Неионизирующие излучения. Электромагнитное загрязнение биосферы: опасность, оценка, технические средства защиты
Введение
С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники, средств связи, электронной офисной техники, специального промышленного оборудования и др. появилось большое количество искусственных источников электромагнитных полей, что обусловило интенсивное «электромагнитное загрязнение» среды обитания человека.
Длительное воздействие этих полей на организм человека вызывает нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечнососудистой систем, что выражается в повышенной утомляемости, снижении качества выполнения рабочих операций, сильных болях в области сердца, изменении кровяного давления и пульса.
1. Источники ЭМП
Электромагнитные поля окружают нас постоянно. Однако человек различает только видимый свет, который занимает лишь узкую полоску спектра электромагнитных волн — ЭМВ. Глаз человека не различает ЭМП, длина волны которых больше или меньше длины световой волны, поэтому мы не видим излучений промышленного оборудования, радаров, радиоантенн, линий электропередач и др. Все эти устройства, как и многие другие, использующие электрическую энергию, излучают так называемые антропогенные ЭМП, которые вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку.
/>
По определению, электромагнитное поле — это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле И, а изменяющееся Н — вихревое электрическое поле. Обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга.
/>
Векторы Е и Н бегущей ЭМВ в зоне распространения всегда взаимно перпендикулярны. При распространении в проводящей среде они связаны соотношением
/>
где со — частота электромагнитных колебаний; у — удельная проводимость вещества экрана; \i— магнитная проницаемость этого вещества; к — коэффициент затухания; R— расстояние от входной плоскости экрана до рассматриваемой точки.
ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн. Например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне.
Электромагнитные волны характеризуются длиной волны к. Источник, генерирующий излучение, то есть создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой f. Международная классификация электромагнитных волн по частотам приведена в табл. 1.
Таблица 1. Международная классификация электромагнитныхволн по частотам
№ диапазона
Диапазон радиочастот
Границы диапазона
Диапазон радиоволн
Границы диапазона
1
Крайне низкие, КНЧ
3-30 Гц
Декамегаметровые
100-10 мм
2
Сверхнизкие, СНЧ
30-300 Гц
Мегаметровые
10-1 мм
3
Инфракрасные, ИНЧ
0,3-3 кГц
Гектокилометровые
1000-100 км
4
Очень низкие, ОНЧ
3-30 кГц
Мириаметровые
100-10 км
5
Низкие частоты, НЧ--PAGE_BREAK--
30-300 кГц
Километровые
10-1 км
6
Средние, СЧ
0,3-3 МГц
Гектометровые
1-0,1 км
7
Высокие частоты, ВЧ
3-30 МГц
Декаметровые
100-10 м
8
Очень высокие, ОВЧ
30-300 МГц
Метровые
10-1 м
9
Ультравысокие, УВЧ
0,3-3 ГГц
Дециметровые
1-0,1 м
10
Сверхвысокие, СВЧ
3-30 ГГц
Сантиметровые
10-1 см
11
Крайне высокие, КВЧ
30-300 ГГц
Миллиметровые
10-1 мм
12
Гипервысокие, ГВЧ
300-3000 ГГц
Децимиллиметровые
1-0,1 мм
Особенностью ЭМП является его деление на «ближнюю» и «дальнюю» зоны. На практике в «ближней» зоне — зоне индукции на расстоянии от источника г К ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату г2или кубу г3 расстояния. Поле в зоне индукции служит для формирования электромагнитной волны. «Дальняя» зона — зона сформировавшейся электромагнитной волны, в которой интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника г'1. Граница «ближней» и «дальней» зоны представлена на рис. 3.
/>
Согласно теории ЭМП «ближняя» находится на расстоянии/>, где/>— длина волны и определяется из соотношения
/>, где с — скорость распространения волны, f— частота электромагнитных колебаний. «Дальняя» зона, или зона распространения находится на расстоянии/>.
В зоне индукции еще не сформировалась бегущая волна, вследствие чего Е и Н не зависят друг от друга, поэтому нормирование в этой зоне ведется как по электрической, так и по магнитной составляющей поля. Это характерно для ВЧ-диапазона. В зоне излучения ЭМП характеризуется электромагнитной волной, наиболее важным параметром которой является плотность потока мощности.
