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

достаточно высокая пространственно-поляризационная изотропность реализуется в статистическом понимании, в расчете на существенную неопределенность перемеще­ ний антенны приемника вместе с корпусом человека. Для условий, когда место оператора относительно постоянно, дозу легко рассчитать на основании падающей ППМ и среднего времени облучения, и поэтому использовать дозиметры нецелесообразно. Кстати, антенны типа оди­ ночных вибраторов имеют диаграммы с очень узкими минимумами, поэтому возможность искажения результа­ тов индивидуальной дозиметрии даже для неподвижно­ го человека можно не принимать во внимание.

6.3.1. Существующие индикаторы поля. Функциональ­ ная схема индикаторов [22, 166] такова: антенна— (атте­ нюатор) — детектор— (усилитель) — амплитудный дис­ криминатор + расширитель импульсов — генератор сигна­ ла опасности — звуковой сигнализатор. Порог опасности устанавливается изменением затухания СВЧ аттенюато­ ра или порога срабатывания амплитудного дискримина­ тора. Для получения многопороговой индикации приме­ няют набор амплитудных дискриминаторов, переключаю­ щих либо амплитуду выходного сигнала, либо его ча­ стоту.

Практические схемы обычных индикаторов-сигнали­ заторов относительно просты. Основное внимание при их разработке приходится уделять экономичности устройст­ ва в ждущем режиме. Необходимость формировать и из­ лучать достаточно мощный сигнал опасности не позво­ ляет выполнить их совсем без источника питания, но ток в холостом режиме удается снизить до пренебрежи­ мо малых величин.

Детекторные схемы индикаторов являются сейчас основными для фиксации относительно небольших уров­ ней непрерывных колебаний. Для работы в импульсных полях высокой пиковой интенсивности (выше 60 320 мВт/см2) используются газонаполненные лампы [89]. Работа таких датчиков возможна в диапазоне 50 ...

3 000 МГц (см. табл. 6.1.2).

Вследствие возможного психологического влияния на персонал считается целесообразным применять приборы с немедленной сигнализацией опасности только в особо доказанных случаях, когда возможно воздействие уров­ ней или доз, безусловно опасных и требующих немед­ ленных мер защиты. В соответствии с современными

261

нормативами безусловно опасным уровнем следует счи­ тать величину 1 ... 10 мВт/см2 или даже более [85, 119а]. Применение системы сигнализации о кратковременном облучении полями меньших плотностей следует считать нецелесообразным.

Одна из практически применяемых схем однопорогового инди­ катора-сигнализатора [22] включает в себя антенну в виде элемен­ тарной рамки, диод-детектор (ДК-В4), однокаскадный усилитель постоянного тока, однополупериодный мультивибратор и затормо­ женный генератор низкой частоты, нагруженный на звуковой излу­ чатель ДЭМ-4. При достижении заданного уровня облучающего поля система выдает громкий звуковой сигнал на частоте 800...1000 Гц. Схема собрана в небольшом корпусе, питается от ба­ тарей, типа КБС и ФБС. Вследствие того, что в режиме ожидания потребляемый ток оказывается одного порядка с током саморазряда батарей, выключатель питания в приборе не предусмотрен. Прибор предназначен для работы в комнатных условиях.

Дополнение индикаторов уровня счетчиками времени (по каж­ дому уровню отдельно) позволяет получить простейшие устройства, фиксирующие время воздействия поля. Однако практического рас­ пространения такие индикаторы-дозиметры не получили: достаточно сложные схемно, обязательно с источниками питания, эти приборы, между тем, грубы и неточны; несмотря на кажущуюся простоту формы результатов измерения, объективная оценка опасности с по­ мощью таких приборов практически невозможна. Поэтому в на­ стоящее время для учета временных характеристик воздействия используются дозиметры, показания которых пропорциональны ин­ тегралу плотности потока мощности по времени.

