Неионизирующиеизлучения. Электромагнитное загрязнение биосферы: опасность, оценка,технические средства защиты
Введение
С развитием электроэнергетики, радио- ителевизионной техники, средств связи, электронной офисной техники, специальногопромышленного оборудования и др. появилось большое количество искусственныхисточников электромагнитных полей, что обусловило интенсивное «электромагнитноезагрязнение» среды обитания человека.
Длительное воздействие этих полей наорганизм человека вызывает нарушение функционального состояния центральнойнервной 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 наспостоянно. Однако человек различает только видимый свет, который занимает лишьузкую полоску спектра электромагнитных волн — ЭМВ. Глаз человека не различаетЭМП, длина волны которых больше или меньше длины световой волны, поэтому мы невидим излучений промышленного оборудования, радаров, радиоантенн, линийэлектропередач и др. Все эти устройства, как и многие другие, использующиеэлектрическую энергию, излучают так называемые антропогенные ЭМП, которыевместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивуюэлектромагнитную обстановку.
/>
По определению, электромагнитное поле — это особая форма материи, посредствомкоторой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами.Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что изменяющееся во времениэлектрическое поле Е порождает магнитное поле И, а изменяющееся Н — вихревоеэлектрическое поле. Обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают другдруга.
/>
Векторы Е и Н бегущей ЭМВ в зонераспространения всегда взаимно перпендикулярны. При распространении впроводящей 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 равномернодвижущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. Приускоренном движении заряженных частиц ЭМП «отрывается» от них и существуетнезависимо в форме электромагнитных волн. Например, радиоволны не исчезают ипри отсутствии тока в излучившей их антенне.
Электромагнитные волны характеризуются длиной волны к. Источник, генерирующий излучение, тоесть создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой f. Международная классификацияэлектромагнитных волн по частотам приведена в табл. 1.
Таблица 1. Международная классификация электромагнитных волн почастотам№ 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 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
/>
Согласно теории ЭМП«ближняя» находится на расстоянии/>, где/> — длина волны иопределяется из соотношения
/>, где с — скорость распространения волны, f — частота электромагнитных колебаний.«Дальняя» зона, или зона распространения находится на расстоянии/>.
В зоне индукции еще не сформироваласьбегущая волна, вследствие чего Е и Н не зависят друг от друга, поэтомунормирование в этой зоне ведется как по электрической, так и по магнитнойсоставляющей поля. Это характерно для ВЧ-диапазона. В зоне излучения ЭМПхарактеризуется электромагнитной волной, наиболее важным параметром которой являетсяплотность потока мощности.
В «дальней» зоне излучения принимается Е= 377Н, где 377 — волновое сопротивление вакуума, Ом. В российской практикесанитарно-гигиенического надзора на частотах выше 300 Мгц в «дальней» зонеизлучения обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии илиплотность потока мощности — S,Вт/м2. За рубежом ППЭ обычно измеряется для частот выше 1 ГГц. ППЭхарактеризует величину энергии, теряемой системой за единицу времени вследствиеизлучения электромагнитных волн.
2. Природные источникиЭМП
Природные источники ЭМП делятся на 2группы. Первая — поле Земли: постоянное магнитное поле. Процессы в магнитосферевызывают колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот: от 10"5до 102 Гц, амплитуда может достигать сотых долей А/м. Вторая — радиоволны, генерируемые космическими источниками. В силу относительно низкогоуровня излучения от космических радиоисточников и нерегулярного характеравоздействия их суммарный эффект поражения биообъектов незначителен.
Человеческое тело также излучает ЭМП счастотой 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. Антропогенныеисточники ЭМП
Антропогенные источники ЭМП всоответствии 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 от300 МГц до 300 ГГц.
К первой группе относятся в первуюочередь все системы производства, передачи и распределения электроэнергии.
Источником электрических полейпромышленной частоты являются, например, токоведущие части действующихэлектроустановок: 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, транспортна электроприводе и др. В различных технологиях электромагнитная энергиявысокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов в основном используется дляпроцессов электротермии, то есть для нагрева материала в самом ЭМП. Данное направление являетсяперспективным, так как оно обеспечивает большие скорости и качество обработкиматериалов, экологически и экономически эффективно. Это объясняется тем, что вЭМП разогрев материала на атомном и молекулярном уровнях происходит во всемобъеме сразу за счет электрических потерь, в то время как температураокружающей среды остается практически без изменения.
