Электромагнитные поля и излучения

Электромагнитная волна — это колебательный процесс, связан­ный с изменяющимися в пространстве и во времени взаимосвязан­ными электрическими и магнитными полями. Область распростра­нения электромагнитных волн называется электромагнитным полем (ЭМП).

Основные характеристики электромагнитного поля. Электромаг­нитное поле характеризуется частотой излучения /, измеряемой в герцах, или длиной волны X, измеряемой в метрах. Электромагнитная волна распространяется со скоростью света (3 - 10^s м/с).

Электромагнитное поле обладает энергией, а электромагнитная волна, распространяясь в окружающем пространстве, переносит эту энергию. Электромагнитное поле имеет электрическую и магнит­ную составляющие.

Характеристикой электрической составляющей ЭМП является напряженность электрического поля Е, единицей измерения которой является В/м.     

                       

Характеристикой магнитной составля­ющей ЭМП является напряженность маг­нитного поля Н (А/м).

Энергию электромагнитной волны при­нято характеризовать плотностью потока энергии (ППЭ) — энергией, переносимой электромагнитной волной в единицу време­ни через единичную площадь. Единицей измерения ППЭ является Вт/м².

Для отдельных диапазонов ЭМИ (све­товой диапазон, лазерное излучение) изве­стны другие характеристики, которые будут рассмотрены ниже.

Классификация электромагнитных по­лей. Электромагнитные поля классифици­руются по частотным диапазонам или дли­не волны. Классификация волн, определя­емая длиной (или частотой) волны, представлена в табл. 2.7.

Видимый свет (световые волны), инфрак­расное (тепловое) и ультрафиолетовое излу­чение — это также электромагнитная волна. Эти виды коротковолнового излучения ока­зывают на человека специфическое воздей­ствие.

Электромагнитные волны очень высо­ких частот относятся к ионизирующим излу­чениям (рентгеновским и гамма-излучениям). Из-за большой частоты эти волны облада­ют высокой энергией, достаточной для того, чтобы ионизировать молекулы веще­ства, в котором распространяется волна. Поэтому-то это излучение относится к ионизирующему излучению и рассматрива­ется в параграфе, посвященном ионизиру­ющим излучениям.

Электромагнитный спектр радиочастот­ного диапазона условно разделен на четыре частотных диапазона: низкие частоты (НЧ) — менее 30 кГц, высокие частоты (ВЧ) — 30 кГц...30 МГц, ультравысокие частоты (УВЧ) — 30...300 МГц, сверхвысокие частоты (СВЧ) — 300 МГц...750 ГГц.

Особой разновидностью ЭМИ является лазерное излучение (ЛИ), генерируемое в диапазоне длин волн 0,1...1000 мкм. Особенностью ЛИ является его монохроматичность (строго одна длина волны), ко­герентность (все источники излучения испускают волны в одной фазе), острая направленность луча (малое расхождение луча).

Условно к неионизирующим излучениям (полям) можно отнес­ти электростатические поля (ЭСП) и магнитные поля (МП).

Электростатическое поле — это поле неподвижных электриче­ских зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними. Стати­ческое электричество — совокупность явлений, связанных с воз­никновением, сохранением и релаксацией свободного электриче­ского заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Магнитное поле может быть постоянным, импульсным, пере­менным.

Источники ЭМП на производстве. К источникам ЭМП на произ­водстве относятся две большие группы источников:

• изделия, которые специально созданы для излучения электро­магнитной энергии: радио- и телевизионные вещательные стан­ции, радиолокационные установки, физиотерапевтические ап­параты, различные системы радиосвязи, технологические уста­новки в промышленности. ЭМП широко используются в промышленности, например в таких технологических процес­сах, как закалка и отпуск стали, накатка твердых сплавов на ре­жущий инструмент, плавка металлов и полупроводников и т. д.;

• устройства, не предназначенные для излучения электромаг­нитной энергии в пространство, но в которых при работе протекает электрический ток и при этом происходит паразит­ное излучение электромагнитных волн. Это системы передачи и распределения электроэнергии (линии электропередачи — ЛЭП, трансформаторные и распределительные подстанции) и приборы, потребляющие электроэнергию (электродвигатели, электроплиты, электронагреватели, видеодисплейные терми­налы, холодильники, телевизоры и т. п.).

