Лаб раб №8_СВЧ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

РПК «Политехник» Волгоград

2009

УДК 628.921

Р е ц е н з е н т :

канд. техн. наук доцент В. А. Козловцев

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Исследование защиты от микроволнового излучения: метод. указ. к лабораторной работе/ Сост. А. А. Липатов/ ВолгГТУ. – Волгоград,

2009. – 24 с.

Методические указания содержат классификацию электромагнитных полей и излучений, информацию об их воздействи я на организм человека и параметрах, характеризующих их интенсивность. Даны нормативные требования к предельно допустимым уровням интенсивности электромагнитных полей и излучений, описаны средства защиты. Приведена методика измерения плотности потока энергии микроволнового излучения, а также порядок выполнения лабораторной работы.

Предназначаются для студентов ВолгГТУ всех специальностей и форм обучения при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности».

© Волгоградский государственный технический университет, 2009

2

1. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение характеристик электро-

магнитных полей и излучений, нормативных требований к ним; методики определения интенсивности микроволнового излучения и средств защиты.

Основные задачи работы:

1) определение зоны максимальной интенсивности излучения генери-

рующего поле объекта – микроволновой печи;

2)исследование зависимости интенсивности излучения от расстояния до излучающего объекта;

3)практическое определение эффективности защиты от микроволно-

вого излучения с помощью экранов из различных материалов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Принято различать статические (постоянные) электрические и маг-

нитные поля, поля токов промышленной частоты (в России – 50 Гц) и элек-

тромагнитные излучения (ЭМИ). Единую природу с последними имеют оп-

тические волны (при длине волны – по разным источникам – менее

100÷1000 мкм) и, с дальнейшим уменьшением длины волны по электромаг-

нитному спектру, ионизирующие излучения. Все электромагнитные поля

(ЭМП) и излучения не обнаруживаются органами чувств человека.

Количественными характеристиками постоянных электрического и магнитного полей являются соответственно напряженность электрического поля E (В/м) и напряженность магнитного поля H (А/м) (или магнитная ин-

дукция B, мТл). Воздействие постоянных полей с напряженностью выше допустимого уровня приводит к нарушениям со стороны нервной и сердеч-

но-сосудистой систем, органов дыхания, пищеварения и изменению биохи-

мических показателей крови. Кроме того, в электростатическом поле воз-

можна электризация диэлектриков и соответствующие электрические раз-

ряды, способные вызвать судороги и рефлекторные действия людей, приво-

3

дящие к травмам. Разряды статического электричества могут вызвать пожа-

ры и выход из строя электронной аппаратуры. Эти последствия в большин-

стве случаев опаснее, чем собственно воздействие поля на организм чело-

века. Предельно допустимые уровни (ПДУ) постоянных полей достаточно велики. Напряженность магнитного поля на рабочем месте не должна пре-

вышать: от 24 кА/м (B ≤ 30 мТл), при воздействии в пределах 10 мин, до 8

кА/м (B ≤ 10 мТл) – в течение смены. ПДУ электростатического поля на рабочем месте также зависит от продолжительности воздействия: от 60

кВ/м (при воздействии до 1 часа) до 20 кВ/м (в течение рабочего дня) [8, 9].

Значительно чаще человек сталкивается с ЭМП промышленной час-

тоты, источниками которых являются линии электропередач, трансформа-

торы и т. д. (в той или иной мере – все устройства, получающие питание от сетей переменного тока). Основным параметром, характеризующим биоло-

гическое действие ЭМП промышленной частоты, является напряженность электрического поля E (магнитная составляющая H при уровнях, создавае-

мых большинством действующих установок, заметного влияния на орга-

низм человека не оказывает). Электрическое поле промышленной частоты влияет непосредственно на мозг и центральную нервную систему. Кроме того, в нем также возможна электризация с соответствующими разрядами.

Нормирование полей промышленной частоты на производстве осу-

ществляют в основном по ПДУ напряженности электрического поля в зави-

симости от времени воздействия [6, 9] (в ГОСТ 12.1.002–84 [6] – только по

E). Пребывание в поле напряженностью до 5 кВ/м (включительно) допуска-

ется в течение рабочего дня. Допустимое время T нахождения в поле на-

пряженностью E свыше 5 до 20 кВ/м определяется (в часах) из выражения:

T = (50/E) – 2. При величине E свыше 20 до 25 кВ/м время воздействия на персонал не должно превышать 10 минут, а пребывание в поле напряжен-

ностью свыше 25 кВ/м без средств защиты не допускается. ПДУ магнитной составляющей ЭМП промышленной частоты в ГОСТах отсутствуют, но ус-

4

танавливаются СанПиН 2.2.4.1191–03 [9]. Для периодического (синусои-

дального) магнитного поля его напряженность H не должна превышать: от

1600 А/м (B ≤ 2000 мкТл), при воздействии до 1 часа, до 80 А/м (B ≤ 100

мкТл) – в течение 8 часов (рабочей смены). Этим же документом [9] уста-

новлены ПДУ импульсных магнитных полей частотой 50 Гц.

