Общая характеристика работы (стр. 9 )

Заметим, что именно поэтому нельзя воспользоваться, казалось, заманчивой возможностью, переходя от одной системы отсчета в другую, теоретически найти (Григорьев и др., 2002), пользуясь релятивистскими преобразованиями, те или иные сочетания чисто электрического и чисто магнитного полей, эквивалентные по своим биологическим эффектам. Каждому сочетанию полей будут соответствовать свои сочетания поляризации и намагниченности мембран, биотоков и т. п., т. е. принципиально иной организм.

В п.2.7 рассматриваются особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром. Выше уже отмечалось, что перспектива резкого возрастания, особенно в межпланетном полете и на лунной базе, количества систем и аппаратуры, создающих при своей работе ЭМП широкого спектра и самой различной величины, заставляет с повышенным вниманием относиться к нормированию его предельно допустимых уровней. На борту (да и в наземных условиях) спектр ЭМП будет приобретать характер, приближающийся к квазинепрерывному. Ранее, в связи с отсутствием квазинепрерывного фона, его нормирование не рассматривалось. В настоящее время возникает необходимость оценки дозовой нагрузки, вносимой фоновой электромагнитной обстановкой.

В подходах к нормированию ЭМП, как известно, существуют два направления. Первое исходит из положения, что биологические эффекты ЭМП сводятся исключительно к нагреву и перегреву тканей и органов организма при поглощении энергии (так называемая тепловая модель). Второе, принятое в СССР и затем в России, считает, что существуют нетепловые эффекты, и что при нормировании следует исходить из них. В частности, именно с этих позиций были регламентированы предельно допустимые уровни действующего ГОСТ Р 50804–95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате».

В дальнейшем будем исходить из действующих в ГОСТ Р 50804–95 нетепловых подходов, однако для сравнения будем приводить результаты оценок по тепловой модели, но основанной на тех же уровнях ЭМП, что и нетепловая.

В стандартах многих стран и рекомендациях международных организаций принято, что в случае наличия нескольких источников ЭМП разных частот, для которых установлены соответствующие предельно допустимые уровни, сумма их относительных вкладов не должна превышать единицы. Распространяя этот подход на случай квазинепрерывного широкополосного электромагнитного фона, дозовую нагрузку D в единицах предельно допустимого уровня (ПДУ) можно представить (Васин и др., 2003), как интеграл от множества виртуальных источников, а именно:

D = (2.5)

где G(f) - параметр поля E, H или S (обозначения стандартные) как функция частоты f, GL(f) - ПДУ выбранного параметра ЭМП для установленного времени нахождения в ЭМП, D(f)- ширина частотной линии аппаратуры, регистрирующей G(f), φ — некоторая функция.

Для случая, когда непосредственным физиологически активным фактором является напряженность электрического или магнитного поля E или H (например, для оценки наведенных токов и эффектов электрической стимуляции ) логично принять, что

(2.6)

В случае тепловой модели: .

Если в частотном диапазоне (fn – fn+1) величины Dn и GL, n не зависят от f, то выражение (2.5) переходит в:

D = (2.7),

где m — количество интервалов разбиения.

Следует сделать одно добавление.

Амплитуды квазинепрерывного широкополосного фона обычно весьма малы. Поэтому возникает вопрос о наличии или отсутствии в тех или иных диапазонах частот амплитудного порога воздействия ЭМП. В случае тепловой модели такого вопроса нет – нагрев есть нагрев. Конечно, из-за нелинейности проводимости тканей выделение энергии при очень малых амплитудах будет иным, чем при больших. Однако литературных данных об этом нами найдено не было. По-видимому, этот вопрос вообще не возникал и требует постановки исследований. Для нетепловых воздействий вопрос также, по-видимому, не изучен. В принципе, при наличии порога в соответствующем интервале частот следует «занулять» вклад. Известны также исследования, в которых показано, что воздействие электромагнитного шума модифицирует биологическое действие ЭМП с большими амплитудами. В последующем, исходя из предупредительного принципа, не принимаем во внимание возможное существование порогов нетепловых воздействий ЭМП.

Имеется распространенное мнение, что если электромагнитная обстановка удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры, то она тем более удовлетворяет требованиям электромагнитной безопасности для человека. В случае непрерывного широкополосного фона это не соответствует действительности и может приводить к нежелательным последствиям.

В качестве примера в п. 2.7. рассмотрен случай, приведенный в работе (Васин и др., 2003), когда уровень фона электрического поля определен условиями ЭМС на Российском Сегменте МКС. В этом случае напряженность электрического компонента поля в полосе частот от 0.1 до 1000 МГц, включительно не должна превышать значений:

EдБ = 116 – 4 lg() [дБ мкВ/м] , где f — частота в МГц. (2.8),

Переходя от напряженности поля в дБ мкВ/м к напряженности в В/м, получим:

(E 0 = 1 мкВ/м) (2.9).

Преобразовав формулу (2.7) для случая чисто электрического поля и подставив в нее выражение (2.9) , имеем после интегрирования:

DE = (2.10).

