Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции / Тексты лекций физика / Лекция 17 - Действие неионизир. излучений..doc
Скачиваний:
296
Добавлен:
18.06.2017
Размер:
174.08 Кб
Скачать

Наглядные пособия

  1. Таблицы НИ-2, НИ-12, НИ-13, Ф-80, Ф-81.

  2. Аппарат для микроволновой терапии «Луч-2».

  3. Лазер ЛГ-21.

Технические средства обучения

  1. Ноутбук.

  2. Мультимедийный проектор

  3. Экран

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ

Введение

Понимание природы электромагнитных волн (ЭМВ) и механизмов их действия на человека имеет огромное значение для врача. ЭМВ широко используются в медицине, как для лечебного воздействия на организм человека (физиотерапия, хирургия), так и для диагностики различных заболеваний (СВЧ-томография, СВЧ-термометрия). ЭМВ используются в технике (радио- и телевещание, радиолокация, радиосвязь, приборы для неразрушающего контроля и т.п.) и в быту (микроволновые печи, сотовые телефоны). Любой электроприбор (холодильник, утюг и т.д.) является источником ЭМВ промышленной частоты (50 Гц). Поэтому врач может использовать ЭМВ в своей профессиональной деятельности, а также столкнуться с результатами неблагоприятного воздействия ЭМВ на личный состав. Не будем забывать также о том, что в основе разрабатываемых новых вооружений (психотронное оружие, лазерное оружие) также лежат излучатели ЭМВ различной частоты.

В результате активного использования человеком таких источников ЭМВ происходит насыщение окружающей среды электромагнитным излучением, что представляет собой одну из форм ее физического антропогенного загрязнения. По подсчетам ученых, электромагнитная загрязненность окружающей среды за последние несколько лет выросла в миллион раз. Для сравнения можно отметить, что уровень фоновой радиоактивности приземной атмосферы после проведения всех ядерных испытаний увеличился всего лишь вдвое. В масштабах эволюционного прогресса этот колоссальный рост напряженности ЭМП можно рассматривать как одномоментный скачок с плохо предсказуемыми биологическими последствиями, как для человека, так и для биосферы в целом.

В обосновании Международной научной программы (1996-2000 гг.) Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) по биологическому действию ЭМП указано следующее: «Предполагается, что медицинские последствия, такие как заболевания раком, изменения в поведении, потеря памяти, болезни Паркинсона и Альцгеймера, СПИД, синдром внезапной смерти внешне здорового ребенка и многие другие состояния, включая рост числа самоубийств, являются результатом воздействия электромагнитных полей».

1. Перенос энергии волнами. Понятия потока и интенсивности. Зоны сформировавшейся и несформировавшейся волны.

Количественной характеристикой переноса энергии в пространстве является поток энергии.

Поток энергии равен отношению энергии, переносимой волнами через некоторую поверхность S, ко времени, в течение которого эта энергия перенесена.

.

Единицей потока энергии является ватт (1 Дж/с=1 Вт).

Выделим объем среды, в которой распространяется волна, в виде прямоугольного параллелепипеда с площадью основания S. Ясно, что за единицу времени через основание S пройдет та энергия, которая заключена в объеме параллелепипеда V = Sv. Это и будет поток энергии волн. Соответственно:

, где  - объемная плотность энергии, т.е. энергия, заключенная в единице объема пространства.

Поток энергии через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно направлению распространения волн, называют плотностью потока энергии (ППЭ) или интенсивностью:

или в векторной форме: .

Единицей плотности потока энергии является ватт на кв. метр (Вт/м2).

Вектор I называют также вектором Умова.

Объемная плотность энергии ЭМП складывается из объемных плотностей электрического и магнитного полей:

 = эл + м = 0Е2/2 + 0Н2/2.

Электрическая и магнитная составляющие ЭМП в диэлектрике энергетически равноправны, поэтому 0Е2/2 = 0Н2/2.

Тогда для объемной плотности энергии можно записать несколько выражений:  = 0Е2 = 0Н2 =.

