Защита от электромагнитных полей и излучений

В производственных и бытовых условиях на человека оказывает воздействие широкий спектр электромагнитного излучения (ЭМИ). В зависимости от диапазона длин волн различают: электромагнитные излучения радиочастот (1СГ⁴...10⁷ м), инфракрасное излучение (7,5*10^-7...-< 10^-4 м), видимую область (4-10^_7...7,5-10“⁷ м), ультрафиолетовое излучение

(-< 4-1(Г⁷...1(Г⁹ м), рентгеновское излучение и гамма- излучение (-< 1СГ⁹ м) и др.

Источниками электромагнитных излучений радиочастот (ЭМИ РЧ) являются устройства индукционного нагрева металлов и полупроводников, устройства диэлектрического нагрева, телевизионные и радиолокационные станции, антенны радиосвязи, приборы дефектоскопии.

Единицами ЭМИ являются: частота /, Гц, напряженность электрического поля Е, В/м, напряженность магнитного поля Н, А/м, плотность потока энергии ППЭ, Вт/м².

В отличие от механических колебаний электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме, т. е. в пространстве, не содержащем атомов, но они ведут себя подобно механическим волнам, в частности, имеют конечную скорость и переносят энергию. Наибольшую скорость электромагнитных волн характерна для вакуума (скорость света 300 тыс. км/с). Энергия электромагнитных полей (ЭМП) пропорциональна четвертой степени частоты его колебаний.

Излучаемому электромагнитному полю (ЭМП) характерно наличие различных зон излучения (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Зоны ЭМП, возникающие вокруг элементарного источника ЭМИ

Область вблизи источника ЭМП называется ближней зоной. В ближней зоне можно выделить две подобласти: область реактивного ближнего поля и область излучаемого ближнего поля. Область пространства, окружающая антенну, в которой преобладают реактивные компоненты, известна как область реактивного ближнего поля. Иногда эту зону называют зоной индукции, где поле слабо зависит от расстояния.

Ближние поля быстро изменяются с расстоянием и математические выражения для поля обычно содержат составляющие, пропорциональные 1 / г, Mr²,..., 1 / г", где г - расстояние от источника до точки, в которой определяется поле.

Ближняя зона (зона индукции) имеет радиус, равный

где X - длина волны ЭМИ.

В этой зоне на человека действуют независимо друг от друга напряженность электрического Е и магнитного Н полей.

Промежуточная зона (зона интерференции) имеет радиус

В этой зоне одновременно воздействуют на человека напряженность электрического Е и магнитного Н поля, а также плотность потока энергии (ППЭ).

На больших расстояниях от источника составляющие, пропорциональные Mr², Mr³ и более высоких порядков, являются малыми величинами в сравнении с составляющей, пропорциональной Mr, и поля носят название полей дальней зоны. Зона собственно излучения (дальняя зона) характеризуется полностью сформировавшейся электромагнитной волной. В этой зоне на человека воздействует только энергетическая составляющая ЭМИ - плотность потока энергии (ППЭ).

Радиус дальней зоны составляет

Если в данной точке пространства создается электромагнитное поле, описываемое несколькими несинфазными пространственными компонентами в декартовой Е_х, Е_у и Е₂ (или

Н_х, Н_у и Н_х) или цилиндрической Е_г и Е_х (или Н) системах координат (это характерно для полей вблизи антенн, работающих в НЧ, СЧ и ВЧ диапазонах), то суммарная напряженность поля Е_ъ (или Н_ъ) от каждого такого технического средства определяется следующим образом:

Для оценки воздействия ЭМИ на человеческий организм с целью выбора способа защиты проводится сравнение фактических уровней излучателей ЭМП с нормативными.

Нормирование воздействия ЭМИ РЧ осуществляется согласно нормам СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 и ГОСТ 12.1.006-84 ССБТ.

В основу гигиенического нормирования ЭМИ радиочастотного диапазона положен принцип действующей дозы, учитывающей энергетическую нагрузку. Оценка воздействия ЭМИ РЧ на человека осуществляется по значениям интенсивности ЭМИ и по энергетической экспозиции, которая определяется интенсивностью ЭМИ и временем его воздействия на человека.

В диапазоне частот 30 кГц...300 МГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями напряженности электрического поля Е, В/м и напряженности магнитного поля Н, А/м. В диапазоне частот 300 МГц...300 ГГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями плотности потока энергии (ППЭ), Вт/м², мкВт/см².