В соответствии с требованиями Международной Электротехнической Комиссии (МЭК), ширина полосы пропускания частот регистрирующего прибора нормируется как 0.0002 МГц, 0.009 МГц, 0.12 МГц для спектральных областей 10–150 кГц, 0.15–30 МГц и 30–1000 МГц, соответственно. Эти же значения приняты в Технических Условиях на ЭМС для Российского Сегмента.

Расчеты показывают, что в диапазоне до 300 МГц дозовая нагрузка от фонового электрического поля в случае нетепловой модели составляет ~98 ПДУ, а для тепловой модели ~2.1 ПДУ. Основной вклад дает диапазон частот ~ 50÷ 300 МГц. Таким образом, даже в тепловой модели вклад широкополосного фона удовлетворяющего требованиям ЭМС, заметно превышает ПДУ.

Аналогичная ситуация возникает в отношении аппаратуры, собственное излучение которой удовлетворяет условиям ЭМС для Российского сегмента МКС. По Техническим Условиям уровень излучения не должен превышать в полосе частот от 100 до 1000 MГц включительно

ЕQP = 36 + 19 lg(f/100) дБмкВ/м где f - частота в MГц. (2.11) ,

(уровни для более низких частот не приводим, поскольку вклад от них незначителен).

Переводя E в В/м, подставляя в (2.6) и интегрируя, получим, что в полосе частот от 100 до 1000 MГц включительно:

D = 4,07∙10-7∙(f2 1,95 - f1 1,95) /(Δ ∙ ЕL, i) ПДУ (2.12).

В ГОСТ Р 50804–95, начиная с частоты 300 МГц, нормируется плотность потока мощности S (не свыше 0,1 Вт/м2). Поле E в этом диапазоне частот пересчитывалось из S по известной формуле, справедливой для волновой зоны, хотя для некоторых частот эта зона в обитаемых отсеках МКС и не сформирована. В этих случаях получаем нижнюю оценку E.. Полагая, что в полосе пропускания аппаратуры содержится лишь одна виртуальная линия, находим величину дозовой нагрузки D в единицах ПДУ:

D100÷300 МГц ≈ 4,07∙10–7∙(3001,95 — 1001,95)/(0,12∙5) ≈ 0,04 ПДУ (2.13)

D300÷1000 МГц ≈ 4,07∙10–7∙(103·1,95 — 3001,95)/(0,12∙6,14) ≈ 0,354 ПДУ (2.14)

Всего ~ 0,39 ПДУ (Труханов, 2005).

Таким образом, три близко расположенных прибора, у которых собственное квазинепрерывное широкополосное излучение удовлетворяет требованиям ЭМС для Российского Сегмента МКС, могут создать вблизи себя уровень ЭМП, превышающий ПДУ. При удалении от них ЭМП должно спадать, однако отражение излучения от проводящего корпуса (особенно, если коэффициент отражения близок к единице, а излучение в интерьере корабля ослабляется незначительно) создает вторичные источники и замедляет этот спад. Подчеркнем, что полученные результаты относятся к вкладу только электрического компонента. Необходимо добавлять вклад магнитного компонента и т. п. Следовательно, если квазинепрерывный широкополосный фон аппаратуры удовлетворяет требованиям ЭМС, но на пределе, то на борту она будет создавать неприемлемый уровень для человека. Ситуация, проанализированная выше, может показаться искусственной, однако в ряде случаев она близка к реальной. В связи с этим разработана методика проверки аппаратуры на биоэлектромагнитную совместимость при поставке ее на борт.

В п. 2.8 рассматриваются особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром при разработке требований к измерительной аппаратуре для МКС. В качестве иллюстрации необходимости особого подхода найдем величину дозовой нагрузки от электрического компонента широкополосного квазинепрерывного фона в диапазоне 0,01-300 МГц, напряженность которого составляет всего одну десятитысячную от ПДУ, установленного ГОСТ Р 50804–95. Фоном, на 80 дБ меньшим ПДУ, при измерениях заведомо пренебрегают. Расчеты, выполненные по приведенной выше методике, дают величину ~ 0, 58 ПДУ. Основной вклад вносят два диапазона: 3=30 МГц и 50-300 МГц. Таким образом, квазинепрерывный широкополосный фон можно не учитывать в измерениях соответствия уровням электромагнитной безопасности по ГОСТ Р 50804-95 по электрическому полю в диапазоне 0,01 – 300 МГц, если его уровень меньше значений ПДУ в соответствующих частотных интервалах на пять порядков (100 дБ). Только в этом случае он составит ~ 5% от ПДУ.

В связи с приведенным примером целесообразны изменения в подходах к нормированию ЭМП и к разработке аппаратуры для измерения и мониторирования электромагнитной обстановки на борту. Требуется регистрировать амплитудно-частотные характеристики ЭМП в широком диапазоне с чувствительностью, намного выше ПДУ. Кроме того, в аппаратуре следовало бы предусмотреть оценку разности фаз между векторами электрического и магнитного компонентов ЭМП гармонического сигнала одной и той же частоты, что дало бы представление о том, в какой зоне – ближней, промежуточной или дальней происходят измерения и как их надо трактовать. По-видимому, такую же технологию измерений целесообразно применить и в аппаратуре, предназначенной для экологического контроля на Земле.