Лабораторная работа № 1
«Защита от сверхвысокочастотного излучения»
Цель лабораторной работы: ознакомиться с характеристиками электромагнитного излучения и нормативными требованиями к электромагнитному излучению. Задачи лабораторной работы: -провести измерения электромагнитного излучения СВЧ диапазона в зависимости от расстояния до источника; -оценить эффективность защиты от СВЧ излучения с помощью экранов. 1. Общие сведения Электромагнитные поля (ЭМП) генерируются токами, изменяющимися во времени. Спектр электромагнитных (ЭМ) колебаний находится в широких пределах по длине волны от 1000 км до 0, 001 мкм и менее, а по частоте от Электромагнитные волны диапазона ультравысокие (УВЧ), сверхвысокие (СВЧ) и крайневысокие (КВЧ) (микроволновые) используются в радиолокации, радиоспектроскопии, геодезии, дефектоскопии, физиотерапии. Иногда ЭМП (электромагнитные поля) ультравысокочастотного диапазона применяют для вулканизации резины, термической обработки пищевых продуктов, стерилизации, пастерилизации, вторичного разогрева пищевых продуктов и т.д. Наиболее опасными для человека являются электромагнитные поля высокой и сверхвысокой частот. Критерием оценки степени воздействия на человека ЭМП может служить количество электромагнитной энергии, поглощаемой им при пребывании в электрическом поле. Воздействие электромагнитных полей с уровнями, превышающими допустимые, приводит к изменениям функционального состояния сердечно-сосудистой и центральной нервной системы, нарушению обменных процессов, развитию катаракты, отмечаются изменения в составе крови. Защитные меры от действия ЭМП сводятся, в основном, к применению защитного экранирования, дистанционного управления и средств индивидуальной защиты (СИЗ).
1.1. Физическая сущность электромагнитных излучений
Применение в промышленности систем, связанных с генерированием, передачей и использованием энергии электромагнитных колебаний (например, для индукционного и диэлектрической термообработки различных материалов, в радиовещании и телевидении), сопровождается возникновением в окружающей среде электромагнитных полей. При превышении допустимых уровней воздействия электромагнитного поля на человека у него может возникнуть профессиональное заболевание. Из элементарной физики известно, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. А переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает электрическое поле и т.д. Таким образом, если возбудить с помощью зарядов переменное электрическое или магнитное поле, в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от точки к точке. Этот процесс будет периодическим по времени и пространству и, следовательно, представляет собой волну. В зависимости от частоты колебаний (длины волны) электромагнитные излучения разделяют на ряд диапазонов, как показано в таблице 1.
Таблица 1
Область распространения электромагнитных волн от источника излучения условно разделяют на три зоны: ближнюю (зону индукции), промежуточную (зону интерференции) и дальнюю (волновую или зону излучения). Ближняя к источнику зона имеет радиус, равный 1/6 длины волны. Дальняя зона начинается от излучателя с расстояния, равного примерно 6 длинам волн. Между ними располагается промежуточная зона. Для оценки электромагнитного поля в этих зонах используются разные принципы. В ближней и промежуточной зонах электромагнитная волна еще не сформировалась. Поэтому интенсивность электромагнитного поля в этих зонах оценивается раздельно – напряженностью электрической и магнитной составляющих поля. В этих зонах обычно находятся рабочие места по обслуживанию источников ВЧ и УВЧ колебаний. Источниками электромагнитных полей высоких частот на участках индукционного нагрева металла могут являться неэкранированные высокочастотные элементы: индукторы, конденсаторы, фидерные линии (линии радиопередачи или устаревшие линии передачи электроэнергии). В установках диэлектрического нагрева источниками полей высоких и ультравысоких частот служат конденсаторы и фидеры, подводящие энергию. Основными источниками излучения сверхвысокочастотной энергии являются антенные системы, линии передачи энергии, генераторы и отдельные сверхвысокочастотные блоки. В дальней зоне (зоне излучения), в которой находятся рабочие места по обслуживанию СВЧ – аппаратуры, электромагнитная волна уже сформировалась. Здесь электромагнитное поле оценивается не по напряженности, а по энергии, переносимой волной в направлении ее распространения. Эта энергия оценивается плотностью потока энергии (мощности), т.е. количеством энергии, приходящейся в единицу времени на единицу поверхности (Вт/м2).
