Применение электромагнитных полей и излучений

При этом внутри зданий, расположенных в этих зонах, плот­ность потока энергии, как правило, превышает допустимые значения.

Значительную опасность представляют магнитные поля, возникающие в зонах, прилегающих к электрифицирован­ным железным дорогам. Магнитные поля высокой интен­сивности обнаруживаются даже в зданиях, расположенных в непосредственной близости от этих зон.

В быту источниками ЭМП и излучений являются теле­визоры, дисплеи, печи СВЧ и другие устройства. Электростатические поля в условиях пониженной влажности (ме­нее 70%) создают паласы, накидки, занавески и т.д. Микро­волновые печи в промышленном исполнении не представ­ляют опасности, однако неисправность их защитных экранов может существенно повысить утечки электромаг­нитного излучения. Экраны телевизоров и дисплеев как ис­точники электромагнитного излучения в быту не опасны даже при длительном воздействии на человека, если рассто­яния от экрана превышают 30 см.

Электростатическое поле (ЭСП) полностью характери­зуется напряженностью электрического поля Е (В/м). По­стоянное магнитное поле (ПМП) характеризуется напря­женностью магнитного поля Н (А/м), при этом в воздухе 1 А/м ~ 1,25 мкТл, где Тл - тесла (единица напряженности магнитного поля).

Электромагнитное поле (ЭМП) характеризуется непре­рывным распределением в пространстве, способностью рас­пространяться со скоростью света, воздействовать на заря­женные частицы и токи. ЭМП является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей - электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующи­ми векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м).

В зависимости от взаимного расположения источника электромагнитного излучения и места пребывания челове­ка необходимо различать ближнюю зону (зону индукции), промежуточную зону и дальнюю зону (волновую зону) или зону излучения. При излучении от источников (рис. 2.11) ближняя зона простирается на расстояние λ/2π, т. е. при­близительно на 1/6 длины волны. Дальняя зона начинается с расстояний, равных λ ∙ 2π, т.е. с расстояний, равных при­близительно шести длинам волны. Между этими двумя зо­нами располагается промежуточная зона.

В зоне индукции, в которой еще не сформировалась бе­гущая электромагнитная волна, электрическое и магнитное поля следует считать независимыми друг от друга, поэтому эту зону можно характеризовать электрической и магнит­ной составляющими электромагнитного поля. Соотноше­ние между ними в этой зоне может быть самым различным. Для промежуточной зоны характерно наличие, как поля ин­дукции, так и распространяющейся электромагнитной вол­ны. Для волновой зоны (зоны излучения) характерно нали­чие сформированного ЭМП, распространяющегося в виде бегущей электромагнитной волны.

Рис. 2.11. Зоны, возникающие вокруг элементарного источника ЭМИ

В этой зоне электрическая и магнитная составляющие изменяются синфазно и между их средними значениями за период существует по­стоянное соотношение

,

где ρ_в - волновое сопротивление, Ом;,ε - элект­рическая постоянная; μ - магнитная проницаемость среды. Колебания векторов Е и Н происходят во взаимно пер­пендикулярных плоскостях. В волновой зоне воздействие ЭМП определяется плотностью потока энергии, переноси­мой электромагнитной волной. При распространении элек­тромагнитной волны в проводящей среде векторы Е и Н связаны соотношением

,

где ω - круговая частота электромагнитных колебаний, Гц; ν - удельная электропроводность вещества экрана; z - глу­бина проникновения электромагнитного поля.

При распространении ЭМП в вакууме или в воздухе, где ρ_в = 377 Ом, Е = 377 Н. Электромагнитное поле несет энер­гию, определяемую плотностью потока энергии (1 = ЕН (Вт/м²)), которая показывает, какое количество энергии про­текает за 1 с сквозь площадку в 1 м², расположенную пер­пендикулярно движению волны.

При излучении сферических волн плотность потока энергии в волновой зоне может быть выражена через мощ­ность Р_ист, подводимую к излучателю:

,

где R - расстояние до источника излучения, м.

Воздействие электромагнитных полей на человека зави­сит от напряженностей электрического и магнитного полей, потока энергии, частоты колебаний, наличия сопутствую­щих факторов, режима облучения, размера облучаемой по­верхности тела и индивидуальных особенностей организма. Установлено также, что относительная биологическая ак­тивность импульсных излучений выше непрерывных. Опасность воздействия усугубляется тем, что оно не обна­руживается органами чувств человека.

Воздействие электростатического поля (ЭСП) на чело­века связано с протеканием через него слабого тока (не­сколько микроампер). При этом электротравм никогда не наблюдается. Однако вследствие рефлекторной реакции на электрический ток (резкое отстранение от заряженного те­ла) возможна механическая травма при ударе о рядом рас­положенные элементы конструкций, падение с высоты и т.д. Исследование биологических эффектов показало, что наиболее чувствительны к электростатическому полю ЦНС, сердечнососудистая система, анализаторы. Люди, работаю­щие в зоне воздействия ЭСП, жалуются на раздражитель­ность, головную боль, нарушения сна и др.