Вторую группу составляют функциональныепередатчики, различное технологическое оборудование, использующееСВЧ-излучение, переменные и импульсные магнитные поля, медицинскиетерапевтические и диагностические установки, бытовое оборудование, средствавизуального отображения информации на электронно-лучевых трубках.
4. Нормирование ЭМП
Применение новых технологическихпроцессов и радиоэлектронных систем и устройств, излучающих электромагнитнуюэнергию в окружающую среду, создает и ряд трудностей, связанных с отрицательнымвоздействием ЭМИ на организм человека. Установлено, что этот вид энергиивоздействует на весь организм в целом, вызывая его перегрев под влияниемпеременного поля, а также отрицательно влияет и на отдельные системы организма.Данные об условиях облучения на рабочих местах некоторых специальностейприведены в табл. 2.
Таблица 2. Интенсивность ЭМИ на рабочих местахряда специальностейПроизводственный 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 всоответствии с нормативными документами и справочными данными. В табл. 3приведены значения допустимой напряженности Е и Н и энергетической нагрузкиэлектромагнитного поля на рабочих местах и в местах возможного нахожденияперсонала, связанного профессиональное воздействием ЭМП. Указанные значения недолжны превышаться в течение рабочего дня.
Так, напряженность ЭМП радиочастот нарабочих местах не должна превышать по электрической составляющей 20 В/м в диапазоне частот 100 кГц — 30МГц и при f =30-300 МГц; помагнитной составляющей предельная напряженность Нпред = 5 А/м при f = 100 кГц — 1,5 МГц. В диапазоне СВЧ f = 300-300000 МГц допустимая плотностьпотока мощности при длительности облучения т0бл в течение всего рабочего дня составляет10 мкВт/см2; при 50бл = 2ч — 100 мкВт/см2; при т0бл =15-20 мин — 1000 мкВт/см2.
Таблица 3. т непредельно допустимые уровни напряженности иэнергетической нафузки ЭМП, мкВт/см2Диапазон 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 интенсивностьоблучения не должна превышать 10 мк Вт/см2.
В случае непрерывного облучения отвращающихся и сканирующих антенн ПДУ облучения составляет 100 мкВт/см2 привоздействии в течение 8 часов и 1000 мкВт/см2 при облучении до 2 ч/сут.
Для лиц, профессионально не связанныхс облучением, и для населения в целом ППМ не должен превышать 1 мкВт/см2.
5. Основные виды средств коллективной ииндивидуальной защиты от ЭМП
В зависимости от условий воздействияЭМП, характера и местонахождения источника излучения могут быть использованыследующие способы и методы защиты: защита временем и расстоянием, снижениеинтенсивности излучения источника, экранирование источника, защита рабочегоместа от излучения, применение средств индивидуальной защиты.
Защита временем
Способ применяется в тех случаях, когдаотсутствует возможность уменьшить напряженность ЭМП до ПДУ. Допустимое время определяетсякак
/>
где th1,2 — гиперболический тангенс.
Защита расстоянием. Способ используется, если нельзя снизитьинтенсивность облучения другими методами. Является наиболее эффективным.
Для диапазона ДВ, СВ, KB и УКВ расстояние определяется как
/>
где р — средняя выходная мощность, Вт; G — коэффициент направленности антенны; Едоп,_ допустимая напряженность электрическогополя, В/м.
Для диапазона СВЧ
/>
Метод уменьшения мощности излучения
Осуществляется непосредственнойрегулировкой передатчика; его заменой на менее мощный применением специальныхустройств — аттенюаторов, которые поглощают, отражают или ослабляютпередаваемую энергию на пути от генератора к антенне.
Способы экранирования источника
Основными видами средств коллективнойзащиты являются экранирующие устройства — составные части электрическойустановки, предназначенные для защиты персонала в открытых распределительныхустройствах и на воздушных линиях электропередач.
