В настоящее время в химической промышленности электромагнитная энергия высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов в основном используется для электротермии, т. е. для нагрева материала в самом электромагнитном поле. Причем следует отмстить, что это направление чрезвычайно перспективно, поскольку оно позволяет проводить технологические процессы с большой скоростью, обеспечивает высокое качество обработки материалов, экономически эффективно.
Кроме того, применение электротермии улучшает санитарно-гигиенические условия труда в производственных помещениях по сравнению с традиционными методами, основанными на применении пара, горячего воздуха, обычного электронагрева. Это объясняется тем, что в электромагнитных полях (ЭМП) разогрев материала на атомном и молекулярном уровнях происходит во всем объеме сразу за счет электрических потерь, в то время как температура окружающей среды может оставаться практически постоянной.
Однако применение новых технологических процессов, радиотехнических приборов и систем, использование которых приводит к излучению электромагнитной энергии (ЭМЭ) в окружающую среду, создаст и ряд трудностей, связанных с отрицательным воздействием электромагнитных излучений на организм человека. Так, проведенными как у нас, так и за рубежом исследованиями было установлено, что этот вид энергии воздействует на весь организм в целом, вызывая его перегрев под влиянием переменного поля, а также отрицательно влияет и на отдельные системы организма: центральную нервную, эндокринную, обмена веществ, сердечно-сосудистую, — на зрение и т. п., повышая при этом утомляемость, артериальное давление и т. д., вызывая нарушение устойчивости внимания. Поэтому вопросам защиты обслуживающего персонала и населения в целом от вредного воздействия ЭМП должно уделяться весьма серьезное внимание.
В настоящее время наибольшее распространение как в науке, так и в промышленности получили электромагнитные волны с частотами, шкала которых представлена на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Шкала электромагнитных волн
Электромагнитное поле в соответствии с законами Максвелла характеризуется векторами напряженности электрического Е (В/м) и магнитного Н (А/м) полей. Векторы Е и Н бегущей электромагнитной волны в зоне распространения всегда взаимно перпендикулярны. При распространении в проводящей среде они связаны соотношением
, (6.9)
где w — частота электромагнитных колебаний; у — удельная проводимость вещества экрана; м — магнитная проницаемость этого вещества; k — коэффициент затухания; R — расстояние от входной плоскости экрана до рассматриваемой точки
При распространении в вакууме или в воздухе Е = 377Н, где 377 — волновое сопротивление воздуха.
Согласно теории электромагнитного поля пространство около источника переменного электрического или магнитного полей делится на две зоны: ближнюю, или зону индукции, которая находится на расстоянии R <= л/2п = л/6 [л — длина волны, определяемая из соотношения л = c/f, где с — скорость распространения волны (для вакуума или воздуха — скорость света); f — частота электромагнитных колебаний], и зону излучения (распространения), которая находится на расстоянии R > л/6.
В зоне индукции еще не сформировалась бегущая волна, вследствие чего Е и Н не зависят друг от друга, поэтому нормирование в этой зоне ведется как по электрической, так и по магнитной составляющей поля. Это характерно для ВЧ-диапазона. В зоне излучения ЭМП характеризуется электромагнитной волной, наиболее важным параметром которой является плотность потока мощности (ППМ).
Нормирование электромагнитных излучений проводится в соответствии с "Санитарными нормами и правилами при работе с источниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот". Так, напряженность ЭМП радиочастот на рабочих местах нс должна превышать по электрической составляющей 20 В/м в диапазоне частот 100 кГц…30 МГц и 5 В/м при f = 30…300 МГц; по магнитной составляющей предельная напряженность HПред = 5 А/м при f = 100 кГц…1,5 МГц. В диапазоне СВЧ f = 300…300000 МГц допустимая плотность потока мощности (ППМдоп) при времени облучения (Tоблуч) в течение всего рабочего дня составляет 10 мкВт/см2, при Тоблуч, равном 2 ч,- 100 мкВт/см2 и при тоблуч» равном 15…20 мин, — 1000 мкВт/см2 (при обязательном использовании защитных очков!). В остальное рабочее время интенсивность облучения не должна превышать 10 мкВт/см2. Для лиц, профессионально нс связанных с облучением, и для населения в целом ППМ не должен превышать 1 мкВт/см2.
В зависимости от условий воздействия ЭМП, характера и местонахождения источника излучения могут быть использованы следующие способы и методы защиты:
- защита временем;
- защита расстоянием;
- снижение интенсивности излучения непосредственно в самом источнике излучения;
- экранирование источника;
- защита рабочего места от излучения;
- применение средств индивидуальной защиты (СИЗ).
Защита временем применяется в тех случаях, когда отсутствует возможность уменьшить напряженность (интенсивность) ЭМП до предельно допустимого уровня. Допустимое время (т) облучения находят из выражения
где th(0,05т)1,2 — гиперболический тангенс
Защита расстоянием применяется, если нельзя снизить интенсивность облучения другими методами и сокращением времени облучения. Для диапазона длинных, средних, коротких и ультракоротких волн его можно определить с помощью формулы
, (6.11)
где Р — средняя выходная мощность, Вт; G — коэффициент направленности антенны; Едоп — допустимая напряженность электрического поля.
В СВЧ-диапазоне R, соответствующее ППМдоп, находят по формуле
, (6.12)
Защита расстоянием — наиболее эффективный метод, он может применяться как в производственных условиях, так и в условиях населенных мест.
Другим способом, который также применим для всех условий, является уменьшение мощности излучения. Достигается оно: непосредственной регулировкой передатчика (генератора); его заменой на менее мощный, если позволяет технология работ; применением специальных устройств — аттенюаторов, которые поглощают, отражают или ослабляют передаваемую энергию на пути от генератора к антенне, внутри ее или, при изменении угла направленности антенны, в пространстве.
Выбор типа и конструкции экрана (отражающего или поглощающего) необходимо проводить с учетом характера и мощности источника излучения, рабочей частоты, особенностей технологического процесса. Для отражающих экранов, в качестве которых могут быть использованы металлические -сплошные и сетчатые, мягкие металлические (эластичные) с хлопчатобумажной или другой ниткой, эффективность экранирования (Э) в зоне распространения (ВЧ-диапазон) характеризуется отношением напряженности ЭМП по Е и Ив какой-либо точке пространства без экрана и с экраном:
, (6.13)
Для СВЧ-диапазона ЭСвч = ППМ/ППМЭ.
При этом следует отметить, что такие экраны должны тщательно заземляться, поскольку отражение ЭМЭ от экрана связано с несоответствием волновых сопротивлений металла, из которого изготовлен экран, и окружающего воздушного пространства. Чем больше это различие по электрической и магнитной составляющим, тем сильнее эффект экранирования.
Обычно коэффициент экранирования выражают в децибелах (ДБ)(Децибел — десятикратный десятичный логарифм отношения двух величин, он называется уровнем одной из них по отношению к другой):
, (6.14)
Если сплошные экраны практически полностью отражают ЭМЭ (L > 120 дБ), то сетчатые, которые в основном применяют для защиты контрольных отверстий, освещения, вентиляции, энергоснабжения и т. д., целесообразно использовать для ослабления мощности на 20…30 дБ (в 100… 1000 раз). При этом эффективность таких экранов будет зависеть от номера сетки, т. е. от диаметра использованной проволоки и числа ячеек на 1 см2 площади.
Применение поглощающих экранов обеспечивает создание условий, эквивалентных безграничному свободному пространству, и уменьшение отраженной ЭМЭ. В качестве таких экранов используются электропроводящие резины, эмали, пластмассы, древесина или поролон, пропитанные графитом и т. д., принцип работы которых заключается в трансформировании падающей ЭМЭ в другие виды энергии, чаще всего в тепловую.
Поглощающие экраны должны обладать следующими свойствами:
- минимальной величиной отражения ЭМЭ в широком диапазоне частот;
- большой величиной затухания проникающих внутрь материала экрана излучений, с тем чтобы падающая энергия поглощалась в достаточной степени;
- не должны изменять поляризацию отраженных колебаний;
- должны незначительно изменять величину отраженной энергии в зависимости от угла падения волны.
Выполнить эти условия можно лишь при постепенном переходе от слабо поглощающей среды к сильно поглощающей путем соответствующего подбора комплексных диэлектрической е* и магнитной р.* проницаемости сред:
, (6.15)
где e’ и м’- диэлектрическая и магнитная проницаемость материала экрана; e" и м" — коэффициенты диэлектрических и магнитных потерь в материале.
Для электропроводящих полимерных материалов е" = у/w (здесь у — проводимость материала, Ом1*м1; w — частота электромагнитных колебаний, Гц), а магнитная поляризация очень мала (за исключением ферромагнетиков), поэтому величина м* может быть заменена магнитной проницаемостью вакуума, равной 4п*107 Гн/м.
В качестве средств индивидуальной защиты (СИЗ) могут быть использованы очки и специальная одежда, выполненная из металлизированной ткани. При этом следует отметить, что использование СИЗ возможно при кратковременных работах и является мерой аварийного характера. Ежедневная защита обслуживающего персонала должна обеспечиваться другими средствами.