Подставив объемную плотность энергии в выражение для вектора Умова, получим: I = . 1/=EH или в векторной форме I = E x H

Применительно к ЭМВ вектор I называют вектором Умова-Пойнтинга. Так как Е и Н непрерывно колеблются по модулю, то вектор Умова-Пойнтинга П тоже колеблется в пределах от 0 до Пmax. Интенсивность I равна среднеквадратичному за период значению вектора Умова-Пойнтинга (I = Emax.Hmax/2).

Интенсивность - это важнейшая характеристика волны, определяющая её взаимодействие со средой и различными приборами. Скажем, качество и даже сама возможность радиосвязи напрямую зависят от интенсивности доходящей до радиоприёмника электромагнитной волны. С точки зрения врача интенсивность ЭМВ также крайне важна, поскольку и лечебные эффекты ЭМП, и вредное воздействие электромагнитного поля и других волн (например, ультразвука) на человека также определяются в первую очередь именно интенсивностью соответствующего излучения.

SAR (Specific Absorption Rates) – по уровню излучения (эмиссии) излучаемой энергии в ваттах на кг мозгового вещества (Вт/кг). Чем значение SAR меньше, тем безопаснее устройство.

2. Излучение ЭМВ.

Электромагнитные волны излучаются зарядами (чаще всего электронами), если эти заряды двигаются с ускорением. Равномерно двигающийся заряд создаёт вокруг себя постоянное поле. Если же заряд двигается ускоренно (или замедленно), скорость меняется, и напряжённость магнитной составляющей тоже меняется (напряжённость пропорциональна скорости заряда). Изменение магнитного поля вызовет появление электрического поля, тоже переменного. Изменение электрического поля - это ток смещения, который создаёт магнитное поле, и т.д.

Чаще всего колебания зарядов гармонические, тогда и ускорение меняется по синусоидальному закону, и ЭМВ будут синусоидальными.

Следует отметить, что все вышесказанное относится к волнам на достаточном удалении от источника ЭМВ, в так называемой зоне сформировавшейся волны (r<<2l2), где l максимальный линейный размер источника излучения (антенны). В зоне несформировавшейся волны

(х>>2l2/) магнитная и электрическая составляющая волны не равноправны, и, в зависимости от вида источника, преобладает одна из них.

Такое разделение имеет большое практическое значение. В частности, только в зоне сформировавшейся волны имеют смысл понятия потока и интенсивности, и только там их можно измерять соответствующими приборами. В ближней зоне характеристики волны сильно зависят от конкретной конструкции излучателя. Например, если излучатель выполнен в виде катушки, в нём будет возникать магнитное поле, и в зоне несформировавшейся волны будет значительно преобладать магнитная составляющая поля. Поэтому при измерениях в ближней зоне нельзя измерять интенсивность волны, а необходимо специальными приборами измерять сами величины напряжённостей полей Е и Н. Несоблюдение этого правила может привести к серьёзным ошибкам при оценке безопасности нахождения людей в зоне действия радиолокаторов и прочих генераторов радиоволн (и других волн).

  1. Шкала электромагнитных волн.

ЭМВ подразделяют на диапазоны в зависимости от их частоты и длины волны. Напомним, что длиной волны называют расстояние, которая волна проходит за период Т, или расстояние между двумя точками волны, колебания в которых имеют фазовый сдвиг, равный 2. Соответственно,  = vT = v/, то есть длина волны обратно пропорциональна частоте.

Полный спектр ЭМВ, доступный для современной астрофизики, охватывает диапазон частот до 1027 Гц ( ~ 10-19 м). Можно только удивляться тому, насколько малую информацию мы получаем, воспринимая зрительно лишь ничтожную часть электромагнитного спектра – оптическое излучение ( от 400 до 800 нм).