6.3.2. Дозиметры радиоизлучений. Дозиметры радио­ излучений в зависимости от принципа отсчета дозы можно разделить на два типа в соответствии с прин­ ципами нормирования, принятыми в обеих странах, раз­ рабатывающих дозиметры; в СССР и США. В дозимет­ рах обоего типа фиксируется величина накопленной дозы за некоторое время. В СССР величина этого времени ненормирована, и все отечественные дозиметры строятся по типу накопителей за более или менее про­ должительное время. В США величина Та строго нор­ мирована. До недавнего времени отдельными ведомства­ ми США она была установлена равной 30 с [101]. С введением в 1966 г. единого стандарта США (USAS С.95.1—1966 [85]) она была увеличена до 6 мин. Таким образом, при сокращении времени воздействия Тв от

вого (за каждые 6 мин) воздействия доли минут и менее. Схемы дозиметра, построенные по этому типу, берут пробы ППМ за выбранное время усреднения и перио-

262

дически сравнивают ее с нормативной величиной:

тД П(і)і№му=%-.

6

Левая часть неравенства — это фактически выраже­ ние для мощности дозы, поэтому приборы, работающие по такому принципу, правильнее называть измерителями мощности дозы. Эти приборы уже построены и исполь­ зуются, в частности, в США, но непригодны для исполь­ зования в соответствии с принятыми у нас нормативами. Действительно, измерители мощности дозы с регистра­ цией дискретных доз, или дискрет-дозиметры, имеют кратковременную память, соответствующую установлен­ ным Д н и Гн (обычно Дн~0,3 Дж/см2 при Гп*®102...

ІО3 с и поэтому не могут дать представление об облу­ чаемое™ человека в течение сколько-нибудь длительно­ го времени. Эту функцию могут выполнить дозиметры второго типа, фиксирующие плотность падающей дозы в реальном времени, т. е. определяющие величину, про-

Т

порциональнуго fl(t)dt, где Г — время измерения.

5

В зависимости от назначения, память таких реал-дози­ метров может составлять от нескольких единиц до сотен джоулей на квадратный сантиметр при времени непре­ рывной регистрации единицы и сотни суток.

Общим в конструкциях дозиметров и измерителей мощности дозы является наличие элементов памяти инте­ грала уровня по времени. Элементы памяти реализуются, в основном, двумя способами: с помощью интегрирова­ ния тепла, выделяемого при абсорбции электромагнитной энергии телами с высокой тепловой инерцией (антенные

ибезантенные варианты) или с помощью интегрирова­ ния тока детектора (термистора, термопары, кристалли­ ческого диода и т. п.), включенного на выходе антеннызонда. Достоинством приборов, выполненных первым способом, является возможность обойтись без детектора

идаже без антенны, однако безантенные варианты до­ зиметров имеют очень низкую чувствительность и под­ вержены влиянию внешних тепловых помех. Действи­ тельно, в среднем тепловые потоки от тела «стандарт­

ного» человека в спокойном состоянии и дополнитель­ ный поток энергии при облучении его средней плотно­

263

стью мощности порядка 10 мВт/см2 считается равным соответственно 77 ... 89 и 57,5 Вт, а тепловой поток от человека, выполняющего умеренную работу — 293 Вт*, поэтому выполнить безантенные дозиметры для индиви­ дуального пользования не удается (даже при лучшем ре­ шении вопроса нейтрализации антенного эффекта устройств ввода температурных датчиков). Насколько можно судить по данным, имеющимся в доступной ли­ тературе, испытания первого безантенного бездетектор-

чувствительности и помехозащищенности эти дозиметры требуют применения высокоэффективных и, следова­ тельно, высоконаправленных антенн, а поэтому тоже могут быть реализованы только в виде стационарных конструкций, предназначенных для регистрации излуче­ ний с одного заранее известного направления.

Все известные к настоящему времени реал-дозимет­ ры в носимом или стационарном исполнении сделаны в виде антенно-детекторных устройств. Динамический диапазон диодных детекторов (тем более по пиковым уровням) намного шире, чем, например, термопар или термисторов, однако это достоинство, как известно, реа­ лизуется только при использовании высокочувствитель­ ного усилителя. Возможность и необходимость работы при относительно высоком входном сигнале благоприят­ ствует применению в диодных детекторных дозиметрах малочувствительных, но зато широкополосных антеннзондов вместе с согласующими аттенюаторами, сглажи­ вающими частотные характеристики зондов.

