Производственная санитария I часть.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по курсу
“ПРОМЫШЛЕННАЯ САНИТАРИЯ”
раздел
“Электромагнитное, лазерное и
ионизирующее излучения”.
2011 г.
ВВЕДЕНИЕ
Излучения, как физическое явление, есть способы передачи
(испускания) энергии в виде электромагнитных, механических волн и
радиоактивных излучений.
Широкое применение в науке и технике электромагнитных полей
различного диапазона длин волн, в том числе ионизирующего и лазерного
излучений, связано с воздействием на организм человека целого ряда
опасных и вредных факторов. Поэтому, для безопасной работы на
технологических установках, устройствах и системах, использующих
данные виды излучения, необходимо применение комплекса защитных мер.
В настоящем конспекте лекций, посвященном электромагнитному,
ионизирующему и лазерному излучениям, рассматриваются вопросы их
вредного воздействия на человека, измерения их параметров и использования
защитных средств.
1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Основные характеристики электромагнитных излучений.
Электромагнитные излучения (ЭМИ) представляют собой
электромагнитные волны, описываемые в простейшем случае
соотношением a  Asin   t    , где A – амплитуда колебаний,   2 f круговая частота колебаний (f – частота, измеряемая в герцах (Гц)),  начальный фазовый сдвиг. Длина волны  определяется в воздухе
c
соотношением   , где c  3108 м – скорость света. По частоте ЭМИ
f
делятся на ряд диапазонов, приведенных в таблице 1 (также приведены
названия диапазонов и источники, области применения этих ЭМИ) .
Таблица 1.
NN Наимено- Границы
Наименова- Граница
Источники
п/п вание ди- диапазона ние
вида диапазона излучения
или
апазона
волн
область
частот
применения
1.
Крайне
3 – 30 Гц Декамегаме- 100–10Мм Преобразователи
низкие
тровые
энергии,
(КНЧ)
электрооборудова
ние,
источники
энергии
2.
Сверх30–300 Гц Мегаметро- 10–1 Мм
Преобразователи
2
низкие
(СНЧ)
вые
3.
Инфранизкие
(ИНЧ)
0,3–3кГц
Гектокилометровые
1000–100
км
4.
Очень
низкие
частоты
(ОНЧ)
Низкие
частоты
(НЧ)
3–30 кГц
Мириаметровые
100–10 км
30–
300кГц
Километровые
(длинные)
10–1 км
6.
Средние
частоты
(СЧ)
0,3–3 МГц Гектометровые
(средние)
1–0,1 км
7.
Высокие
частоты
(ВЧ)
3–30 МГц
Декаметровые
(короткие)
100–10 м
8.
Очень
высокие
частоты
(ОВЧ)
30–300
МГц
Метровые
10–1 м
5.
3
энергии,
электрооборудова
ние,
источники
энергии, станки,
электроинструмен
т,
бытовая
техника
Источники
энергии,
электроинструмен
т,
бытовая
техника ламповые
генераторы
Радионавигация,
радио-телефонная
связь, подвижная
связь
Радионавигация,
многопрограммно
е радиовещание,
подвижная
и
фиксированная
связь
Радионавигация,
воздушная,
морская,
сухопутная
и
железнодорожная
радиосвязь, радиолокация,
космические
исследования
Подвижная связь,
метеорология,
охранная
сигнализация,
служба
космических
исследований
Телевидение,
метеорология,
подвижная
радиосвязь,
радиоастрономия,
ж/д и с/х
радиосвязь,
служба
космических
исследовний
9.
Ультра0,3–3 ГГц Дециметров 1–0,1 м
Телевидение,
высокие
ые
метеорология,
частоты
радиолокация,
(УВЧ)
сотовая
связь,
радиоастрономия,
спутниковая
связь,
служба
космических
исследований
10. Сверхвыс 3–30 ГГц Сантиметров 10–1 см
Спутниковое
окие
ые
телевидение,
частоты
радиолокация,
(СВЧ)
спутниковая
связь,
радионавигация,
радиоастрономия,
служба
космических
исследований
11. Крайне
30–300
Миллиметро 10–1 мм
Радиоастрономия,
высокие ГГц
вые
радиолокация,
частоты
радионавигация,
(КВЧ)
служба
космических
исследований,
спутниковые
службы
ЭМИ частот от 3 Гц до 300 ГГц относят к радиочастотному
диапазону, а ЭМИ частот свыше 300 МГц носят общее название – СВЧ
излучения. В качестве основных характеристик ЭМИ используют также:
напряженность электрического поля E, измеряемая в вольтах на метр (В/м),
напряженность магнитного поля – H (А/м – ампер на метр), или магнитную
индукцию B, измеряемую в теслах (1 мкТл=0,8 А/м). Напряженности
электрического и магнитного полей изменяются в пространстве по
различным законам в зависимости от расстояния до источника излучения. С
этой точки зрения различают ближнюю зону излучения (зона индукции) и
дальнюю (волновую) зону. Зона индукции в зависимости от расстояния R
определяется соотношением R  / 2 , а волновая зона – R  / 2 . Если
4
размеры источника излучения (антенны) сравнимы с длиной волны, то
граница волновой зоны рассчитывается по формуле R  2L2 /  , где L
ì àêñ
ì àêñ
-
максимальный размер антенны. В волновой зоне в качестве основной
характеристики используют плотность потока энергии (ППЭ), измеряемую
в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) и определяемую соотношением
PG Âò
ÏÏÝ
,
, где G - коэффициент направленного действия антенны.
4 R2 ì 2
Естественные источники ЭМИ.
Жизнь живых существ на Земле проходит под непрерывным
воздействием электромагнитных полей различного частотного диапазона.
Это могут быть поля естественного происхождения: электрическое и
магнитное поля Земли, электрические поля, образуемые в ее атмосфере,
радиоизлучение Солнца и галактик. Магнитные поля (МП) в природе
чрезвычайно разнообразны как по своим масштабам, так и по вызываемым
ими эффектам. Средняя напряженность МП на поверхности Земли составляет
около 40 А/м (индукция МП - 5·10–5 Тл). На поверхности Земли вертикальная
составляющая индукции МП достигает максимума на магнитных полюсах,
составляя примерно 6,02  10 5 Тл (напряженность 49 А/м) в районе северного
магнитного полюса; 7,03  10 5 Тл (напряженность 57,2 А/м) в районе южного
магнитного полюса и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная
составляющая достигает максимума на магнитном экваторе, составляя около
4,0  10 5 Тл (напряженность 32,6 А/м), и равна нулю на магнитном полюсе.
