Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения

Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении электрических зарядов. Электромагнитные волны – это взаимосвязанное распространение в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей. Совокупность этих полей, неразрывно связанных друг с другом, называется электромагнитным полем. Несмотря на то, что длина электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением, – одной физической природы. Исследованный в настоящее время диапазон электромагнитных волн состоит из волн с длинами, соответствующими частотам от 10³ до 10²⁴Гц. По мере убывания длины волны в диапазон включаются радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет (световые лучи), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, космические лучи, излучение солнца, а также искусственные источники: различные генераторы, трансформаторы, антенны, лазерные установки, микроволновые печи, мониторы компьютеров и др. На предприятиях источниками электромагнитных полей промышленной частоты являются высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), измерительные приборы, устройства защиты и автоматики, соединительные шины и др. В зависимости от длины волны электромагнитное излучение делят на ряд диапазонов (табл. 18.1).

* Представленные в таблице диапазоны частот включают верхние пределы и исключают нижние.

** Представленные в таблице диапазоны длин волн включают нижние пределы и исключают верхние.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от длины волны и равна: С = 2,997925 • 10⁸ м/с.

Электромагнитная волна, распространяясь в неограниченном пространстве со скоростью света, создает переменное электромагнитное поле, которое способно воздействовать на заряженные частицы и токи, в результате чего происходит превращение энергии поля в другие виды энергии. Как уже сказано выше, переменное электромагнитное поле представляет собой совокупность магнитного и электрического полей, количественной характеристикой которых являются напряженность электрического поля Е (размерность – вольт на метр, или, сокращенно, В/м) и напряженность магнитного поля Н (размерность – ампер на метр, или, сокращенно, А/м). Величины Е и Н – векторные, их колебания происходят во взаимоперпендикулярных плоскостях.

При распространении в воздухе или в вакууме Е =377 Н.

Плотность потока энергии (I) может быть записана (в векторной форме) как . Эти величины показывают, какое количество энергии протекает за 1 с через площадку, расположенную перпендикулярно движению волны.

Если сформировавшаяся электромагнитная волна имеет сферическую форму, то справедливо следующее равенство:

, (18.1)

где P_ист ^– мощность источника излучения, Вт;

r – расстояние от источника излучения, м.

Отсюда можно определить напряженность электрического поля по формуле:

E = . (18.2)

Начиная от источника излучения всю область распространения электромагнитных волн принято условно разделять на три зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Радиус ближней зоны приблизительно составляет 1/6 волны от источника излучения, а дальняя зона начинается на расстоянии, равном примерно 6 длинам волн; промежуточная зона находится между ними.

Переменные электромагнитные поля способны оказывать негативное воздействие на организм человека, последствия которого зависят от напряженности электрического и магнитного полей, частоты излучения, плотности потока энергии, размера облучаемой поверхности тела человека и индивидуальных способностей его организма. Ткани человеческого организма поглощают энергию электромагнитного поля¹, в результате этого происходит нагрев тела человека. Интенсивнее всего электромагнитные поля воздействуют на органы и ткани с большим содержанием воды: мозг, желудок, желчный и мочевой пузырь, почки. При воздействии электромагнитного излучения на глаза человека возможно помутнение хрусталика (катаракта).

¹ Проводящие электрический ток ткани человеческого организма (жидкие составляющие тканей, кровь и т.д.) нагреваются в результате возникновения в них вихревых токов, а непроводящие, т.е. диэлектрики (хрящи, сухожилия и т.д.) – в результате возбуждаемых электромагнитным полем колебаний молекул диэлектрика с последующей их поляризацией, происходящих с выделением тепла.

Как известно, человеческий организм обладает свойством терморегуляции, т. е. поддержания постоянной температуры тела. При нагреве человеческого организма в электромагнитном поле происходит отвод избыточной теплоты до плотности потока энергии I = 10 мВт/см². Эта величина называется тепловым порогом, начиная с которого система терморегуляции не справляется с отводом генерируемого тепла, происходит перегрев организма человека, что негативно сказывается на его здоровье.

Воздействие электромагнитных полей с интенсивностью, меньшей теплового порога, также небезопасно для здоровья человека. Оно нарушает функции сердечно-сосудистой системы, ухудшает обмен веществ, приводит к изменению состава крови, снижает биохимическую активность белковых молекул. При длительном воздействии на работающих электромагнитного излучения различной частоты возникают повышенная утомляемость, сонливость или нарушение сна, боли в области сердца, торможение рефлексов и т.д.

Произошедшие под действием электромагнитных полей нарушения в организме обратимы, если в нем не произошло патологических изменений. Для этого необходимо либо прекратить контакт с излучением, либо разработать мероприятия по защите от него.