6.3.3.Элементы памяти реал-дозиметров. Детекторные антенные

ибезантенные дозиметры используют внешние элементы памяти,

выполняемые па отдельных элементах: химических или механиче­ ских интеграторах.

* В одной из известных работ Мамфорда [85] определение стан­ дартного человека дано так: площадь поверхности его тела равна 1,858 м2 (такова поверхность тела мужчины ростом 1,73 м и весом 69,85 кг) с температурой кожного покрова 35 °С. Эквивалентная по­ верхность тела, через которую осуществляется теплообмен путем конвекции и испарения, составляет 1,81 м2 и, кроме того, 1,44 м2 для теплообмена, обусловленного всенаправленным излучением,

2 6 4

биологической защиты высокая абсолютная точность не имеет зна­ чения, поэтому из-за явных недостатков механических счетчиков (сложности и неэкономичности схемы управления, больших габари­ тов и массы чувствительности к механическим воздействиям и ма­ лой надежности) в новых разработках они, как правило, не при­ меняются.

Рассмотрим несколько типов химических интеграторов, пригод­ ных для работы в дозиметрах СВЧ.

Электрохимические (химотронные) интеграторы (кулометры) [76], основанные на изменении концентрации вещества в опреде­ ленном объеме в зависимости от протекающего через него количе­ ства электричества, называются диффузионными и выполняются обычно в виде двух-, трехили четырехэлектродных систем, по­ мещенных в электролит (например, типа йод-йодид: раствор кри­ сталлического йода в йодиде калия KJ).

В двухэлектродных интеграторах отсчет показаний производит­ ся наблюдением за цветом раствора или измерением возникающего между электродами так называемого концентрационного напряже­ ния, которое находится в определенной функциональной зависимо­ сти от интеграла протекавшего тока по времени. Величина этого напряжения находится в пределах —10...+ 80 мВ; его можно изме­ рить после окончания цикла работы внешними милливольтметрами.

Интеграторы-триоды позволяют вести непрерывное считывание интеграла измерением сопротивления электролита в анодкамере, однако они обладают относительно небольшой памятью и для «улуч­ шения» памяти применяют четвертый (экранный) электрод. Недо­ статком тетродов, особенно заметных в схемах, предназначенных для работы в течение длительного времени, является необходимость в источнике питания как в режиме считывания, так и в режиме записи. Во многих случаях наличие на входе концентрационного напряжения является недостатком прибора.

Интеграторы дискретного действия предназначены для регистра­ ции определенного количества электричества, прошедшего через прибор. Такие интеграторы выполняются в виде герметичной за­ полненной электролитом (обычно раствором хлористого натрия) стеклянной ампулы с двумя или тремя электродами, на один из которых нанесено определенное количество вещества. После пере­ носа всего количества этого вещества резко изменяется падение напряжения па электродах; это изменение напряжения и исполь­ зуется для отсчета заданного количества заряда.

0,01... 1000 мкА, в импульсном режиме до 1 А. Для одного типа интеграторов отношение максимальных и минимальных рабочих то­ ков находится в пределах 20 и более.

Мемисторы — химотронные интеграторы, основанные на измене­ нии сопротивления проводника в результате осаждения на него металла или анодного растворения. В одном из типов мемистров используется осаждение меди из раствора медного электролита на пленку или проводник из металла с высоким удельным сопротив-

2 6 5

лёнием. Для измерения сопротивления провода или пленки при счи­ тывании применяются мосты переменного тока.

Мемисторы отличаются очень высокой памятью (потери порядка

до десятков и сотен ом. Мемисторы по сравнению с интеграторами диффузионного типа весьма температуростабильны и устойчивы к ударным нагрузкам и вибрациям. Основной режим работы мемисторов — счет импульсов постоянной амплитуды; известно также применение мемисторов для высокочастотной модуляции и в каче­ стве управляемых сопротивлений.