Многолетние измерения напряженностей МП Земли показали, что все они не
остаются постоянными ни в пространстве, ни во времени. Эти изменения
напряженности МП Земли называются вариациями. Медленные изменения
МП, происходящие в промежутке времени от 100 лет и более, называются
вековыми вариациями. Спектр наблюдаемых вариаций МП Земли
показывает, что основная часть вариаций имеет период порядка 104 лет.
Амплитуда вековых вариаций в среднем составляет 5,0·10―8 Тл. Южный
геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время
он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в
Северной Гренландии. Его координаты 78° северной широты, 70° западной
долготы. Координаты северного магнитного полюса - 75 0 южной широты,
5
120 0 восточной долготы (в Антарктиде. В результате вековых вариаций
геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с
периодом около 1200 лет. На больших расстояниях МП Земли
несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы
(солнечного ветра) МП Земли искажается и приобретает «шлейф» в
направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров,
выходя за орбиту Луны.
Происхождение МП Земли связывают с
конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.
Собственное МП Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие
основные части:
1. Основное МП Земли, испытывающее медленные изменения во
времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет.
2. Мировые аномалии ― отклонения от эквивалентного диполя до 20%
напряженности отдельных областей с характерными размерами до 10 000 км.
Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к
изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры
аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская.
3. МП локальных областей внешних оболочек с протяженностью от
нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород
в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к
поверхности. Одна из наиболее мощных ― Курская магнитная аномалия.
4. Переменное МП Земли (называемое внешним) определяется
источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной
поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их
изменений являются корпускулярные потоки намагниченной плазмы,
приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие
структуру и форму земной магнитосферы.
Структура МП земной атмосферы. Земное МП находится под
воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате
взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного
МП, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу.
Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма
магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное МП,
определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим
происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах
от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения МП Земли во
времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными
6
вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по
локализации на Земле и в ее атмосфере.
Магнитосфера ― область околоземного космического пространства,
контролируемая МП Земли. Магнитосфера формируется в результате
взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и МП
Земли..
Солнечный ветер ― истечение плазмы солнечной короны в
межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость
частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число
частиц – несколько десятков в 1 см3.
Магнитная буря. Локальные характеристики МП изменяются и
колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до
прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури
часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.
Геомагнитные вариации. Изменение МП Земли во времени под
действием различных факторов называются геомагнитными вариациями разность между наблюдаемой величиной напряженности МП и средним ее
значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц
или год. Различают следующие основные вариации:
Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля
возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли,
вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в
течение суток.
Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации МП возникают
вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на
магнитосферу Земли, а также изменений внутри магнитосферы и
взаимодействия магнитосферы с ионосферой.
27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция
к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней,
соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного
наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих
активных областей на Солнце, наблюдаемых в течение нескольких оборотов
Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости
магнитной активности и магнитных бурь.
11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной
активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении
длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной
7
активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число
солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных
пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако
возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к
росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.
Радиационные пояса и космические лучи. Радиационные пояса Земли
– две области ближайшего околоземного космического пространства,
которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю. В них
сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных
дипольным МП Земли. МП Земли оказывает сильное влияние на
электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом
пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц:
космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и
ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями,
главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки
менее энергичных заряженных частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем.
Геомагнитное поле экранирует поверхность Земли и биосферу от потока
заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. В
околоземном пространстве МП Земли образует магнитную ловушку для
заряженных частиц высоких энергий и образует радиационный пояс Земли.
Помимо магнитных полей Земля характеризуется наличием
электрических полей различного уровня и диапазонов частот. Электрические
поля существуют в атмосфере и характеризует ее состояние. Изменение
потенциала околоземного электрического поля (ЭП) в зависимости от
высоты различно в разное время года и для разных местностей и имеет
напряжённость в среднем вблизи земной поверхности около 130 В/м. По
мере подъема над Землей это поле быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км
напряжённость его равна только 40 В/м, а на высоте 9 км составляет уже
величину 5 В/м. Годовые изменения напряженности электрического поля
Земли максимальны зимой (150 – 250 В/м в январе – феврале) и минимальны
летом (100 – 120 В/м).
Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение
которого оценивается в 0,5  10 6 Кл. Этот заряд поддерживается
приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и
вне её.
Положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли,
находится на высоте от 100 до 200 км и представляет собой слой
8
положительно заряженных (ионизированных) молекул ионосферы. Линии
земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли.
Емкость такого конденсатора оценивается примерно в 0,02…0,03 фарады.
Из атмосферного электричества наиболее опасным для человека
являются разряды молний, которые создают электромагнитные поля (ЭМП)
называемые атмосфериками. Частотный диапазон атмосфериков – от сотен
Гц до десятков МГц, а их уровень электрической составляющей ЭМП
максимален на частоте 10 кГц и может достигать величины несколько
десятков кВ/м. Наибольшая интенсивность атмосфериков характерна для
континентов тропического пояса и убывает к более высоким широтам. Во
время вспышек на Солнце атмосферики усиливаются. Следует также
отметить, что поскольку разряды молнии стремятся достигнуть Земли по
пути наименьшего сопротивления, то попадают в самую верхнюю точку
предметов, имеющих контакт с Землей (деревьев, строений и т.д.). Поэтому
заземленный молниеотвод, находящийся выше защищаемых объектов,
принимает весь удар на себя, предотвращая, таким образом строения и людей
от поражения молнией.
Кроме вышеупомянутых к естественным источникам ЭМИ следует
отнести излучения Солнца и галактик радиочастотного диапазона (10 МГц –
10 ГГц), уровень которых составляет 1010  108 Âò / ì 2  Ì Ãö . Во время
активизации солнечной деятельности излучение возрастает в несколько
десятков раз и соответственно может оказывать влияние на самочувствие
человека.
1.3. Искусственные источники ЭМИ.
Кроме естественных, к настоящему времени создано множество
источников искусственных электромагнитных полей, уровень которых может
существенно превышать поля естественного происхождения. Эти источники
условно можно поделить на две группы:
- источники, генерирующие излучения диапазонов КНЧ, СНЧ и ОНЧ
(до 3 кГц). К ним относятся линии электропередач, трансформаторные
подстанции, железнодорожный, городской электротранспорт и др.;
- источники, генерирующие ЭМИ в радиочастотном диапазоне (3 кГц
– 300 ГГц). Это радиопередающие и радиоприемные устройства различного
назначения (радиолокаторы, телевидение, мобильная связь и т.д.),
измерительная, медицинская аппаратура, промышленные установки ВЧ
диапазона и др.
