ рой степени снизить влияние перечисленных эффектов, во всяком случае по сравнению с обычными полуволно­ выми антеннами, применяемыми в интенсиметрической аппаратуре первых типов; но до идеального решения, очевидно, еще далеко. Поэтому и сейчас продолжаются поиски датчиков для безантенных вариантов измерите­ лей, которые, возможно, со временем заменят сегодняш-

206

нйе приборы, построенные по традиционным схемам: ан­ тенна— детектор— (усилитель) — регистратор.

работка на основе известных методов специальной измерительной аппаратуры и, наконец, применение новых методов построения изме­

мисторных детекторов в зарубежных разработках интенсиметров поступают и сейчас. На этом же принципе построен и отечественный измеритель плотности мощности типа ПО-1.

1960 г. и далее — разработка новых принципов конструирования измерительной аппаратуры [65, 75а, 91, 93, 104 и др.].

Фото внешнего вида нескольких характерных моделей интенси­ метров показаны на рис. 6.1.1—6.1.3; параметры некоторых зарубеж­ ных и отечественных интенсиметров приведены в табл. 6.1.1, содер­ жащей также данные о требуемых на сегодня значениях этих пара­ метров. Из таблицы видно, что ни один из этих приборов не удовлетворяет современным требованиям [104].

Одним из универсальных приборов, предназначенных специально

практически во всем используемом спектре СВЧ: от сантиметрового до метрового диапазона. Детектором в нем служит термистор, обес­ печивающий усреднение импульсов от 20 мс и меньше (период следования импульсов выше 50 Гц), если пиковая мощность не вы­ ходит за пределы 50 Вт (паспортные данные). Прибор предназначен

2 0 7

для измерения полей в свободном пространстве и закрытых объемах. Весь динамический диапазон (30 ... 49 дБ) перекрывается использо­ ванием аттенюаторов и сменных антенн с разной эффективной по­ верхностью. Несмотря па большую массу измерителя мощности (около 10 кг), прибор удобен в работе, хотя требует большого времени для пространственной и поляризационной наводки антенны

* В самое последнее время пашей промышленностью выпущена модификация ПО-1— прибор ПЗ-9, более легкий и широкополосный измеритель поля. В нем, в частности, применимы широкополосные антенны (разработка Л. П. Лука), мост с использованием всего лишь одного стрелочного прибора и ряд других новшеств.

208