Ртутные капиллярные кулометры (РКК), или ртутные счетчики времени, весьма интересны с точки зрения применения в СВЧ ра­ диометрах. РКК состоит из стеклянного заполненного ртутью ка­ пилляра. Между столбиками ртути находится капля электролита, содержащего одновалентные или двухвалентные ионы ртути. При протекании через систему ртуть — электролит — ртуть тока столбик ртути с положительной полярностью будет уменьшаться в резуль­ тате анодного растворения, а столбик ртути с отрицательной поляр­ ностью увеличиваться в результате осаждения на нем ртути. Для отсчета длины перемещения электролита на капилляре нанесены риски. Если необходима регистрация определенных количеств элек­ тричества, в капилляр впаиваются электроды, позволяющие осуще­ ствлять дискретный электрический съем показаний.

РКК нормально работают в режиме интегрирования тока не

положения относительно вертикали, поэтому для работы в обычных схемах линейного интегрирования тока последовательно с РКК должен быть включен резистор с большим сопротивлением. Чув­

пропорционально квадрату диаметра. С двухвалентной ртутью чув­ ствительность РКК снижена вдвое. Погрешность работы РКК — единицы процентов; этой же величины не превышает дискретность визуального отсчета.

Водородные кулометры основаны на использовании выделения или поглощения газа в результате электролиза. В водородных кулометрах используется выделение водорода в результате электро­ лиза водных растворов щелочи или кислоты. Водородный кулометр состоит из встроенной в замкнутую стеклянную трубку системы платиновых электродов, между которыми находится фильтр, про­ питанный раствором серной кислоты. При прохождении между элек­ тродами тока на катоде будет выделяться водород; на аноде водо­ род с такой же скоростью будет поглощаться. Появившаяся раз­ ность давлений фиксируется по перемещению столбика жидкости, помещенного в капилляр. К числу важных достоинств газовых ку-

реверсивными счетчиками, т. е. при изменении направления тока изменяется и направление отсчета интеграла.

2 6 6

6.3.4. Применяемые конструкции дозиметров СВЧ.

Описаний конструкций дозиметров СВЧ в литерату­ ре можно найти немного. Из дискрет-дозиметров извест­ ны фактически только два. Уже упоминавшийся нами дозиметр Ричардсона [190] выполнен на материале (же­ латине), близком по структуре к телу человека. Посто­ янная времени дозиметра — всего 6 мин, поэтому он принципиально не может быть использован для долго­ временного контроля. Основным недостатком прибора является очень высокая зависимость показаний от внеш­ них тепловых помех. Например, при выносе прибора из комнаты наружу или прикосновении руки оператора изменения показаний оказываются во много раз боль­ шими, чем при облучении.

Дискрет-дозиметр, описанный в [101], — антенный детекторный прибор с кратковременной памятью на тет- род-солионе. Дискретность по времени — 30 с, номиналь­ ный средний уровень— 10 Мвт/см2. Индикация световая и звуковая. Имеется три порога срабатывания по 30-с дозе, соответствующие трем степеням опасности при на­ коплении 0,3; 0,6 и 3 Дж/см2. В прибор встроена система плавной индикации доз с использованием сложной элек­ тромеханической системы отслеживания на сериесном двигателе. Сложность схемы, громоздкость конструкции, низкую чувствительность (всего 0,1 мВт/см2), простран­

автоматического радиометра) следует отнести к явным недостаткам прибора.

Долговременные дозиметры, разрабатываемые в на­ шей стране последние 10—12 лет, являются антенными детекторными приборами. Начиная с 1962 г. в Институ­ те физических проблем АН СССР дозиметрические мето­ ды используются для оценки облучаемости во время лабораторного эксперимента. Для этого в физической лаборатории института разработаны и построены два

с объемом памяти 10 Дж/см2 и карманный, интегриру­ ющий величину падающей плотности мощности от 0,1 до 10 мВт/см2 с объемом памяти 100 Дж/см2. Дозимет­ ры предназначены для измерения непрерывной СВЧ мощности в диапазоне 0,3 ... 3 ГГц, точность измерения дозы ± 3 дБ.