Энергетическая экспозиция (ЭЭ) в диапазоне частот 30 кГц...300 МГц определяется как произведение квадрата напряженности электрического Е или магнитного поля Н на время Т, ч, воздействия на человека:

В диапазоне частот ЭМИ РЧ 300 МГц...300 ГГц энергетическая экспозиция (ЭЭ) определяется как произведение плотности потока энергии (ППЭ) на время воздействия Т на человека:

Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ в зависимости времени воздействия и допустимое время воздействия в зависимости от интенсивности ЭМИ определяются по формулам:

Предельно допустимые значения напряженности ЭМП в диапазоне 48,4...300 МГц в зоне размещения радиотелевизионных передающих станций зависят от частоты / и определяются по формуле:

где ?_пду - предельно допустимое значение напряженности электромагнитного поля, В/м; /

- нормируемая частота электромагнитного поля, МГц.

Независимо от продолжительности воздействия интенсивность ЭМИ не должна превышать нормированных максимальных значений (например, 1000 мкВт/см² для диапазона частот 300 МГц...300 ГГц).

С увеличением частоты предельно допустимые уровни становятся строже, и самый жесткий норматив принят в диапазоне 30...300 МГц. Этот диапазон частот является резонансным для человека. Предельно допустимый уровень, равный 10 мкВт/см², соответствует в поле плоской волны напряженности поля 6,14 В/м.

При одновременном облучении от нескольких источников ЭМИ, для которых установлены одни и те же предельно допустимые уровни (ПДУ), должны соблюдаться следующие условия:

При одновременном облучении от нескольких источников ЭМИ, для которых установлены разные ПДУ, должны соблюдаться следующие условия:

Защита работающих и населения от ЭМИ РЧ. Существует целый комплекс организационных и технических мероприятий по защите окружающей среды и человека от воздействия электромагнитных полей. В зависимости от частоты источника ЭМП, его мощности и режима работы выбираются средства защиты от воздействия электромагнитных колебаний.

К основным мерам защиты от воздействия ЭМП относятся: уменьшение мощности излучения непосредственно в источнике, защита расстоянием и временем, а также электромагнитное экранирование.

Мероприятия по защите от ЭМП традиционно подразделяют на «активные» и «пассивные» меры защиты.

Активные методы защиты предполагают воздействие на сам источник излучения и обеспечивается мероприятиями по снижению излучаемой мощности, изменению характеристик излучения антенных систем, изменению режимов работы технических средств и, как крайняя мера, вынос излучающего объекта с данной территории.

Развитие методов анализа полей вблизи излучателей позволило совершенствовать «активные» методы защиты, к которым относятся: уменьшение излучаемых мощностей; перенос и реконструкцию излучающих элементов; изменение режимов работы технических средств.

Пассивная защита заключается в проведении организационно-технических мероприятий на прилегающих к излучающему объекту территориях или на конкретных объектах, подверженных воздействию ЭМП.

Пассивные методы защиты - это защита расстоянием (организация санитарных зон), временем (ограничение времени пребывания в электромагнитных полях), экранирование (применение поглощающих и экранирующих материалов), градостроительные мероприятия (озеленение, специальная планировка прилегающих к излучающим объектам районов, использование естественного и создание затеняющего искусственного рельефа местности) и т. д. Основными видами пассивной защиты для населения являются защита расстоянием и градостроительные мероприятия.

Основной способ защиты от ЭМИ РЧ в окружающей среде - защита расстоянием. Защита расстоянием используется, если нельзя снизить интенсивность излучения другими методами. Для диапазонов ДВ, СВ, КВ и УКВ «защитное» расстояние составляет

где Р - средняя выходная мощность, Вт; G - коэффициент направленности антенны; Е_аоп - допустимая напряженность электрического поля, В/м.

Для диапазона СВЧ

За счет планировочных и градостроительных мероприятий можно снизить уровень ЭМП как на территории жилой зоны, так и внутри зданий. Определенная ориентация зданий - глухим торцом к излучению, уменьшение этажности, увеличение разрывов между зданиями могут снизить уровень поля на 3.. Л 0 дБ.

.При размещении радиотехнических объектов рядом с селитебной (жилой) территорией планировочные решения должны учитывать мощности передатчиков, характеристики направленности излучения, рельеф местности, этажность застройки.

В целях защиты населения от воздействия ЭМП, создаваемого радиотехническими объектами, при необходимости устанавливают санитарные зоны. Различают два вида санитарных зон - санитарно-защитные зоны (СЗЗ) и зоны ограничения застройки (303) согласно норм СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.

Санитарно-защитной зоной является площадь, примыкающая к технической территории радиотехнического объекта. Граница санитарно-защитной зоны определяется на высоте до двух метров от поверхности земли по предельно допустимым уровням ЭМП при изолированном и сочетанном характере воздействия или по критериям оценки качества окружающей среды при смешанном и комбинированном характере воздействия.

Зоной ограничения застройки является территория, где на высоте более двух метров от поверхности земли превышаются предельно допустимые уровни ЭМП при изолированном и сочетанном характере воздействия или не обеспечиваются критерии оценки качества окружающей среды при смешанном и комбинированном характере воздействия. Внешняя граница зоны ограничения застройки определяется по максимальной высоте зданий перспективной застройки.

Защита персонала от ЭМИ РЧ осуществляется путем проведения организационных и инженерно-технических, лечебно-профилактических мероприятий, а также использования средств индивидуальной защиты. К организационным мероприятиям относятся: выбор рациональных режимов работы оборудования; ограничение места и времени нахождения персонала в зоне воздействия ЭМИ (защита расстоянием и временем). Инженерно-технические мероприятия включают: рациональное размещение оборудования; использование средств, ограничивающих поступление электромагнитной энергии на рабочее место персонала и жилую зону (поглощение мощности, экранирование, использование минимально необходимой мощности генератора); обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем ЭМИ РЧ.

Защита временем применяется в отсутствии возможности уменьшить напряженность (интенсивность) ЭМП до ПДУ. Допустимое время (т) определяют через гиперболическую функцию из соотношения:

где ППЭ - плотность потока энергии, Вт/м².

Наиболее эффективным техническим средством снижения интенсивности ЭМП является экранирование, которое использует процессы отражения и поглощения электромагнитных волн (рис. 10.15).

Еис. И). 15. Экранирование электромагнитных волн плоским экраном:

а — прохождение волны сквозь экран; 6 -— примерный амплитудный баланс

Для гармонической волны, падающей с одной стороны из среды 1 (см. рис. 10.16) на защитное устройство (среда 2), представляющее собой плоский экран бесконечной длины, ограниченный с другой стороны средой 3, волновое поле в среде 2 на длине h затухает по экспоненциальному закону ехр(-&/*), где к — коэффициент функций экранирования Т и обратного действия R:

где F, F⁺, F~ — составляющие напряженности (электрической Е или магнитной Н) ЭМП в рассматриваемой точке соответственно при отсутствии, наличии (индекс «+») экрана и отраженной, индуцированной (индекс «-») волны.

Одновременное ослабление как магнитных, так и электрических полей обеспечивает экранирование с использованием вихревых токов.

Физическая сущность электромагнитного экранирования сводится к тому, что под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках - токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему, и поэтому происходит взаимная компенсация полей.

Эффект электромагнитного экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще. Отражение электромагнитной энергии обусловлено несоответствием волновых характеристик диэлектрика, в пределах которого расположен экран, и материала экрана.

Глубина проникновения электромагнитного поля 8 (м) представляет собой постоянную величину, характеризующую материал экрана и зависящую от частоты:

где X — длина волны в воздухе, м; р — удельное сопротивление материала экрана, Ом м; р₀ — относительная магнитная проницаемость материала экрана; / — частота, МГц.

Коэффициент ослабления К характеризует процесс взаимодействия явлений отражения и поглощения электромагнитной волны при наличии экрана:

где h — толщина материала экрана, м.

Действие электромагнитного экрана определяется несколькими характеристиками, основной из которых является эффективность экранирования:

где Е, Н и Е_э, Н_э - напряженности электрического, В/м, и магнитного полей, А/м, в какой- либо точке пространства при отсутствии экрана и наличии его.

Эффективность экранирования показывает, во сколько раз уменьшается напряженность поля на данном участке при экранировании источника. Эффективность экранирования выражают также в децибелах:

Эффективность электромагнитного экранирования рассчитывают, исходя из требований норм на уровни облучения людей. По найденному значению эффективности экранирования определяют материал и геометрические размеры экрана.

Глубина проникновения электромагнитной волны в проводящую среду, м, на которой энергия ЭМП поглощается практически полностью:

где со = 2 л / - угловая частота, Гц; / - круговая частота, Гц; р - магнитная проницаемость среды (для воздуха р = р₀ = 4 7t * 10^-7 Гн/м); а - удельная проводимость среды, См/м, 1/(Омм).

В области высоких частот эффективность экранирования магнитными металлами оказывается выше эффективности экранирования немагнитными металлами, но применение магнитных металлов приводит к большим электрическим потерям в экранируемой цепи.

К средствам индивидуальной защиты относятся радиозащитные комбинезоны, халаты, выполненные из металлизированной ткани, щитки, шлемы и защитные очки. Индивидуальная защита необходима для людей с имплантированными (вживленными) кардиостимуляторами - устройствами для регулирования частоты сердечных сокращений. Работоспособность кардиостимуляторов может быть нарушена внешними ЭМП. Чтобы обезопасить людей, в некоторых странах выпускают экранирующие рубашки из радиозащитной ткани.