7. Защита от электромагнитных полей и ионизирующих излучений

7.1. Расчет защитного экрана от электромагнитного излучения

Задача 36

Исходные данные.

Рассчитать толщину медного экрана для защиты от электро -

магнитных полей на расстоянии 3 м от излучателя. Импульсная мощность 100 кВт, средняя по времени мощность 400 Вт, длина волны - 3 м.

Определим частоту электромагнитного излучения, если извест­на длина волны:

,

где: - длина волны электромагнитного излучения;

С - скорость распространения электромагнитных возмущений (для вакуума или воздуха - ско­рость света С= 3-10-8 м/с );

- частота электромагнитных колебаний ,Гц.

Гц = 100 МГц.

Определим глубину проникновенияэлектромагнитного поляв медный экран, (т.е. глубину, не которой излучение ослабля­ется в E paз = 2,72 раза). Согласно графику на рис. 4.1.[4] глубина проникновения поля в медь составляет 0,035 мм.

Рис.20 - Глубина проникновения электромагнитных полей в толщу экрана в зависимости от частоты колебаний.

Сначала определяем время, в течение которого действует импульсная мощность

T = мин

Вт / м² = 88400 мкВт / см².

Вт / м² = 350 мкВт / см².

Согласно ССБТ ГОСТ 12. 1. 006 -76 "Электромагнитные поля радиочастот.

Общие требования безопасности ",

так как рабочее место находится от излучателя на расстоя­ния, равном длине волны, то есть в зоне излучения, то нормирование ведется по плотности потока мощности, по I . При воздействии электромагнитного излучения в течение всего рабочего дня допустимая плотность потока мощности составляет до 0,1 Вт/м² (до 10 мкВт/см² ); при воздействии не более 2 ч - от 0,1 до 1,0 Вт/м² (от 10 до 100 мкВт/см²), а в ос­тальное гремя плотность потока энергии не должна превышать 0,1 Вт/м²; при воздействии не более 20 минут допускается от 1,0 до 10,0 Вт/м² (от 100 до 1000 мкВт/см²) , но с обяза­тельным использованием защитных очков. В остальное время работы плотность потоке энергии не должна превышать 0,1 Вт/м².

Таким образом, требуемая степень экранирования на рабочем месте при импульсном воздействии электромагнитного поля составит

раза.

где: - степень экранирования в относительных единицах;

I_o и I_э - плотности потока энергии до к после медного

экране соответственно.

Определим необходимую толщину медного экрана, создающего ос-лабления плотности потока энергии в 88,4 paзa.

Э≥ e^{d /б} ; lgЭ = lg e; lg 88,4 = ;

1,948 = ; d =мм.

По соображениям прочности принимаем толщину медного экрана

d = 0,5 мм.

7.2. Расчет защитного экрана индукционной катушки для нагрева стальной заготовки перед термообработкой

Задача 37

В тех случаях, когда общее экранирование всей установки затрудняет выполнение технологического процесса, используют поблочное экранирование. В установках промышленного нагрева токами высокой и ультравысокой частоты в виде отдельных блоков экранируют рабочие элементы этих установок (конденсатора, индукционные печи, закалочные индукторы, подводящие энергию ВЧ к рабочим элементам фидера, согласующие трансформаторы).

Исходные данные

Радиус катушки - индукторе, ₌ 0,105 м; длине, l = 0,35 м; число витков,= 15; сила тока в катушке,I = 4350 А; рабочая частота = 2400 Гц; радиус сердечника (нагреваемо­го металла, изделия),= 0.070; длина сердечника (за­готовки), l_c= 0,140 м; допустимые потери мощности,W_n= 215 Вт (обычно - I % от мощности установки) Определить ослабление поля внутри катушки в результате экранирования, ∆H.

Потери энергии в экране рассчитывают в следующем порядке. Определяют глубину проникновения поля в экран по формуле

где: - удельная проводимость материала экрана,

- абсолютная магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м, ,

где: Гн/м - относительная магнитная проницаемость.

Для немагнитных материалов

для алюминия

Гн/м; Ом^-1*м^-1;

для стали

Гн/м;Ом^-1м^-1.

Так как мы принимаем по конструктивным соображениям экран из листовой стали, то

м.