9
Как было сказано выше, уровень ЭМИ, создаваемый искусственными
источниками, может быть весьма значительным. Тем более, что
перечисленные источники часто находятся в непосредственной близости от
человека. Так, для линий электропередач (ЛЭП) напряжением 330 кВ у
опоры создается электрическое поле напряженностью в диапазоне 1 – 50
кВ/м и магнитное поле с индукцией 8 – 80 мкТл. Особую обеспокоенность
вызывает высокий уровень магнитных полей. Тем более что внешнее
магнитное поле в жилых зданиях не заэкранировано, а его индукция (для
кабелей электропитания подъезда дома) может достигать значения до 20
мкТл (предельно допустимый уровень, принятый в Швеции равен 0,2 мкТл).
Высокий уровень магнитного поля создается в электротранспорте,
особенно при разгоне или торможении. Так, на платформе метрополитена
при прибытии или отправления поезда возникает магнитное поле с
индукцией до 400 мкТл, а при его движении – до 150 мкТл. Такие же
магнитные поля образуются
при движении трамваев, троллейбусов,
пригородных электропоездов.
Значительные уровни электромагнитных полей возникают при
использовании бытовой аппаратуры. Так на расстоянии 0,2 м уровень МП от
электроплиты, электрического утюга, электрочайника, электропроводки
достигает 0,2 – 0,6 мкТл. При работе установок диэлектрического нагрева в
диапазоне 3 – 100 МГц электрическая составляющая поля может достигать
величины 100 В/м. Существенные ЭМП возникают при работе
радиопередающих устройств. Так при
работе радиопередатчика ДВ
диапазона мощностью 100 кВт и более на расстоянии от 100 до 1000м
возникает ЭМП с электрической напряженностью 10 – 100 В/м. Следует
отметить, что вышеуказанные источники как правило находятся на
значительном расстоянии, а возникающие поля воздействуют незначительное
время на окружающую среду.
В последние десятилетия
значительно увеличилось число
используемых устройств в СВЧ диапазоне как персоналом, так и населением.
Это в первую очередь устройства мобильной связи, а также компьютеры,
микроволновые печи, радары и др. Несмотря на невысокую мощность,
излучаемую мобильными телефонами (до 2-х Вт), эффект воздействия СВЧ
ЭМП на организм человека может быть весьма значительным. Это связано с
тем, что телефон находится
в непосредственной близости от головы
человека. Кроме того, время воздействия излучения может быть достаточно
10
длительным при частом пользовании телефоном. Следует отметить, что
излучаемая мощность возрастает при удалении от базовой станции (телефон
работает в режиме максимальной мощности). Несколько меньшим уровнем
излучения обладают телефоны, работающие в диапазоне 1800 МГц (GSM –
1800), по сравнению с более НЧ диапазонами. Сами базовые станции
представляют определенную опасность для населения при их расположении
на крышах жилых зданий. Другие бытовые СВЧ устройства (компьютеры,
микроволновые печи), как правило, не оказывают вредного воздействия
вследствие либо малых мощностей, либо малого времени воздействия и
большого
расстояния.
Высокую
выходную
мощность
имеют
радиолокационные станции (РЛС). Однако их расположение, кроме РЛС,
расположенных на судах и самолетах, позволяет избежать облучения
населения и персонала СВЧ ЭМП.
1.4. Воздействие ЭМИ на организм человека.
При облучении электромагнитным полем живого организма часть его
энергии проникает в поверхностные ткани, что приводит к колебанию
содержащихся в них ионов и дипольных молекул воды. Ионы тканей под
воздействием электромагнитного поля приходят в движение, т. е. в тканях
возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся тепловым эффектом.
На частотах свыше 100 кГц возрастает поляризация молекул, что приводит к
появлению токов смещения. Этот эффект усиливается с повышением частоты
и становится преобладающим на частотах 1–10 ГГц. Поглощаемая тканями
энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию.
Количество тепла, выделяемое в теле человека при частотах ниже 300 МГц,
связано с составляющими электрического и магнитного полей
соотношениями:
Q  2 1020 ñð f 2 E 2 , êàë / ì èí ,
E
Q  2 1016 ñð f 2 H 2 , êàë / ì èí ,
H
где ñð - среднее удельное сопротивление тканей человека.
Поглощенная энергия E на частотах свыше 300 МГц зависит от
эффективной поверхности тела S, плотности потока энергии, падающей на
эту поверхность W, расстояния r, пройденного волной от поверхности кожи
в глубь тела, коэффициента отражения от границы сред (воздух–кожа,
11
кожа–жир, кожа– мышцы)  и приближенно описывается соотношением:
2r
E  WS (1   )te x , Дж,
где x–глубина проникновения до ослабления в e раз, t – время
воздействия. Следует отметить, что поскольку эффективная поверхность тела
и коэффициент отражения сильно зависят от частоты, то поглощенная
энергия СВЧ поля также будет определяться частотным диапазоном.
Наибольшее поглощение наблюдается при длинах волн 10–30 см (до 100 %).
Однако, хотя и поглощение энергии при длинах волн 30–100 см несколько
меньше (30–40 %), вред может быть нанесен больший, так как воздействию
подвергаются в этом случае внутренние органы вследствие более глубокого
проникновения излучения в тело человека.
Наибольшему воздействию СВЧ полей подвержены органы человека,
обладающие наилучшей поглощающей способностью и наихудшим
теплоотводом, например, спинной и головной мозг, семенники, глаза. Однако
влияние на живой организм электромагнитных полей СВЧ обнаруживается и
при интенсивностях, ниже тепловых порогов (100 Вт/м 2). Длительное и
систематическое воздействие полей СВЧ на обслуживающий персонал даже
с малыми интенсивностями приводит к функциональным изменениям в
организме. Эти изменения связаны с электрическими микропроцессами,
протекающими в организме под воздействием полей. Так, например,
эритроциты и лейкоциты крови выстраиваются в цепочки, вытянутые
параллельно силовым линиям поля. Поляризуются и ориентируются по
силовым линиям поля боковые цепи макромолекул тканей и т. д. В
результате может происходить разрыв межмолекулярных связей, нарушаться
структура и функции тканей, их химический состав. Эти изменения
наибольшим образом связаны с тканями периферической и центральной
нервных систем. Нарушаются нервные связи в организме, даже изменяется
структура нервных клеток. Это приводит к нарушению ранее выработанных
условных
рефлексов,
изменению
характера
и
интенсивности
физиологических, биологических процессов в организме, нервной регуляции
сердечно-сосудистой системы и т.д. Вследствие этого замедляется пульс
(брадикардия),
понижается кровяное давление(гипотония), изменяется
состав крови. Кроме того, появляется головная боль, нарушается сон,
повышается раздражительность. При облучении глаз возможна катаракта
(помутнение хрусталика глаза). Степень воздействия электромагнитных
полей СВЧ зависит от интенсивности облучения, его длительности,
12
диапазона частот, формы сигнала, режима облучения (непрерывного,
импульсного), коэффициента направленного действия излучателя,
расстояния от источника и индивидуальной чувствительности организма
1.5. Нормирование ЭМИ.