В «дальней» зоне излучения принимается Е = 377Н, где 377 — волновое сопротивление вакуума, Ом. В российской практике санитарно-гигиенического надзора на частотах выше 300 Мгц в «дальней» зоне излучения обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии или плотность потока мощности — S, Вт/м2. За рубежом ППЭ обычно измеряется для частот выше 1 ГГц. ППЭ характеризует величину энергии, теряемой системой за единицу времени вследствие излучения электромагнитных волн. продолжение
--PAGE_BREAK--
2. Природные источники ЭМП
Природные источники ЭМП делятся на 2 группы. Первая — поле Земли: постоянное магнитное поле. Процессы в магнитосфере вызывают колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот: от 10"5до 102Гц, амплитуда может достигать сотых долей А/м. Вторая — радиоволны, генерируемые космическими источниками. В силу относительно низкого уровня излучения от космических радиоисточников и нерегулярного характера воздействия их суммарный эффект поражения биообъектов незначителен.
Человеческое тело также излучает ЭМП с частотой выше 300 ГГц с плотностью потока энергии порядка 0,003 Вт/м2. Если общая площадь поверхности среднего человеческого тела 1,8 м2, то общая излучаемая энергия составляет примерно 0,0054 Вт.
3. Антропогенные источники ЭМП
Антропогенные источники ЭМП в соответствии с международной классификацией также делятся на 2 группы. Первая — источники, генерирующие крайне низкие и сверхнизкие частоты от 0 Гц до 3 кГц. Вторая — источники, генерирующие от 3 кГц до 300 ГГц, включая микроволны в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц.
К первой группе относятся в первую очередь все системы производства, передачи и распределения электроэнергии.
Источником электрических полей промышленной частоты являются, например, токоведущие части действующих электроустановок: линии электропередач, трансформаторные подстанции, электростанции, индукторы, конденсаторы термических установок, фидерные линии, генераторы, трансформаторы, электромагниты, соленоиды, электро- и кабельная проводки, металлокерамические магниты, офисная электро- и электронная техника, транспорт на электроприводе и др. В различных технологиях электромагнитная энергия высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов в основном используется для процессов электротермии, то есть для нагрева материала в самом ЭМП. Данное направление является перспективным, так как оно обеспечивает большие скорости и качество обработки материалов, экологически и экономически эффективно. Это объясняется тем, что в ЭМП разогрев материала на атомном и молекулярном уровнях происходит во всем объеме сразу за счет электрических потерь, в то время как температура окружающей среды остается практически без изменения.
Вторую группу составляют функциональные передатчики, различное технологическое оборудование, использующее СВЧ-излучение, переменные и импульсные магнитные поля, медицинские терапевтические и диагностические установки, бытовое оборудование, средства визуального отображения информации на электронно-лучевых трубках.
4. Нормирование ЭМП
Применение новых технологических процессов и радиоэлектронных систем и устройств, излучающих электромагнитную энергию в окружающую среду, создает и ряд трудностей, связанных с отрицательным воздействием ЭМИ на организм человека. Установлено, что этот вид энергии воздействует на весь организм в целом, вызывая его перегрев под влиянием переменного поля, а также отрицательно влияет и на отдельные системы организма. Данные об условиях облучения на рабочих местах некоторых специальностей приведены в табл. 2.
Таблица 2. Интенсивность ЭМИ на рабочихместах ряда специальностей
Производственный процесс
Основные источники излучения
Интенсивность облучения персонала, мкВт/см2
Регулировка, настройка и испытание комплекса РЛС в выпускных цехах заводов и ремонтных мастерских
Антенные системы
1000 и более
Регулировка, настройка и испытание комплекса РЛС в условиях полигона
Антенные системы
500 и более
Регулировка, настройка и испытание отдельных СВЧ-узлов, блоков и приборов
Катодные выводы магнетрона, волноводо-коак-сиальные переходы и др.
до 1000
Научно-исследовательские работы
Антенные устройства, генераторные блоки, СВЧ-приборы и др.