Как правило, глубина проникновения поля в экран меньше I мм, а в нашем случае она составила 0,07 мм, но, исходя из соображения прочности экрана, толщину его стенок d следует принимать не менее I мм. При этом d >.

Потери энергии в цилиндрическом экране W рассчитывают по следующим формулам.

Для катушек без сердечника, удовлетворяющих условию

l > 1,5 (A – a ) ; W = Вт.

где: А – радиус экран, м.

Вначале ориентировочно можно принять А = 3а .

Для катушек без сердечника, удовлетворяющих условиям

l < 1,5 (A – a ):

W = Вт.

Для катушек с сердечником, удовлетворяющих условиям

l > 1,5 (A – a); l_c≤ l ; l_c ≤ l; W =

Для катушек о сердечником, удовлетворяющих условию l < 1,5(А - а), следует произвести расчет дважды, по двум последним формулам, и принять меньший из полученных результатов. Использование этих формул в данном случае ведет к некоторому занижению расчетных потерь по сравнению с действительными.

В случае экрана квадратного сечения можно пользоваться теми же формулами, приняв величину А равной половине стороны квадрата. Это приводит к некоторому занижению расчетных потерь по сравнение с действительными.

В нашем случае l > 1,5 (A - a); 0,35>1,5*(2*0,105):

L_c<l; 0,14 м < 0,35 м, поэтому

Вт.

Найденную величину потерь W следует сравнить с допустимой величиной потерь Wn. Если W < Wn, то можно уменьшить радиус экрана А, если этому не мешает конструкция самой установки. Если W > Mn , следует увеличить радиус экрана

А к вновь произвести расчет.

Если для стального экрана приемлемых размеров потеря энер­гии сказываются недопустимыми, следует принять алюминиевый экран. Расчет по приведенным выше формулам является прибли­женным и поэтому необходимо, чтобы условие W< Wn выполнялось с некоторым запасом.

Чтобы избежать дополнительных потерь энергии в торцовых ставках экрана (верхняя, нижняя - дно), расстояние от этих стенок до ближайших витков катушки нужно брать не меньше

, где- постоянная затухания симметричной волны,распространяющейся вдоль оси экрана;

- для цилиндрического экрана радиусом А ;

- для экрана квадратной формы со стороной 2А.

Если это условие выполнено, тo торцовые стенки практически не вызывают дополнительных потерь энергии в экране. То же условие должно выполняться в отношении расстояния от витка, до нижней стенки при открытом сверху экране.

м.

Ослабление экраном поля внутри катушки рассчитывают для цилиндрического экрана радиусом А . При расчете экрана квад­ратной формы его следует заменить цилиндрический, полагая, что А = ,

где 2 А₁- сторона квадрата (при этом площадь квадрата равна площади круга).

Ослабление магнитного поля ∆H (%), обусловленное экранированием, определяют по формулам:

для катушки без сердечника при условии l>2a, l>2(A – a)

∆H=

то же, при условии l <2a

∆H =

то же, при условии l<2 ( A – a ),l>2a

∆H =

для катушек с сердечником при условии l >2 ( a – a_c ),

l< 2 ( A – a ), l_c = l

∆H =

∆H =

Рассчитанное ослабление обычно не должно превышать 5%.Если найденное ослабление превышает допустимое, нужно уве­личить радиус экрана А.

Проверку экрана катушки на эффективность экранирования про­водят следующим образом. Требуемую эффективность экранирования Э тр находят путем деления величины напряженности по­ля, создаваемого катушкой на рабочем месте при отсутствии экрана (Нр), на величину допустимой напряженности поля ( Нn ) по ССБТ ГОСТ 12.1.006 -76 . Примем Н_н = 5 А / м,

Э _ТР =

Значение H p можно найти по формуле

H_P =

где - расстояние от катушки до рабочего места, равное 3 м.

H==

Требуемую величину эффективности экранирования нужно сравнить с фактической: Э тр = 6,645 /5 = 1,329.

Для сплошного цилиндрического экрана радиусом А или квадратного со стороной 2 Aт эффективность экранирования при d>

Э* =.

Эффективность экрана, имеющего форму трубы, при отсутствии проникновения поля непосредственно сквозь материал экрана определяют по формуле

Э^**=

где; Z - расстояние от открытого конца экрана до ближайшего вятка катушки вдоль оси экрана, м; Z = 0,082 м.