Для предупреждения профессиональных заболеваний установлены
предельно допустимые значения ППЭ для персонала предприятий и для
населения (ГОСТ 12.1.006–84) и СанПиН 2.2.4/2.1.8.1383-03. Предельно
допустимую ППЭ W
в
СВЧ диапазоне
на
рабочих местах
äî ï
устанавливают, исходя из допустимого значения энергетической экспозиции
E
на организм и времени пребывания в зоне облучения. Однако во всех
äî ï
случаях она не должна превышать 10 Вт/м2 для персонала или 0,1 Вт/м2 для
населения.
При наличии рентгеновского излучения или высокой
температуры воздуха в рабочих помещениях (выше 28ОС) предельно
допустимая ППЭ не превышает 1 Вт/м2. Предельно допустимая ППЭ Wдоп
E
в зависимости от времени определяется по формуле W
 äî ï , где Eдоп–
äî ï
T
нормированное значение допустимой энергетической нагрузки
на
организм, равное 2 Вт час/м2 для всех случаев облучения, исключая
облучение от вращающихся и сканирующих антенн, и 20 Вт час/м2 для
облучения от вращающихся и сканирующих антенн, T – время пребывания в
зоне облучения, час. Однако, как было сказано выше, запрещена работа без
применения защитных средств при превышении ППЭ Wдоп =10 Вт/м 2 .
Вышеприведенное соотношение можно использовать для определения
допустимого времени работы при заданной ППЭ на рабочем месте:
T
 2 /W
.
äî ï
çàä
1.6. Защитные меры от воздействия ЭМИ.
При несоответствии значений ППЭ требованиям норм применяют
следующие основные меры защиты от воздействия СВЧ излучений:
1) уменьшение выходной мощности источника излучений или работу
на эквивалент антенны ;
2) экранирование источника излучения;
3) удаление рабочего места от источника излучения или удаление
источника от рабочего места;
4) ограничение времени пребывания в зоне облучения;
13
5) применение индивидуальных средств защиты.
В зависимости от типа источника излучения, его мощности, характера
технологического процесса может быть применен один из указанных
методов или любая их комбинация.
Эффективным средством защиты от СВЧ излучений является
применение экранирующих устройств отражающего или поглощающего
типа,
устанавливаемых на пути излучения.
Физическая сущность
электромагнитного экранирования с точки зрения теории электромагнитного
поля состоит в том, что под воздействием поля в материале экрана наводятся
токи, поля которых во внешнем пространстве по величине блики, а по
направлению противоположны экранируемому полю. В результате
происходит взаимная компенсация полей. Экранирующие устройства
выполняются в виде сплошных или сетчатых заземленных экранов,
изготовленных из меди,
латуни, алюминия и других материалов.
Эффективность сплошных экранов можно оценить по формуле

d
дБ,
L  36  20  8,7 ,


(1)
где   0,52  /  f - глубина проникновения, м; d – толщина
материала экрана, м;  - удельное сопротивление материала экрана Î ì ì ; 
- магнитная проницаемость материала экрана, Гн/м; f – частота
электромагнитного поля, МГц. Для алюминия   2,8 108Î ì ì ,   1Ãí / ì
для стали   1,0 107 Î ì ì ,   180 Ãí / ì .
Защитные свойства сеток изменяются в зависимости от размера ячеек.
Эффективность сетчатых экранов можно оценить по формуле:


 
1 
L  20lg 
,
 2a ln 0,8k 
k 1 

(2)
где   c / f - длина волны в воздухе, c - скорость света, a - расстояние
между центрами ячеек, k  e2 r / a ( r - диаметр проволоки).
Степень ослабления СВЧ поля в случае применения экранов
определяется соотношением: L= 10 lg (W/ WЭ) (дБ), где WЭ – ППЭ при
наличии экрана. Чем меньше размеры ячейки сетки по отношению к длине
волны излучения, тем выше эффективность экранирования. Так, например,
14
использование латунной сетки с количеством ячеек 9х9 на 1 кв.см
обеспечивает затухание 48 дБ в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн.
Для повышения степени экранирования применяют сетку в два слоя,
а также стекла, покрытые пленками металлов или их окислов. Подобные
экраны позволяют снизить вредные СВЧ излучения на несколько десятков
децибел. Поглощающие устройства используются для снижения уровня
сигнала источников СВЧ излучения, а также для уменьшения отраженного
сигнала, возникающего при применении экранирующих устройств. Их
действие основано на преобразовании части электромагнитной энергии в
тепловую. В качестве
материалов, применяемых при изготовлении
поглощающих устройств в СВЧ диапазоне, используются материалы на
основе графита, например, марки ХВ (магнито диэлектрические пластины),
ВКФ-1 (сосковая резина со специальным заполнителем) и др.
ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЗАЩИТА ОТ НЕГО
Общие сведения
Оптические квантовые генераторы–лазеры являются источниками
мощного монохроматического излучения видимого, инфракрасного и
ультрафиолетового диапазонов. Вследствие своих уникальных свойств они
нашли широкое применение в военной технике, металлургии,
микроэлектронике, медицине, системах связи, голографии, вычислительной
технике, в исследовании по термоядерному синтезу и многих других
областях. Лазеры непрерывно совершенствуются. Появляется новые области
их применений, возрастает количество лиц, занятых
обслуживанием
лазерных установок.
