Учебное пособие: Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов специальности 330200 «Экологический мониторинг» Томск 2004г

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

____________________________________________________________________

Утверждаю

Декан инженерно – экономичес-кого факультета

________________ Н.И. Гвоздев

« ___ » ___________ 2004 г.

ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов специальности 330200 «Экологический мониторинг»

Томск – 2004г.

УДК 537. 63

Защита от сверхвысокочастотного излучения: Метод. пособие по выполн. лабораторной работы для студентов спец. 330200 «Инженерная защита окружающей среды»/Сост. М.Э. Гусельников; М.Д. Кветко; Том. политехн. ун-т. – Томск, 2004. – 14 с.

Методическое пособие рассмотрено и рекомендовано к изданию методическим семинаром кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности «____»____________ 200_г.

Зав. кафедрой, профессор, доктор техн. наук _______________ В.Ф. Панин

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

«ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

Цель работы: определить интенсивность электромагнитного излучения СВЧ диапа­зона в зависимости от различных параметров и оценить эффективность защиты от СВЧ излучения с помощью экранирования.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электромагнитные поля (ЭМП) генерируются токами, изменяющимися по направле­нию во времени. Спектр электромагнитных (ЭМ) колебаний находится в широких преде­лах по длине волны l от1000 км до 0,001 мкм и менее, а по частоте ¦ от 3-10² до З-10²⁰ Гц, включая радиоволны, оптические и ионизирующие излучения. В настоящее время наибо­лее широкое применение в различных отраслях хозяйства находит ЭМ энергия неионизирующей части спектра. Это касается, прежде всего, ЭМ полей радиочастот. Они под­разделяются по длине волны на ряд диапазонов (табл. 1).

Таблица 1

Классификация радиоволн

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

В промышленности источниками ЭМП являются электрические установки, работаю­щие на переменном токе частотой от 10 до 10⁶ Гц. К ним относят приборы автоматики, электрические установки с промышленной частотой 50-60 Гц, установки высокочастотного нагрева (сушка древесины, склеивание диэлектриков, нагрев пластмасс и др.). Значения предельно допустимой напряженности ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06 – 300 МГц на рабочих местах приведены в табл.2.

Таблица 2

Предельно допустимая напряженность ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06-300 Гц на рабочих местах

ЭМП характеризуется совокупностью переменных составляющих: электрической и магнитной. Различные диапазоны радиоволн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру распространения, поглощения, отражения, а следовательно, - по действию на среду, в т.ч. и на человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант. Связь между энергией Y и частотой ¦ колебаний определяется как Y = h ¦ или Y =h c/l т. к. между длиной волны l и частотой ¦ существует соотношение

¦=с/l,

где: с- скорость распространения электромагнитной волны в воздухе (с=3^. 10⁸ м/с), h – постоянная Планка, равная 6,6^. 10³⁴ Вт/см²

Вокруг любого источника излучения ЭМП разделяют на три зоны:

· Ближнюю - зону индукции

· Промежуточную – зону интерференции

· Дальнюю – волновую зону

Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения l (т.е. имеет место точечный источник), границы зон определяются следующими расстояниями R:

· Ближняя зона (индукция) R< l/2p;

· Промежуточная ( интерференции) l/2p< R<2pl;

· Дальняя зона (волновая) R>2pl.

Работающие с источниками излучения НЧ, СЧ, в известной степени ВЧ и ОВЧ диапазонов находятся в зоне индукции. При эксплуатации генераторов СВЧ и КВЧ диапазонов работающие часто находятся в волновой зоне. В волновой зоне интенсивность поля оценивается величиной плотности потока энергии (ППЭ), т. е. количеством энергии, падающим на единицу поверхности. В этом случае ППЭ выражается в ваттах, на 1м² , или в производных единицах: милливаттах и микроваттах на см² (Вт/м² , мВт/см² , мкВт/см² ). ЭМП по мере удаления от источника излучение быстро затухает. ЭМ волны диапазона УВЧ, СВЧ и КВЧ (микроволны) используются в радиолокации, радиоастрономии, радио спектроскопии, геодезии, дефектоскопии, физиотерапии. Иногда ЭМП УВЧ диапазона применяются для вулканизации резины, термической обработки пищевых продуктов, стерилизации, пастеризации, вторичного разогрева пищевых продуктов. СВЧ аппараты используются для микроволновой терапии.