Электростатические поля (ЭСП) создаются в энергетических установках и при электротехнических процессах. В зависимости от источников образования они могут существовать в виде собственно электростатического поля (поля неподвижных зарядов) или стацио­нарного электрического поля (электрическое поле постоянного тока). В промышленности ЭСП широко используются для электро­газоочистки, электростатической сепарации руд и материалов, элек­тростатического нанесения лакокрасочных и полимерных материа­лов. Статическое электричество образуется при изготовлении, ис­пытаниях, транспортировке и хранении полупроводниковых приборов и интегральных схем, шлифовке и полировке футляров радиотелевизионных приемников, в помещениях вычислительных центров, на участках множительной техники, а также в ряде других процессов, где используются диэлектрические материалы. Электро­статические заряды и создаваемые ими электростатические поля могут возникать при движении диэлектрических жидкостей и неко­торых сыпучих материалов по трубопроводам, переливании жидко­стей-диэлектриков, скатывании пленки или бумаги в рулон.

Магнитные поля создаются электромагнитами, соленоидами, установками конденсаторного типа, литыми и металлокерамическими магнитами и др. устройствами.

В ЭМП различаются три зоны, которые формируются на раз­личных расстояниях от источника ЭМИ.

Первая зона — зона индукции (ближняя зона). В этой зоне электромагнитная волна еще не сформиро­вана и поэтому электрическое и магнитное поля не взаимосвязаны и действуют независимо.

Вторая зона — зона интерференции (промежуточная зона). В этой зоне про­исходит формирование ЭМВ и на человека действует электрическое и магнитное поля, а также оказывается энергетическое воздействие.

Третья зона — волновая зона (дальняя зона). В этой зоне ЭМВ сформирована, электриче­ское и магнитное поля взаимосвязаны. На человека в этой зоне воз­действует энергия волны.

Воздействие неионизирующих излучений на человека.

Электромаг­нитные поля биологически активны — живые существа реагируют на их действие. Однако у человека нет специального органа чувств для определения ЭМП (за исключением оптического диапазона). Наиболее чувствительны к электромагнитным полям центральная нервная система, сердечно-сосудистая, гормональная и репродук­тивная системы.

Длительное воздействие на человека электромагнитных полей промышленной частоты (50 Гц) 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 сердце, нарушение ритма сердечных сокращений. Могут наблюдаться функциональные нарушения в центральной нервной системе, а также изменения в составе крови.

Воздействие электростатического поля на человека связано с протеканием через него слабого тока. При этом электротравм никог­да не наблюдается. Однако вследствие рефлекторной реакции на протекающий ток возможна механическая травма от удара о распо­ложенные рядом элементы конструкций, падение с высоты и т. д. К ЭСП наиболее чувствительны центральная нервная система, сердечно-сосудистая система. Люди, работающие в зоне действия ЭСП. жалуются на раздражительность, головную боль, нарушение сна.

При воздействии магнитных полей могут наблюдаться наруше­ния функций нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищеварительного тракта, изменения в составе крови. При локаль­ном действии магнитных полей (прежде всего на руки) появляется ощущение зуда, бледность и синюшность кожных покровов, отеч­ность и уплотнение, а иногда ороговение кожи.

Воздействие ЭМИ радиочастотного диапазона определяется плотностью потока энергии, частотой излучения, продолжительно­стью воздействия, режимом облучения (непрерывное, прерывистое, импульсное), размером облучаемой поверхности тела, индивидуаль­ными особенностями организма. Воздействие ЭМИ может проявля­ться в различной форме — от незначительных изменений в некото­рых системах организма до серьезных нарушений в организме. По­глощение организмом человека энергии ЭМИ вызывает тепловой эффект. Начиная с определенного предела организм человека не справляется с отводом теплоты от отдельных органов, и их темпера­тура может повышаться. В связи с этим воздействие ЭМИ особенно вредно для тканей и органов со слаборазвитой сосудистой системой и недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузыри). Облучение глаз может привести к ожогам роговицы, а облучение ЭМИ СВЧ-диапазона — к помутне­нию хрусталика — катаракте.

При длительном воздействии ЭМИ радиочастотного диапазона даже умеренной интенсивности могут произойти расстройства нер­вной системы, обменных процессов, изменения состава крови. Мо­гут также наблюдаться выпадение волос, ломкость ногтей. На ран­ней стадии нарушения носят обратимый характер, но в дальнейшем происходят необратимые изменения в состоянии здоровья, стойкое снижение работоспособности и жизненных сил.