В зависимости от частоты (или длины волны) выделяют следующие диапазоны ЭМВ:

Диапазон

Поддиапазон

Частота

Длина волны

Низкочастотное излучение

До 60 кГц

Свыше 5 км

Высокочастотное излучение (радиоокно)

Длинные волны

60-300 кГц

1-5 км

Средние волны

300 кГц-3 МГц

100 м – 1км

Короткие волны

3-30 Мгц

10-100 м

УВЧ-диапазон

30-300 МГц

1-10 м

СВЧ-диапазон

ДЦ

0,3-3,0 ГГц

1 дм- 1 м

СМ

3-30 ГГц

1 см – 1 дм

ММ

30-300 ГГц

1 мм – 1 см

Инфракрасное излучение

300 ГГц-40000 ГГц

1 мм-760 нм

Видимый свет

40000ГГц-75000 ГГц

760 нм-400 нм

Ультрафиолетовое излучение

7,5.1014 – 3.1016 Гц

400 нм-10 нм

Рентгеновское излучение

3,75.1015-3.1022 Гц

80 нм – 10-5 нм

Гамма-излучение

Более 3.1018

Менее 0,1 нм

ЭМВ можно классифицировать также по характеру их генерации. Радиоволны излучаются макроизлучателями (колебательными контурами, клистронами, магнетронами), прочие волны – микроизлучателями (молекулами, атомами, ядрами или элементарными частицами). Радиоволны могут излучаться непрерывно или импульсно, остальные волны всегда излучаются в виде квантов (Е = h).

Электромагнитные излучения (ЭМИ) также делят на ионизирующие (рентгеновское и гамма-излучения) и неионизирующие. С ионизирующими излучениями и особенностями их действия на организм вы познакомитесь на лекциях по ядерной физике, сегодня наше внимание будет привлечено к неионизирующим излучениям.

  1. Основные виды воздействия электромагнитных волн на организм человека.

Различают три основных вида воздействия электрических токов и ЭМВ:

1) Раздражающее действие низкочастотных токов проводимости, вызывающее возбуждение нервной и мышечной тканей, лежащее в основе электротравмы. При очень сильном воздействии возбуждение может перейти в торможение, сопровождающееся параличом нервных центров.

2) Тепловое действие - нагревание тканей током проводимости или током смещения.

3) Так называемое "специфическое действие" - различные патологические реакции на облучение электромагнитными волнами, не связанные с тепловым действием.

  1. Раздражающее действие электромагнитных полей низкой частоты. Биофизические механизмы электротравмы.

Электротравма возникает при контакте человека с электрическими цепями, при этом человек сам становится частью электрической цепи, и по его тканям протекает электрический ток (ток проводимости). Проходя по тканям, электрический ток вызывает перераспределение ионов по обе стороны клеточных мембран. В результате на мембранах происходит сдвиг потенциала. Если он превысит пороговое значение, в нервных и мышечных волокнах будут возникать потенциалы действия. Это проявится, во-первых, в субъективных ощущениях (боль, чувство жжения), во-вторых, - в судорожных сокращениях мышц. Пороговое значение тока составляет около 10 мА; при меньшей силе тока в большинстве случаев человек не испытывает неприятных ощущений.

При силе тока во много раз выше пороговой возбуждение может перейти в торможение (это явление, характерное не только для тока, но и для самых разных раздражителей, называют запредельным торможением). Наиболее чувствительными к действию электрического тока являются клетки дыхательного центра; в результате их торможения может наступить остановка дыхания. Поэтому при поражении током часто необходимо делать искусственное дыхание.

Большую опасность представляет также перевозбуждение пейсмейкеров, приводящее к выраженной аритмии и, в конечном итоге - к остановке сердца. При этом существенное значение имеет путь, по которому идёт основная часть тока внутри тела. Так, очень опасно, когда контакты находятся на обеих руках - в этом случае значительная часть тока проходит через сердце и действует на синоаурикулярный узел и вообще на проводящую систему сердца.

Практически важно, что определяющую роль при оценке опасности электротравмы играет сила тока, а не напряжение. Дело в том, что сопротивление тела человека может меняться в очень широких пределах в зависимости от характера и расположения контактов и от функционального состояния организма. Особенно большое значение имеет состояние кожи. Чистая сухая кожа обладает значительным сопротивлением, но оно может снизиться в сотни и тысячи раз, если кожа влажная (потная). Соответственно, в первом случае даже при относительно высоком напряжении ток не достигнет опасной величины (по закону Ома: ), а во втором - опасным может оказаться небольшое напряжение. Известны случаи смертельного поражения при напряжении 36 и даже 12 вольт и, наоборот, иногда благополучно заканчивается контакт с источником напряжения в несколько тысяч вольт.