Наиболее опасными для человека являются ЭМП высоких и сверхвысоких частот. Критерием оценки степени воздействия на человека ЭМП может служить количество электромагнитной энергии поглощаемой им при пребывании в электрическом поле. Величина поглощаемой человеком энергии зависит от квадрата силы тока, протекающего через его тело, времени пребывания в электрическом поле и проводимости тканей человека.

По законам физики изменения в веществе может вызывать только та часть энергии излучения, которая поглощается этим веществом, а отраженная или проходящая через него энергия действия не оказывает. Электромагнитные волны лишь частично поглощаются тканями биологического объекта, поэтому биологический эффект зависит от физических параметров ЭМП радиочастот: длины волны (частоты колебаний), интенсивности и режима излучения (непрерывный, прерывистый, импульсно-модулированный), продолжительности и характера облучения организма (постоянное, интермиттирующее), а также от площади облучаемой поверхности и анатомического строения органа, или ткани.

Степень поглощения энергии тканями зависит от их способности к ее отражению на границе раздела, определяемой содержанием воды в тканях и другими их особенностями. Колебание дипольных молекул воды и ионов, содержащихся в тканях, приводят к преобразованию электромагнитной энергии внешнего поля в тепловую, что сопровождается повышением температуры тела, или локальным избирательным нагревом тканей, органов, клеток, особенно с плохой терморегуляцией (хрусталик глаза, стекловидное тело, семенники и др.). Тепловой эффект зависит от интенсивности облучения. Пороговые интенсивности теплового действия ЭМП на организм животного составляют для диапазона средних частот- 8000 В/м² , высоких – 2250 В/м² , очень высоких – 150 В/м² , дециметровых – 40 мВт/см² , сантиметровых – 10 мВт/см² , миллиметровых – 7 мВт/см² .

ЭМП ниже указанных величин не обладает выраженным термическим действием на организм, но вызывает слабовыраженные эффекты аналогичной направленности, что согласно ряду теорий, считается специфическим нетепловым действием, т.е. переходом ЭМ энергии в объекте в какую-то форму нетепловой энергии. Нарушение гормонального равновесия при наличии СВЧ фона на производстве следует рассматривать, как противопоказания для профессиональной деятельности, связанной с нервной напряженностью труда и частыми стрессовыми ситуациями.

Постоянные изменения в крови наблюдаются при ППЭ выше 1 мВт/см² . Это фазовые изменения лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина. Поражение глаз в виде помутнения хрусталика (катаракты)- последствия воздействия ЭМП в условиях производства. При воздействии миллиметровых волн изменения наступали немедленно, но быстро проходили, но при частоте 35 ГГц, они были стойкими, т.к. являлись результатом повреждения эпителия роговицы. При частоте около 400 кГц повреждений не наблюдалось.

Клинико-эпидемиологические исследования людей, подвергшихся производственному воздействию СВЧ – облучения при интенсивности его ниже 10 мВт/см² показали отсутствие каких-либо проявлений катаракты.

Воздействие ЭМП с уровнями, превышающими допустимые, приводят к изменениям функционального состояния сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, нарушению обменных процессов. При воздействии значительных интенсивностей СВЧ может возникать более или менее помутнение хрусталика глаза (катаракты). Нередко замечают изменения в составе периферической крови.

Защитные меры от действия ЭМП сводятся, в основном, к применению защитного экранирования, дистанционного управления устройствами, излучающими ЭМ волны, применению средств индивидуальной защиты. Защитные экраны делятся на:

- отражающие излучение;

- поглощающие излучение.