Инфракрасное (тепловое) излучение, поглощаясь тканями, вызы­вает тепловой эффект. Наиболее поражаемые ИК-излучением — кожный покров и органы зрения. При остром повреждении кожи возможны ожоги, резкое расширение капилляров, усиление пиг­ментации кожи. При хроническом облучении появляется стойкое изменение пигментации, красный цвет лица, например у стеклоду­вов, сталеваров. Повышение температуры тела ухудшает самочувст­вие, снижает работоспособность человека.

Световое излучение при высоких энергиях также представляет опасность для кожи и глаз. Пульсации яркого света ухудшают зрение, снижают работоспособность, воздействуют на нервную систему (подробнее световое излучение рассматривается в главе 2 раздела 4). Ультрафиолетовое излучение (УФИ) большого уровня может вы­звать ожоги глаз вплоть до временной или полной потери зрения, острое воспаление кожи с покраснением, иногда отеком и образова­ние пузырей, при этом возможно повышение температуры, появле­ние озноба, головная боль. Острые поражения глаз называются электроофтальмией. Хроническое УФИ умеренного уровня вызыва­ет изменение пигментации кожи (загар), вызывает хронический конъюктивит, воспаление век, помутнение хрусталика. Длительное воздействие излучения приводит к старению кожи, развитию рака кожи. УФИ небольших уровней полезно и даже необходимо для че­ловека. Но в производственных условиях УФИ, как правило, явля­ется вредным фактором.

Воздействие лазерного излучения (ЛИ) на человека зависит от ин­тенсивности излучения (энергии лазерного луча), длины волны (ин­фракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазона), характе­ра излучения (непрерывное или импульсное), времени воздействия.

При облучении глаз легко повреждаются и теряют прозрачность роговица и хрусталик. Нагрев хрусталика приводит к образованию катаракты. Для глаз наиболее опасен видимый диапазон лазерного излучения, для которого оптическая система глаза становится про­зрачной и поражается сетчатка глаза. Поражение сетчатки глаза мо­жет привести к временной потери зрения, а при высоких энергиях лазерного луча даже к разрушению сетчатки с потерей зрения.

Лазерное излучение наносит повреждения кожи различных сте­пеней — от покраснения до обугливания и образования глубоких дефектов кожи, особенно на пигментированных участках (родимые пятна, места с сильным загаром).

ЛИ, особенно инфракрасного диапазона, способно проникать через ткани на значительную глубину, поражая внутренние органы. Например, прямое облучение поверхности брюшной стенки вызы­вает повреждение печени, кишечника и других органов, при облуче­нии головы возможны внутричерепные кровоизлияния.

Длительное воздействие лазерного излучения даже небольшой интенсивности может привести к различным функциональным на­рушениям нервной, сердечно-сосудистой систем, желез внутренней секреции, артериального давления, повышению утомляемости, сни­жению работоспособности.

Гигиеническое нормирование электромагнитных полей. Нормиро­вание ЭМИ радиочастотного диапазона осуществля­ется в соответствии с ГОСТ 12.1.006—84. Для частотного диапазона 30 кГц...300 МГц предельно допустимые уровни излучения опреде­ляются по энергетической нагрузке, создаваемой электрическим и магнитным полями

Нормирование ЭМИ промышленной частоты (50 Гц) в рабочей зоне осуществляется по ГОСТ 12.1.002—84. Расчеты показывают, что в любой точке ЭМП, возникающего в электроустановках промышленной частоты, напряженность магнитного поля существенно меньше напряженности электрического поля. Так, напряженность магнитного поля в рабочих зонах распределительных устройств и линий электропередач напряжением до 750 кВ не превышает 20—25 А/м. Вредное же действие магнитного поля на человека про­является лишь при напряженности поля свыше 150 А/м. Поэтому сделан вывод, что вредное действие ЭМП промышленной частоты может быть обусловлено лишь действием электрического поля. Для ЭМП промышленной частоты (50 Гц) установлены предельно допу­стимые уровни напряженности электрического поля.

Нормирование инфракрасного (теплового) излучения (ИК-излучения) осуществляется по интенсивности допустимых суммарных по­токов излучения с учетом длины волны, размера облучаемой площа­ди, защитных свойств спецодежды в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН 2.2.4.548-96.