до 1000
Эксплуатация РЛС на аэродромах гражданской авиации
Антенные системы
100-1000
Эксплуатация СВЧ-аппа-ратов в некоторых областях народного хозяйства, в том числе физиотерапевтические кабинеты
Разные антенные системы, генераторные блоки, излучатели и др.
1-2000
Контрольно-измерительные работы в экранированных помещениях
Генераторные блоки, разные антенные системы
5-50 (сложные ЭМП)
Нормирование ЭМИ проводится в соответствии с нормативными документами и справочными данными. В табл. 3 приведены значения допустимой напряженности Е и Н и энергетической нагрузки электромагнитного поля на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессиональное воздействием ЭМП. Указанные значения не должны превышаться в течение рабочего дня.
Так, напряженность ЭМП радиочастот на рабочих местах не должна превышать по электрической составляющей 20 В/м в диапазоне частот 100 кГц — 30 МГц и при f= 30-300 МГц; по магнитной составляющей предельная напряженность Нпред= 5 А/м при f= 100 кГц — 1,5 МГц. В диапазоне СВЧ f= 300-300000 МГц допустимая плотность потока мощности при длительности облучения тбл в течение всего рабочего дня составляет 10 мкВт/см2; при 5бл = 2 ч — 100 мкВт/см2; при тбл = 15-20 мин — 1000 мкВт/см2. продолжение
--PAGE_BREAK--
Таблица 3. т непредельно допустимые уровни напряженности и энергетической нафузки ЭМП, мкВт/см2
Диапазон частот, МГц
Допустимая напряженность поля
Нормативная энергетическая нагрузка, Втч/м2 (мкВтч/см2)
Дополнения
электрическая, Вт/м
магнитная, А/м
6х10'2-3 3-30 30-50 50-300 6х10«2-1,5 30-50
50 20 10 5
5
0,3
—
Допускается превышение уровней в два раза при времени воздействия не более 0,5 рабочего дня
2 (200)
Кроме случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн.
300-3x1О5
20 (2000)
Облучение от вращающихся и сканирующих антенн с частотой 1 Гц и скважностью не менее 50.
20 (2000)
Последовательное или одновременное облучение в непрерывном или прерывистом (от вращающихся и сканирующих антенн) режимах.
В остальное рабочее время интенсивность облучения не должна превышать 10 мк Вт/см2.
В случае непрерывного облучения от вращающихся и сканирующих антенн ПДУ облучения составляет 100 мкВт/см2 при воздействии в течение 8 часов и 1000 мкВт/см2 при облучении до 2 ч/сут.
Для лиц, профессионально не связанных с облучением, и для населения в целом ППМ не должен превышать 1 мкВт/см2.
5. Основные виды средств коллективной и индивидуальной защиты от ЭМП
В зависимости от условий воздействия ЭМП, характера и местонахождения источника излучения могут быть использованы следующие способы и методы защиты: защита временем и расстоянием, снижение интенсивности излучения источника, экранирование источника, защита рабочего места от излучения, применение средств индивидуальной защиты.
Защита временем
Способ применяется в тех случаях, когда отсутствует возможность уменьшить напряженность ЭМП до ПДУ. Допустимое время определяется как
/>
где th1,2— гиперболический тангенс.
Защита расстоянием. Способ используется, если нельзя снизить интенсивность облучения другими методами. Является наиболее эффективным.
Для диапазона ДВ, СВ, KBи УКВ расстояние определяется как
/>
где р — средняя выходная мощность, Вт; G— коэффициент направленности антенны; Едоп,_ допустимая напряженность электрического поля, В/м.
Для диапазона СВЧ
/>
Метод уменьшения мощности излучения
Осуществляется непосредственной регулировкой передатчика; его заменой на менее мощный применением специальных устройств — аттенюаторов, которые поглощают, отражают или ослабляют передаваемую энергию на пути от генератора к антенне.
Способы экранирования источника
Основными видами средств коллективной защиты являются экранирующие устройства — составные части электрической установки, предназначенные для защиты персонала в открытых распределительных устройствах и на воздушных линиях электропередач.