1.2. Значения допустимых уровней воздействия электромагнитного поля радиочастот (СВЧ)
Значения допустимых уровней воздействия электромагнитного поля радиочастот приводятся в ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот», который распространяется на электромагнитные поля диапазона частот 60 кГц – 300 МГц. Напряженность электромагнитного поля в диапазоне частот 60 кГц – 300 МГц на рабочих местах персонала в течение рабочего дня не должна превышать установленных допустимых уровней (ПДУ): по электрической составляющей, В/м 50 – для частот от 60 кГц до 3 МГц, 20 – для частот > 3 МГц до 30 МГц, 10 – для частот > 30 МГц до 50 МГц, 5 – для частот > 50 МГц до 300 МГц; по магнитной составляющей, А/м 5 – для частот от 60 кГц до 1, 5 МГц, 0, 3 – для частот от 30МГц до 50 МГц. Допускаются уровни выше указанных, но не более чем в два раза, в случаях, когда время воздействия электромагнитного поля на персонал не превышает 50 % продолжительности рабочего дня. Предельно допустимые значения плотности потока энергии электромагнитного поля в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц на рабочих местах персонала следует определять исходя из допустимой энергетической нагрузки на организм человека с учетом времени воздействия по формуле:
где ППЭпду - предельно допустимые значения плотности потока энергии, ЭНпду – нормативная величина энергетической нагрузки за рабочий день, равная: для случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не более 50; Т – время пребывания в зоне облучения за рабочую смену (без учета режима вращения или сканирования антенн), час. Сканирование – управляемое пространственное перемещение антенны, а скважность – отношение периода повторения электромагнитного импульса к его длительности. Максимальное значение ППЭпду не должно превышать 10 Вт/м2 (1000 мкВт/см2).
1.3. Действие электрического поля на организм человека
Ткани живого организма состоят из множества клеток с жидким содержанием и межклеточной жидкости. Если такую ткань поместить в постоянное электрическое поле, то она в той или иной степени поляризуется; заряженные частицы – ионы, всегда имеющиеся в жидких средах тканей, вследствие электролитической диссоциации молекул переместятся вдоль силовых линий поля в сторону полюсов противоположных им зарядов. Дипольные молекулы примут ориентацию в том же направлении. В переменных электромагнитных полях электрические свойства живых тканей зависят от частоты этого поля, причем с ее возрастанием они теряют свойства диэлектриков и приобретают свойства проводников. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию. На частотах примерно до 10 МГц размеры тела человека малы по сравнению с длиной волны, и диэлектрические процессы в таких тканях выражены слабо. При более высоких частотах, особенно в диапазонах УВЧ и СВЧ, с длиной волны сравнимы и размеры тела, и толщина слоев тканей. При этом в тканях происходят диэлектрические потери. Заметными оказываются и различия в свойствах тканей – тело уже нельзя считать однородным. Кроме того, необходимо учитывать степень отражения энергии поля поверхностью тела работающего. Некоторые органы и ткани тела, обладающие (за счет сравнительно небольшого числа кровеносных сосудов и вследствие менее интенсивного кровообращения) слабо выраженным механизмом терморегуляции, более чувствительны к облучению, чем другие ткани и органы. Сюда относятся: мозг, глаза, почки, кишки, желчный и мочевой пузыри, семенники. Последние наиболее подвержены воздействию сантиметровых волн. Известно, что в организме человека существуют низкочастотные биотоки. Сердце генерирует электрические колебания с частотами от 30 до 700 Гц, а мозг – 200-500 Гц. Если частоты биотоков совпадают с частотами электромагнитного поля, то биотоки искажаются, что приводит к нарушениям нормального функционирования всего организма. При этом воздействие электромагнитных полей на организм человека ведет к изменениям в деятельности центральной нервной системы, появляются головные боли, нарушается сон, повышается утомленность, раздражительность и т.д. Функциональные изменения в организме под действием электромагнитных волн могут накапливаться (кумулироваться), но являются обратимыми, если исключить воздействие излучения или улучшить условия труда.
1.4. Защита от электромагнитных излучений радиочастотного диапазона 1.4.1. Принципы защиты от электромагнитного излучения
Пространство около антенны или другого проводника с переменным током, где существует электромагнитное поле, делится на ближнюю, промежуточную и дальнюю зоны. В ближней зоне электрическое и магнитное поля сдвинуты на 900. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью составляющих его полей (электрического и магнитного). Уменьшение напряженности полей электрической и магнитной составляющих и плотности потока энергии (мощности) может быть достигнуто: 1) увеличением расстояния между излучающим устройством и защищаемым объектом («защита расстоянием»); 2) уменьшением силы тока в проводнике (антенне) или мощности излучения; 3) уменьшением времени пребывания в зоне действия электромагнитного излучения «защитой временем». «Защита расстоянием» достигается удалением от антенны работающего путем использования им дистанционного управления. Уменьшение силы тока в проводнике (антенне) достигается регулированием генератора (при настройке один мощный генератор заменяется другим – менее мощным), экранированием металлическими или сетчатыми экранами. При этом металл отражает почти всю энергию электромагнитного поля. В связи с тем, что отраженное электромагнитное поле также является нежелательным, отражающие экраны покрываются материалами, которые имеют небольшую отражательную, но большую поглощающую способность. Хорошими поглотителями полей электромагнитных излучений являются: каучук, поролон, поглотители на полиуретановой основе, пенокерамические материалы (максимальная плотность поглощаемой мощности, например для последнего материала, составляет 7, 75 Вт/см2).
