Электромагнитные поля и излучения

Электромагнитные волны возникают при ускоренном движении электрических зарядов и представляют собой 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 во времени диапазон электромагнитных волн состоит из волн, с длинами, соответствующими частотам от 10³до 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 служат атмосферное электричество, космические лучи, излучение солнца, а также искусственные источники: различные генераторы, трансформаторы, антенны, лазерные установки, микроволновые печи, мониторы компьютеров и др.

Источники электромагнитных полей промышленной частоты на предприятиях — 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. 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, которая количественно характеризуется напряжённостью электрического поля Е (размерность – вольт на метр, или сокращенно В/м) и напряженностью магнитного поля Н (размерность — ампер на метр или сокращённо А/м). Величины Е и Н - векторные, их колебания происходят во взаимоперпендикулярных плоскостях. Всю область распространения электромагнитных волн, начиная от источника излучения, разделяют на три зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Радиус ближней зоны составляет приблизительно 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 поля, в результате чего 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).

Известно, что 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 электромагнитного излучения различной частоты на работающих, у них возникает повышенная утомляемость, сонливость, нарушение сна, боли в области сердца, торможение рефлексов и т.д.

Нарушения в организме человека, происходящие под действием электромагнитных полей, обратимы, до тех пор, пока в нем не произошло патологических изменений. А чтобы не произошло патологических изменений, 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 меньшим потенциалом может возникнуть электрический заряд, приводящий к судорожным сокращениям мышц или иным, более тяжелым последствиям.

Предельно допустимые уровни облучения в диапазоне радиочастот определяются ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».

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

Электрические поля промышленной частоты нормируются в соответствии с ГОСТ 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.

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

К основным методам защиты от электромагнитных излученийотносятся: 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 другие.

Наиболее распространенный из них — экранирование или рабочих мест, или непосредственно источника излучения. При этом различают отражающие и поглощающие экраны. Отражающие экраны 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 быть заземлены.

Защитные свойства экранов заключаются в следующем действии 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 полей противоположны. Результирующее поле, возникающее в результате суперпозиции (сложения) двух рассмотренных полей, быстро затухает в материале экрана, проникая в него на малую глубину.

Действие поглощающих экранов 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 также многослойные поглощающие экраны. 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. В этихзонах ограничивается длительность работ, а машины и оборудование заземляются [12,14,81].

Ионизирующие излучения

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации , радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, от­личной от нуля (альфа- ; бета-излучение и нейтронное излучение);

электромагнитное (гамма-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.

Альфа(а)-излучениепредставляет собой поток ядер гелия, обла­дающих большой скоростью и имеющих массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ. Излу­чаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с.

Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах при­нято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу, до ее поглощения веще­ством. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды дли­на пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых ча­стиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скорос­тями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимо­действие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.

Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают дли­ной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега альфа-частиц состав­ляет несколько десятков микрометров. За счет большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной средеальфа-частица на 1см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц — ионов.

Бета-излучениепредставляет собой поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета- излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3-0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела - 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизи­рующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десят­ков пар заряженных ионов.

Нейтронное излучениепредставляет собой поток ядерных час­тиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона при­близительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимо­действии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существен­но выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейт­ронов промежуточных, энергий составляет около 15 м в воздуш­ной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов — соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов.

Гамма-излучениепредставляет собой электромаг­нитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01—3 МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение.

Рентгеновское излучениеможет быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружа­ющей источник бета-излучения и др. Рентгеновские лучи пред­ставляют собой один из видов электромагнитного излучения, его энергия обычно не превышает 1 МэВ.

Рентгеновское, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Как известно, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А)радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в указанном веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:

А=dN/dt (33.1)

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (H). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Дна средний коэффи­циент качества излучения Q(безразмерный) в данной точке тка­ни человеческого тела, т.е.:

H = D*Q. (33.2)

Мощность экспозиционной дозы (X, Кл/кг*с); находят из выражения:

X= dx/dt (33/3)

Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.

Существует специальная единица эквивалентной дозы — биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр — это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма- излучения Биологическое действие рассмотренных излучений на организм человека различно. Альфа-частицы, проходя через вещество и стал­киваясь с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электро­ны. В редких случаях эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией; избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций, которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излу­чение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углево­ды). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.