К первому типу относятся сплошные металлические экраны, экраны из металлической сетки, из металлической ткани. Ко второму типу относятся материалы из радиопоглощающих материалов. К средствам индивидуальной защиты (СИЗ) относятся: спецодежда, выполненная из металлизированной ткани; защитные очки; защитные халаты; фартуки; накидки с капюшоном; перчатки; щитки.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. ОПИСАНИЕ СТЕНДА

Общий вид лабораторной установки представлен на рис (1).

Стенд представляет собой передвижной стол, на столешнице размещены: микроволновая СВЧ печь, марки SΛMSUNG, координатное устройство с датчиком и микроамперметром. Последний служит для регистрации измерения наличия СВЧ излучения и связан гибким проводом с датчиком координатного устройства, дающим сигнал об излучении. Координатное устройство обеспечивает четыре степени свободы и позволяет фиксировать наличие излучения перед печью, слева и справа от нее с помощью датчика, расположенного на вертикальной направляющей координатного устройства. Все элементы координатного устройства выполнены из органического стекла во избежание искажения сигнала с датчика. Датчик состоит из фторопластового корпуса, полуволнового вибратора и выпрямительного СВЧ диода.

В качестве нагрузки в печи используется строительный кирпич марки М-150, устанавливаемый на неподвижную подставку, в качестве которой может быть использована неглубокая столовая фаянсовая тарелка. На столешнице имеются пазы для установки сменных защитных экранов, используемых для изучения экранирующих свойств различных материалов. Количество сменных защитных экранов - шесть. Защитные экраны с размерами 350х600мм выполнены из следующих материалов:

1. Сетка полутомпаковая, с диаметром ячеек 2,5 мм

2. Лист алюминиевый

3. Плита асбестоцементная

4. Органическое стекло

5. Армированная резина

6. Коврик резиновый

Сменные экраны хранятся в отдельных ячейках специального ящика. Сигнал с датчика поступает на микроамперметр, закрепленный на съемной панели, которая устанавливается в центре стола.

2.2. Технические характеристики стенда.

2.2.1. Параметры координатного устройства.

Величина перемещения датчика относительно СВЧ печи, мм.

По оси «Х» +400;-100;

По оси «У» ± 270;

По оси «Z» +500; -130.

2.2.2. Количество сменных защитных экранов, шт. – 6

2.3. Требования по технике безопасности.

2.3.1. К работе со стендом допускаются лица, прошедшие первичный инструктаж, ознакомленные с устройством стенда и порядком выполнения лабораторной работы.

2.3.2. Не следует работать с открытой дверью СВЧ – печи, т.к. при этом излучается повышенная микроволновая энергия.

2.3.5. Не допускается включение и работа СВЧ – печи без нагрузки. Рекомендуется в перерывах между рабочими циклами оставлять в печи стакан с водой. При случайном включении печи вода полностью поглотит микроволновую энергию.

3. Порядок выполнения работы.

3.1. Ознакомиться с мерами безопасности при проведении лабораторной работы и строго выполнять их.

3.2. Подключить СВЧ – печь к сети переменного тока.

3.3. В печь на подставку (перевернутая фаянсовая тарелка) положить кирпич. Закрыть дверь печи.

3.4. Установить режим работы печи. Включение печи в рабочий режим осуществляется путем поворота расположенных на передней панели печи регуляторов мощности на 400вт и таймера на 10 минут.

3.5. Поместить датчик в непосредственной близости от печи по оси "X". Перемещая датчик по осям "Y" и "Z" в пределах возможности координатного устройства, определить зоны наиболее интенсивного излучения и с помощью мик­роамперметра зафиксировать их численные значения. Перемещая датчик по координате "X" (удаляя его от печи), снять показания микроамперметра дискретно с шагом 20 мм. Результаты измерений занести в таблицу 3.

