Исследование сверхвысокочастотного излучения и эффективности защитного экранирования

 
 
 
 
 
 
 
 

1. Учебно-исследовательская

лабораторная  работа 

     Исследование  сверхвысокочастотного  излучения и эффективности защитного экранирования 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1. Цель и задачи работы 

     Целью работы является изучение характеристик электромагнитного излучения.

     Задачи:

1. Ознакомление с основными физическими параметрами, единицами измерения и понятиями электромагнитного излучения.
2. Изучение принципов нормирования электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона.
3. Изучение работы мультиметра и способов измерения электромагнитного излучения.
4. Определение соответствия фактической (измеренной) в диапазоне погрешности и нормируемой величины электромагнитного поля, (для оценки условий труда).
5. Оценка эффективности защитного экранирования.

 

1.2. Теоретическая часть 

1.2.1. Физические параметры электромагнитного поля (ЭМП) 

     Электромагнитные  поля генерируются токами, изменяющимися во времени. Спектр электромагнитных (ЭМ) колебаний распространяется в широких пределах по длине волны λ: от 1000 км до 0,001 мкм и менее, а по частоте f от 3×10² до 3×10²⁰ Гц, включая радиоволны, оптические и ионизирующие излучения. В настоящее время наиболее широкое применение в различных отраслях находит электромагнитная энергия неионизирующей части спектра [1,2,8]. Это касается, прежде всего, ЭМП радиочастот. Они подразделяются по длине волны на ряд диапазонов (табл.1.1). 

 

Таблица 1.1

Классификация электромагнитных полей  радиочастотного диапазона

по длинам волн

 

     ЭМП представляет совокупность электрического поля, обусловленного напряжением на токоведущих частях электроустановок, и магнитного, возникающего при прохождении тока по этим частям. Волны ЭМП распространяются на большие расстояния.

     В промышленности источниками ЭМП  являются электрические установки, работающие на переменном токе частотой от 10¹ до 10⁶ Гц, в частности приборы автоматики, электрические установки с промышленной частотой 50 – 60 Гц, установки высокочастотного нагрева (сушка древесины, склеивание и нагрев пластмасс и др.).

     ЭМП характеризуется совокупностью  переменных электрических и магнитных составляющих [2,3,4]. Различные диапазоны радиоволн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру распространения, поглощения, отражения, а в следствие этого, – по действию на среду, в т.ч. и на человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант ЭМ излучения. Связь между энергией е и частотой f колебаний определяется как:

e = h× f     (1.1)

или, поскольку  длина волны λ и частота связаны соотношением,

f = c / l,     (1.2)

e = h× c/l,     (1.3)

где  c – скорость распространения электромагнитных волн в воздухе (c ≈ 3×10⁸ м/с),

            h – постоянная Планка, равная 6,6×10 ^-34 Дж ∙ с.

     ЭМП вокруг любого источника излучения разделяют на 3 зоны: ближнюю – зону индукции, промежуточную – зону интерференции и дальнюю – волновую зону. Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения λ (т.е. источник можно рассматривать как точечный), границы зон определяются следующими расстояниями R:

• ближняя зона (индукции)
• промежуточная зона (интерференции)
• дальняя зона (волновая)

     Люди  работающие с источниками излучения НЧ, СЧ и, в известной степени, ВЧ и ОВЧ диапазонов находятся в зоне индукции. При эксплуатации генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов работающие часто находятся в волновой зоне.

     В волновой зоне интенсивность поля оценивается  величиной плотности потока энергии (ППЭ, Вт²/м), т.е. количеством энергии, падающей на единицу площади поверхности. ППЭ в общем виде определяется векторным произведением Е (напряженность электрического поля, В/м) и Н (напряженность магнитного поля, А/м):

ППЭ= Е∙Н     (1.4)

     В этом случае ППЭ выражается в Вт/м² или производных единицах: мВт/см², мкВт/см². ЭМП по мере удаления от источника излучения быстро затухает. ЭМ волны диапазона УВЧ, СВЧ и КВЧ (микроволны) используются в радиолокации, радиоастрономии, радиоспектроскопии, геодезии, дефектоскопии, физиотерапии. Иногда ЭМП УВЧ диапазона применяются для вулканизации резины, термической обработки пищевых продуктов, стерилизации,  пастеризации,  вторичного  разогрева пищевых продуктов. СВЧ–аппараты используются для микроволновой терапии. Наиболее опасными для человека являются ЭМП высокой и сверхвысокой частот. Критерием оценки степени воздействия на человека ЭМП может служить количество электромагнитной энергии, поглощаемой им при пребывании в электрическом поле. Величина поглощаемой человеком энергии зависит от квадрата силы тока, протекающего,  через его тело, времени пребывания в электрическом поле и проводимости тканей человека [2,3,7,8]. 