Гигиеническое нормирование ультрафиолетового излучения (УФИ) в производственных помещениях осуществляется по СН 4557—88, в которых установлены допустимые плотности потока из­лучения в зависимости от длины волны при условии защиты орга­нов зрения и кожи.

Гигиеническое нормирование лазерного излучения (ЛИ) осущест­вляется по СанПиН 5804—91. Нормируемыми параметрами являют­ся энергетическая экспозиция (И, Дж/см² — отношение энергии из­лучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этого участка, т. е. плотность потока энергии). Значения предельно допустимых уровней различаются в зависимости от дли­ны волны ЛИ, длительности одиночного импульса, частоты следо­вания импульсов излучения, длительности воздействия. Установле­ны различные уровни для глаз (роговицы и сетчатки) и кожи.

 

Ионизирующие излучения

Ионизирую­щим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излу­чение, так же как и электромагнитное, не воспринимается органами чувств человека. Поэтому оно особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию. Ионизирующее излуче­ние иначе называют радиацией

Радиация — это поток частиц (альфа-частиц, бета-частиц, ней­тронов) или электромагнитной энергии очень высоких частот (гам­ма- или рентгеновские лучи).

Загрязнение производственной среды веществами, являющими­ся источниками ионизирующего излучения, называется радиоактив­ным загрязнением,

Радиоактивное загрязнение — это форма физического (энергети-ческого) загрязнения, связанного с превышением естественного уровня содержания радиоактивных веществ в среде в результате де­ятельности человека.

Вещества состоят из мельчайших частиц химических элемен­тов — атомов. Атом делим и имеет сложное строение. В центре ато­ма химического элемента находится материальная частица, называ­емая атомным ядром, вокруг которой вращаются электроны. Боль­шинство атомов химических элементов обладают большой устойчивостью, т. е. стабильностью. Однако у ряда известных в при­роде элементов ядра самопроизвольно распадаются. Такие элементы называются радионуклидами. Один и тот же элемент может иметь несколько радионуклидов, В этом случае их называют радиоизото­пами химического элемента. Самопроизвольный распад радионук­лидов сопровождается радиоактивным излучением.

Самопроизвольный распад ядер некоторых химических элементов (радионуклидов) называется радиоактивностью.

Радиоактивное излучение бывает различного вида; потоки час­тиц с высокой энергией, электромагнитная волна с частотой более 1,5- 10¹⁷ Гц.

Испускаемые частицы бывают различных видов, но чаще всего испускаются альфа-частицы и бета-частицы. Альфа-частица тяжелая и обладает высокой энергией, это ядро атома гелия. Бета-частица примерно в 7336 раз легче альфа-ча­стицы, но может обладать также высокой энергией. Бета-излуче­ние — это потоки электронов или позитронов. Радиоактивное электромагнитное излучение (его также называ­ют фотонным излучением) в зависимости от частоты волны бывает рентгеновским (1,5 х 10¹⁷…5 х 10¹⁹ Гц) и гамма-излучением (болей 5 х 10¹⁹ Гц). Естественное излучение бывает только гамма-излучени­ем. Рентгеновское излучение искусственное и возникает в электронно-лучевых трубках при напряжениях в десятки и сотни тысяч вольт.

Время, в течение которого распадается половина радионуклида, называется периодом полураспада (Т 1/2). Каждый радионуклид имеет свой период полураспада. Диапазон изменения T 1/2 для различных радионуклидов очень широк. Он изменяется от секунд до миллиар­дов лет. Например, наиболее известный естественный радионуклид уран-238 имеет период полураспада около 4,5 миллиардов лет.

Воздействие радиации на человека зависит от количества энер­гии ионизирующего излучения, которая поглощается тканями чело­века. Количество энергии, которая поглощается единицей массы, ткани, называется поглощенной дозой. Единицей измерения поглощенной дозы является грей (1 Гр =1 Дж/кг). Часто поглощенную дозу измеряют в радах (1 Гр = 100 рад).

