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

вать годовые, месячные пределы дозы, устанавливая тем самым определенные коэффициенты запаса.

Выбор критерия опасности может считаться правиль­ ным, если он хотя бы приблизительно совпадает с кри­ териями, выбранными для нормирования других сани­ тарно-гигиенических и психофизиологических профвред­ ностей. Такого совпадения при существующих сверхже­ стких нормативах СВЧ пока еще наблюдать не удается.

Идеальной (гипотетической) схемой установления допустимых пороговых норм была бы следующая (по М. Левину):

1 ) численно выражается изменение совокупности характерных показателей организма под воздействием электромагнитного поля (точнее, его характерных параметров);

2 ) устанавливаются экстремальные значения этих показателей, которые могут быть приняты допустимыми для человека на основа­ нии тех или иных критериев;

3)устанавливается однозначная функциональная связь между показателями реакций организма и тем или иным параметром или группой параметров электромагнитного поля;

4)устанавливается значение параметра или группы параметров электромагнитного поля, который согласно п. 2 считается допусти­ мым для человека; это значение и принимается в качестве норма­ тивного.

Однако на практике эта схема не может быть реализована по следующим причинам.

1. Воздействие электромагнитного поля на живой организм, как это показано выше, чрезвычайно разнообразно, и вопрос о чис­ ленном выражении действия электромагнитного поля в целом в на­ стоящее время даже не ставится. Реакция организма на действие электромагнитного поля характеризуется чисто качественными по­ нятиями, соответствующими состоянию организма, как то: «чувстви­ тельность к воздействию», «ухудшение самочувствия», «появление определенных обратимых последствий» и т. д. Одно или несколько из перечисленных состояний и принимается за критерий допустимого действия электромагнитного поля.

2. Реакция организма зависит не только от количества энергии электромагнитного поля, поглощенной организмом, но и от частоты поля и, как показывают наблюдения, от других параметров поля, в частности параметров импульсной модуляции. Поэтому установить однозначное соответствие между состояниями организма и одним или небольшой группой параметров поля не представляется воз­ можным.

Поэтому в качестве нормируемого параметра электромагнитного поля принята энергия электромагнитного поля, падающего на едини­ цу площади поверхности человека при частоте, соответствующей наи­ более выраженной реакции организма. Такой способ нормирования является данью практической невозможности пронормировать все ■параметры электромагнитного поля, которые определяют воздействие поля на организм человека.

При изучении биологической стороны вопроса норми­ рования любого фактора, в том числе и СВЧ поля, наи-

60

более ответственен выбор достаточно информативных и доступных для экспериментального исследования дей­ ствительно «критических» показателей организма. Неко­ торые из этих показателей приведены в § 2.2; в ра­ боте А. Н. Либермана, М. С. Саковской, В. В. Оробея, И. Э. Бронштейн и А. П. Чеснокова [119а] в качестве таких показателей выбрано количество хромосомных перестроек, плодовитость, некоторые количественные ха­ рактеристики потомства (вес, процент выживаемости, степень вырождения и т. д.), а также иммунологические показатели состояния организма.

Для удобства практического использования норм в них записана допустимая ППМ в зависимости от времени облучения, а необходимая для биофизических экспериментов и практических работ измерительная СВЧ аппаратура строится в виде измерителей плотности потока мощности *. При взаимодействии живого тела с электромагнитным полем переплетается масса эффек­ тов, из которых на первый план обычно ставят тепло­ вые. Тепловой нагрев — это простейший вид преобразо­ вания энергии в биологических средах. Расчет выделен­ ного тепла обычно не вызывает особых трудностей и, как правило, хорошо подтверждается экспериментально; он во многом соответствует наблюдаемым физиологиче­ ским эффектам и поэтому в настоящее время принят во всех известных нормативах за основу при нормиро­ вании радиоизлучений СВЧ. Действительно, именно на СВЧ обнаруживается наибольшее поглощение радио­ волн телом человека (коэффициент поглощения близок к 0,5 [117]), степень опасности легко связывается с до­ пустимым нагревом определенных жизненноважных ор­ ганов (глаза, гонады).

Другой важный параметр облучения, характеризую­ щий воздействующую на биообъект энергию, — время усреднения импульсных сигналов — определяется пока не соображениями биологического характера, а посто­ янной времени применяемых измерителей. Таким обра­ зом, сейчас измеряется ППМ средняя за период повто­ рения генерируемых импульсов, но максимальная за

* В странах Запада ППМ является единственным регистрируе­ мым параметром практически во всем диапазоне радиочастот (от Ю кГц до 100 ГГц [85, 173]), при этом имеется в виде плотность мощности, усредненная за определенное время (по новому стандар­ ту США — за 6 мин).

