 |
Технические характеристики стенда
|
|
|
|
Дисциплина «Безопасность труда»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
«ЗАЩИТА ОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»
Цель лабораторной работы: ознакомить студентов с характеристиками электромагнитного излучения, нормативными требованиями к электромагнитному излучению, провести измерения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в зависимости от расстояния до источника и оценить эффективность защиты от СВЧ-излучения с помощью экранов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электромагнитные поля (ЭМП) генерируются токами, изменяющимися во времени. Спектр электромагнитных (ЭМ) колебаний находится в широких пределах по длине волны λ: от 1000 км до 0,001мкм и менее, а по частоте f от 3·102 до 3·1020 Гц, включая радиоволны, оптические и ионизирующие излучения. В настоящее время наиболее широкое применение в различных отраслях находит ЭМ энергия неионизирующей части спектра. Это касается, прежде всего, ЭМ полей радиочастот. Они подразделяются по длине волн на ряд диапазонов (табл.1).
| Название диапазона | Длина волны | Диапазона частот | Частота | По международному регламенту | |
| Название диапазона частот | Номер | ||||
| Длинные волны (ДВ) | 10-1 км | Высокие частоты (ВЧ) | от 3 до 300 кГц | Низкие (НЧ) | |
| Средние волны (СВ) | 1 км – 100 м | То же | от 0,3 до 3 МГц | Средние (СЧ) | |
| Короткие волны (КВ) | 100-10 м | То же | от 3 до 30 МГц | Высокие (ВЧ) | |
| Ультракороткие волны (УКВ) | 10-1 м | Высокие частоты (УВЧ) | от 30 до 300 МГц | Очень высокие (ОВЧ) | |
| Микроволны: дециметровые (дм); сантиметровые (см); миллиметровые (мм). | 1 м – 10 см 10-1 см 1 см – 1 мм | Сверхвысокие частоты (СВЧ) | от 0,3 до 3 ГГц от 3 до 30 ГГц от 30 до 300 ГГц | Ультравысокие (УВЧ) Сверхвысокие (СВЧ) Крайневысокие (КВЧ) |
Таблица 1 – Спектр ЭМ колебаний
|
|
|
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 с частотой от 10 до 106 Гц, приборы автоматики, электрические установки с промышленной частотой 50-60 Гц, установки высокочастотного нагрева (сушка древесины, склеивание и нагрев пластмасс и др.). В соответствии с ГОСТ 12.1.006-84 значение предельно допустимой напряженности ЭМП радиочастот в диапазоне 0,06-300 МГц на рабочих местах приведены в табл.2.
Таблица 2 – ПДУ ЭМП (0,06-300) МГц
| Составляющая ЭМП, по которой оценивается его воздействие и диапазон частот, МГц | Предельно допустимая напряженность ЭМП в течение рабочего дня |
| Электрическая составляющая: 0,06-3 3-30 30-50 50-300 | 50 В/м 20 В/м 10 В/м 0,5 В/м |
| Магнитная составляющая: 0,06-1,5 30-50 | 5,0 А/м 0,3 А/м |
Предельно допустимые уровни (ПДУ) по электрической составляющей, согласно [5], не должны превышать 20 В/м, а по магнитной составляющей – 5 А/м. ЭМП характеризуется совокупностью переменных электрических и магнитных составляющих. Различные диапазоны радиоволн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру распространения, поглощения, отражения, а в следствие этого – 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 ЭМ излучения. Связь между энергией Y и частотой f колебаний определяется как:
Y=h·f или, поскольку длина волны λ и частота связаны соотношением f=c/λ,
Y=h·c/λ,
|
|
|
где: c – скорость распространения электромагнитных волн в воздухе (c=3·108 м/с),
h – постоянная Планка, равная 6,6·1034 Вт/см2.
ЭМП вокруг любого источника излучения разделяют на три зоны: ближнюю – зону индукции, промежуточную – зону интерференции и дальнюю – волновую зону. Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения λ (т.е. источник можно рассматривать как точечный), границы зон определяются следующими расстояниями R:
ближняя зона (индукции) R<λ/2π
промежуточная зона (интерференции) λ/2π<R<2πλ
дальняя зона (волновая) R>2πλ
Работающие с источниками излучения НЧ, СЧ и, 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, падающей на единицу площади поверхности. В этом случае ППЭ выражается в Вт/м2 или производных единицах: мВт/см2, мкВт/см2. ЭМП по мере удаления от источника излучения быстро затухает. ЭМ волны диапазона УВЧ, СВЧ и КВЧ (микроволны) используются в радиолокации, радиоастрономии, радиоспектроскопии, 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 высокой и сверхвысокой частот. Критерием оценки степени воздействия на человека ЭМП может служить количество электромагнитной энергии, поглощаемой им при пребывании в электрическом поле и проводимости тканей человека.
По законам физики изменения в веществе может вызвать 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 радиочастотного диапазона: длины волны (частоты колебаний), интенсивности и режима излучения (непрерывный, прерывистый, импульсно-модулированный), продолжительности и характера облучения организма, 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. Колебания 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 на ЭМП на организм животного составляют для диапазона средних частот – 8000 В/м, высоких – 2250 В/м, очень высоких – 150 В/м, дециметровых – 40 мВт/см2, сантиметровых – 10 мВт/см2, миллиметровых – 7 мВт/см2.
ЭМП с меньшей интенсивностью не обладает термическим воздействием 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.