2 6 7

В стационарном дозиметре для увеличения амплитудно-поля­ ризационной изотропности * применяется периодическое сканирование антенны-зонда (магнитной рамки) с помощью моторчика и криво­ шипно-шатунного механизма. За основу усилителя постоянного тока положен фотокомпенсационный усилитель типа Ф17/1, нагру­ женный на микроамперметр (для наблюдения за величиной плот­ ности облучающего поля) и предварительный накопитель тока на емкости. При каждом сбросе накопленного заряда отсчитывается

Рис. 6.3.1. Внешний вид кар­ манного дозиметра радиоколе­ баний, разработанного в Ин­ ституте физических проблем АН СССР.

чения облучающего генератора при превышении заданных пороговых значений плотности мощности (600 мкВт/см2) и дозы (9 Дж/см2).

В карманном дозиметре применена одна неподвижная антенназонд того же типа, что и в стационарном, и механический декад­ ный счетчик. Схема выполнена полностью на транзисторах. Размеры и вес дозиметра позволят носить его в нагрудном кармане. Для наблюдения результата сбоку в верхней части прибора расположено окно счетчика с четырьмя цифрами (рис 6.3.1).

Необходимость в источнике питания, ненадежность конструкции из-за наличия относительно сложной схемы и, главное, механического счетчика, большие габариты и масса не позволяют использовать оба типа дозиметров за пределами научно-исследовательских лабораторий. Поэтому в последнее время появился ряд конструкций долговременных дозиметров на химических интеграторах тока, обладающих существенными преимуществами пе­ ред приборами с механическими счетчиками. Использо­ вание в одном из таких дозиметров высокочувствитель-

* Амплитудно-поляризационная изотропность •— произведение коэффициента изотропности диаграммы на коэффициент поляризации.

2 6 8

ного водородного интегратора значительно упростило схему прибора, которая состоит из трех основных эле­ ментов: антенный узел — выпрямитель (детектор)— ин­ тегратор. Антенный узел выполнен в виде двух элемен­ тарных рамок, плоскости поляризации которых сдвину­ ты одна относительно другой на 90°; сложение сигнала происходит уже после детектора. Таким образом, дози-

Рис. 6.3.2. Схема индивидуального дозиметра на водородном инте­ граторе.

метр (рис. 6.3.2) имеет две антенны /, 2, закрытые полу­ проводящими чехлами 3 и 4, выполняющими роль пред­ варительных аттенюаторов, Антенны нагружены на

тельны к тряскам. Кроме того, из-за нелинейности ха­ рактеристик диода детектора точность измерения дозы сильно зависит от динамического диапазона сигнала *.

* Вообще говоря, нелинейность интегрирования является только одним из нескольких недостатков конструкций дозиметров, разрабо­ танных к настоящему времени. В частности, пока приходится ми­ риться с существующей амплитудно-поляризационной анизотропией диаграмм зондов, с необходимостью калибровки дозиметров раздель­ но для импульсных и непрерывных колебаний и т. д.

2 6 9

Для компенсации этих искажений предложено, напри­ мер, в цепь интегратора включать варистор, характери­ стики которого подбираются в соответствии с использо­ ванным диодом.

По-иному решена задача компенсации нелинейности цепи детектор-интегратор в СВЧ дозиметре с РКК [27,95].

Для этого используется обрат­ ный характер зависимостей: с одной стороны, сопротивле­ ния или напряжения от тока РКК, а с другой ■— тока от входной мощности полупровод­ никового диода (рис. 6.3.3).

Рассмотрим возможность взаимной компенсации нели­ нейностей диода и куломет-

ра при их последовательном соединении. Ток I в цепи последовательно соединенных диода Д (представлен­ ного в виде источника с э. д. с. <§, зависящей от вход­ ной мощности Р и внутреннего сопротивления гг), кулометра с внутренним сопротивлением R(I) и добавочного сопротивления гд (рис. 6.3.4):

можно аппроксимировать относительно простой функ­

где АРк= £ (Р); т. е. АРк= сР~п\ возможность аппрок­ симации <§ (Р) в виде АРк также определена экспери­ ментально.

Можно показать, что при полной компенсации раз­ мах величины погрешности 2А для случая, когда отно­ шение максимальной интегрируемой величины ППМ Ямакс к минимальной Ямин равно 100 (обычное значе­ ние), будет выражаться формулой

2 7 0