В основе создания лазеров лежит идея использования резонансных
свойств отдельных атомов (молекул), которые могут создавать
электромагнитное излучение строго определенной длины волны. В общем
случае в состав лазера входят (рис. 1): оптический резонатор, который
позволяет усиливать возникающие в рабочем теле электромагнитные
колебания; рабочее тело 1, лампа
15
Рис. 1
накачки 2, являющаяся источником возбуждения атомов рабочего тела, с
отражателем 3, система питания и зажигания разряда. Оптический резонатор
образован зеркалами r1 и r2. Обычно в них используются многослойные
интерференционные диэлектрические отражающие покрытия, в которых
показатель преломления меняется от слоя к слою. Рабочее тело выполняют
в форме стержня с хорошо обработанными торцевыми поверхностями,
имеющими плоскопараллельную или сферическую форму. Источником
накачки служат газоразрядные лампы, в частности, дуговые лампы
непрерывного действия с криптоновым наполнением, обладающие высокой
эффективностью преобразования электрической энергии в световое
излучение, спектральный состав которого соответствует линиям поглощения
применяемых активных сред. Выходная мощность связана с размерами
кристалла. Например, при активном кристалле диаметром 6 мм и длиной 100
мм в таких лазерах обеспечивается мощность непрерывной генерации до 300
Вт и более. Кроме твердого тела в качестве активных сред используются
газы, растворы металлоорганических соединений и полупроводники. В
данной лабораторной работе исследуется излучение полупроводникового
лазера.
Основные характеристики лазерного излучения
Лазерное излучение является электромагнитным излучением с длиной
волны 0,2...1000 мкм. Этот диапазон может быть разбит в соответствии с
биологическим действием на ряд областей спектра:
16
1-й диапазон от 180 до 380 нм – ультрафиолетовая область;
2-й диапазон от 380 до 1400 нм – видимая и ближняя инфракрасная
области;
3-диапазон от 1400 до 105 нм – дальняя инфракрасная область.
С энергетической точки зрения лазерное излучение характеризуется
следующими параметрами:
энергетической облученностью (освещенностью) E, определяемой как
отношение потока излучения, падающего на рассматриваемый малый
участок поверхности, к площади этой поверхности, Вт/см2;
энергетической экспозицией H, определяемой как отношение энергии
излучения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади
этой поверхности, Дж/см2. Энергетическую экспозицию можно определять
также как произведение энергетической освещенности Вт/см2 на
длительность облучения с.
Лазерное излучение на основании физических представлений,
приведенных
в
предыдущем
параграфе,
обладает
высокой
монохроматичностью и когерентностью, а также малой расходимостью луча.
Это позволяет получать исключительно высокие уровни концентрации
энергии в лазерном луче: плотность энергии до 1012 Дж/см2 и плотность
мощности до 1022 Вт /см2.
По виду излучения лазерное излучение делится:
а) на коллимированное (прямое) излучение – лазерное излучение,
заключенное в ограниченном телесном угле;
б) зеркально отраженное излучение – лазерное излучение, отраженное
от поверхности под углом, равным углу падения излучения;
в) рассеянное излучение – лазерное излучение, рассеянное от вещества,
находящегося в составе среды, сквозь которую проходит излучение;
г) диффузно отраженное излучение – лазерное излучение, отраженное
от поверхности по всевозможным направлениям в пределах полусферы.
Лазер может работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном.
Непрерывным лазерным излучением является излучение, существующее в
любой момент времени наблюдения, а импульсным – излучение,
существующее в ограниченном интервале времени, меньшим времени
наблюдения.
17
Лазерное излучение сопровождается мощным электромагнитным
полем. Например, при распространении лазерного луча c энергетической
облученностью 3109 Вт/см2 в воздухе образуется электрическое поле
напряженностью E = 108 В/м. Поэтому, в облучаемом лазерным лучом
веществе возможны проявления как чисто электрических, так и химических
эффектов, приводящих к ослаблению связей между молекулами, их
поляризации, вплоть до ионизации молекул облучаемого вещества. Таким
образом, лазерное излучение представляет безусловную опасность для
человека.
Воздействие лазерного излучения на человека
При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал
может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных
факторов. Все эти факторы подразделяются на основные и сопутствующие.
К основным относятся собственно монохроматическое когерентное лазерное
и паразитное излучения (отраженное и рассеянное). К сопутствующим –
факторы, которые возникают на лазерных участках при эксплуатации лазеров
и другого оборудования, такие как шум, вибрации, электромагнитные и
ионизирующие излучения, наличие высоких напряжений, а также наличие
вредных веществ. Под влиянием этих факторов может происходить
нарушение жизнедеятельности как отдельных органов, так и всего
организма в целом.
При воздействии излучения на сложные биологические структуры
различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.
На первой стадии
происходят элементарные взаимодействия
излучения с веществом. Характер взаимодействий зависит от анатомических,
оптикофизических и функциональных особенностей облучаемой ткани, а
также от энергетических и пространственных характеристик излучения,
наиболее важное значение из которых имеют длина волны и интенсивность
излучения. На этом этапе наблюдаются такие физические процессы, как
нагревание вещества, фазовые переходы в материале клетки, преобразование
энергии излучения в энергию механических колебаний, ионизация атомов и
молекул и пр. При воздействии непрерывного лазерного излучения
преобладает в основном тепловой механизм действия, следствием которого
является коагуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях –
испарение биоткани. В импульсном режиме с длительностью импульсов
меньше 10-2 с механизм воздействия лазерного излучения с веществом
18
становится более сложным и связан с преобразованием энергии излучения в
энергию механических колебаний среды. При мощности излучения в
импульсе более 107 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча
возможно возникновение ионизирующих излучений.
Появление ударной волны обусловлено возникновением градиентов
давления внутри облучаемой системы за счет объемного расширения,
вызванного кратковременным, локальным нагревом ткани, а также
импульсом отдачи при испарении биоткани с поверхности. Тепловое
расширение может возникать и во внутренней зоне облучаемой ткани. При
высокой интенсивности потока лазерного излучения возникает ударная волна
такой силы, что повреждаются внутренние органы. Например, облучение
поверхности грудной клетки, брюшной стенки или головы вызывает
повреждение печени, кишечника, а также внутримозговые кровоизлияния и
контузионные изменения.
На второй стадии из ионов и возбужденных молекул образуются
свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим
реакциям.
На третьей стадии свободные радикалы вступают в реакцию с
молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, при этом возникают те
молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую
картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в
целом.
Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органов
зрения. Практически на всех длинах волн внутрь глаза свободно проникает
лазерное излучение. Лучи света, прежде чем достигнуть сетчатки глаза,
проходят через
несколько преломляющих сред: роговую оболочку,
хрусталик и, наконец, стекловидное тело. При рассмотрении воздействия
лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать
действие излучения в интервале длин волн 0,4 – 1,4 мкм и вне этого
интервала, где оптические среды глаза являются непрозрачными, и
фокусирующее действие отсутствует. Облученность, создаваемая лазерным
излучением на сетчатке, в десятки и сотни тысяч раз может быть выше,
нежели облученность, создаваемая на роговице. Как показывает анализ, ее
величина будет определяться мощностью лазерного излучения, его
апертурой и углом расходимости, а также диаметром зрачка. Рассмотрим
воздействие лазерного излучения на различные среды глаза в зависимости от
частотного диапазона.