При воздействии на организм человека постоянных магнитных и электростатических полей с интенсивностью, превышающей безопасный уровень, могут развиться нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, органов дыхания и пищеварения, возможно изменение состава крови и др. Электрические поля промышленной частоты (f = 50 Гц) воздействуют на мозг и центральную нервную систему.

Между человеком, находящимся в таком поле и обладающим определенным потенциалом, и металлическим проводником с меньшим потенциалом может возникнуть электрический заряд, приводящий к судорожным сокращениям мышц или иным, более тяжелым последствиям (см. гл. 20).

Предельно допустимые уровни облучения в диапазоне радиочастот определяются ГОСТом 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля». В соответствии с этим нормативным документом установлена предельно допустимая напряженность электрического поля (E_пд, В/м) в диапазоне 0,06 – 300 МГц и предельно допустимая энергетическая нагрузка за рабочий день [ЭН , (В/м)2·ч]. Между этими величинами

существует следующая связь:

, (18.3)

где Т – время воздействия в течение рабочего дня, ч.

Для частот 0,06-3,0 МГц: = 500 В/м, = 20 000 (В/м)² ч

Для частот 3,0–30 МГц: = 300 В/м, = 7000 (В/м)²ч

Для частот 30-300 МГц: = 80 В/м, = 800 (В/м)²ч

Предельно допустимая напряженность магнитного поля в диапазоне частот 0,06 – 3 МГц в соответствии с названным выше ГОСТом должна составлять H_ПД = 50 А/м. Между этой характеристикой и предельно допустимой энергетической нагрузкой за рабочий день [ , (А/м)2·ч] существует следующая зависимость:

, (18.4)

где Т – время воздействия, ч (величина не должна превышать 200 А/м²).

Предельно допустимые уровни воздействия постоянных магнитных полей нормируются в соответствии с СН № 1742-77. Напряженность такого поля (Я) не должна превышать 8000 А/м.

Электрические поля промышленной частоты нормируются в соответствии с ГОСТом 12.1.002-84 «Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряжения и требования к проведению контроля на рабочих местах». В соответствии с этим нормативным документом предельно допустимый уровень напряженности электрического поля (Е) составляет 25 000 В/м. Кроме того, оговаривается допустимое время пребывания (Т, ч) в электрическом поле с различной напряженностью:

Е, в/м До 5000 В/м 5000-20 000 В/м От 20 000 до 25 000 В/м

Т, ч В течение Вычисляют по формуле 1/6

рабочего дня

В нашей стране разработаны также гигиенические нормативы для электростатических полей, электрических полей диапазона частот 1–12 кГц, магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) и др.

Рассмотрим основные методы защиты от электромагнитных излучений. К ним следует отнести рациональное размещение излучающих и облучающих объектов, исключающее или ослабляющее воздействие излучения на персонал; ограничение места и времени нахождения работающих в электромагнитном поле; защита расстоянием, т. е. удаление рабочего места от источника электромагнитных излучений; уменьшение мощности источника излучений; использование поглощающих или отражающих экранов; применение средств индивидуальной защиты и некоторые др.

Из перечисленных выше методов защиты чаще всего применяют экранирование или рабочих мест, или непосредственно источника излучения. Различают отражающие и поглощающие экраны. Первые изготавливают из материалов с низким электросопротивлением, чаще всего из металлов или их сплавов (меди, латуни, алюминия и его сплавов, стали). Весьма эффективно и экономично использовать не сплошные экраны, а изготовленные из проволочной сетки или из тонкой (толщиной 0,01–0,05 мм) алюминиевой, латунной или цинковой фольги. Хорошей экранирующей способностью обладают токопроводящие краски (в качестве токопроводящих элементов используют коллоидное серебро, порошковый графит, сажу и др.), а также металлические покрытия, нанесенные на поверхность защитного материала. Экраны должны заземляться.

Защитные действия таких экранов заключаются в следующем. Под действием электромагнитного поля в материале экрана возникают вихревые токи (токи Фуко), которые наводят в нем вторичное поле. Амплитуда наведенного поля приблизительно равна амплитуде экранируемого поля, а фазы этих полей противоположны. Поэтому результирующее поле, возникающее в результате суперпозиции (сложения) двух рассмотренных полей, быстро затухает в материале экрана, проникая в него на малую глубину.

Эффективность действия экрана, или эффективность экранирования (Э), может быть рассчитана по формуле:

Э = (18.5)

Где I₀ – плотность потока энергии в данной точке при отсутствии экрана Вт/м²;

I – плотность потока энергии в той же точке при наличии экрана, Вт/м²;

или выражена в децибелах:

. (18.6)

Например, замкнутый экран, сваренный из листовой стали непрерывным швом, имеет эффективность экранирования в диапазоне частот 0,15–10 000 МГц примерно 100 дБ.

