Конспект лекций по курсу " промышленная санитария" раздел " Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения"



страница1/4
Дата11.07.2014
Размер0.6 Mb.
ТипКонспект
  1   2   3   4


КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу
ПРОМЫШЛЕННАЯ САНИТАРИЯ”

раздел

Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения”.



2011 г.

ВВЕДЕНИЕ

Излучения, как физическое явление, есть способы передачи (испускания) энергии в виде электромагнитных, механических волн и радиоактивных излучений.

Широкое применение в науке и технике электромагнитных полей различного диапазона длин волн, в том числе ионизирующего и лазерного излучений, связано с воздействием на организм человека целого ряда опасных и вредных факторов. Поэтому, для безопасной работы на технологических установках, устройствах и системах, использующих данные виды излучения, необходимо применение комплекса защитных мер. В настоящем конспекте лекций, посвященном электромагнитному, ионизирующему и лазерному излучениям, рассматриваются вопросы их вредного воздействия на человека, измерения их параметров и использования защитных средств.


  1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

    1. Основные характеристики электромагнитных излучений.

Электромагнитные излучения (ЭМИ) представляют собой электромагнитные волны, описываемые в простейшем случае соотношением , где A – амплитуда колебаний, - круговая частота колебаний (f – частота, измеряемая в герцах (Гц)), - начальный фазовый сдвиг. Длина волны определяется в воздухе соотношением , где м – скорость света. По частоте ЭМИ делятся на ряд диапазонов, приведенных в таблице 1 (также приведены названия диапазонов и источники, области применения этих ЭМИ) .

Таблица 1.



NN п/п


Наимено- вание ди-апазона частот

Границы диапазона

Наименова-ние вида волн

Граница диапазона

Источники излучения или область применения

1.


Крайне низкие (КНЧ)

3 – 30 Гц

Декамегаме-тровые

100–10Мм

Преобразователи энергии, электрооборудование, источники энергии

2.

Сверх-низкие (СНЧ)

30–300 Гц

Мегаметро-вые

10–1 Мм

Преобразователи энергии, электрооборудование, источники энергии, станки, электроинструмент, бытовая техника

3.

Инфра-низкие (ИНЧ)

0,3–3кГц

Гектокило-метровые

1000–100 км

Источники энергии, электроинструмент, бытовая техника ламповые генераторы

4.

Очень низкие частоты (ОНЧ)

3–30 кГц

Мириамет-ровые

100–10 км

Радионавигация, радио-телефонная связь, подвижная связь

5.

Низкие частоты (НЧ)

30–300кГц

Километро-вые (длинные)

10–1 км

Радионавигация, многопрограммное радиовещание, подвижная и фиксированная связь

6.

Средние частоты (СЧ)

0,3–3 МГц

Гектометро-вые (средние)

1–0,1 км

Радионавигация, воздушная, морская, сухопутная и железнодорожная радиосвязь, радио-локация, космические исследования

7.

Высокие частоты (ВЧ)

3–30 МГц

Декаметро-вые (короткие)

100–10 м

Подвижная связь, метеорология, охранная сигнализация, служба космических исследований

8.

Очень высокие частоты (ОВЧ)

30–300 МГц

Метровые

10–1 м

Телевидение, метеорология, подвижная радиосвязь, радиоастрономия, ж/д и с/х радиосвязь, служба космических исследовний

9.

Ультра-

высокие частоты (УВЧ)



0,3–3 ГГц

Дециметровые

1–0,1 м

Телевидение, метеорология, радиолокация, сотовая связь, радиоастрономия, спутниковая связь, служба космических исследований

10.

Сверхвысокие частоты (СВЧ)

3–30 ГГц

Сантиметровые

10–1 см

Спутниковое телевидение, радиолокация, спутниковая связь, радионавигация, радиоастрономия, служба космических исследований

11.

Крайне высокие частоты (КВЧ)

30–300 ГГц

Миллиметровые

10–1 мм

Радиоастрономия, радиолокация, радионавигация, служба космических исследований, спутниковые службы

ЭМИ частот от 3 Гц до 300 ГГц относят к радиочастотному диапазону, а ЭМИ частот свыше 300 МГц носят общее название – СВЧ излучения. В качестве основных характеристик ЭМИ используют также: напряженность электрического поля E, измеряемая в вольтах на метр (В/м), напряженность магнитного поля – H (А/м – ампер на метр), или магнитную индукцию B, измеряемую в теслах (1 мкТл=0,8 А/м). Напряженности электрического и магнитного полей изменяются в пространстве по различным законам в зависимости от расстояния до источника излучения. С этой точки зрения различают ближнюю зону излучения (зона индукции) и дальнюю (волновую) зону. Зона индукции в зависимости от расстояния R определяется соотношением , а волновая зона – . Если размеры источника излучения (антенны) сравнимы с длиной волны, то граница волновой зоны рассчитывается по формуле , где - максимальный размер антенны. В волновой зоне в качестве основной характеристики используют плотность потока энергии (ППЭ), измеряемую в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) и определяемую соотношением , где - коэффициент направленного действия антенны.