19
Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения приводит в
основном к поражению роговицы (кератит), поскольку минимальная
величина энергии, необходимая для возникновения нежелательных
химических реакций в хрусталике, в 2–3 раза выше. Наибольшее воздействие
на роговицу наблюдается на длинах волн около 0,288 мкм. Поверхностные
ожоги роговицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн устраняются в
процессе самозаживления.
Для лазерного излучения с длиной волны 0,4–1,4 мкм критическим
элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой
чувствительностью к электромагнитным волнам видимой области спектра и
характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных
волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.
Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки,
сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими
изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих
к ухудшению зрения и даже к полной его потере.
Длительное облучение сетчатки в видимом диапазоне на уровнях, не
намного меньших порога ожога, может вызывать в ней необратимые
изменения. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного
излучения может привести к помутнению хрусталика. Повреждение сетчатки
обязательно сопровождается нарушением функции зрения. Клетки сетчатки,
как и клетки центральной нервной системы, после повреждения не
восстанавливаются. Повреждение может представлять собой ослепление от
яркости световой вспышки. Оно носит обратимый характер и выражается в
возникновении “слепого пятна” в поле зрения. Результатом такого
ослепления является полный распад зрительного пигмента в фоторецепторах
сетчатки. Плотность излучения на роговице при этом составляет величину
порядка 150 Вт/см2. Восстановление зрительного пигмента в фоторецепторах
сетчатки иногда затягивается на несколько минут. Воздействие
сверхпороговых интенсивностей излучения вызывает необратимые
повреждения сетчатки. Возникающее изменение представляет собой
небольшое белое пятно из свернувшихся белков с областью кровоизлияния в
центре. Спустя несколько дней на месте повреждения возникает рубец из
соединительной ткани не способный к зрительному восприятию. При
импульсном лазерном излучении повреждение глазного дна связано с
термическим и механическим воздействием. Механическое действие
излучения проявляется в виде “взрыва” зерен меланина, причем сила
20
“взрыва” такова, что зерна пигмента выбрасываются в стекловидное тело.
Необходимо учитывать, что степень воздействия излучения уменьшается при
увеличении угла между зрительной осью и направлением луча.
Поглощение энергии излучения различными элементами глаза растет с
увеличением длины излучения в ближней инфракрасной области. Излучения
с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в
стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных
повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Небольшие
ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением. Тяжелые
ожоги приводят к деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения.
Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может
повредить роговицу, вплоть до полной потери ею прозрачности (образование
бельма). Главный механизм воздействия инфракрасного излучения тепловой. Степень повреждения роговицы зависит от поглощенной дозы
излучения, причем травмируется не сосудистая оболочка, а тонкий
эпителиальный слой. Если доза излучения велика, то может произойти
полное разрушение защитного эпителия с одновременным помутнением
радужной оболочки из-за коагуляции белка и хрусталика, развиться
катаракта. Таким образом, лазерное излучение оказывает повреждающее
действие на все структуры глаза.
Первой линией защиты организма от повреждения лазерным
излучением является кожа, которая представляет собой важный
физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут
привести к гибели организма. Степень повреждения кожи зависит от
поглощенной энергии, а сами повреждения могут быть различными: от
легкого покраснения (эритемы) до обугливания. Минимальное повреждение
кожи образуется при воздействии лазерного излучения с энергетической
экспозицией 0,1–1 Дж/см2 (в зависимости от степени пигментации кожи и
длительности воздействия). Наибольшее биологическое воздействие на кожу
оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28–0,32 мкм.
Эффект воздействия лазерного излучения на кожу определяется, с
одной стороны, его параметрами (длина волны, интенсивность излучения,
частота следования импульсов и т.д.), а с другой – степенью пигментации
кожи, состоянием кровообращения. Установлено, что при прочих равных
условиях темнопигментированная кожа значительно больше поглощает
лазерных лучей, чем светлая кожа. Однако, следует учесть, что отсутствие
21
достаточно выраженной пигментации создает условия для более глубокого
проникновения лучей в кожу и даже пол кожу, вследствие чего поражения
могут затрагивать внутренние слои кожи, а также сосуды и нервы.
Следовательно, пигмент кожи является своеобразным защитным экраном для
внутренних органов. Порог повреждения темнопигментированной кожи
значительно ниже, чем у светлой. Поэтому нужно быть осторожным
особенно при работе с лазерными установками инфракрасного диапазона.
Повреждения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, близки по
характеру к термическим ожогам и отличаются от них тем, что
поврежденный участок имеет четкую границу, за которой находится область
покраснения. Пузыри, возникающие
при облучении, находятся в
эпидермисе. С увеличением энергии излучения происходит увеличение
размеров поврежденных участков. Облучение кожи не сфокусированным
излучением с энергией около 100 Дж приводит к утрате чувствительности
облученного участка на несколько дней (без видимых повреждений). Под
влиянием облучения изменяется активность некоторых ферментов, возникает
нарушение в углеводном и липидном (жировом) обмене.
Длительное воздействие на кожу ультрафиолетового излучения
ускоряет ее старение, может служить предпосылкой для злокачественного
перерождения клеток. Допустимые уровни лазерного излучения,
воздействующего на кожу, существенно ниже уровней, воздействующих на
глаза.
Лазерное излучение дальней инфракрасной области спектра способно
проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими
структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы.
Наибольшую
опасность
для
внутренних
органов
представляет
сфокусированное лазерное излучение. Однако, следует учитывать, что и не
сфокусированное излучение может фокусироваться в глубине тела человека.
Кроме того, следует учитывать возникновение ударной волны. Степень
повреждения в значительной степени определяется интенсивностью потока
излучения и цветом окраски органа. Печень является одним из наиболее
уязвимых органов. Важной особенностью воздействия лазерного излучения
на внутренние органы является чередование поврежденных и
неповрежденных слоев ткани, что возможно связано с образованием стоячих
волн. В этом случае поврежденные участки биоткани совпадают с
пучностями, где плотность потока энергии многократно возрастает по
сравнению с плотностью потока падающего излучения.