Под действием бета-излучений происходит радиолиз (разложе­ние) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н₂0₂, заряженных час­тиц (ионов) .Продукты разложения воды обладают окис­лительными свойствами и вызывают разрушение многих органичес­ких веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.

Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологичес­кие ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими иони­зирующими излучениями.

Биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических веществ (молекул), из которых состоит организм человека, что приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели, что может привести к поражению организма в целом.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Источники внешнего излучения — косми­ческие лучи, естественные радиоактивные источники, находя­щиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и других. Источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители за­пряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.

Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.

Внутреннее облучение осуществляется радиоактив­ными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы.

Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человечес­кий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Внутреннее облучение орга­низма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадет­ся или не будет выведено из организма в результате процессов физи­ологического обмена; оно опасно тем, что вызывает длительно неза­живающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.

При работе с радиоактивными веществами значительному об­лучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизи­рующих излучений развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук. Хроническое поражение характеризу­ется сухостью кожи, появлением на ней трещин, язв и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возни­кают отек, омертвление тканей, язвы, на месте образования ко­торых возможно развитие злокачественных опухолей.

Под влиянием ионизирующих излучений у человека возника­ет лучевая болезнь. Различают три ее степени: первая (легкая), вторая и третья (тяжелая).

Симптомами лучевой болезни первой степени служат слабость, головные боли, нарушение сна и аппетита, усиливающиеся на вто­рой стадии заболевания, но здесь они дополняются нарушениями в деятельности сердечнососудистой системы, изменением обмена веществ и состава крови, расстройством пищеварительных орга­нов. На третьей стадии болезни наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и за­болеваний кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяже­лой) форме развивается в результате облучения организма больши­ми дозами ионизирующих излучений за короткий промежуток вре­мени. Однако воздействие на организм человека и малых доз ради­ации также опасно, поскольку может привести к нарушению на­следственной информации человеческого организма, мутации .

Мутация— резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные признаки.

Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни воз­никает при дозе облучения, эквивалентной приблизительно I Зв; тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при дозе облучения, эквивалентной 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни соответствует дозе облучения, эквивалентной 5,5—7,0 Зв.

В настоящее время разработан ряд химических препаратов (про­текторов), существенно снижающих негативный эффект воздей­ствия ионизирующего излучения на организм человека.

В нашей стране нормирование воздействия ионизирующих из­лучений проводят в соответствии с Нормами радиационной безо­пасности (НРБ-96). Этот документ, относящийся к категории ги­гиенических нормативов (ГН 2.6.1.054-96), содержит три класса нормативов: основные дозовые пределы; допустимые уровни, яв­ляющиеся производными от дозовых пределов; пределы годового поступления, объемные допустимые среднегодовые поступления, удельные активности, допустимые уровни загрязнения рабочих по­верхностей и другие, а также контрольные уровни. Для оценки воздействия ионизирующего изучения на людей при расчете вероятности потерь и обоснования расходов на радиационную защиту согласно НРБ-96 исходят из того, что облучение в коллек­тивной эффективной дозе в 1 чел-Зв приводит к потере 1 чел-года жизни населения.

В НРБ-96 введены понятия индивидуального и коллективного риска, а также определено значение максимальной величины уровня пренебрежимого риска воздействия облучения. В соответствии с этим документом предел индивидуального риска для техногенного облучения лиц из персонала принимается на уровне 1,0 • 10^-3 за 1 год, а для населения — 5,0 • 10 ^-5 за I год, уровень пренебрежимого риска составляет 10 ^-6 за 1 год.

В рассматриваемом документе введены следующие категории обучаемых лиц.

1. Персонал и лица, работающие с техногенными источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б).

2. Все население, включая лиц из персонала, вне сферы и ус­ловий их производственной деятельности.

Анализ вышеизложенного позволяет выделить основные принципы радиационной безопасности: уменьшение мощности источников до минимальных величин (защита количеством); сокращение времени работы с источниками (защита временем); увеличение расстояния от источников до работающих (защита расстоянием); экранирование источников излучения [11,80,81].