    1. Естественные источники ЭМИ.

Жизнь живых существ на Земле проходит под непрерывным воздействием электромагнитных полей различного частотного диапазона. Это могут быть поля естественного происхождения: электрическое и магнитное поля Земли, электрические поля, образуемые в ее атмосфере, радиоизлучение Солнца и галактик. Магнитные поля (МП) в природе чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым ими эффектам. Средняя напряженность МП на поверхности Земли составляет около 40 А/м (индукция МП - 5·10–5 Тл). На поверхности Земли вертикальная составляющая индукции МП достигает максимума на магнитных полюсах, составляя примерно Тл (напряженность 49 А/м) в районе северного магнитного полюса; Тл (напряженность 57,2 А/м) в районе южного магнитного полюса и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная составляющая достигает максимума на магнитном экваторе, составляя около Тл (напряженность 32,6 А/м), и равна нулю на магнитном полюсе. Многолетние измерения напряженностей МП Земли показали, что все они не остаются постоянными ни в пространстве, ни во времени. Эти изменения напряженности МП Земли называются вариациями. Медленные изменения МП, происходящие в промежутке времени от 100 лет и более, называются вековыми вариациями. Спектр наблюдаемых вариаций МП Земли показывает, что основная часть вариаций имеет период порядка лет. Амплитуда вековых вариаций в среднем составляет 5,0·10―8 Тл. Южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты 78° северной широты, 70° западной долготы. Координаты северного магнитного полюса - 75 южной широты, 120 восточной долготы (в Антарктиде. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях МП Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) МП Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны. Происхождение МП Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре. Собственное МП Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие основные части:

1. Основное МП Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет.

2. Мировые аномалии ― отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до 10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская.

3. МП локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных ― Курская магнитная аномалия.



4. Переменное МП Земли (называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки намагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Структура МП земной атмосферы. Земное МП находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного МП, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное МП, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения МП Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера ― область околоземного космического пространства, контролируемая МП Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и МП Земли..

Солнечный ветер истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.

Магнитная буря. Локальные характеристики МП изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Геомагнитные вариации. Изменение МП Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями - разность между наблюдаемой величиной напряженности МП и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год. Различают следующие основные вариации:

Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации МП возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а также изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течение нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Радиационные пояса и космические лучи. Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю. В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным МП Земли. МП Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем. Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. В околоземном пространстве МП Земли образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий и образует радиационный пояс Земли.

Помимо магнитных полей Земля характеризуется наличием электрических полей различного уровня и диапазонов частот. Электрические поля существуют в атмосфере и характеризует ее состояние. Изменение потенциала околоземного электрического поля (ЭП) в зависимости от высоты различно в разное время года и для разных местностей и имеет напряжённость в среднем вблизи земной поверхности около 130 В/м. По мере подъема над Землей это поле быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряжённость его равна только 40 В/м, а на высоте 9 км составляет уже величину 5 В/м. Годовые изменения напряженности электрического поля Земли максимальны зимой (150 – 250 В/м в январе – феврале) и минимальны летом (100 – 120 В/м).

Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в Кл. Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне её.

Положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли, находится на высоте от 100 до 200 км и представляет собой слой положительно заряженных (ионизированных) молекул ионосферы. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли. Емкость такого конденсатора оценивается примерно в 0,02…0,03 фарады.

Из атмосферного электричества наиболее опасным для человека являются разряды молний, которые создают электромагнитные поля (ЭМП) называемые атмосфериками. Частотный диапазон атмосфериков – от сотен Гц до десятков МГц, а их уровень электрической составляющей ЭМП максимален на частоте 10 кГц и может достигать величины несколько десятков кВ/м. Наибольшая интенсивность атмосфериков характерна для континентов тропического пояса и убывает к более высоким широтам. Во время вспышек на Солнце атмосферики усиливаются. Следует также отметить, что поскольку разряды молнии стремятся достигнуть Земли по пути наименьшего сопротивления, то попадают в самую верхнюю точку предметов, имеющих контакт с Землей (деревьев, строений и т.д.). Поэтому заземленный молниеотвод, находящийся выше защищаемых объектов, принимает весь удар на себя, предотвращая, таким образом строения и людей от поражения молнией.