1.2.2. Нормирование ЭМП радиочастотного диапазона 

     В соответствии с ГОСТ 12.1.006-99 ССБТ. «ЭМП радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля», СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» и СанПиН 2.2.4./2.1.8.055-96 «ЭМИ радиочастотного диапазона» [6,7,8] интенсивность ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06 – 300 МГц на рабочих местах характеризуется напряженностью электрического (Е) и магнитного (Н) полей, энергетическая нагрузка (ЭН) представляет собой произведение квадрата напряженности поля на время (Т) его воздействия. Энергетическая нагрузка, создаваемая электрическим полем определяется по следующим формулам:

ЭН_Е = Е²×Т,      (1.5) 

 а  создаваемая магнитным полем по формуле:

ЭН_Н = Н²×Т.     (1.6) 

     В диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц интенсивность  ЭМП характеризуется поверхностной  плотностью потока энергии (далее плотность  потока энергии - ППЭ), энергетическая нагрузка представляет собой произведение плотности потока энергии поля на время (Т) его воздействия:

ЭН_ППЭ = ППЭ×Т.    (1.7)

     Предельно допустимые значения величин напряженности электрического Е и магнитного Н поля в диапазоне частот 60 кГц - 300 МГц на рабочих местах персонала следует определять, исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по следующим формулам:

   (1.8)

где Е_ПД  - предельно допустимые значения напряженности электрического поля, В/м;

     Н_ПД  - предельно допустимые значения напряженности магнитного поля, А/м, поля;

     Т - время воздействия, ч;

       и   - предельно допустимые значения энергетической нагрузки в течение рабочего дня, (В/м)² · ч и (А/м)² · ч.

     Максимальные  значения Е_ПД, Н_ПД и ЭН_Епд, ЭН_Епд  указаны в таблице 1.2. 

Таблица 1.2

Значения  предельно допустимых уровней параметров ЭМП

для диапазона  частот 60 кГц - 300 МГц, [6]

 

     Одновременное воздействие электрического и магнитного полей в диапазоне частот от 0,06 до 3 МГц следует считать допустимым при условии:

    (1.9)

где  ЭН_Е и ЭН_Н - энергетические нагрузки, характеризующие воздействия электрического и магнитного полей соответственно.

     Предельно допустимые значения ППЭ ЭМП в  диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц следует определять исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по формуле:

    (1.10)

где ППЭ_ПД - предельно допустимое значение плотности потока энергии, Вт/м² (мВт/см², мкВт/см²);

      ЭН_ППЭпд - предельно допустимая величина энергетической нагрузки, равная 2 Вт · ч/м² (200 мкВт · ч/см²);

      К - коэффициент ослабления биологической эффективности, равный: 1 -

для всех случаев воздействия, исключая облучение  от вращающихся и сканирующих  антенн; 10 - для случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью* не менее 50;

      Т - время пребывания в зоне облучения за рабочую смену, ч.

     Во  всех случаях максимальное значение ППЭ_ПД  не должно превышать 10 Вт/м² (1000 мкВт/см²).

     При воздействии на персонал ЭМП от нескольких источников в случае источников, работающих в частотных диапазонах, для которых  установлены единые предельно допустимые уровни (ПДУ), суммарную интенсивность  воздействия следует определять приборами с изотропными датчиками. При использовании приборов с антеннами, требующими учета поляризации ЭМП, измерения напряженности или плотности потока энергии ЭМП следует проводить от каждого источника раздельно и определять суммарную энергетическую нагрузку, которая не должна превышать предельно допустимых значений указанных ниже:

   (1.11) 

     В диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц в  случае одновременно работающих источников оценку воздействия допускается проводить путем суммирования значений ППЭ, измеренных от каждого источника; суммирование измеренных значений ППЭ не проводится в случаях облучения от двух или нескольких вращающихся или сканирующих антенн, в связи с крайне малой вероятностью одновременного совпадения в одной точке максимумов диаграмм направленности излучения двух или нескольких антенн.