Раздражающее действие тока сильно зависит от его частоты. Постоянный ток относительно менее опасен, так как вследствие сильной поляризации сила тока очень быстро падает во много раз (хотя бывают случаи тяжёлых и даже смертельных поражений и постоянным током). Наиболее опасен ток низкой частоты (до нескольких сотен герц), в том числе – от городской сети (50 Гц). При дальнейшем повышении частоты воротный механизм потенциалзависимых каналов не успевает за полпериода среагировать на возникшую разность потенциалов, а в следующие полпериода потенциал меняет знак и уже не может вызвать возбуждение. Поэтому с ростом частоты пороговое значение тока, способного вызвать возбуждение, возрастает, и на частотах выше нескольких десятков килогерц человек полностью перестаёт ощущать прохождение тока, даже если сила тока достигает нескольких ампер. Поэтому, например, плетизмографы и другие диагностические приборы, связанные с пропусканием тока через организм, работают на частотах не менее 100 кГц - в этом случае гарантировано полное отсутствие неприятных ощущений у пациента.

Кроме действия на нервную и мышечную систему, прохождение тока через тело человека может вызвать ожоги, особенно - в местах контактов с проводниками электрического тока ("метки тока"). Однако в общей картине электротравмы это имеет второстепенное значение.

6. Тепловое действие высокочастотных электромагнитных волн. Использование теплового эффекта в физиотерапии. УВЧ-терапия и индуктотермия. Особенности теплового эффекта ЭМВ СВЧ и КВЧ диапазонов.

В современной физиотерапии широко используется электрическое прогревание органов и тканей. Легко понять, что для этого нельзя применять ток низкой частоты, потому что он будет оказывать сильное возбуждающее действие (при подпороговых токах, не вызывающих возбуждения, выделение тепла крайне мало). Поэтому для электропрогревания используют только высокие частоты.

Выделение тепла в тканях имитирует очаг воспаления. В результате запускается целый ряд физиологических реакций: усиливается кровоток (кровь уносит выделяющееся тепло), повышается приток кислорода к тканям, ускоряется метаболизм и т.д. Всё это способствует нормализации состояния ткани.

Наиболее популярной сейчас является УВЧ-терапия (ультравысокочастотная терапия). Аппарат для УВЧ-терапии представляет собой генератор электромагнитных волн с частотой 40,68 МГц; длина волны этого излучения около 7,4 м.

Так как человек всегда располагается много ближе семи метров, он находится в зоне несформировавшейся волны, где характер волны сильно зависит от формы излучателя. Чаще всего облучаемый участок тела располагают между двумя металлическими пластинами, покрытыми слоем изолятора. (Для безопасности больного электроды подключают не к основному колебательному контуру генератора переменного напряжения, а к контуру пациента (терапевтическому контуру), который индуктивно связан с основным колебательным контуром генератора). Пластины образуют нечто вроде конденсатора; в этом случае основную роль в волне играет электрическая составляющая поля. Под действием этой переменной составляющей поля дипольные молекулы начинают колебаться; это колебание (смещение) зарядов создаёт в облучаемом участке ток смещения, плотность которого равна: jсмещ = Е00.cost.

Можно доказать, что тепловая мощность, выделяемая при УВЧ-терапии, равна: Ртепл ~  0E02. tg,

где tg δ (тангенс угла диэлектрических потерь) - некоторый коэффициент, характеризующий свойства среды (в частности, её вязкость).

Ток смещения возникает, в первую очередь, в диэлектриках; например, много тепла выделяется в жировой ткани, в том числе - в миелиновых оболочках нервов. Поэтому процедура УВЧ даёт хорошие результаты при многих заболеваниях нервной системы (невралгия, радикулит и др.).

Для тканей с хорошей электропроводностью (мышцы, печень) более выгодным может оказаться другой способ воздействия, когда вместо конденсаторных пластин излучателем является катушка, в которой создаётся магнитное поле. В этом случае в волне будет преобладать магнитная составляющая ЭМП.