Кроме вышеупомянутых к естественным источникам ЭМИ следует отнести излучения Солнца и галактик радиочастотного диапазона (10 МГц – 10 ГГц), уровень которых составляет . Во время активизации солнечной деятельности излучение возрастает в несколько десятков раз и соответственно может оказывать влияние на самочувствие человека.


1.3. Искусственные источники ЭМИ.

Кроме естественных, к настоящему времени создано множество источников искусственных электромагнитных полей, уровень которых может существенно превышать поля естественного происхождения. Эти источники условно можно поделить на две группы:

- источники, генерирующие излучения диапазонов КНЧ, СНЧ и ОНЧ (до 3 кГц). К ним относятся линии электропередач, трансформаторные подстанции, железнодорожный, городской электротранспорт и др.;

- источники, генерирующие ЭМИ в радиочастотном диапазоне (3 кГц – 300 ГГц). Это радиопередающие и радиоприемные устройства различного назначения (радиолокаторы, телевидение, мобильная связь и т.д.), измерительная, медицинская аппаратура, промышленные установки ВЧ диапазона и др.

Как было сказано выше, уровень ЭМИ, создаваемый искусственными источниками, может быть весьма значительным. Тем более, что перечисленные источники часто находятся в непосредственной близости от человека. Так, для линий электропередач (ЛЭП) напряжением 330 кВ у опоры создается электрическое поле напряженностью в диапазоне 1 – 50 кВ/м и магнитное поле с индукцией 8 – 80 мкТл. Особую обеспокоенность вызывает высокий уровень магнитных полей. Тем более что внешнее магнитное поле в жилых зданиях не заэкранировано, а его индукция (для кабелей электропитания подъезда дома) может достигать значения до 20 мкТл (предельно допустимый уровень, принятый в Швеции равен 0,2 мкТл).

Высокий уровень магнитного поля создается в электротранспорте, особенно при разгоне или торможении. Так, на платформе метрополитена при прибытии или отправления поезда возникает магнитное поле с индукцией до 400 мкТл, а при его движении – до 150 мкТл. Такие же магнитные поля образуются при движении трамваев, троллейбусов, пригородных электропоездов.

Значительные уровни электромагнитных полей возникают при использовании бытовой аппаратуры. Так на расстоянии 0,2 м уровень МП от электроплиты, электрического утюга, электрочайника, электропроводки достигает 0,2 – 0,6 мкТл. При работе установок диэлектрического нагрева в диапазоне 3 – 100 МГц электрическая составляющая поля может достигать величины 100 В/м. Существенные ЭМП возникают при работе радиопередающих устройств. Так при работе радиопередатчика ДВ диапазона мощностью 100 кВт и более на расстоянии от 100 до 1000м возникает ЭМП с электрической напряженностью 10 – 100 В/м. Следует отметить, что вышеуказанные источники как правило находятся на значительном расстоянии, а возникающие поля воздействуют незначительное время на окружающую среду.

В последние десятилетия значительно увеличилось число используемых устройств в СВЧ диапазоне как персоналом, так и населением. Это в первую очередь устройства мобильной связи, а также компьютеры, микроволновые печи, радары и др. Несмотря на невысокую мощность, излучаемую мобильными телефонами (до 2-х Вт), эффект воздействия СВЧ ЭМП на организм человека может быть весьма значительным. Это связано с тем, что телефон находится в непосредственной близости от головы человека. Кроме того, время воздействия излучения может быть достаточно длительным при частом пользовании телефоном. Следует отметить, что излучаемая мощность возрастает при удалении от базовой станции (телефон работает в режиме максимальной мощности). Несколько меньшим уровнем излучения обладают телефоны, работающие в диапазоне 1800 МГц (GSM – 1800), по сравнению с более НЧ диапазонами. Сами базовые станции представляют определенную опасность для населения при их расположении на крышах жилых зданий. Другие бытовые СВЧ устройства (компьютеры, микроволновые печи), как правило, не оказывают вредного воздействия вследствие либо малых мощностей, либо малого времени воздействия и большого расстояния. Высокую выходную мощность имеют радиолокационные станции (РЛС). Однако их расположение, кроме РЛС, расположенных на судах и самолетах, позволяет избежать облучения населения и персонала СВЧ ЭМП.