для цилиндрического экрана радиусом А;

- для экрана квадратного сечения со стороной 2А₁;­

Так как фактическая эффективность экрана Э** = 1,б14 больше

требуемой Э_тр = 1,329 , то условие безопасности соблюдено.

7.3. Расчет защитного экрана от ионизирующего излучения

Задача 38

Исходные данные

Рассчитать экран для защиты оператора, находящегося на рас­стоянии 4 м от источника гамма-излучения активностью 250 мг-эквивалента радия. Экран выполнен из свинца.

Вариант "А"

Воздействие излучения на организм человека характеризуется поглощенной дозой излучения

D =P,

где:,-полная гамма-постоянная данного радиоактивного изотопа, ;

C - активность источника, мКи , t - время действия облучения, ч;

R - расстояние от источника до объекта облучения, см. Переход от активности (микрокюри) к гамма-эквиваленту (в миллиграмм-эквивалентах радия Г) и наоборот производится, по соотношению:

с,

где 8,25 - ионизационная постоянная радия.

Отсюда D = Р / в неделю

t = 41 - число часов работы в неделя.

При определении толщины экрана исходят из необходимости максимального ослабления интенсивности потока излучения. Для лиц категории А (персонал - профессиональные работники, непосредственно работающие о источниками ионизирующих излу­чений) предельно допустимая доза (ПДД), определяемая "Нор­мами радиационной безопасности НРБ - 76 и основными прави­лами работа с радиоактивными веществами и другими источни­ками ионизирующих излучений ОСП - 72/80" равна 100 мбэр / нед.

I бэр - единица дозы любого вида, ионизирующего излучении в биологической ткани организма, которая вызывает такой же биологический эффект, как и дозы в I рад рентгеновского или гамма- излучения.

I рад - внесистемная единица поглощенной дозы любого ионизирующего излучения: I рад = 0,01 Дж/кг.

Для гамма - излучения бэр численно равен I рентгену.

Следовательно, ПДД = 100 мр /неделю. Рассчитанная интенсив­ность излучения составляет 54 р/неделю, т.е. превышает допустимую в 54* 0,1 = 540 раз. Значит экран должен обеспечивать ослабление интенсивности излучения в К = 540 раз.

Поэтому

см.

Вариант «Б»

Расчетная доза излучения р / ч,

где: M - эквивалент изотопа в мг – экв Ra;

8,4 - - постоянная Ra при платиновом фильтре толщиной 0,5 мм,

R – расстояние от источника до рабочего места, см.

р / ч = 13 мр / ч.

Предельно допустимая модность поглощенной дозы для опера­тора категории "А"

Р₀= 0,1 р/неделю = 100 /t (мр/ч).

где: t - время работы в недели, при 6-часовок рабочем дне

t = 30 часов.

мр / ч.

Необходимая кратность ослабления

раза.

Необходимая кратность ослабления с учетом коэффициента запаса

раза,

где: n – коэффициент запаса ≥2.

Толщина экрана для ослабления потока излучения в 3,9 раза

определяется по формуле

_где:

- линейный коэффициент ослабления излучения

материалом экрана.

Для ослабления излучения с высоким атомным номером к высокой плотностью пригодны по своим защитным свойствам:

а) нержавеющая сталь; б) чугун; в) бетон; г) вольфрам: д) свинец,

Примем энергию изотопа для р - излучения 3 MзB. По справочным данным [4] для энергии излучения

Р =3 МзВ определяем линейные коэффициенты ослабления ( табл.8.с181):

для железа = 0,259 см^-1;.для бетона =0,0853 см^-1;

для вольфрама = 0,786 см^-1; для свинца =0,48 см^-1-

Толщины экранов, рассчитанные для 3,9 кратного ослабления

излучения при коэффициенте запаса 2 , из рассмотренных материалов будут равны:

а) железного см;

б) бетонного см;

в) вольфрамового см;

г) свинцового см;

Таким образом, для стационарного экрана наиболее практичными и дешевым будет бетонный экран толщиной не менее 24 см; для передвижных экранов могут быть использованы свинец толщиной не менее 4,3 см, железо толщиной не менее 8,0 см или вольфрам толщиной не менее 2,65 см; для разборного металлического экрана можно использовать металлические стрелообразные блоки

(кирпичи из чугуна) с толщиной стенки не менее 8,0 см