Однако не только поглощенная доза определяет воздействие радиации на человека. Биологические последствия зависят от вида радиоактивного излучения. Например, альфа-излучение в 20 раз более опасно, чем гамма- или бета-излучение. Биологическая опасность излучения определяется коэффициентом качества К. При умножении поглощенной дозы на коэффициент качества излучения получается доза, определяющая опасность излучения для человека, кото­рая получила название эквивалентной. Эквивалентная доза имеет специальную единицу измерения — зиверт (Зв). Часто для измере­ния эквивалентной дозы используется более мелкая единица — бэр (биологический эквивалент рада), 1 Зв = 100 бэр. Итак, основными параметрами радиации являются следующие

 Искусственные источники радиации

 Кроме облучения от естест­венных источников радиации, которые были и есть всегда и везде, в XX веке появились и дополнительные источники излучения, свя­занные с деятельностью человека.

Прежде всего — это использование рентгеновского излучения и гамма-излучения в медицине при диагностике и лечении больных. Дозы, получаемые при соответствующих процедурах, могут быть очень большими, особенно при лечении злокачественных опухолей лучевой терапией, когда непосредственно в зоне опухоли они могут достигать 1000 бэр и более. При рентгенологических обследованиях доза зависит от времени обследования и органа, который диагнос­тируется, и может изменяться в широких пределах — от нескольких бэр при снимке зуба до десятков бэр — при обследовании желудоч­но-кишечного тракта и легких. Флюрографические снимки дают минимальную дозу, и отказываться от профилактических ежегодных флюорографических обследований ни в коем случае не следует. Средняя доза, получаемая людьми от медицинских исследований, составляет 0,15 бэр в год,

Во второй половине XX века люди стали активно использовать радиацию в мирных целях. Различные радиоизотопы используют в научных исследованиях, при диагностике технических объектов, в контрольно-измерительной аппаратуре и т. д. И наконец — ядерная энергетика. Ядерные энергетические установки используют на атомных электрических станциях (АЭС), ледоколах, кораблях, под­водных лодках, В настоящее время только на атомных электриче­ских станциях работают свыше 400 ядерных реакторов общей элект­рической мощностью свыше 300 млн. кВт. Для получения и перера­ботки ядерного горючего создан целый комплекс предприятий, объединенных в ядерно-топливный цикл (ЯТЦ).

ЯТЦ включает предприятия по добыче урана (урановые рудни­ки), его обогащению (обогатительные фабрики), изготовлению топ­ливных элементов, сами АЭС, предприятия вторичной переработки отработанного ядерного горючего (радиохимические заводы), по временному хранению и переработке образующихся радиоактивных отходов ЯТЦ и, наконец, пункты вечного захоронения радиоактив­ных отходов (могильники). На всех этапах ЯТЦ радиоактивные ве­щества в большей или меньшей степени воздействуют на обслужи­вающий персонал, на всех этапах могут происходить выбросы (нор­мальные или аварийные) радионуклидов в окружающую среду и создавать дополнительную дозу на население, особенно проживаю­щее в районе предприятий ЯТЦ.

При нормальной работе АЭС выбросы в окружающую среду малы и оказывают небольшое воздействие на проживающее по бли­зости население.

Наибольшую опасность с точки зрения радиационной безопас­ности представляют заводы по переработки отработанного ядерного горючего, которое обладает очень высокой активностью. На этих предприятиях образуется большое количество жидких отходов с вы­сокой радиоактивностью, существует опасность развития самопро­извольной цепной реакции (ядерная опасность),

Очень сложна проблема борьбы с радиоактивными отходами, которые являются весьма значимыми источниками радиоактивного загрязнения биосферы.

Однако сложные и дорогостоящие системы зашиты от радиации на предприятиях ЯТЦ дают возможность обеспечить защиту человека и окружающей среды до очень малых величин, существенно меньших существующего техногенного фона. Другая ситуация имеет место при отклонении от нормального режима работы, а особенно при авариях. Так, произошедшая в 1986 г. авария (которую можно отнести к катастрофам глобального масштаба — самая крупная авария на предприятиях ЯТЦ за всю историю развития ядерной энер­гетики) на Чернобыльской АЭС привела к выбросу в окружающую среду лишь 5 % всего топлива. В результате в окружающую среду было выброшено радионуклидов с обшей активностью 50 млн. Кu. Этот выброс привел к облучению большого количества людей, бо­льшому количеству смертей, загрязнению очень больших террито­рий, необходимости массового переселения людей,

Авария на Чернобыльской АЭС ясно показала, что ядерный способ получения энергии возможен лишь в случае принципиаль­ного исключения аварий крупного масштаба на предприятиях ЯТЦ.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: