Курбатов В.А.

Лабораторная работа № 11Э

Исследование воздействия электромагнитных полей (СВЧ диапазона)

на биологические объекты

по курсу

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ Учебно-методическое пособие

Для студентов направлений:

11.03.02; 09.03.02; 15.03.04; 27.03.04; 09.03.03

Издание утверждено на заседании кафедры ЭБЖиЭ. Протокол № 2 от 12.09. 2023 г.

Издание утверждено советом факультета КиИБ. Протокол № 2 от 21.09.2023 г.

Рецензент: старший преподаватель Жукова Ж.С.

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11Э

(работа выполняется на компьютере) ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить методику измерения интенсивности излучения электромагнитной энергии в СВЧ диапазоне с использованием компьютерных технологий. (Приложение №1)

Воздействие СВЧ полей на биологические объекты

Классификация электромагнитных полей по радиодиапазонам, принятая в гигиениче-

ской практике, приведена в таблице 1.

Установки и сооружения связи, выполняя свои функции, могут создавать зоны высокой интенсивности СВЧ излучения. Известно, что электромагнитные излучения при уровнях, превышающих, гигиенические нормативы, могут вызывать в живых тканях организма определенные функциональные изменения и нанести ущерб здоровью людей.

В переменных электромагнитных полях свойства живых тканей оказываются зависящими от частоты. Уже давно экспериментально установлено, что биологические объекты наиболее чувствительны к радиоволнам диапазона СВЧ. Поля других частот из радиодиапазона оказывают существенно меньшее влияние, причем, это влияние отчетливо проявляется только при больших статистических выборках. Редко удается установить однозначное соответствие между интенсивностью воздействующего поля и реакцией организма. Вид и степень воздействия электромагнит-

3

ного поля во многом зависит от соотношения между длинной волны излучения и размерами объектов, на которые оказывается воздействие. Как следует из данных, приведенных в Таблице № 1,

длина волны в диапазоне СВЧ близка не только к линейным размерам всех органов человеческого тела, но и к толщине слоёв ткани. Этим в значительной степени объясняется тот факт, что волны именно этого диапазона оказывают наиболее сильное воздействие на жизнедеятельность человеческого организма.

Даже для качественного анализа воздействия ЭМП на биологические структуры необходимы фундаментальные знания в области биофизики и биохимии. Поэтому приведем лишь некоторые данные, которые установлены в результате экспериментов над животными и добровольцами.

Установлена статистически достоверная связь между воздействием СВЧ излучения и ростом числа онкологических заболеваний у подопытных животных.

Глубина проникновения поля СВЧ в ткани составляет несколько сантиметров. Поглощение в поверхностном слое приводит к повышению температуры организма. На добровольцах было установлено, что облучение 100 см2 поверхности тела человека на частоте 2.5 ГГц с плотностью потока мощности 1 Вт / см2 в течение 5 минут приводит к повышению температуры тела на пять градусов Повышение температуры за счет облучения даже небольших участков тела, особо чувствитель-

ных к повышению температуры (хрусталик глаза, мозг, половые органы, желчный пузырь), может привести к необратимым изменениям в этих органах.

Люди, длительное время работающие под воздействием СВЧ излучения, быстро утомляются, у них появляется бессонница, головные и сердечные боли, повышается раздражительность. Весьма чувствительны к воздействию СВЧ полей иммунная и эндокринная системы.

Есть литературные данные о том, что даже малые дозы облучения могут вызывать генетические заболевания.

Особенно чувствительны к воздействию электромагнитных полей эмбрионы, дети и юноши.

Нормирование допустимых уровней воздействия полей СВЧ

При нормировании допустимых уровней воздействия ЭМП отмечается три зоны, кото-

рые различаются по расстояниям от источника излучения.

сформирована и на человека оказывает действие напряженность электрического поля и магнитного поля независимо друг от друга.

4

По значениям интенсивности ЭМИ РЧ. Такая оценка производится для лиц, работа или обучение которых не связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния ЭМИ РЧ. Это лица не прошедшие предварительных обследований и у них нет медицинского положительного заключения по возможности пребывания в соответствующих зонах. Также это лица, не достигшие 18 летнего возраста, беременные женщины и люди находящиеся в жилых помещениях.

Т.о. в диапазоне частот 30 кГц – 300 МГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями напряжённости электрического поля (Е, В/м) и напряжённостью магнитного поля (Н, А/м).

В диапазоне 300 МГц – 300 ГГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями плотности потока энергии (ППЭ, Вт/см2) .

Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ (ЕПДУ, НПДУ, ППЭПДУ) в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня и допустимое время воздействия в зависимости от интенсивности ЭМИ РЧ определяются по формулам:

ЕПДУ = (ЭЭЕпду/ Т)1/2; Т = ЭЭЕпду/ Е2; НПДУ = (ЭЭНпду/ Т)1/2; Т = ЭЭНпду/ Н2; ППЭПДУ= ЭЭППЭпду/ Т; Т = ЭЭППЭпду/ ППЭ.

Предельно допустимая интенсивность воздействия от антенн, работающих в режиме кругового обзора, или сканирования с частотой не более 1 Гц и скважностью не менее 20

определяется по формуле: ППЭПДУ = k * ЭЭППЭпду/ Т;

Где k – коэффициент ослабления биологической активности прерывистых воздействий, равен 10. Независимо от продолжительности воздействия интенсивность не должна превышать максимальных значений (например, 1000 мкВт/ см2 для диапазона частот 300 МГц – 300 ГГц). При локальном облучении, к примеру кистей рук ППЭПДУ = 5000 мкВт/ см2 и не более.

Предельно - допустимые уровни ЭМИ РЧ для населения, лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности (таблица№3).

6

Методы защиты от воздействия СВЧ излучения

Защита от ЭМП - цикл работ, направленный на обеспечение безопасности людей (непосредственно связанных с ЭМП или проживающих вблизи станций) находящихся в зоне действия радиопередатчиков. В настоящее время разработано и освоено много способов и средств защиты людей от радиоизлучений. Их условно можно разделить на:

1. Защита временем; 2. Защита расстоянием; 3. Снижение интенсивности излучения непо-

средственно в самом источнике излучения; 4. Экранирование источника излучения;

5. Защита рабочего места от ЭМП; 6. Экранирование обслуживающего персонала путем ис-

пользования индивидуальных способов защиты.

1.Защита временем применяется в тех случаях, когда отсутствует возможность уменьшить интенсивность ЭМП до ПДУ. Допустимое время облучения находят

из выражения : T = W/ ППЭ пду; Т=ЭЭе/ Е2 пду ;

2.Защита расстоянием применяется, если нельзя снизить интенсивность облучения другими способами, в том числе и сокращением времени пребывания человека в зоне облучения. Определить безопасное расстояние при обслуживании ВЧ и УВЧ генераторов можно с использованием выражения:

r = (30 * P * G )1/2 / E доп.

где Е доп - допустимая напряженность электрической составляющей поля, В/м;

Р - средняя выходная мощность, в ваттах;

7

G – коэффициент, направленности антенны;

В СВЧ диапазоне:

r = [(P * G) / ( 12,56 * ППЭ доп.) ]1/2

Защита расстоянием - наиболее эффективный метод может применяться как в производствен-

ных условиях, так и в условиях населенных мест.

3 . Снижение интенсивности излучения непосредственно в самом источнике излучения.

Этот способ защиты также уменьшает воздействие ЭМП. При этом меняется режим работы генератора используя режим “щадящего” излучения. Также эффективно использование метод настройки на эквивалентную нагрузку, при настройки станции. Для снижения воздействий ЭМП на радио - и телестанциях применяется два способа:

а) уменьшение энергии источника излучения; б) организация дистанционного управления и кон-

троля передатчиками. Эффективность первого способа достигается за счет полного экранирования фидеров и передатчиков. Второго - применением защиты пульта управления и выносом контрольной аппаратуры в защищенную зону.

4.Экранирование источника излучения. В зависимости от характера и мощности источника из-

лучения, диапазона длин волн, особенностей производственного процесса рекомендуется не-

сколько типов экранов:

а) отражающие - сплошные металлические, б) сетчатые металлические , в) мягкие метал-

лические (эластичные ) с хлопчатобумажной или другой ниткой и г) поглощающие экраны..

Отражающие экраны - Наиболее распространенным радиоотражающим материалом являются металлические листы. Наиболее оптимальный материал для экрана должен обеспечить заданную величину ослабления ЭМП в рабочем диапазоне частот; антикоррозийную стойкость и меха-

ническую крепость . Этим условиям отвечают используемые в настоящее время листовые мате-

риалы (сталь, медь, латунь, алюминий), которые обладают высокой отражающей способностью

и обеспечивают необходимую эффективность экранирования. Все экраны должны тщательно за-

земляться.

Процесс экранирования заключается в том, что существует не соответствие волнового сопро-

тивления материала, из которого изготовлен экран, и окружающего воздуха. Чем выше это раз-

личие, тем выше магнитная проницаемость и проводимость металла, тем сильнее эффект экра-

нирования. Поэтому экранирующий эффект у магнитных материалов выше чем у немагнитных.

Кпримеру, сталь, медь, алюминий - идут по экранирующим свойствам соответственно.