    1. . Воздействие ЭМИ на организм человека.

При облучении электромагнитным полем живого организма часть его энергии проникает в поверхностные ткани, что приводит к колебанию содержащихся в них ионов и дипольных молекул воды. Ионы тканей под воздействием электромагнитного поля приходят в движение, т. е. в тканях возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся тепловым эффектом. На частотах свыше 100 кГц возрастает поляризация молекул, что приводит к появлению токов смещения. Этот эффект усиливается с повышением частоты и становится преобладающим на частотах 1–10 ГГц. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию. Количество тепла, выделяемое в теле человека при частотах ниже 300 МГц, связано с составляющими электрического и магнитного полей соотношениями:

,

,

где - среднее удельное сопротивление тканей человека.

Поглощенная энергия E на частотах свыше 300 МГц зависит от эффективной поверхности тела S, плотности потока энергии, падающей на эту поверхность W, расстояния r, пройденного волной от поверхности кожи в глубь тела, коэффициента отражения от границы сред (воздух–кожа, кожа–жир, кожа– мышцы) и приближенно описывается соотношением: , Дж,

где x–глубина проникновения до ослабления в e раз, t – время воздействия. Следует отметить, что поскольку эффективная поверхность тела и коэффициент отражения сильно зависят от частоты, то поглощенная энергия СВЧ поля также будет определяться частотным диапазоном. Наибольшее поглощение наблюдается при длинах волн 10–30 см (до 100 %). Однако, хотя и поглощение энергии при длинах волн 30–100 см несколько меньше (30–40 %), вред может быть нанесен больший, так как воздействию подвергаются в этом случае внутренние органы вследствие более глубокого проникновения излучения в тело человека.

Наибольшему воздействию СВЧ полей подвержены органы человека, обладающие наилучшей поглощающей способностью и наихудшим теплоотводом, например, спинной и головной мозг, семенники, глаза. Однако влияние на живой организм электромагнитных полей СВЧ обнаруживается и при интенсивностях, ниже тепловых порогов (100 Вт/м2). Длительное и систематическое воздействие полей СВЧ на обслуживающий персонал даже с малыми интенсивностями приводит к функциональным изменениям в организме. Эти изменения связаны с электрическими микропроцессами, протекающими в организме под воздействием полей. Так, например, эритроциты и лейкоциты крови выстраиваются в цепочки, вытянутые параллельно силовым линиям поля. Поляризуются и ориентируются по силовым линиям поля боковые цепи макромолекул тканей и т. д. В результате может происходить разрыв межмолекулярных связей, нарушаться структура и функции тканей, их химический состав. Эти изменения наибольшим образом связаны с тканями периферической и центральной нервных систем. Нарушаются нервные связи в организме, даже изменяется структура нервных клеток. Это приводит к нарушению ранее выработанных условных рефлексов, изменению характера и интенсивности физиологических, биологических процессов в организме, нервной регуляции сердечно-сосудистой системы и т.д. Вследствие этого замедляется пульс (брадикардия), понижается кровяное давление(гипотония), изменяется состав крови. Кроме того, появляется головная боль, нарушается сон, повышается раздражительность. При облучении глаз возможна катаракта (помутнение хрусталика глаза). Степень воздействия электромагнитных полей СВЧ зависит от интенсивности облучения, его длительности, диапазона частот, формы сигнала, режима облучения (непрерывного, импульсного), коэффициента направленного действия излучателя, расстояния от источника и индивидуальной чувствительности организма
1.5. Нормирование ЭМИ.

Для предупреждения профессиональных заболеваний установлены предельно допустимые значения ППЭ для персонала предприятий и для населения (ГОСТ 12.1.006–84) и СанПиН 2.2.4/2.1.8.1383-03. Предельно допустимую ППЭ в СВЧ диапазоне на рабочих местах устанавливают, исходя из допустимого значения энергетической экспозиции на организм и времени пребывания в зоне облучения. Однако во всех случаях она не должна превышать 10 Вт/м2 для персонала или 0,1 Вт/м2 для населения. При наличии рентгеновского излучения или высокой температуры воздуха в рабочих помещениях (выше 28ОС) предельно допустимая ППЭ не превышает 1 Вт/м2. Предельно допустимая ППЭ Wдоп в зависимости от времени определяется по формуле , где Eдоп– нормированное значение допустимой энергетической нагрузки на организм, равное 2 Вт час/м2 для всех случаев облучения, исключая облучение от вращающихся и сканирующих антенн, и 20 Вт час/м2 для облучения от вращающихся и сканирующих антенн, T – время пребывания в зоне облучения, час. Однако, как было сказано выше, запрещена работа без применения защитных средств при превышении ППЭ Wдоп =10 Вт/м2 . Вышеприведенное соотношение можно использовать для определения допустимого времени работы при заданной ППЭ на рабочем месте: .