Постоянное изменение в крови наблюдается при ППЭ выше 1 мВт/см2. Это фазовые изменения лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина. Поражение глаз в виде помутнения кристаллика (катаракты) – последствия воздействия ЭМП в условиях производства. При воздействии миллиметровых волн изменения наступают немедленно, но быстро проходят. В то же время при частотах около 35 ГГц возникают устойчивые изменения, являющиеся результатом повреждения эпителия роговицы.
Клинические исследования людей, подвергшихся производственному воздействию СВЧ-излучения при его интенсивности ниже 10 мВт/см2, показали отсутствие каких-либо проявлений катаракты.
|
|
|
Воздействие ЭМП с уровнями, превышающими допустимые, приводит к изменению функционального состояния сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, нарушению обменных процессов [2]. При воздействии значительных интенсивностей СВЧ поля может возникать более или менее выраженное помутнение хрусталика глаза (катаракты). Нередко отмечаются изменения и в составе крови.
В соответствии с санитарными нормами и правилами при работе с источниками ЭМП СВЧ частот предельно допустимые интенсивности ЭМП на рабочих местах приведены в табл.3.
Таблица 3 – ПДУ ЭМП (300 МГц – 300 ГГц)
| В диапазоне СВЧ (300 МГц – 300 ГГц) | Предельно допустимая интенсивность |
| 1. Для работающих при облучении в течение: 1) всего рабочего дня 2) не более 2 ч за рабочий день 3) не более 15-20 мин за рабочий день 2. Для лиц, не связанных профессионально и для населения | 10 мкВт/см2 100 мкВт/см2 1000 мкВт/см2 1 мкВт/см2 |
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:
1) отражающие;
2) поглощающие излучение.
К первому типу относятся сплошные металлические экраны, экраны из металлической сетки, из металлизированной ткани. Ко второму типу относятся экраны из радиопоглощающих материалов. К средствам индивидуальной защиты (СИЗ) относятся: спецодежда, выполненная из металлизированной ткани, защитные халаты, фартуки, накидки с капюшоном, перчатки, щитки, а также защитные очки (при интенсивности выше 1 мВт/см2), стекла которых покрыты слоем полупроводниковой окиси олова, или сетчатые очки в виде полумасок из медной или латунной сетки.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОПИСАНИЕ СТЕНДА
Внешний вид стенда представлен на рис.1.
Стенд представляет собой стол, выполненный в виде сварного каркаса со столешницей 1, под которой размещаются сменные экраны 2, используемые для изучения экранирующих свойств различных материалов. На столешнице 1 размещены СВЧ печь 3 (источник излучения) и координатное устройство 4.
Координатное устройство 4 регистрирует перемещение датчика 5 СВЧ поля по осям «X» «Y». Координата «Z» определяется по шкале, нанесенной на измерительную стойку 6, по которой датчик 5 может свободно перемещаться. Это дает возможность исследовать распределение СВЧ излучения в пространстве со стороны передней панели СВЧ печи (элементы наиболее сильного излучения).
|
|
|
Датчик 5 выполнен в виде полуволнового вибратора, рассчитанного на частоту 2,45 ГГц и состоящего из диэлектрического корпуса, вибраторов и СВЧ диода.
Координатное устройство 4 выполнено в виде планшета, на который нанесена координатная сетка. Планшет приклеен непосредственно к столешнице 1. Стойка 6 изготовлена из диэлектрического материала (органического стекла), чтобы исключить искажение распределения СВЧ поля.
В качестве нагрузки в СВЧ печи используется огнеупорный шамотный кирпич, устанавливаемый на неподвижную подставку, в качестве которой используется неглубокая фаянсовая тарелка, обеспечивающая стабильность измеряемого сигнала.
Сигнал с датчика 5 поступает на мультиметр 7, размещенный на свободной части столешницы 1 (за пределами координатной сетки).
На столешнице 1 имеются гнезда для установки сменных защитных экранов 2, выполненных из следующих материалов:
сетка из оцинкованной стали с ячейками 50 мм;
сетка из оцинкованной стали с ячейками 10 мм;
лист алюминиевый;
полистирол;
резина.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕНДА
2.2.1 Диапазон плотности потока электромагнитного
излучения в изучаемой зоне СВЧ печи, мкВт/см2 0..120
2.2.2 Соотношение показаний мультиметра М3900 и изме-
рителя плотности потока ПЗ-19 1 мкА = 0,35 мкВт/см2
2.2.3 Значения перемещений датчика относительно
СВЧ печи, мм, не менее:
по оси «X» 500;
по оси «Y» ± 250;
по оси «Z» 300.
2.2.4 Мощность СВЧ печи, Вт, не более 800
2.2.5 Количество сменных защитных экранов 5
2.2.6 Размеры экранов, мм (330 ± 5)×(500 ± 5)
2.2.7 Потребляемая мощность, В·А, не более 1200
2.2.8 Цена деления шкал по осям X, Y, Z, мм 10 ± 1
2.2.9 Габаритные размеры стенда, мм, не более:
длина 1200
ширина 650
высота 1200
2.2.10 Масса стенда, кг, не более 40
2.2.11 Электропитание стенда можно осуществлять от сети переменного тока
напряжением, В 220 ± 22
частотой, Гц 50 ± 0,4
2.2.12 Режим работы СВЧ песи:
- продолжительность работы, мин., не более 5
- продолжительность перерыва между рабочими циклами, с, не менее 30
- уровень мощности 100%
Рисунок 1 – Внешний вид лабораторной установки
|
|
|