61

Период повторения импульсов, определяемых перемещён нием луча в пространстве (например, из-за вращения антенны). До сих пор для большинства ситуаций было характерно четкое разграничение между значениями этих периодов в первом и во втором случаях (различие со­ ставляло несколько порядков), а на редкие промежуточ­ ные случаи, не охватываемые нормативами, приходилось просто не обращать внимания. Обычным считалось (для диапазона СВЧ) и облучение бегущей волной. Между тем, сейчас, с появлением антенных систем с электри­ ческим сканированием и постепенным заполнением су­ ществующих «пустот» в частотах повторения воздейст­ вующего на человека СВЧ поля, далеко не всегда оцен­ ка степени воздействия ЭіЧП на человека только по уровню плотности мощности оказывается достаточно полной. Поэтому в некоторых случаях, рассмотренных ниже (сейчас они не приняты официально, но встречают­ ся в практике все чаще и чаще), принятую оценку поля по уровню ППМ приходится дополнять или заменять другими методами — методами оценки воздействия по энергии (а не раздельно по уровню поля и времени); изменяются представления и о регистрируемых параме­ трах воздействующего поля, необходимых и достаточных для полной оценки биоэффективности.

3.1. О ВЫБОРЕ РЕГИСТРИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Можно выделить три основные причины разнообра­ зия в выборе регистрируемых параметров поля при раз­ работке измерительной аппаратуры и методов измере­ ния, проводимого в интересах защиты человека:

1)усложненность и разнообразие электромагнитной обстановки, с которой приходится сталкиваться на прак­ тике;

2)ограничения в возможностях измерительной аппа­ ратуры;

3) наличие специфических биоэффектов, открытых в последнее время

Если поместить в поле бегущей волны радиоконтрастное тело, каковым, в частности, является организм человека или животного для воздушной среды, картина поля из-за отражений от поверхности раздела сред нарушается, появляются признаки стоячей волны. Это искажение поля, как и изменение условий поглощения, в общем слу­ чае при измерениях не учитывается. Допускаемая при этом ошибка

62

меняющихся как 1/R2 и 1/К3, резко возрастает по сравне­ нию с изменением в волновой зоне. Для элементарного электрического диполя можно записать [146]

неизбежно приводя к занижению оценки опасности вбли­ зи излучающих устройств, если особенности структуры поля в зоне индукции не учтены при обработке резуль­ татов измерений или соответствующей конструкцией из­ мерительной антенны-зонда.

В настоящее время раздельное влияние электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в диапазоне СВЧ изучено крайне слабо, поэтому в каче­ стве первого приближения имеет смысл искать общую

мощности Пср, средней по сфере радиуса R, на котором находится абсорбирующий биообъект, т. е. поток энер­ гии, определяемый совместно амплитудой напряженно­ сти активной и реактивной составляющих поля. Это

удобно сделать введением комплексного вектора /7 П,

который определяет полную амплитудную мощность, проходящую через единичную площадку в направле­ нии положительной нормали к поверхности помещен­ ного в поле абсорбирующего тела. Для дальнейшего

полезно продолжить рассмотрение элементарного ди­ поля*.

Комплексное значение /7ср электрического диполя определено в [146] путем интегрирования нормального

64

компонента выражения для комплексного вектора Пойн-

гии, вытекающей через сферическую поверхность, т. е. определяет радиационные потери осциллирующего ди­ поля. Они не зависят от радиуса сферы, но сильно зави­ сят от частоты.

Мнимая часть выражения (3.1.6) зависит от 1/R3 и незначительно — от частоты. Именно эта составляющая поля диполя определяет в основном мгновенную ампли­ туду потока в поле индукции на очень малом расстоя­ нии от диполя. Мнимая часть выражения (3.1.6) связа­ на с энергией, которая одну половину периода вытекает из источника, а другую —возвращается обратно.

Нас интересует суммарная плотность потока мощно­ сти, воздействующей на биообъект, если он находится в зоне действия диполя на любом от него расстоянии R. В этом случае его величина может быть определена из

где а и ß — действительная и мнимая части выражения (3.1.6). Для свободного пространства е = ео, ц = цо,

с= (цоео) 1/2, тогда

(3.1.8)

Именно эта плотность мощности осциллирующего элек­ трического диполя будет воздействовать на биообъект,

ридиональной плоскости, проходящей через диполь, и имеет радиальную и поперечную компоненты. Линии вектора Е являются концентрическими окружностями во­ круг оси диполя (как для электрического диполя — ли­ нии вектора Н). Зная величину магнитного диполя, мож­ но подсчитать и плотности мощности Лер. Однако на практике узнать величину дипольного момента обычно не удается. Поэтому есть смысл искать не абсолютное значение Лср, а отнесенное к величине радиационных по­ терь диполя. Эти потери измеряются обычным измерите­ лем ППМ, а математически выражаются действительной частью формулы (3.1.6), деленной на площадь сферы 4лR2. Итак,

Величину / назовем коэффициентом реактивности. Чис­ ленно он показывает, во сколько раз мгновенная ком­ плексная плотность мощности всех составляющих поля элементарного диполя больше ППМ, измеренной на том же расстоянии.

Щель в непрозрачном экране (например, в кожухе шкафа с генераторной аппаратурой, в стенке волновода

66

биологическая эффективность которого в диапазоне ВЧ считается менее выраженной. Конечный биологический эффект этих двух сторон взаимодействия поля индукции и органического тела пока еще не найден.

3.2. ФОРМЫ НОРМИРОВАНИЯ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ

В § 3.1 сделана попытка определить и выбрать еди­ ницы измерения. Это только первый этап, позволяющий подойти к обоснованному учету амплитуды и структуры поля. Возможность учета времени также рассматрива­ ется ниже.

Большое разнообразие предложенных различными авторами [50, 74, 84, 101, 158] подходов к нормированию СВЧ излучений порождено не столько «качественным» различием поля, сколько усложнением пространственновременных характеристик воздействия его на организм человека в производственных и лабораторных условиях (см. табл. 3.2.2). Именно поэтому вопросу нормирования нестационарного облучения уделяется сейчас большое внимание.

3.2.1. Способы нормирования прерывистых воздейст­ вий. Наиболее простым из способов является нормирова­ ние по максимальной ППМ или по сумме ППМ источ­ ников, если их несколько [35]. Оба они позволяют учесть влияние всех некогерентных источников, воздействую­ щих на организм одновременно и постоянно. Для вра­ щающихся антенн, однако, эти способы не адекватны: ведь обычно время воздействия поля при вращении, ска­ нировании различно для разных антенн; даже для одной антенны на разных расстояниях скважность воздействия изменяется в пределах от половины до ^отых долей. При оценке по первому методу разгрузка организма во время паузы, длящейся в 2 ... 100 раз дольше самого воздей­ ствия, не учитывается. Еще менее обоснован второй под­ ход: расчет показывает, что вероятность скрещивания лучей 2—3-х антенн с обычными параметрами диаграмм обычно не превосходит ІО-2 ... ІО-4; соответственно сни­ жается и опасность воздействия излучений всех РЛС одновременно. Ошибка при таком подходе к нормирова­ нию поля излучателей с вращающимися антеннами, имеющими обычную ширину порядка единиц градусов,' может дополнительно составить 10 . .. 100 раз в сторону завышения опасности.

68

3.2.2. Интегральный (дозный) подход к оценке био­ логической эффективности поля. Несомненно, более гиб­ ким является интегральный (дозный) подход к оценке нестационарных излучений, который основывается на сравнении интеграла падающей плотности мощности (по определенному отрезку времени облучения), называемо­ го обычно плотностью падающей дозы (ППД) или про­ сто дозой *,

этого же отрезка времени нормирования Г„ [22, 91, 92, 158, 182].

Дозный подход может быть предложен и в виде нор­ мирования уровня ППМ, среднего за время Ти. Если это время меньше суток, то это, по сути, дискретная доза, мощность дозы **. Если нормируемое время равно сут­ кам, то дозирование оказывается неразрывным по вре­ мени и мы имеем дело с дозой в реальном времени — назовем ее реал-дозой или просто дозой. Реал-доза по­ зволяет определить суммарную степень облучения субъ­ екта за продолжительное время: за сутки, месяц, год или за всю жизнь человека. Обычно она вводится вме­ сте с ограничением по мощности дозы — ППМ, средней за какое-либо непродолжительное время, например за

десятки или сотни секунд

о

Индекс (Гн) при М означает, что нормируется, измеря­ ется или рассчитывается мощность дозы (т. е. усредня­

* В гигиене встречается три понятия «дозы». Под дозиметрией иногда понимают всякое измерение в интересах техники безопасно­ сти; в радиационной гигиене под дозой понимают поглощенную часть падающей энергии (в диапазоне СВЧ величину относительно ста­ бильную). В нашем случае понятие дозы введено выражением (3.2.1). В системе СИ ему соответствует понятие «поверхностная плотность энергии излучения».

** Полное название «мощность плотности падающей дозы». В системе СИ соответственно «мощность поверхностной плотности энергии излучения». По аналогии с дозой ее иногда называют мозой.

69