1.6. Защитные меры от воздействия ЭМИ.

При несоответствии значений ППЭ требованиям норм применяют следующие основные меры защиты от воздействия СВЧ излучений:

1) уменьшение выходной мощности источника излучений или работу на эквивалент антенны ;

2) экранирование источника излучения;

3) удаление рабочего места от источника излучения или удаление источника от рабочего места;

4) ограничение времени пребывания в зоне облучения;

5) применение индивидуальных средств защиты.

В зависимости от типа источника излучения, его мощности, характера технологического процесса может быть применен один из указанных методов или любая их комбинация.

Эффективным средством защиты от СВЧ излучений является применение экранирующих устройств отражающего или поглощающего типа, устанавливаемых на пути излучения. Физическая сущность электромагнитного экранирования с точки зрения теории электромагнитного поля состоит в том, что под воздействием поля в материале экрана наводятся токи, поля которых во внешнем пространстве по величине блики, а по направлению противоположны экранируемому полю. В результате происходит взаимная компенсация полей. Экранирующие устройства выполняются в виде сплошных или сетчатых заземленных экранов, изготовленных из меди, латуни, алюминия и других материалов. Эффективность сплошных экранов можно оценить по формуле

, дБ, (1)
где - глубина проникновения, м; d – толщина материала экрана, м; - удельное сопротивление материала экрана ; - магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м; f – частота электромагнитного поля, МГц. Для алюминия , для стали .

Защитные свойства сеток изменяются в зависимости от размера ячеек. Эффективность сетчатых экранов можно оценить по формуле:



, (2)

где - длина волны в воздухе, - скорость света, - расстояние между центрами ячеек, ( - диаметр проволоки).

Степень ослабления СВЧ поля в случае применения экранов определяется соотношением: L= 10 lg (W/ WЭ) (дБ), где WЭ – ППЭ при наличии экрана. Чем меньше размеры ячейки сетки по отношению к длине волны излучения, тем выше эффективность экранирования. Так, например, использование латунной сетки с количеством ячеек 9х9 на 1 кв.см обеспечивает затухание 48 дБ в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн.

Для повышения степени экранирования применяют сетку в два слоя, а также стекла, покрытые пленками металлов или их окислов. Подобные экраны позволяют снизить вредные СВЧ излучения на несколько десятков децибел. Поглощающие устройства используются для снижения уровня сигнала источников СВЧ излучения, а также для уменьшения отраженного сигнала, возникающего при применении экранирующих устройств. Их действие основано на преобразовании части электромагнитной энергии в тепловую. В качестве материалов, применяемых при изготовлении поглощающих устройств в СВЧ диапазоне, используются материалы на основе графита, например, марки ХВ (магнито диэлектрические пластины), ВКФ-1 (сосковая резина со специальным заполнителем) и др.



ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЗАЩИТА ОТ НЕГО
Общие сведения

Оптические квантовые генераторы–лазеры являются источниками мощного монохроматического излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Вследствие своих уникальных свойств они нашли широкое применение в военной технике, металлургии, микроэлектронике, медицине, системах связи, голографии, вычислительной технике, в исследовании по термоядерному синтезу и многих других областях. Лазеры непрерывно совершенствуются. Появляется новые области их применений, возрастает количество лиц, занятых обслуживанием лазерных установок.