Воздействие магнитных полей (МП) может быть посто­янным (от искусственных магнитных материалов) и им­пульсным. Степень воздействия МП на работающих зави­сит от его максимальной напряженности в пространстве магнитного устройства или в зоне влияния искусственного магнита. Доза, полученная человеком, зависит от располо­жения по отношению к МП и режима труда. При действии переменного магнитного поля наблюдаются характерные зрительные ощущения, которые исчезают в момент прекра­щения воздействия. При постоянной работе в условиях хронического воздействия МП, превышающих предельно допустимые уровни, наблюдаются нарушения функций ЦНС, сердечнососудистой и дыхательной систем, пищева­рительного тракта, изменения в крови. Длительное дейст­вие приводит к расстройствам, которые субъективно выражаются жалобами на головную боль в височной и затылоч­ной области, вялость, расстройство сна, снижение памяти, повышенную раздражительность, апатию, боли в области сердца.

При постоянном воздействии ЭМП промышленной час­тоты наблюдаются нарушения ритма и замедление частоты сердечных сокращений. У работающих в зоне ЭМП промы­шленной частоты могут наблюдаться функциональные на­рушения ЦНС и сердечнососудистой системы, а также из­менения в составе крови.

При воздействии ЭМП радиочастотного диапазона ато­мы и молекулы, из которых состоит тело человека, поляри­зуются. Полярные молекулы (например, воды) ориентиру­ются по направлению распространения электромагнитного поля; в электролитах, которыми являются жидкие состав­ляющие тканей, крови и т.п., после воздействия внешнего поля появляются ионные токи. Переменное электрическое поле вызывает нагрев тканей человека как за счет перемен­ной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т.д.), так и за счет появления токов проводимости. Тепловой эф­фект является следствием поглощения энергии электромаг­нитного поля. Чем больше напряженность поля и время воздействия, тем сильнее проявляются указанные эффекты. Избыточная теплота отводится до известного предела путем увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. Однако, начиная с величины I = 10 мВт/см², называемой тепловым порогом, организм не справляется с отводом образующейся теплоты, и температура тела повышается, что приносит вред здоровью.

Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздейст­вуют на органы с большим содержанием воды. При одина­ковых значениях напряженности поля коэффициент погло­щения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз выше, чем в тканях с ее низким содержанием. С уве­личением длины волны глубина проникновения электро­магнитных волн возрастает; различие диэлектрических свойств тканей приводит к неравномерности их нагрева, возникновению макро- и микротепловых эффектов со зна­чительным перепадом температур.

Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращени­ем (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пу­зырь). Облучение глаз может привести к помутнению хрусталика (катаракте), которое обнаруживается не сразу, а че­рез несколько дней или недель после облучения. Развитие катаракты является одним из немногих специфических по­ражений, вызываемых электромагнитными излучениями радиочастот в диапазоне 300 МГц - 300 ГГц при плотности потока энергии свыше 10 мВт/см². Помимо катаракты при воздействии ЭМП возможны ожоги роговицы.

Для длительного действия ЭМП различных диапазонов длин волн при умеренной интенсивности (выше ПДУ) ха­рактерным считают развитие функциональных расстройств в ЦНС с нерезко выраженными сдвигами эндокринно-обменных процессов и состава крови. В связи с этим могут по­явиться головные боли, повышение или понижение давле­ния, снижение частоты пульса, изменение проводимости в сердечной мышце, нервно-психические расстройства, быс­трое развитие утомления. Возможны трофические наруше­ния: выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела. Наблюдаются изменения возбудимости обонятельного, зри­тельного и вестибулярного анализаторов. На ранней стадии изменения носят обратимый характер, при продолжающем­ся воздействии ЭМП происходит стойкое снижение работо­способности. В пределах радиоволнового диапазона доказа­на наибольшая биологическая активность микроволнового (СВЧ) поля. Острые нарушения при воздействии ЭМИ (ава­рийные ситуации) сопровождаются сердечнососудистыми расстройствами с обмороками, резким учащением пульса и снижением артериального давления.

Лазерное излучение. В промышленности, медицине, в на­учных исследованиях, системах мониторинга состояния ок­ружающей среды нашли применение лазеры. Их излучение может оказывать опасное воздействие на организм челове­ка и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излучение (ЛИ) генерируется в инфракрасной, световой и ультрафио­летовой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволя­ют создавать интенсивность порядка 1010 Вт/см², что доста­точно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 1015 Вт/см² и больше. Для сравне­ния отметим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1-0,2 Вт/см².

В настоящее время в промышленности используется ог­раниченное число типов лазеров. Это в основном лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (λ = = 0,44-0,59; λ = 0,63; λ = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (λ = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спектра (к = 10,6 мкм).

Области применения лазеров в зависимости от требуе­мой плотности потока излучения показаны на рис. 2.12.