Для населенных мест установлены предельные значения только элек-

трической составляющей E поля промышленной частоты, создаваемого ли-

ниями электропередачи [10] или бытовыми электроприборами [12]:

–внутри жилых зданий (в частности, на расстоянии не более 0,5 м от корпусов бытовых электроприборов) – 0,5 кВ/м;

–на территории жилой застройки – 1 кВ/м;

–в населенной местности вне зоны жилой застройки (зоны отдыха, са-

ды, огороды) – 5 кВ/м;

– на участках пересечения воздушных линий электропередачи с авто-

мобильными дорогами I÷IV категорий – 10 кВ/м;

– в ненаселенной местности (но с возможностью посещения людьми – например, сельскохозяйственные угодья) – 15 кВ/м;

– в труднодоступной (для транспорта и с/х машин) местности и на вы-

гороженных для исключения доступа населения участках – 20 кВ/м.

Не менее вероятно в современном мире воздействие на человека ЭМП радиочастот. Их проникающая способность, биологическое воздействие, а

также выбор средств защиты во многом определяются частотой поля (для радиодиапазона вследствие превалирования волновых свойств поля над корпускулярными чаще указывают частоту, а не длину волны). Регламен-

том радиосвязи, принятым Международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР), установлена номенклатура диапазонов частот (длин волн), представленная в табл. 2.1.

В отечественной практике волны 5-го диапазона именуют длинными

(ДВ), 6-го диапазона – средними (СВ), 7-го диапазона – короткими (КВ),

5

Примечание. Поддиапазоны 1…4 к радиочастотам не отнесены

8-го – ультракороткими (УКВ). Кроме того, частотным диапазонам с 9-го по 11-й иногда присваивают одно наименование – СВЧ-излучение (или,

что более корректно, микроволновое излучение).

Вокруг любого источника ЭМП различают ближнюю (индукции) и

дальнюю (излучения или волновую) зоны воздействия. Иногда в зоне из-

лучения выделяют промежуточную зону (интерференции). Если размеры источника меньше длины волны λ (т. е. его можно считать точечным),

границы зон определяются следующими расстояниями R от излучателя:

–зона индукции – при R ≤ λ / 2π ≈ λ / 6;

–зона интерференции – при λ /2π < R ≤ 2πλ;

–волновая зона – при R > 2πλ.

В зоне излучения бегущая волна (в которой синхронные колебания векторов E и H происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях)

еще не сформирована. Поэтому ЭМП можно характеризовать относитель-

но независимыми электрической E и магнитной H составляющими. Для полей меньших частот (больших длин волн λ) граница зоны индукции

6

располагается достаточно далеко от источника, а за ее пределами поле в значительной степени ослабевает из-за геометрического рассеивания (ин-

тенсивность поля обратно пропорционально квадрату расстояния от ис-

точника). Поэтому для диапазонов НЧ, СЧ и, в значительной степени, для диапазонов ВЧ и ОВЧ существенное воздействие поля на человека реали-

зуется в зоне индукции, а в качестве характеристик ЭМП с частотой до

300 МГц приняты напряженность электрического поля E и напряженность магнитного поля H. При одновременном воздействии n источников сум-

марные значения параметров ЭМП определяются по формулам:

Для полей частотой свыше 300 МГц вследствие малой величины ра-

диуса сферы индукции человек будет находиться в зоне воздействия бе-

гущей волны. Поэтому для радиочастотных диапазонов 9÷11 интенсив-

ность воздействия поля на человека оценивается величиной плотности по-

тока энергии (ППЭ) (Вт/м2), т. е. мощностью, переносимой излучением через единицу площади поверхности (этот параметр иногда и именуют плотностью потока мощности, что является более корректным). Суммар-

ная ППЭ при наличии n источников определяется простым сложением:

i=1

Переменное ЭМП вызывает нагрев живых тканей как за счет пере-

менной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т. д.), так и за счет токов проводимости. Начиная с определенной интенсивности поля, назы-

ваемой тепловым порогом, механизм терморегуляции человека перестает справляться с отводом тепла, и температура тела начинает повышаться. С

увеличением частоты возрастает доля поглощенной энергии поля (по сравнению с отраженной и прошедшей), что усиливает тепловой эффект.

7

Пороговые интенсивности теплового воздействия ЭМП на организм со-

ставляют: для диапазона СЧ – 8000 В/м, ВЧ – 2250 В/м, ОВЧ – 150 В/м,

дециметровых волн – 40 мВт/см2, сантиметровых волн – 10 мВт/см2. Ко-

эффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды примерно в

60 раз больше, чем в тканях с низким ее содержанием. Поэтому тепловое воздействие особенно вредно для органов с высоким содержанием воды и слабо развитой сосудистой системой (глаза, головной мозг, почки , желу-

док, желчный пузырь, мочевой пузырь), так как кровеносная система в из-

вестной степени выполняет функции водяного охлаждения. Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте).