Другой вид экранов – поглощающие. Их действие сводится к поглощению электромагнитных волн. Эти экраны изготавливаются в виде эластичных и жестких пенопластов, резиновых ковриков, листов поролона или волокнистой древесины, обработанной специальным составом, а также из ферромагнитных пластин. Отраженная мощность излучения от этих экранов не превышает 4%. Например, радиопоглощающий материал «Луч», изготовленный из древесных волокон, в диапазоне длин волн излучения 0,15–1,5 м имеет отраженную мощность 1–3%.

Существуют и другие типы экранов, например, многослойные.

Экранами могут защищаться оконные проемы и стены зданий и сооружений, находящихся под воздействием электромагнитного излучения (ЭМИ). Строительные конструкции (стены, перекрытия зданий), а также отделочные материалы (краски и т.д.) могут либо поглощать, либо отражать электромагнитные волны.

Для защиты от электрических полей промышленной частоты, возникающих вдоль линий высоковольтных электропередач (ЛЭП), необходимо увеличивать высоту подвеса проводов линий, уменьшать расстояние между ними, создавать санитарно-защитные зоны вдоль трассы ЛЭП на населенной территории (табл. 18.2). В этих зонах ограничивается длительность работ, а также заземляются машины и оборудование.

Особым видом электромагнитного излучения является лазерное излучение, которое генерируется в специальных устройствах, называемых оптическими квантовыми генераторами или лазерами. Эти устройства широко применяются в различных областях науки и техники, в том числе для обработки различных материалов (получение отверстий, резка и т.д.), в медицине (проведение различных операций), в системах связи для передачи сигналов по лазерному лучу, для измерения расстояний, для получения объемных изображений предметов – голограмм и в ряде других областей.

Примечание. Значения, представленные в скобках, допускаются в порядке исключения для сельской местности.

Рубиновые лазеры излучают в оптической части спектра. Длительность импульсов составляет от нескольких миллисекунд (мс) до сотен наносекунд (нc). Энергия одного импульса может достигать сотен джоулей при мощности в сотни мегаватт (1МВт = 10⁶Вт). В настоящее время разработан ряд оптических квантовых генераторов, использующих различные оптические среды (фтористый кальций, вольфрамат кальция, различные газы и др.). Эти лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Лазерное излучение – электромагнитное излучение, генерируемое в диапазоне волн 0,2–1000 мкм. Этот диапазон делится на следующие области спектра в соответствии с биологическим действием лазерного луча: 0,2–0,4 мкм – ультрафиолетовая область, 0,4–0,75 – видимая, 0,75–1,4 мкм – ближняя инфракрасная, свыше 1,4 мкм – дальняя инфракрасная область. Наиболее часто используют в технике лазеры с длинами волн, мкм: 0,34, 0,49-0,51, 0,53, 0,694, 1,06 и 10,6.

Воздействие излучения лазера на организм человека до конца не изучено. При работе лазерных установок на организм человека могут воздействовать следующие опасные и вредные производственные факторы: мощное световое излучение от ламп накачки, ионизирующее излучение, высокочастотные и сверхвысокочастотные электромагнитные поля, инфракрасное излучение, шум, вибрация, возникающие при работе лазерных установок, и др.

При воздействии лазерного излучения на организм человека возникают различные биологические эффекты, которые зависят от энергетических и временных параметров излучения и в первую очередь от энергетической экспозиции в импульсе, длины волны и времени воздействия лазерного излучения, вида облучаемой ткани человеческого организма и ряда других факторов. Энергетическая экспозиция может быть рассчитана по формуле:

Н = Е_е t , (18.7)

где Н - энергетическая экспозиция;

Е_е - энергетическая освещенность (отношение энергии излучения, падающей на

рассматриваемый участок поверхности, к его площади);

t - время воздействия лазерного излучения.

Таким образом, с физической точки зрения энергетическая экспозиция – это отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этого участка, умноженное на длительность облучения.

Различают первичные и вторичные биологические эффекты, возникающие под действием лазерного излучения. Первичные изменения происходят в тканях человека непосредственно под действием излучения (ожоги, кровоизлияния и т.д.), а вторичные (побочные явления) вызываются различными нарушениями в человеческом организме, развившимися вследствие облучения.

Наиболее чувствителен к воздействию лазерного излучения глаз человека. Воздействие на него лазерного излучения может привести к ожогам сетчатки и даже к потере зрения. Опасно попадание лазерного луча и на кожу человека, в результате чего могут возникнуть ожоги различной степени тяжести и даже обугливание кожи. Лазерные лучи высокой интенсивности могут вызвать не только повреждения кожи, но и поражение различных внутренних тканей и органов человека, что выражается в виде кровоизлияний, отеков, а также свертывания или распада крови.