2. Описание лабораторной установки
Стенд для измерения электромагнитного излучения СВЧ обеспечивает возможность ознакомления с методами измерения плотности потока электромагнитного излучения СВЧ диапазона, а также изучение способов защиты от облучения при работе с устройствами и аппаратами, содержащими СВЧ генераторы. Стенд лабораторной установки (Рис. 1) представляет собой стол, СВЧ печь (источником электромагнитного поля в печи является магнетрон, Рис. 1 Стенд лабораторной установки излучающий электромагнитные колебания частотой 2400 МГц, и длиной волны λ = 12, 5 см = 0, 125 м) и координатное устройство. Устройство, фиксирующее изменение электромагнитных излучений состоит из мультиметра (Рис 2) и дипольной антенны (Рис 3).
Рис 2 Мультиметр Координатное устройство регистрирует перемещение датчика СВЧ поля по осям координат в трехмерной плоскости. Это дает возможность исследовать распределение СВЧ излучения в пространстве со стороны передней панели СВЧ печи. На столешнице имеются гнезда для установки сменных защитных экранов, выполненных из следующих материалов: -сетка из оцинкованной стали с ячейками 50 мм; -сетка из оцинкованной стали с ячейками 10 мм; -лист алюминиевый; -полистирол; -резина.
Рис 3 Дипольная антенна
3. Порядок проведения лабораторной работы 3.1. Оценка безопасности микроволновой печи
В микроволновую печь, поместить какую либо нагрузку (так как без нагрузки включать печь недопустимо), а именно, литровую банку с водой или кусок мрамора или огнеупорный кирпич. Дипольную антенну закрепить на штативе на высоте 18 см и ориентировать всегда параллельно плоскости передней панели печи. Включить микроволновую печь на 5…10 минут в режиме разогрева. Разместить датчик на отметке 0 по оси Х координатной системы. Включить мультиметр нажатием пусковой клавиши, установить переключатель режимов работы в положение 20 m (микроампер), наблюдать показания интенсивности излучения на дисплее прибора. Перемещая датчик по оси У координатной системы и оси Z (по стойке), определить контуры зоны в пределах которой плотность потока энергии превышает предельно допустимую величину 0, 1 Вт/м2 (50 мкА). Перемещая стойку с датчиком по координате Х (удаляя ее от печи до предельной отметки 50 см) снять показания мультиметра дискретно с шагом 20…50 мм. Данные замеров занести в таблицу, построить график распределения интенсивности излучения в пространстве перед печью. Дать заключение об уровне безопасности данной микроволновой печи, подсчитав коэффициент безопасности по зависимости:
где IПД = 0, 1 Вт/м2 – предельно допустимая по нормам величина ППЭ; I50 – измеренная интенсивность излучения или плотность потока энергии на расстоянии 50 см от передней панели печи в точке максимального излучения. Если КБ > 1 – печь безопасна, КБ < 1 – работающая печь создает ЭМП, опасное для здоровья пользователя. Оформить результаты эксперимента в виде таблицы 2 и построить график распределения интенсивности излучения в пространстве перед печью. Выводы.
Распределения интенсивности излучения в пространстве перед печью
График распределения интенсивности излучения в пространстве перед печью
3.2. Исследование эффективности экранирования
Определить ожидаемую эффективность экранирования для одного из экранов (по заданию преподавателя) по зависимость:
или
где I1, I2 – интенсивность излучения, соответственно, без экрана и с экраном, Вт/м2. Разместить дипольную антенну на расстоянии 5 см от микроволновой печи на отметке 0 по оси Х. зафиксировать показания мультиметра. Поочередно устанавливать защитные экраны и фиксировать показания мультиметра. Определить эффективность экранирования для каждого экрана по формуле:
где d = 0, 003√ λ r/m - глубина проникновения, м; d – толщина материала экрана, м; r-удельное сопротивление материала экрана, m- магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м, (табл.2); λ = 12, 5 см = 0, 125 м
Оформить результаты эксперимента в виде таблицы 4 и построить диаграмму эффективности экранирования от вида материала защитных экранов. Сделать выводы. Таблица 3 Удельное сопротивление и магнитная проницаемость материалов
Результаты исследования эффективность экранирования Таблица 4
Диаграмма эффективности экранирования от вида материала защитных экранов
Выводы:
Контрольные вопросы
1. Что в техносфере является источником ЭМП? 2. Какими характеристиками оценивается величина электромагнитного поля? 3. Как ЭМП воздействует на организм человека? 4. По какому принципу нормируется ЭМП? 5. Какие существуют способы защиты от высоких уровней ЭМП? 6. Каков принцип действия и как оценивается эффективность экранирования ЭМП?
Дата: Подпись студента Подпись преподавателя
|
до 
Гц, включая радиоволны, оптические и ионизирующие излучения. В настоящее время наиболее широкое применение в различных отраслях находит ЭМ энергия неионизирующей части спектра.
,
для всех случаев облучения, исключая облучение от вращающихся и сканирующих антенн: 
Таблица 2
Выводы:
, (табл.2);