В основе создания лазеров лежит идея использования резонансных свойств отдельных атомов (молекул), которые могут создавать электромагнитное излучение строго определенной длины волны. В общем случае в состав лазера входят (рис. 1): оптический резонатор, который позволяет усиливать возникающие в рабочем теле электромагнитные колебания; рабочее тело 1, лампа

Рис. 1


накачки 2, являющаяся источником возбуждения атомов рабочего тела, с отражателем 3, система питания и зажигания разряда. Оптический резонатор образован зеркалами r1 и r2. Обычно в них используются многослойные интерференционные диэлектрические отражающие покрытия, в которых показатель преломления меняется от слоя к слою. Рабочее тело выполняют в форме стержня с хорошо обработанными торцевыми поверхностями, имеющими плоскопараллельную или сферическую форму. Источником накачки служат газоразрядные лампы, в частности, дуговые лампы непрерывного действия с криптоновым наполнением, обладающие высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световое излучение, спектральный состав которого соответствует линиям поглощения применяемых активных сред. Выходная мощность связана с размерами кристалла. Например, при активном кристалле диаметром 6 мм и длиной 100 мм в таких лазерах обеспечивается мощность непрерывной генерации до 300 Вт и более. Кроме твердого тела в качестве активных сред используются газы, растворы металлоорганических соединений и полупроводники. В данной лабораторной работе исследуется излучение полупроводникового лазера.

Основные характеристики лазерного излучения

Лазерное излучение является электромагнитным излучением с длиной волны 0,2...1000 мкм. Этот диапазон может быть разбит в соответствии с биологическим действием на ряд областей спектра:

1-й диапазон от 180 до 380 нм – ультрафиолетовая область;

2-й диапазон от 380 до 1400 нм – видимая и ближняя инфракрасная области;

3-диапазон от 1400 до 105 нм – дальняя инфракрасная область.

С энергетической точки зрения лазерное излучение характеризуется следующими параметрами:



    энергетической облученностью (освещенностью) E, определяемой как отношение потока излучения, падающего на рассматриваемый малый участок поверхности, к площади этой поверхности, Вт/см2;

    энергетической экспозицией H, определяемой как отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этой поверхности, Дж/см2. Энергетическую экспозицию можно определять также как произведение энергетической освещенности Вт/см2 на длительность облучения с.



Лазерное излучение на основании физических представлений, приведенных в предыдущем параграфе, обладает высокой монохроматичностью и когерентностью, а также малой расходимостью луча. Это позволяет получать исключительно высокие уровни концентрации энергии в лазерном луче: плотность энергии до 1012 Дж/см2 и плотность мощности до 1022 Вт /см2.

По виду излучения лазерное излучение делится:

а) на коллимированное (прямое) излучение – лазерное излучение, заключенное в ограниченном телесном угле;

б) зеркально отраженное излучение – лазерное излучение, отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения;

в) рассеянное излучение – лазерное излучение, рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит излучение;

г) диффузно отраженное излучение – лазерное излучение, отраженное от поверхности по всевозможным направлениям в пределах полусферы.

Лазер может работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном. Непрерывным лазерным излучением является излучение, существующее в любой момент времени наблюдения, а импульсным – излучение, существующее в ограниченном интервале времени, меньшим времени наблюдения.

Лазерное излучение сопровождается мощным электромагнитным полем. Например, при распространении лазерного луча c энергетической облученностью 3109 Вт/см2 в воздухе образуется электрическое поле напряженностью E = 108 В/м. Поэтому, в облучаемом лазерным лучом веществе возможны проявления как чисто электрических, так и химических эффектов, приводящих к ослаблению связей между молекулами, их поляризации, вплоть до ионизации молекул облучаемого вещества. Таким образом, лазерное излучение представляет безусловную опасность для человека.



Воздействие лазерного излучения на человека

При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных факторов. Все эти факторы подразделяются на основные и сопутствующие. К основным относятся собственно монохроматическое когерентное лазерное и паразитное излучения (отраженное и рассеянное). К сопутствующим – факторы, которые возникают на лазерных участках при эксплуатации лазеров и другого оборудования, такие как шум, вибрации, электромагнитные и ионизирующие излучения, наличие высоких напряжений, а также наличие вредных веществ. Под влиянием этих факторов может происходить нарушение жизнедеятельности как отдельных органов, так и всего организма в целом.

При воздействии излучения на сложные биологические структуры различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии происходят элементарные взаимодействия излучения с веществом. Характер взаимодействий зависит от анатомических, оптикофизических и функциональных особенностей облучаемой ткани, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения, наиболее важное значение из которых имеют длина волны и интенсивность излучения. На этом этапе наблюдаются такие физические процессы, как нагревание вещества, фазовые переходы в материале клетки, преобразование энергии излучения в энергию механических колебаний, ионизация атомов и молекул и пр. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, следствием которого является коагуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. В импульсном режиме с длительностью импульсов меньше 10-2 с механизм воздействия лазерного излучения с веществом становится более сложным и связан с преобразованием энергии излучения в энергию механических колебаний среды. При мощности излучения в импульсе более 107 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

Появление ударной волны обусловлено возникновением градиентов давления внутри облучаемой системы за счет объемного расширения, вызванного кратковременным, локальным нагревом ткани, а также импульсом отдачи при испарении биоткани с поверхности. Тепловое расширение может возникать и во внутренней зоне облучаемой ткани. При высокой интенсивности потока лазерного излучения возникает ударная волна такой силы, что повреждаются внутренние органы. Например, облучение поверхности грудной клетки, брюшной стенки или головы вызывает повреждение печени, кишечника, а также внутримозговые кровоизлияния и контузионные изменения.