При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опас­ности разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых явля­ется непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

К первичным факторам вредности относятся: лазерное излучение, повышенное электрическое напряжение, свето­вое излучение импульсных ламп накачки или газового раз­ряда, электромагнитное излучение, акустические шумы и вибрация от работы вспомогательного оборудования, за­грязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов уста­новки, рентгеновское излучение электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Рис. 2.12. Области применения лазеров в зависимости от требуемой плотности потока излучения

Вторичные факторы включают отраженное лазерное из­лучение, аэродисперсные системы и акустические шумы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

Лазерное излучение может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства органа зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также влиять на внутрен­ние органы, такие как печень, спинной мозг и др. Наиболь­шую опасность лазерное излучение представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облуче­ния тканей лазерным излучением является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энерге­тическими и временными характеристиками излучения.

При создании условий для безопасной эксплуатации ла­зеров прежде всего необходимо расчетом определить лазерно-опасную зону (ЛОЗ) - пространство, в пределах кото­рого уровни лазерного излучения могут превышать предельно допустимые значения, а также основные принци­пы защиты от излучения и общие требования к организа­ции рабочих мест, методам контроля и дозиметрической ап­паратуре ЛОЗ.

Схема расчета облученности роговицы представлена на рис. 2.13.

При прямом облучении для наблюдателя, находящегося непосредственно в конусе узконаправленного лазерного лу­ча (рис. 2.13, а), облученность роговицы глаза вычисляется по формуле

^,

где Ф_е - энергетический поток (мощность) лазерного излу­чения; - коэффициент ослабления излучения на пути от лазера до роговицы глаза; d₀ - диаметр выходного зрачка лазера; γ - угол расходимости луча, рад; R - расстояние от лазера до глаза.

При воздействии на роговицу глаза излучения лазера, от­раженного от поверхности (рис. 2.13, б), расположенной на расстоянии R₁ от выходного отверстия лазера, расчет ведут с учетом отражения. Облученность роговицы глаза наблю­дателя Е_р, находящегося на расстоянии R от поверхности q, значительно превышающем линейные размеры источника, равна произведению энергетической яркости источника на величину телесного угла, под которым он виден из точки наблюдения, а именно

,

где - коэффициент ослабления излучения на пути от поверхности q до наблюдателя

Рис. 2.13. Схема расчета облученности глаза:

а - для прямого пучка; б - для отраженного излучения; 1 - лазер; 2 - глаз

Поверхность как источник излучения удобно характеризо­вать энергетической яркостью L_е и площадью пятна излуче­ния S_q. При диффузном отражении энергетическая яркость источника связана с энергетическим потоком лазерного из­лучения соотношением

,

где ρ - коэффициент отражения.

Из анализа приведенных выше соотношений следует, что облученность глаза лазерным источником прямо пропорци­ональна мощности лазера и обратно пропорциональна ква­драту расстояния до облучаемой поверхности.

Облученность кожных покровов численно равна облу­ченности роговицы глаза. При вычислении уровней облу­ченности органа зрения и кожных покровов в производст­венных условиях, где расстояния не превышают десятков метров, значения коэффициентов ₁ и _cp можно принять равными единице. Приведенные формулы позволяют свя­зать лучевые нагрузки на различные биологические ткани с энергетической характеристикой источника излучения.

Воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая повреждаемость роговицы и хрусталика глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различ­ных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на не­сколько порядков по отношению к роговице делает его наи­более уязвимым органом. Степень повреждения глаза глав­ным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зре­ния в основном приводит к поражению роговицы. Поверх­ностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра уст­раняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4-1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнит­ным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.

Повреждение глаза может варьировать от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полно­стью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных травм, приводящих к ухудшению зрения и да­же к полной его потере. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловид­ном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны само­восстанавливаться. Лазерное же излучение средней инфра­красной области спектра может причинить тяжелое тепло­вое повреждение роговице.

В заключение отметим, что лазерное излучение оказыва­ет повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений - тепловое действие. Им­пульсное лазерное излучение представляет большую опас­ность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различ­ными: от легкого покраснения до поверхностного обуглива­ния и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воз­действия на кожные покровы определяется параметрами излучения лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых возни­кают видимые изменения в коже, колеблются в сравнитель­но широких пределах (от 15 до 50 Дж/см²). Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи в зависимости от длины волны, приведены в табл. 2.11.

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Ла­зерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) способно проникать через ткани тела и взаимодей­ствовать с биологическими структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы.

Наибольшую опасность для внутренних органов пред­ставляет сфокусированное лазерное излучение. Степень повреждения внутренних органов в значительной мере оп­ределяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Так, печень является одним из наиболее уяз­вимых внутренних органов. Тяжесть повреждения внутрен­них органов также зависит от длины волны падающего из­лучения. Наибольшую опасность представляют излучения с длинами волн, близкими к спектру поглощения химичес­ких связей органических молекул, входящих в состав био­логических тканей.

Таблица 2.11