Конструктивно экранирующие устройстваоформляются в виде козырьков, навесов или перегородок из металлических канатов,прутков, сеток или пластин из резины. Экранирующие устройства должны иметьантикоррозионное покрытие и быть заземлены.
Экраны бывают поглощающие или отражающие электромагнитную энергию. Выборконструкции экранов зависит от характера технологического процесса, мощностиисточника и диапазона волн. Коэффициент экранирования равен
/>
где/>или/> — эффективностьэкранирования; Е и Н –без крана; ЕэиНэ-с экраном.
Наряду со стационарными и переносными экранирующими устройствами применяют индивидуальные экранирующие комплекты. В составэкранирующих комплектов входят: спецодежда из металлизированной ткани, средствазащиты головы, рук и лица.
6. Безопасностьлазерного излучения
Особое место среди источников ЭМИ занимаютлазерные установки. В промышленности применяются лазерные установки, работающиев диапазонах длин волн от ИК до рентгеновского. Лазерная технология, например,обработка материалов лазерным излучением, позволяет осуществлять сваркуматериалов, 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 электромагнитногоизлучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения.В нем происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерногоизлучения. Плотность мощности излучения лазерных установок достигает 1011-1014Вт/см2, а для испарения большинства материалов достаточно 10эВт/см2. Для сравнения: плотность солнечного излучения 0,15-0,25Вт/см2. Поэтому серьезную опасность представляет не только прямое,но и диффузионно отраженное лазерное излучение. Проявляются и сопутствующиефакторы: ЭМП, высокое напряжение, аэрозоли от возгона веществ в зоне действиялуча.
Существуют газовые лазеры, жидкостные итвердотельные, которые в свою очередь делятся на непрерывного и импульсногодействия. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения,требования к конструкции лазерных установок и технологическим процессам сиспользованием таких установок приведены в.
В основу классификации лазеров положенастепень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала:
класс I — выходное излучение не опасно для глаз;
класс II — опасно для глаз прямое или зеркально отраженноеизлучение;
класс III — опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузионноотраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое или зеркально отраженноеизлучение;
класс IV — опасно для кожи диффузионно отраженное излучение нарасстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Биологические эффекты от действия лучалазера на живые ткани заключаются в термическом, энергетическом, фотохимическоми механическом воздействии, а также электрострикции и образовании в пределахклетки микроволнового ЭМП. Эти воздействия нарушают жизнедеятельность какотдельных органов, так и организма в целом. Выделяют два механизма: первичный ивторичный. Первичный механизм проявляется в виде органических изменений воблучаемых тканях. Вторичный механизм проявляется как реакция организма наоблучение.
В качестве приоритетных критериев приоценке степениопасности генерируемого лазерного излучения приняты: энергия или мощность излучения,плотность энергии излучения, длительность воздействия излучения и длина волны.
Предельно допустимые уровни, требованияк устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров позволяютразрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе сними. Санитарные нормы и правила определяют величины ПДУ для каждого режимаработы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам.
Таблица4. 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 экспозицияоблучаемых тканей.
Например, значения ПДУ энергетическойэкспозиции при облучении ультрафиолетовой областью спектра приводятся в та б л.4.
Предупреждение поражений лазернымизлучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного,организационного и санитарно-гигиенического характера.
При использовании лазеров 11-111 классовв целях исключения облучения персонала необходимо ограждение лазерной зоны илиэкранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны быть огнестойкими, невыделять токсичных веществ при нагреве и изготовлены из материалов с наименьшимкоэффициентом отражения. Лазеры IV класса опасности размещаются в отдельныхизолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением. Приразмещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможностьвзаимного облучения операторов, работающих на аналогичных установках.
Для удаления возможных токсичных газов,паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция. Для защиты от шумаприменяется звукоизоляция установок, звукопоглощение и др.
В качестве индивидуальных средств защитыиспользуют очки со специальными стеклами — фильтрами, щитки, маски, халатысветло-зеленого или голубого цветов.
Контроль уровней лазерного излученияпроизводится в основном фотоэлектрическими приборами, например, «Измеритель-1» иИЛД-2.