3.6. Расположить датчик в зоне наиболее интенсивного излучения по оси "X". Зафиксировать показания микроамперметра.

3.8. Поочередно устанавливать сменные защитные экраны и фиксировать показания микроамперметра.

3.9. Определить эффективность экранирования для каждого экрана по формуле:

d= [(Y-Yэ)/Y] 100%,

где Y- показания микроамперметра без экрана;

Y э- показания микроамперметра с экраном.

Данные замеров занести в таблицу 4. Построить график зависимости интенсивности излучения от расстояния.

3.10. Составить отчет о работе.

4. Отчет о лабораторной работе должен содержать:

4.1. общие сведения.

4.2. описания оборудования и приборов.

4.3. данные измерений (табл. 3, табл. 4).

Таблица 3

Таблица 4

4.4. График зависимости интенсивности излучения от расстояния.

4.5. Основные выводы по работе.

4.6. Ответы на контрольные вопросы.

Дата подпись студента

Дата подпись студента

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сколько зон ЭМП вокруг источника излучения?

а) 2; б) 3; в) 4; г) 1.

2. Какая часть энергии излучения, вызывает изменения в веществе?

а) отраженная энергия; б) энергия, поглощающаяся этим веществом;

в) энергия, проходящая через вещество.

3. Как следует обеспечивать безопасность работы с установками являющимися генераторами электромагнитных полей?

а) применять средства непрерывного контроля параметров полей;

б) применять экранирование рабочих мест;

в) уменьшить напряженность и плотность потока энергии полей;

г) применять меры, указанные в пп. 1,2;

д) применять меры, указанные в пп.2,3.

4. Что происходит с плотностью потока излучения, с увеличением расстояния от источника излучения?

а) уменьшается; б) увеличивается; в) остается неизменным.

5. Из каких материалов целесообразно изготовлять экраны для защиты от СВЧ- излучений?

а) свинец; б) бетон; в) алюминий; г) сталь; д) резина;

е) все виды указанные в п.п. а, в, г.

6. Какие экраны применяются для защиты от СВЧ- излучений?

а) поглощающие; б) отражающие; в) тепловые; г) звукопоглощающие; д) преломляющие; е) все виды, указанные в п.п. в, г, д; ж) все виды, указанные в п.п. а, б.

7. Предельно допустимая напряженность ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06-300 Гц на рабочих местах для магнитной составляющей (0,06-1,5МГц).

а)5 А/м; б)2А/м; в) 0,3А/м; г)0,4А/м.

Библиографический список.

1. Накаров Г.В. Охрана труда в химической промышленности. М.: Химия, 1989.

2. Денисенко Г.Ф. Охрана труда. М.: Высшая школа,1985.

3. Долин П.А. Справочник по технике безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Долин П.А. Техника безопасности в электроэнергетических установках. Справочное пособие, М.: 1987.

5. ГОСТ 12.1. 006 –84. Электромагнитные поля радиочастот. Общие требования.

6. Захаров С.Г. , Каверзнева Т.Т. Влияние электромагнитного излучения на жизнедеятельность человека и способ защиты от него. Учебное пособие. СПГТУ, 1992, 74с.

7. Охрана труда в радио и электронной промышленности /Под редакцией Павлова С.П./ М.: Энергия, 1986.

8. Думанский Ю.Д. и д.р. Влияние магнитных полей радиочастот на человека. Киев, 1975, 159 с.

ЗАЩИТА ОТ СВЕХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Методическое пособие

Составители: Михаил Эдуардович Гусельников

Марина Дмитриевна Кветко

Рецензент: В.Н. Извеков, канд. техн. наук, доцент кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности

Подписано к печати

Формат 60х84/16. Бумага ксероксная.

Плоская печать. Усл.печ.л. .Уч.-изд.л.

Тираж зкз. Заказ . Цена свободная

ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94.

Типография ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30.