Конструктивно экранирующие устройства оформляются в виде козырьков, навесов или перегородок из металлических канатов, прутков, сеток или пластин из резины. Экранирующие устройства должны иметь антикоррозионное покрытие и быть заземлены. продолжение
--PAGE_BREAK--
Экраны бывают поглощающие или отражающие электромагнитную энергию. Выбор конструкции экранов зависит от характера технологического процесса, мощности источника и диапазона волн. Коэффициент экранирования равен
/>
где/>или/>— эффективность экранирования; Е и Н – без крана; ЕэиНэ-с экраном.
Наряду со стационарными и переносными экранирующими устройствами применяют индивидуальные экранирующие комплекты. В состав экранирующих комплектов входят: спецодежда из металлизированной ткани, средства защиты головы, рук и лица.
6. Безопасность лазерного излучения
Особое место среди источников ЭМИ занимают лазерные установки. В промышленности применяются лазерные установки, работающие в диапазонах длин волн от ИК до рентгеновского. Лазерная технология, например, обработка материалов лазерным излучением, позволяет осуществлять сварку материалов, сверление, резку и т.д.
Благодаря своим уникальным свойствам, эти устройства также широко используются в научных исследованиях: в физике, химии, биологии и др. и в практической медицине: хирургия, офтальмология и др.
Лазер — это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения. В нем происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Плотность мощности излучения лазерных установок достигает 1011-1014 Вт/см2, а для испарения большинства материалов достаточно 10эВт/см2. Для сравнения: плотность солнечного излучения 0,15-0,25 Вт/см2. Поэтому серьезную опасность представляет не только прямое, но и диффузионно отраженное лазерное излучение. Проявляются и сопутствующие факторы: ЭМП, высокое напряжение, аэрозоли от возгона веществ в зоне действия луча.
Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные, которые в свою очередь делятся на непрерывного и импульсного действия. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения, требования к конструкции лазерных установок и технологическим процессам с использованием таких установок приведены в.
В основу классификации лазеров положена степень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала:
класс I — выходное излучение не опасно для глаз;
класс II — опасно для глаз прямое или зеркально отраженное излучение;
класс III— опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузионно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;
класс IV — опасно для кожи диффузионно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Биологические эффекты от действия луча лазера на живые ткани заключаются в термическом, энергетическом, фотохимическом и механическом воздействии, а также электрострикции и образовании в пределах клетки микроволнового ЭМП. Эти воздействия нарушают жизнедеятельность как отдельных органов, так и организма в целом. Выделяют два механизма: первичный и вторичный. Первичный механизм проявляется в виде органических изменений в облучаемых тканях. Вторичный механизм проявляется как реакция организма на облучение.
В качестве приоритетных критериев при оценке степени опасности генерируемого лазерного излучения приняты: энергия или мощность излучения, плотность энергии излучения, длительность воздействия излучения и длина волны.
Предельно допустимые уровни, требования к устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с ними. Санитарные нормы и правила определяют величины ПДУ для каждого режима работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам.
Таблица 4. А ПДУ лазерного излучения [6]
Длина волны, мкм
ПДУ, Дж-см«2
0,200-0,210
1х108
0,210-0,215
1х10*7
0,215-0,290
1х10»6
0,290-0,300
1x10«5
0,300-0,370
1x10^
Св. 0,370
2x10»3
Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей.
Например, значения ПДУ энергетической экспозиции при облучении ультрафиолетовой областью спектра приводятся в та б л. 4.
Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, организационного и санитарно-гигиенического характера.
При использовании лазеров 11-111 классов в целях исключения облучения персонала необходимо ограждение лазерной зоны или экранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны быть огнестойкими, не выделять токсичных веществ при нагреве и изготовлены из материалов с наименьшим коэффициентом отражения. Лазеры IV класса опасности размещаются в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением. При размещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможность взаимного облучения операторов, работающих на аналогичных установках.
Для удаления возможных токсичных газов, паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция. Для защиты от шума применяется звукоизоляция установок, звукопоглощение и др.
В качестве индивидуальных средств защиты используют очки со специальными стеклами — фильтрами, щитки, маски, халаты светло-зеленого или голубого цветов.
Контроль уровней лазерного излучения производится в основном фотоэлектрическими приборами, например, «Измеритель-1» и ИЛД-2.