Конспект лекций по курсу “Промышленная санитария”, раздел “Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения” (стр. 1 )

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу

“ПРОМЫШЛЕННАЯ САНИТАРИЯ”

раздел

“Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения”.

2011 г.

ВВЕДЕНИЕ

Излучения, как физическое явление, есть способы передачи (испускания) энергии в виде электромагнитных, механических волн и радиоактивных излучений.

Широкое применение в науке и технике электромагнитных полей различного диапазона длин волн, в том числе ионизирующего и лазерного излучений, связано с воздействием на организм человека целого ряда опасных и вредных факторов. Поэтому, для безопасной работы на технологических установках, устройствах и системах, использующих данные виды излучения, необходимо применение комплекса защитных мер. В настоящем конспекте лекций, посвященном электромагнитному, ионизирующему и лазерному излучениям, рассматриваются вопросы их вредного воздействия на человека, измерения их параметров и использования защитных средств.

1.  ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Основные характеристики электромагнитных излучений.

Электромагнитные излучения (ЭМИ) представляют собой электромагнитные волны, описываемые в простейшем случае соотношением , где A – амплитуда колебаний, - круговая частота колебаний (f – частота, измеряемая в герцах (Гц)), - начальный фазовый сдвиг. Длина волны определяется в воздухе соотношением , где м – скорость света. По частоте ЭМИ делятся на ряд диапазонов, приведенных в таблице 1 (также приведены названия диапазонов и источники, области применения этих ЭМИ) .

Таблица 1.

NN п/п	Наимено- вание ди-апазона частот	Границы диапазона	Наименова-ние вида волн	Граница диапазона	Источники излучения или область применения
1.	Крайне низкие (КНЧ)	3 – 30 Гц	Декамегаме-тровые	100–10Мм	Преобразователи энергии, электрооборудование, источники энергии
2.	Сверх-низкие (СНЧ)	30–300 Гц	Мегаметро-вые	10–1 Мм	Преобразователи энергии, электрооборудование, источники энергии, станки, электроинструмент, бытовая техника
3.	Инфра-низкие (ИНЧ)	0,3–3кГц	Гектокило-метровые	1000–100 км	Источники энергии, электроинструмент, бытовая техника ламповые генераторы
4.	Очень низкие частоты (ОНЧ)	3–30 кГц	Мириамет-ровые	100–10 км	Радионавигация, радио-телефонная связь, подвижная связь
5.	Низкие частоты (НЧ)	30–300кГц	Километро-вые (длинные)	10–1 км	Радионавигация, многопрограммное радиовещание, подвижная и фиксированная связь
6.	Средние частоты (СЧ)	0,3–3 МГц	Гектометро-вые (средние)	1–0,1 км	Радионавигация, воздушная, морская, сухопутная и железнодорожная радиосвязь, радио-локация, космические исследования
7.	Высокие частоты (ВЧ)	3–30 МГц	Декаметро-вые (короткие)	100–10 м	Подвижная связь, метеорология, охранная сигнализация, служба космических исследований
8.	Очень высокие частоты (ОВЧ)	30–300 МГц	Метровые	10–1 м	Телевидение, метеорология, подвижная радиосвязь, радиоастрономия, ж/д и с/х радиосвязь, служба космических исследовний
9.	Ультра- высокие частоты (УВЧ)	0,3–3 ГГц	Дециметровые	1–0,1 м	Телевидение, метеорология, радиолокация, сотовая связь, радиоастрономия, спутниковая связь, служба космических исследований
10.	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	3–30 ГГц	Сантиметровые	10–1 см	Спутниковое телевидение, радиолокация, спутниковая связь, радионавигация, радиоастрономия, служба космических исследований
11.	Крайне высокие частоты (КВЧ)	30–300 ГГц	Миллиметровые	10–1 мм	Радиоастрономия, радиолокация, радионавигация, служба космических исследований, спутниковые службы

ЭМИ частот от 3 Гц до 300 ГГц относят к радиочастотному диапазону, а ЭМИ частот свыше 300 МГц носят общее название – СВЧ излучения. В качестве основных характеристик ЭМИ используют также: напряженность электрического поля E, измеряемая в вольтах на метр (В/м), напряженность магнитного поля – H (А/м – ампер на метр), или магнитную индукцию B, измеряемую в теслах (1 мкТл=0,8 А/м). Напряженности электрического и магнитного полей изменяются в пространстве по различным законам в зависимости от расстояния до источника излучения. С этой точки зрения различают ближнюю зону излучения (зона индукции) и дальнюю (волновую) зону. Зона индукции в зависимости от расстояния R определяется соотношением , а волновая зона – . Если размеры источника излучения (антенны) сравнимы с длиной волны, то граница волновой зоны рассчитывается по формуле , где - максимальный размер антенны. В волновой зоне в качестве основной характеристики используют плотность потока энергии (ППЭ), измеряемую в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) и определяемую соотношением , где - коэффициент направленного действия антенны.

Естественные источники ЭМИ.