На второй стадии из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии свободные радикалы вступают в реакцию с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, при этом возникают те молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом.

Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органов зрения. Практически на всех длинах волн внутрь глаза свободно проникает лазерное излучение. Лучи света, прежде чем достигнуть сетчатки глаза, проходят через несколько преломляющих сред: роговую оболочку, хрусталик и, наконец, стекловидное тело. При рассмотрении воздействия лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать действие излучения в интервале длин волн 0,4 – 1,4 мкм и вне этого интервала, где оптические среды глаза являются непрозрачными, и фокусирующее действие отсутствует. Облученность, создаваемая лазерным излучением на сетчатке, в десятки и сотни тысяч раз может быть выше, нежели облученность, создаваемая на роговице. Как показывает анализ, ее величина будет определяться мощностью лазерного излучения, его апертурой и углом расходимости, а также диаметром зрачка. Рассмотрим воздействие лазерного излучения на различные среды глаза в зависимости от частотного диапазона.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения приводит в основном к поражению роговицы (кератит), поскольку минимальная величина энергии, необходимая для возникновения нежелательных химических реакций в хрусталике, в 2–3 раза выше. Наибольшее воздействие на роговицу наблюдается на длинах волн около 0,288 мкм. Поверхностные ожоги роговицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 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 изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зрения и даже к полной его потере.

Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать в ней необратимые изменения. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика. Повреждение сетчатки обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки, как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не восстанавливаются. Повреждение может представлять собой ослепление от яркости световой вспышки. Оно носит обратимый характер и выражается в возникновении “слепого пятна” в поле зрения. Результатом такого ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки. Плотность излучения на роговице при этом составляет величину порядка 150 Вт/см2. Восстановление зрительного пигмента в фоторецепторах сетчатки иногда затягивается на несколько минут. Воздействие сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает необратимые повреждения сетчатки. Возникающее изменение представляет собой небольшое белое пятно из свернувшихся белков с областью кровоизлияния в центре. Спустя несколько дней на месте повреждения возникает рубец из соединительной ткани не способный к зрительному восприятию. При импульсном лазерном излучении повреждение глазного дна связано с термическим и механическим воздействием. Механическое действие излучения проявляется в виде “взрыва” зерен меланина, причем сила “взрыва” такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело. Необходимо учитывать, что степень воздействия излучения уменьшается при увеличении угла между зрительной осью и направлением луча.

Поглощение энергии излучения различными элементами глаза растет с увеличением длины излучения в ближней инфракрасной области. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Небольшие ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением. Тяжелые ожоги приводят к деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может повредить роговицу, вплоть до полной потери ею прозрачности (образование бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного излучения - тепловой. Степень повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, а тонкий эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти полное разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением радужной оболочки из-за коагуляции белка и хрусталика, развиться катаракта. Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры глаза.

Первой линией защиты организма от повреждения лазерным излучением является кожа, которая представляет собой важный физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели организма. Степень повреждения кожи зависит от поглощенной энергии, а сами повреждения могут быть различными: от легкого покраснения (эритемы) до обугливания. Минимальное повреждение кожи образуется при воздействии лазерного излучения с энергетической экспозицией 0,1–1 Дж/см2 (в зависимости от степени пигментации кожи и длительности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие на кожу оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28–0,32 мкм.