Эффективность экранирования характеризуется отношением напряженности ЭМП

в какой - либо точке пространства без экрана и напряженности поля в этой же точке

с экраном. Э1=Е/ Е э > 1 или Э2 = Н/ Н э > 1

8

Для СВЧ диапазона: Э свч = ППЭ/ ППЭ э.

Обычно коэффициент экранирования выражается в децибеллах:

а1= 20 lg Э1 или а2 = 20 lg Э2 ,

При этом расчет экранирования следует проводить по следующему алгоритму:

1.В зависимости от длины волны на рабочем месте , удаленном от источника на расстоянии - d ,

определяется E или Н , либо ППЭ .

2.Рассчитывается нужная степень ослабления ЭМП.

3.Определяется толщина экрана в зависимости от используемого материала и нужной степени ослабления.

ППЭ подсчитывается по формуле: ППЭ = P * G / (12,56 * d2), G - коэффициент направленного действия антенны.

Магнитная составляющая ЭМП зависит от расстояния и параметров катушки, определяется по формуле:

H = (n * l* r2) / (4 * l2) * w,

где n - число витков катушки , r - радиус катушки , w – коэффициент, определяемый отношением

bк r . При необходимости можно взять в расчет: Е= 377 Н.

Степень ослабления ЭМК устанавливается из соотношения:

1/ М = Н/ Н доп или 1/ М = ППЭ / ППЭ доп.

где Н доп. и ППЭ доп. - допустимые значения магнитной составляющей и ППЭ

соответственно.

Т.о. по известным значениям можно определить толщину экрана:

= - (n * M ) / [ ( * * )/2] 1/2 ,

Для волн миллиметрового, сантиметрового , дециметрового диапазона:

= - ( n * M) / {2 * [ ( * * )/2 ] 1/2 },

где = 6,28 * f - угловая частота; - магнитная проницаемость экрана;

- удельная проводимость (для меди - 5,8 * 10 7 См/ м, для стали - 9,6 * 10 6 См/ м.)

Сетчатые экраны - имеют многочисленные преимущества при создании гибких или протяженных экранов. Характеристики этих экранов хуже чем сплошных и их целесообразно применять для ослабления мощности ЭМИ в 20 - 30 дБ.

Эластичные экраны - предназначены для изготовления занавесей, штор, драпировок,

одежды - комбинезонов, халатов и т.д. Степень экранирования зависит от длины волны (с увеличением ее степень экранирования возрастает).

9

Поглощающие экраны - обеспечивают создание условий, эквивалентных безграничному свобод-

ному пространству, и уменьшает отраженное ЭМП. В качестве поглощающих экранов использу-

ются материалы из древесины, каучука, шихтообразные покрытия и т.д.

Они должны удовлетворять следующим условиям:

1 . Минимальной величиной отраженной энергии в широком частотном диапазоне.

2.Большой величиной затухания проникающих внутрь материала излучений .

3.Не менять поляризации отражённых ЭМК.

4.Незначительно изменять величину отражения энергии в зависимости от угла падения.

Хорошими поглощающими свойствами обладает конструкция, выполненная из гофрирован-

ного металла в форме треугольника, на поверхности которого накладываются коврики из погло-

щающего материала. Такая форма в сочетании с поглощающим материалом обеспечивает суще-

ственное ослабление падающей энергии за счет многократного отражения и поглощения.

6. Экранирование обслуживающего персонала путем использования индивидуальных

способов защиты. К ним принадлежат специальная одежда, выполненная из металлизирован-

ной ткани, и защитные очки.

Для защиты глаз работающих от излучений СВЧ диапазона применяют специальные очки -

ОРЗ -5, выполненные из полированного стекла, в основу которого добавлена двуокись олова,

оправа, выполнена из резины с впрессованной металлической сеткой на резину наклеена метал-

лизированная ткань. Очки ослабляют ЭМИ до 25 дБ (при длине волны от 1 см). Также широко применяются стекла для очков и окон с двойным нанесением двуокиси олова, ослабление - 40

дБ.

Заметим, что использование средств индивидуальной защиты возможно только при кратковре-

менных работах и являются мерой аварийного характера.

2.Экспериментальная часть

1.Описание лабораторной установки.

На экране приведена упрощённая блок-схема установки (рис.1). Она состоит из следующих ос-

новных частей:

-излучающая рупорная антенна (слева),

-приёмная антенна (справа),

-рамка-кассета для установки экранов (в середине).

-дискретный "ползунок" (под передающей антенной), устанавливающий расстояние между излучающей и приёмной антеннами.

Приёмная антенна направляется на источник излучения. Рамка-кассета устанавливается пер-

пендикулярно распространению электромагнитной волны.

10