Жизнь живых существ на Земле проходит под непрерывным воздействием электромагнитных полей различного частотного диапазона. Это могут быть поля естественного происхождения: электрическое и магнитное поля Земли, электрические поля, образуемые в ее атмосфере, радиоизлучение Солнца и галактик. Магнитные поля (МП) в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Средняя напряженность МП на поверхности Земли составляет около 40 А/м (индукция МП - 5·10–5 Тл). На поверхности Земли вертикальная составляющая индукции МП достигает максимума на магнитных полюсах, составляя примерно Тл (напряженность 49 А/м) в районе северного магнитного полюса; Тл (напряженность 57,2 А/м) в районе южного магнитного полюса и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная составляющая достигает максимума на магнитном экваторе, составляя около Тл (напряженность 32,6 А/м), и равна нулю на магнитном полюсе. Многолетние измерения напряженностей МП Земли показали, что все они не остаются постоянными ни в пространстве, ни во времени. Эти изменения напряженности МП Земли называются вариациями. Медленные изменения МП, происходящие в промежутке времени от 100 лет и более, называются вековыми вариациями. Спектр наблюдаемых вариаций МП Земли показывает, что основная часть вариаций имеет период порядка лет. Амплитуда вековых вариаций в среднем составляет 5,0·10―8 Тл. Южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты 78° северной широты, 70° западной долготы. Координаты северного магнитного полюса - 75 южной широты, 120 восточной долготы (в Антарктиде. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях МП Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) МП Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны. Происхождение МП Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Собственное МП Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие основные части:

1. Основное МП Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 долет.

2. Мировые аномалии ― отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами докм. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская.

3. МП локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных ― Курская магнитная аномалия.

4. Переменное МП Земли (называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки намагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Структура МП земной атмосферы. Земное МП находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного МП, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное МП, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения МП Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера ― область околоземного космического пространства, контролируемая МП Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и МП Земли..

Солнечный ветер ― истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.

Магнитная буря. Локальные характеристики МП изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Геомагнитные вариации. Изменение МП Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями - разность между наблюдаемой величиной напряженности МП и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год. Различают следующие основные вариации:

Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации МП возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а также изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течение нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Радиационные пояса и космические лучи. Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю. В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным МП Земли. МП Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т. е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. В околоземном пространстве МП Земли образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий и образует радиационный пояс Земли.

Помимо магнитных полей Земля характеризуется наличием электрических полей различного уровня и диапазонов частот. Электрические поля существуют в атмосфере и характеризует ее состояние. Изменение потенциала околоземного электрического поля (ЭП) в зависимости от высоты различно в разное время года и для разных местностей и имеет напряжённость в среднем вблизи земной поверхности около 130 В/м. По мере подъема над Землей это поле быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряжённость его равна только 40 В/м, а на высоте 9 км составляет уже величину 5 В/м. Годовые изменения напряженности электрического поля Земли максимальны зимой (150 – 250 В/м в январе – феврале) и минимальны летом (100 – 120 В/м).

Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в Кл. Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне её.

Положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли, находится на высоте от 100 до 200 км и представляет собой слой положительно заряженных (ионизированных) молекул ионосферы. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли. Емкость такого конденсатора оценивается примерно в 0,02…0,03 фарады.

Из атмосферного электричества наиболее опасным для человека являются разряды молний, которые создают электромагнитные поля (ЭМП) называемые атмосфериками. Частотный диапазон атмосфериков – от сотен Гц до десятков МГц, а их уровень электрической составляющей ЭМП максимален на частоте 10 кГц и может достигать величины несколько десятков кВ/м. Наибольшая интенсивность атмосфериков характерна для континентов тропического пояса и убывает к более высоким широтам. Во время вспышек на Солнце атмосферики усиливаются. Следует также отметить, что поскольку разряды молнии стремятся достигнуть Земли по пути наименьшего сопротивления, то попадают в самую верхнюю точку предметов, имеющих контакт с Землей (деревьев, строений и т. д.). Поэтому заземленный молниеотвод, находящийся выше защищаемых объектов, принимает весь удар на себя, предотвращая, таким образом строения и людей от поражения молнией.

Кроме вышеупомянутых к естественным источникам ЭМИ следует отнести излучения Солнца и галактик радиочастотного диапазона (10 МГц – 10 ГГц), уровень которых составляет . Во время активизации солнечной деятельности излучение возрастает в несколько десятков раз и соответственно может оказывать влияние на самочувствие человека.

1.3. Искусственные источники ЭМИ.

Кроме естественных, к настоящему времени создано множество источников искусственных электромагнитных полей, уровень которых может существенно превышать поля естественного происхождения. Эти источники условно можно поделить на две группы:

- источники, генерирующие излучения диапазонов КНЧ, СНЧ и ОНЧ (до 3 кГц). К ним относятся линии электропередач, трансформаторные подстанции, железнодорожный, городской электротранспорт и др.;

- источники, генерирующие ЭМИ в радиочастотном диапазоне (3 кГц – 300 ГГц). Это радиопередающие и радиоприемные устройства различного назначения (радиолокаторы, телевидение, мобильная связь и т. д.), измерительная, медицинская аппаратура, промышленные установки ВЧ диапазона и др.