Переменное магнитное поле вызывает в ткани ЭДС индукции, поэтому данный метод носит название индуктотермии. ЭДС индукции приводит к возникновению в тканях вихревых токов (токов проводимости).

Сила вихревого тока зависит от электрического сопротивления тела (удельного сопротивления и размеров), а также от скорости изменения магнитного потока.

В основе расчета тепловой мощности, выделяемой при индуктотермии лежит закон Джоуля-Ленца, с его использованием можно доказать, что:

Pтепл ~ Bm22 /  или Pтепл ~ Bm22 ,

то есть при индуктотермии больше нагреваются ткани с хорошей удельной электропроводностью (малым удельным сопротивлением) - например, мышцы и паренхиматозные органы.

В некоторых случаях оказывается более выгодным не воздействовать на организм электромагнитными волнами, а непосредственно подводить ток высокой частоты к телу с помощью электродов. Такой метод называется диатермией. В настоящее время аппараты диатермии используют, в основном, для операций, при которых возможно сильное кровотечение из капилляров (например, операций на печени). В этом случае один провод от генератора высокой частоты подсоединяют к скальпелю с изолирующей рукояткой, а второй электрод большой площади накладывают на любой участок тела. Около лезвия скальпеля большое количество тепла выделяется на очень маленькой площади, и ткань в месте разреза быстро нагревается до высокой температуры. Происходит коагуляция (свёртывание) белков; образующаяся белковая плёнка значительно уменьшает кровотечение. Электрокоагуляция используется также в стоматологии.

Тепловое действие СВЧ и КВЧ излучения проявляется при плотностях потока энергии не менее 10 мВт/см2. В СВЧ-диапазоне поглощается около 50% падающей на тело энергии, а глубина проникновения в среднем равна 1/10 длины волны. Миллиметровые волны (КВЧ-излучение) вызывают ощущение жжения, ожоги кожи и роговицы, конъюнктивиты. Дециметровые и сантиметровые волны нагревают внутренние органы и ткани. Они менее влияют на терморецепторы и не вызывают ощущения жжения, вследствие чего не воспринимается действительная степень нагрева тела (отсюда возможность перегрева с нежелательными последствиями).

Тепловое действие СВЧ-полей на биологические объекты обусловлено:

а) поляризацией молекул вещества и периодической переориентацией их как электрических диполей; б) воздействием на ионы с возникновением переменного тока проводимости. Наибольшее значение имеют токи смещения, обусловленные переориентацией молекул воды. В связи с этим максимальное поглощение энергии СВЧ-излучения происходит в таких тканях, как мышцы и кровь, а кости и жировая ткань нагреваются меньше.

На границе сред с разными коэффициентами поглощения ЭМВ, например, на границе тканей с высоким и низким содержанием воды, могут возникнуть стоячие волны, обусловливающие местный перегрев тканей. Интенсивность нагрева ткани (органа) зависит от возможности хорошего оттока тепла от облучаемых участков. В связи с этим в наибольшей степени страдают органы, содержащие большое количество жидкости и имеющие слаборазвитую сосудистую сеть. К ним относятся хрусталик, стекловидное тело глаза, паренхиматозные органы (печень, поджелудочная железа), полые органы, содержащие жидкость (мочевой и желчный пузырь, желудок), гонады.

В первые годы развития радиолокации случаев слепоты в результате попадания людей в зону СВЧ излучения было, к сожалению, немало. (Сейчас все работы, где есть подобная опасность, выполняются обязательно в защитных очках). При достаточной мощности и длительности облучения могут возникать тяжелые нарушения терморегуляции, вплоть до смерти.

Физиотерапевтические методы, основанные на тепловом действии ЭМВ СВЧ и КВЧ диапазона, в зависимости от используемой длины волны имеют два названия: микроволновая терапия (частота 2375 МГц, длина волны – 12,6 см) и дециметровая терапия (ДЦВ-терапия, частота 460 Мгц, длина волны 65,2 см).