Эффект воздействия лазерного излучения на кожу определяется, с одной стороны, его параметрами (длина волны, интенсивность излучения, частота следования импульсов и т.д.), а с другой – степенью пигментации кожи, состоянием кровообращения. Установлено, что при прочих равных условиях темнопигментированная кожа значительно больше поглощает лазерных лучей, чем светлая кожа. Однако, следует учесть, что отсутствие достаточно выраженной пигментации создает условия для более глубокого проникновения лучей в кожу и даже пол кожу, вследствие чего поражения могут затрагивать внутренние слои кожи, а также сосуды и нервы. Следовательно, пигмент кожи является своеобразным защитным экраном для внутренних органов. Порог повреждения темнопигментированной кожи значительно ниже, чем у светлой. Поэтому нужно быть осторожным особенно при работе с лазерными установками инфракрасного диапазона. Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, близки по характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что поврежденный участок имеет четкую границу, за которой находится область покраснения. Пузыри, возникающие при облучении, находятся в эпидермисе. С увеличением энергии излучения происходит увеличение размеров поврежденных участков. Облучение кожи не сфокусированным излучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствительности облученного участка на несколько дней (без видимых повреждений). Под влиянием облучения изменяется активность некоторых ферментов, возникает нарушение в углеводном и липидном (жировом) обмене.

Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения ускоряет ее старение, может служить предпосылкой для злокачественного перерождения клеток. Допустимые уровни лазерного излучения, воздействующего на кожу, существенно ниже уровней, воздействующих на глаза.

Лазерное излучение 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. Однако, следует учитывать, что и не сфокусированное излучение может фокусироваться в глубине тела человека. Кроме того, следует учитывать возникновение ударной волны. Степень повреждения в значительной степени определяется интенсивностью потока излучения и цветом окраски органа. Печень является одним из наиболее уязвимых органов. Важной особенностью воздействия лазерного излучения на внутренние органы является чередование поврежденных и неповрежденных слоев ткани, что возможно связано с образованием стоячих волн. В этом случае поврежденные участки биоткани совпадают с пучностями, где плотность потока энергии многократно возрастает по сравнению с плотностью потока падающего излучения.

Неблагоприятное воздействие оказывает излучение в целом на организм работающих на лазерных установках. Наблюдающиеся патологические изменения проявляются в виде функциональных расстройств центральной нервной системы, нарушения сердечно-сосудистой регуляции, что проявляется в неустойчивости артериального давления, замедлению пульса, повышенной потливости. У операторов лазерных установок иногда наблюдают повышенную раздражительность, утомляемость глаз и всего организма. Имеются данные об изменении состава крови (уменьшении эритроцитов, лейкоцитов, гемоглобина и т.д.). Все это свидетельствует о том, что у них возникают изменения как патологического характера, обусловленные тепловым действием излучения, так и функционального, обусловленные скрытыми биологическими эффектами.


  1   2   3   4

Похожие:

Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconДискретная математика (конспект лекций)
Фгоу впо сибгути. Раздел 1 Основы теории множеств. Раздел 2 Формулы логики. Раздел 3 Булевы функции. Раздел 4 Предикаты и бинарные...
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий» лазерная микрообработка санкт-Петербург 2007
Вейко В. П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико–технические основы лазерных технологий». Раздел: Лазерная микрообработка. Изд....
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций под редакцией В. П. Вейко Часть I поглощение лазерного излучения в веществе Санкт-Петербург
Яковлев Е. Б., Шандыбина Г. Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Конспект лекций. Часть I. Поглощение...
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций по курсу нгииг л. В. Белозерцева, А. Г. Коробова, М. Н. Потапова
Конспект лекций предназначен для студентов механических специальностей заочной формы обучения
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconИсточники ионизирующих излучений. Общие сведения и терминология. Ионизирующее излучение
Нейтральные частицы и электромагнитное излучение не производят ионизацию, но ионизируют среду косвенно, через различные процессы...
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций по курсу «теория чисел» Методическая разработка Нижний Новгород 2010 удк 511. 17 Конспект лекций по курсу «Теория чисел»
Удк 511. 17 Конспект лекций по курсу «Теория чисел». Методическая разработка
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций москва 2004 удк 519. 713(075)+519. 76(075) ббк 22. 18я7 С32
Учебное пособие предназначено для студентов факультета Кибернетики, изучающих на пятом семестре математическую лингвистику и основы...
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций горобец е. Г., Карлина о. А
Русский язык и культура речи (конспект лекций): Учебн пособие. – Таганрог: Изд-во
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" icon«международные валютно-кредитные отношения» конспект лекций бурлачков в. К
Конспект лекций предназначен для студентов экономических специальностей, аспирантов, преподавателей, практических работников внешнеэкономической...
Конспект лекций по курсу \" промышленная санитария\" раздел \" Электромагнитное, лазерное и ионизирующее излучения\" iconКонспект лекций Челябинск Издательский центр юургу 2010
Конспект лекций предназначен для студентов очной формы обучения специальностей «Управление и информатика в технических системах»,...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org