Как было сказано выше, уровень ЭМИ, создаваемый искусственными источниками, может быть весьма значительным. Тем более, что перечисленные источники часто находятся в непосредственной близости от человека. Так, для линий электропередач (ЛЭП) напряжением 330 кВ у опоры создается электрическое поле напряженностью в диапазоне 1 – 50 кВ/м и магнитное поле с индукцией 8 – 80 мкТл. Особую обеспокоенность вызывает высокий уровень магнитных полей. Тем более что внешнее магнитное поле в жилых зданиях не заэкранировано, а его индукция (для кабелей электропитания подъезда дома) может достигать значения до 20 мкТл (предельно допустимый уровень, принятый в Швеции равен 0,2 мкТл).

Высокий уровень магнитного поля создается в электротранспорте, особенно при разгоне или торможении. Так, на платформе метрополитена при прибытии или отправления поезда возникает магнитное поле с индукцией до 400 мкТл, а при его движении – до 150 мкТл. Такие же магнитные поля образуются при движении трамваев, троллейбусов, пригородных электропоездов.

Значительные уровни электромагнитных полей возникают при использовании бытовой аппаратуры. Так на расстоянии 0,2 м уровень МП от электроплиты, электрического утюга, электрочайника, электропроводки достигает 0,2 – 0,6 мкТл. При работе установок диэлектрического нагрева в диапазоне 3 – 100 МГц электрическая составляющая поля может достигать величины 100 В/м. Существенные ЭМП возникают при работе радиопередающих устройств. Так при работе радиопередатчика ДВ диапазона мощностью 100 кВт и более на расстоянии от 100 до 1000м возникает ЭМП с электрической напряженностью 10 – 100 В/м. Следует отметить, что вышеуказанные источники как правило находятся на значительном расстоянии, а возникающие поля воздействуют незначительное время на окружающую среду.

В последние десятилетия значительно увеличилось число используемых устройств в СВЧ диапазоне как персоналом, так и населением. Это в первую очередь устройства мобильной связи, а также компьютеры, микроволновые печи, радары и др. Несмотря на невысокую мощность, излучаемую мобильными телефонами (до 2-х Вт), эффект воздействия СВЧ ЭМП на организм человека может быть весьма значительным. Это связано с тем, что телефон находится в непосредственной близости от головы человека. Кроме того, время воздействия излучения может быть достаточно длительным при частом пользовании телефоном. Следует отметить, что излучаемая мощность возрастает при удалении от базовой станции (телефон работает в режиме максимальной мощности). Несколько меньшим уровнем излучения обладают телефоны, работающие в диапазоне 1800 МГц (GSM – 1800), по сравнению с более НЧ диапазонами. Сами базовые станции представляют определенную опасность для населения при их расположении на крышах жилых зданий. Другие бытовые СВЧ устройства (компьютеры, микроволновые печи), как правило, не оказывают вредного воздействия вследствие либо малых мощностей, либо малого времени воздействия и большого расстояния. Высокую выходную мощность имеют радиолокационные станции (РЛС). Однако их расположение, кроме РЛС, расположенных на судах и самолетах, позволяет избежать облучения населения и персонала СВЧ ЭМП.

1.4  . Воздействие ЭМИ на организм человека.

При облучении электромагнитным полем живого организма часть его энергии проникает в поверхностные ткани, что приводит к колебанию содержащихся в них ионов и дипольных молекул воды. Ионы тканей под воздействием электромагнитного поля приходят в движение, т. е. в тканях возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся тепловым эффектом. На частотах свыше 100 кГц возрастает поляризация молекул, что приводит к появлению токов смещения. Этот эффект усиливается с повышением частоты и становится преобладающим на частотах 1–10 ГГц. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию. Количество тепла, выделяемое в теле человека при частотах ниже 300 МГц, связано с составляющими электрического и магнитного полей соотношениями:

,

,

где - среднее удельное сопротивление тканей человека.

Поглощенная энергия E на частотах свыше 300 МГц зависит от эффективной поверхности тела S, плотности потока энергии, падающей на эту поверхность W, расстояния r, пройденного волной от поверхности кожи в глубь тела, коэффициента отражения от границы сред (воздух–кожа, кожа–жир, кожа– мышцы) и приближенно описывается соотношением: , Дж,

где x–глубина проникновения до ослабления в e раз, t – время воздействия. Следует отметить, что поскольку эффективная поверхность тела и коэффициент отражения сильно зависят от частоты, то поглощенная энергия СВЧ поля также будет определяться частотным диапазоном. Наибольшее поглощение наблюдается при длинах волн 10–30 см (до 100 %). Однако, хотя и поглощение энергии при длинах волн 30–100 см несколько меньше (30–40 %), вред может быть нанесен больший, так как воздействию подвергаются в этом случае внутренние органы вследствие более глубокого проникновения излучения в тело человека.