22
Неблагоприятное
воздействие оказывает излучение в целом на
организм работающих на лазерных установках.
Наблюдающиеся
патологические изменения проявляются в виде функциональных расстройств
центральной нервной системы, нарушения сердечно-сосудистой регуляции,
что проявляется в неустойчивости артериального давления, замедлению
пульса, повышенной потливости. У операторов лазерных установок иногда
наблюдают повышенную раздражительность, утомляемость глаз и всего
организма. Имеются данные об изменении состава крови (уменьшении
эритроцитов, лейкоцитов, гемоглобина и т.д.). Все это свидетельствует о том,
что у них возникают изменения как патологического характера,
обусловленные тепловым действием излучения, так и функционального,
обусловленные скрытыми биологическими эффектами.
Классификация лазеров по степени опасности.
Определение класса лазера основано на сравнении его выходной
энергии (мощности) и допустимых пределов излучения при однократном
воздействии генерируемого излучения. Под однократным воздействием
лазерного излучения понимается случайное воздействие с длительностью, не
превышающей 3104 с.
По степени опасности лазеры
согласно ГОСТ Р 50723-94 и
«Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатации лазеров» №
5804-91 подразделяются на четыре класса:
1-й класс - выходное коллимированное излучение не представляет
опасности для глаз и кожи, т.е. лазерные изделия безопасны при
предполагаемых условиях эксплуатации;
2-й класс - выходное излучение (в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм)
представляет опасность при облучении глаз коллимированным пучком.
Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс
мигания;
3 -й класс - выходное излучение представляет опасность при облучении глаз
коллимированным, а также диффузионно отраженным излучением на
расстоянии 10 см от отражающей повержности, и (или) при облучении кожи
коллимированным излучением. Класс 3 согласно ГОСТ делится на два класса:
3А и 3В.Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными
изделиями класса 3А с помощью оптических инструментов, может быть
опасным. Непосредственное наблюдение же лазерного излучения изделий
класса 3В всегда опасно;
23
4-й класс - выходное излучение представляет опасность при облучении
кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности. Такие лазерные изделия создают опасное рассеянное излучение.
При рассмотрении вопроса о воздействии лазерного излучения
устанавливаются, согласно “Правилам” три диапазона длин волн:
1 от 180 до 380 нм (ультрафиолетовый диапазон);
П от 380 до 1400 нм (видимый и ближний инфракрасный диапазон);
Ш от 1400 до 105 нм (дальний инфракрасный диапазон).
Классификация лазеров проводится по выходным характеристикам
излучения расчетным методом согласно ГОСТ Р 50723 – 94 в соответствии с
табл. 1 (приведены расчетные соотношения для непрерывного лазерного
излучения видимого диапазона). При этом, лазерное изделие относится к
конкретному классу опасности, если лазерное излучение, проходящее через
апертуру, превышает допустимый предел излучения (ДПИ) для всех более
низких классов, но не превышает ДПИ для класса, к которому изделие
отнесено.
Таблица 1.
Допустимые пределы излучения для лазерных изделий при
длительности воздействия t=0,25 – 10 с на длинах волн 400 – 700 нм.
Класс опасности лазера
ДПИ
1
7 104 t 0,75C , Дж
3А
C 103, Вт
5 103C , Вт
3В
0,5 Вт
2
Примечание.

min
C 1
для
 1,5 мрад для t  0,7c и 
 .
; C   /
для 
min
min
min
 2t 0,75 мрад для 0,7  t  10c .
 
min
Угловой размер источника излучения определяется по формуле
2 S cos
,
R

где S – площадь источника излучения,
R – расстояние от точки наблюдения до источника,
 - угол между нормалью к поверхности источника и направлением
визирования.
Под апертурой r понимается отверстие в защитном кожухе лазера,
через которое испускается лазерное излучение. Практически апертура

24
составляет величину в единицы миллиметров. В «Правилах» предельно
допустимые уровни излучения приводятся для апертур r  1,1 103 м и для
r  7 103 м. Площадь источника S рассчитывается согласно  r 2 .
Таблица 2
Соотношения для предельно допустимого уровня энергии излучения
Длина волны , нм
380–600
600–750
750–1000
1000–1400
Длительность
Облучения t, с
t  2,3 10-11
2,3 10-11– 5,0 10-5
5,0 10-5– 1,0
t  6,5 10-11
6,5 10-11 –5,0 10-5
5,0 10-5 –1,0
t  2,5 10-10
2,3 10-10 –5,0 10-5
5,0 10-5 – 1,0
t  10-9
10-9 – 5,0 10-5
5,0 10-5 –1,0
WПДУ , Дж
3
t2
10-3
5,9 10-5
3
3
t2
t2
1,6 10-7
1,2 10-4
3
3
t2
t2
4,0 10-7
3,0 10-4
3
3
t2
t2
10-6
7,4 10-4
3
t2
П р и м е ч а н и е. Длительность воздействия меньше 1 с. Ограничивающая
апертура 7 10-3м.
Степень опасности лазерного излучения для персонала связана с
уровнем излучения на рабочем месте. При превышении предельно
допустимых уровней лазерного излучения следует применять комплекс
защитных мероприятий для данного класса опасности лазера. Под предельно
допустимым уровнем (ПДУ) лазерного излучения при однократном
воздействии понимается уровень излучения, при воздействии которого
существует незначительная вероятность возникновения обратимых
отклонений в организме работающего. ПДУ лазерного излучения при
хроническом воздействии (систематически повторяющееся воздействие,
которому подвергаются люди профессионально связанные с лазерным
излучением) – уровень излучения, воздействие которого при работе
установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не
приводит к травме, заболеванию или отклонению в состоянии здоровья
25
работающего в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и
последующих поколений;
Для определения
предельно допустимых уровней энергии WПДУ,
мощности PПДУ или экспозиции HПДУ, а также облученности EПДУ при
воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения (прямого и
зеркально отраженного пучка) в диапазоне от 380 до 1400 нм при
однократном облучении глаз необходимо воспользоваться данными и
соотношениями, приведенными в табл. 2 для WПДУ и табл. 3 для PПДУ.