При интенсивностях значительно ниже теплового порога перемен-

ные поля способны оказывать вредное биологическое воздействие (часто называемое нетепловым) за счет высокочастотной переориентации белко-

вых молекул. При длительном облучении развиваются функциональные расстройства центральной нервной системы, нарушения обмена веществ и изменения состава крови. Симптомы в какой-то степени напоминают по-

следствия воздействия ионизирующих излучений: головные боли, измене-

ние кровяного давления, выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела (поэтому ЭМП радиочастотного диапазона и называют – и чем выше частота, тем чаще, – электромагнитными излучениями). Такие изме-

нения носят обратимый характер только на ранней стадии. Доказана наи-

большая биологическая активность СВЧ-поля в сравнении с ВЧ и УВЧ.

ПДУ ЭМП радиочастот в производственных условиях устанавлива-

ются ГОСТ 12.1.006–84 [7] (в частотном диапазоне 60 кГц÷300 ГГц), а

также СанПиН 2.2.4.1191–03 [9] и СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383–03 [11] (в диа-

пазоне 30 кГц÷300 ГГц). В документе [9] дополнительно установлены ПДУ полей частотой 10÷30 кГц.

В диапазоне частот 10÷30 кГц оценка и нормирование ЭМП осуще-

ствляется раздельно по напряженности электрического E и магнитного H

8

поля в зависимости от времени воздействия. При этом их ПДУ составляют соответственно: 500 В/м и 50 А/м – при воздействии в течение всей смены; 1 кВ/м и 100 А/м – при воздействии до 2-х часов за смену.

В диапазоне частот 30 (60) кГц÷300 МГц уровень поля также оцени-

вается параметрами E и H, но нормирование осуществляется исходя из их энергетических нагрузок (доз): ЭНЕ = Е2·Т, ЭНH = H2·Т, где Т – время воз-

действия в часах (следует отметить, что в Санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах [9, 11] параметр ЭН обозначен как ЭЭ – энергети-

ческая экспозиция). Предельно допустимые значения E и H на рабочих местах персонала определяются исходя из допустимых энергетических на-

грузок и времени воздействия:

где ЭНEПД и ЭНHПД – предельно допустимые значения энергетиче-

ских нагрузок в течение рабочего дня (табл. 2.2).

При этом предельные напряженности EПД и HПД в любом случае не должны превышать значений, указанных в табл. 2.2.

Примечание. В ГОСТ 12.1.006–84 диапазоны 30÷50 МГц и 50÷300 МГц объединены в один диапазон 30÷300 МГц с теми же ПДУ электрической составляющей поля (магнитная составляющая в этом диапазоне не нормируется).

Одновременное воздействие электрического и магнитного полей в

диапазоне частот 60 кГц÷300 МГц допускается при условии [7]:

9

В диапазоне частот 300 МГц÷300 ГГц нормируются плотность пото-

ка энергии ППЭ, а также соответствующая энергетическая нагрузка

ЭНППЭ = ППЭ·T (T – время воздействия в часах). Предельно допустимое значение ППЭ определяется по формуле:

где k – коэффициент ослабления биологической эффективности (k

=10 – при облучении от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1Гц; k = 1 – в остальных случаях);

ЭНППЭПД – предельно допустимая (суточная) энергетическая на-

грузка, равная 2 Вт·ч/м2 (200 мкВт·ч/см2);

T – время пребывания в зоне облучения за рабочую смену, ч.

Во всех случаях значение ППЭПД (ППЭПДУ) не должно превышать 10

Вт/м2 (1000 мкВт/см2), а при локальном облучении кистей рук – 50 Вт/м2

(отметим, что естественный фон соответствует ППЭ порядка 0,005 Вт/м2).

Для населения установлены следующие ПДУ ЭМП, создаваемых радиотехническими объектами [11] и бытовыми приборами (на расстоя-

нии не более 0,5 м от корпуса изделия), в зависимости от частоты [12]:

–30÷300 кГц – EПДУ = 25 В/м (для бытовых электроприборов эта норма устанавливается в более широком диапазоне частот – 0,3÷300 кГц);

–0,3÷3 МГц – EПДУ = 15 В/м;

–3÷30 МГц – EПДУ = 10 В/м;

–30÷300 МГц – EПДУ = 3 В/м (для средств радио- и телевещания, работающих в частотных диапазонах 48,5÷108 МГц и 174÷230 МГц, ПДУ

определяется в В/м из выражения: EПДУ = 21f –0,37, где f – частота, МГц);

– 0,3÷300 ГГц – ППЭПДУ = 10 мкВт/см2 (при облучении от антенн, работающих в режиме кругового обзора или сканирования – 25 мкВт/см2).

10