Нормирование лазерного излучения производят в соответствии с СН № 2392-81 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров». Основным нормируемым параметром является энергетическая экспозиция (Н, Дж/см²) облучаемых тканей за определенное время воздействия лазерного излучения. Если нормируемая величина Н (предельно допустимый уровень) не превышена, то у работающих под воздействием лазерного излучения не будут вызываться первичные и вторичные биологические эффекты. Величина предельной энергетической экспозиции зависит от длины волны

лазерного излучения и длительности его воздействия на работающего. Пример такого нормирования для лазерного излучения с длиной волны от 0,2 до 0,4 мкм представлен в табл. 18.3. Общее время облучения в этом случае составляет рабочий день. Энергетическая экспозиция нормируется на роговице глаза и коже.

Предельно допустимые уровни лазерного излучения (энергетической экспозиции) относятся к длинам волн от 0,2 до 20 мкм. Кроме того, в Санитарных нормах для длин волн от 0,4 до 1,4 мкм установлены предельно допустимые уровни энергетической экспозиции сетчатки глаза. Для видимой части спектра (0,4–0,75 мкм), кроме рассмотренных характеристик, дополнительно нормируется энергия излучения (Q, Дж) на сетчатке глаза.

К основным коллективным средствам защиты от лазерного излучения относятся применение защитных экранов и кожухов; использование телевизионных систем наблюдения за ходом технологического процесса с использованием лазера, а также систем блокировки и сигнализации; ограждение лазерно-опасной зоны, размеры которой определяют или расчетным, или экспериментальным путем. Следует защищаться не только от прямого излучения лазера, но и от рассеянного и отраженного излучений.

Напряженность постоянного магнитного поля может быть измерена отечественными приборами Ш1-8 или Ф-4355. Магнитное поле промышленной частоты при напряженности до 15 кА/м измеряют отечественным прибором Г-79, а в диапазоне частот 0,01–30 МГц – приборами ПЗ-15, П3-16и ПЗ-17. Три последних прибора могут быть рекомендованы и для измерения напряженности электрического поля в диапазоне частот 0,01–300 МГц. Для измерения плотности потока энергии электромагнитного поля применяют отечественные приборы ПЗ-9, ПЗ-18, ПЗ-19 и ПЗ-20, которые перекрывают частотный диапазон 0,3–400 ГГц.

Для измерения характеристик лазерного излучения применяются дозиметры типа ИЛД-2М и ЛДМ-2. Первый обеспечивает измерение параметров лазерного излучения в спектральных диапазонах 0,49–1,15 и 2–11 мкм, он дает прямые показания измеряемых параметров при работе на длинах волн 0,53; 0,63; 0,69; 1,06 и 10,6 мкм. На остальных длинах волн (0,49– 1,15 мкм) дозиметр обеспечивает косвенные измерения. Прибор ЛДМ-2 предназначен для определения параметров лазерного излучения в спектральных диапазонах 0,49–1,15 и 2–11 мкм. Прямые измерения этот дозиметр осуществляет на длинах волн 0,53; 0,63; 0,69; 0,91; 1,06 и 10,6 мкм.

Для индивидуальной защиты от электромагнитного излучения применяют специальные комбинезоны и халаты, изготовленные из металлизированной ткани (экранируют электромагнитные поля), а для защиты от действия лазера обслуживающий персонал должен работать в технологических халатах, изготовленных из хлопчатобумажной или бязевой ткани светло-зеленого или голубого цвета.

Для защиты глаз от воздействия электромагнитного излучения применяют очки марки 3П5-90, стекла которых покрыты диоксидом олова (SnO₂), обладающим полупроводниковыми свойствами; марки стекол, применяемых для защиты глаз от воздействия лазерного излучения, представлены в табл. 18.4.

Примечание. ОС – оранжевое стекло; СЗС – сине-зеленое стекло; БС – бесцветное стекло.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия «электромагнитное поле».

2. Какими физическими параметрами характеризуется электромагнитное излучение?

3. Какие источники электромагнитных полей вы знаете?

4. Каково действие электромагнитных полей на организм человека?

5. Что такое нормирование электромагнитных полей?

6. Перечислите и охарактеризуйте основные методы защиты от электромагнитных излучений.

7. Как генерируется лазерное излучение?

8. Охарактеризуйте воздействие лазера на организм человека.

9. Как нормируется лазерное излучение?

10. Каковы методы защиты от лазерного излучения?

11. Каковы индивидуальные средства защиты от воздействия электромагнитного и лазерного излучений?

12. Какими приборами измеряют электромагнитное и лазерное излучения?