Таблица 3
Соотношения для предельно допустимого уровня мощности излучения
Длина волны , нм
380– 500
500–600
600–700
700–750
750–1000
1000–1400
Длительность
Облучения t, с
PПДУ , Вт
1,0 –5,0 102
5,0 102 – 104
t  104
1,0 – 2,2 103
2,2 103 –104
t  104
1,0 – 2,2 103
2,2 103 – 104
t  104
1,0 --104
t  104
1,0 –104
t  104
1,0 – 104
t > 104
6,9 10-5 / 3 t
3,7 10-3 / t
3,7 10-7
5,9 10-5 / 3 t
10-2 / t
10-6
1,2 10-4 / 3 t
2,0 10-2 / t
2,0 10-6
1,2 10-4 / 3 t
5,5 10-6
3,0 10-4 / 3 t
1,4 10-5
7,4 10-4 / 3 t
3,5 10-5
П р и м е ч а н и е. Длительность воздействия больше 1 с. Ограничивающая
апертура 7 10-3м.
Для определения предельно допустимых значений WПДУ и PПДУ
коллимированного или рассеянного лазерного излучения при хроническом
воздействии на глаза необходимо уменьшить в 10 раз соответствующие
предельные значения для однократного воздействия.
26
Если источником неколлимированного (рассеянного или диффузно
отраженного) излучения является протяженный объект, то предельно
допустимые значения энергии WПДУ и мощности PПДУ зависят от видимого
углового размера этого источника.
Защитные мероприятия при эксплуатации лазерных установок.
Все защитные мероприятия при эксплуатации лазерных установок
согласно нормативным документам можно разделить на конструктивные и
эксплуатационные. Естественно, что степень защитных мероприятий должна
соответствовать классу опасности лазера. Так, например, при работе с
лазером 1 класса опасности никаких мер защиты не требуется.
Требования к конструкции лазерных изделий.
Лазерное изделие должно иметь защитные устройства, предотвращающие
несанкционированное воздействие на персонал лазерного излучения,
превышающее ДПИ для класса 1, а также блокировки с целью обеспечения
безопасности при техническом обслуживании. Защитные блокировки
должны предусматривать отключение высокого электрического напряжения,
подводимого к лазерному изделию или его составным частям. Любая часть
защитного устройства, при снятии которой возможно облучение персонала с
уровнем выше ДПИ для класса 1, должна иметь табличку с надписью
“Внимание! При открывании – лазерное излучение”. Кроме того, в
зависимости от класса опасности лазера применяются дополнительные
таблички с предупреждающими надписями.
Лазеры 3-х и 4-го класса опасности должны быть снабжены визуальными
и (или) звуковыми устройствами предупреждения о лазерной опасности.
Визуальный предупредительный сигнал должен отличаться интенсивностью
или прерывистостью и быть хорошо виден через защитные очки. Звуковой
предупредительный сигнал должен представлять собой последовательность
звуковых импульсов не менее 0,2 с.
Лазеры 3-х и 4-го классов должны быть снабжены съемным ключом
управления. Пульт (панель) управления лазерными изделиями должен
размещаться так, чтобы не происходило облучения персонала. Лазерные
изделия классов 3В и 4, как правило, должны иметь дистанционное
управление.
27
Требования к эксплуатации лазерных изделий.
Лазерные изделия 3-4-го классов до начала их должны быть приняты
комиссией, назначенной администрацией учреждения, с обязательным
включением в ее состав представителей Госсаннадзора.
Безопасность на рабочих местах при эксплуатации лазерных изделий
должна обеспечиваться соответствующей организацией рабочего места.
Основное условие безопасной работы - исключение возможности
воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величина не
превышала ДПИ для класса 1. Поэтому между лазерными изделиями 3 - 4 –го
классов рекомендуемые расстояния со стороны пультов управления
составляют не менее 1,5 м при однорядном расположении и не менее 2 м при
двухрядном. Траектория прохождения лазерного луча должна быть
заключена в оболочку из несгораемого материала или иметь ограждение,
снижающее уровень лазерного излучения при визуальном наблюдении
лазерного пучка до ДПИ для класса 1 и исключающие бесконтрольное
попадание лазерного пучка на зеркально отражающие поверхности.
Оболочка или ограждение траектории лазерного пучка должны иметь
предупреждающую надпись (знак лазерной опасности). Защитные экраны
должны быть изготовлены из огнестойкого и непроницаемого для лазерного
излучения материала.
Открытые траектории излучения лазеров 2 – 4 классов опасности в зоне
возможного нахождения человека должны располагаться значительно выше
уровня глаз. Минимальная высота траектории составляет величину 2,2 м.
Пучок излучения лазеров 2 – 4 классов опасности должен ограничиваться на
конце полезной траектории диффузным поглотителем или отражателем.
Лазерные изделия классов 3В и 4 должны эксплуатироваться, как правило,
в специально выделенных помещениях либо могут располагаться в открытом
пространстве на фундаментах или платформах транспортных средств.
Помещения должны соответствовать требованиям пожарной безопасности.
Их отделку следует выполнять из несгораемых материалов с матовой
поверхностью (коэффициент отражения не более 0,4). Двери помещений
должны иметь знак лазерной опасности, а при эксплуатации лазеров классов
3В и 4 должны быть оборудованы специальным замком и иметь надпись
“Посторонним вход запрещен”. При использовании лазерных изделий в
технологических целях (как средства производства) к помещениям
предъявляются дополнительные требования. В этом случае высота
помещений должны быть не менее 4,2 м. Коммуникации (вода,
28
электроэнергия и т.д.) следует прокладывать под полом в специальных
каналах с защитными коробами. Помещения, в которых при эксплуатации
лазерных изделий происходит выделение вредных веществ и аэрозолей,
должно быть оборудовано приточно-вытяжной, а в необходимых случаях и
местной вытяжной вентиляцией. Естественное и искусственное освещение
должно соответствовать действующим нормативным документам.
Аналогично и параметры микроклимата и содержание вредных веществ в
воздухе рабочей зоны должны удовлетворять установленным нормам.
К эксплуатации лазерных изделий допускаются лица, не моложе 18 лет,
прошедшие курс специального обучения (работе с конкретным лазерным
изделием) и аттестованные на группу по охране труда при работе на
электроустановках с соответствующим напряжением. Персонал должен
обеспечиваться средствами индивидуальной защиты – специальными
защитными очками или щитками со светофильтрами. Оптическая плотность
светофильтров, применяемых в защитных очках, щитках, должна
удовлетворять требованиям для диапазона 380 – 1400 нм:
P
D  lg MAX ,

PÏ ÄÓ
где Pmax – максимальное значение мощности лазерного излучения в рабочей
зоне.
Запрещается осуществлять наблюдение прямого и зеркально отраженного
лазерного излучения при эксплуатации лазеров 2 – 4 классов опасности без
средств индивидуальной защиты и размещать в зоне лазерного пучка
предметы, вызывающие его зеркальное отражение.
Оценка степени опасности лазерного излучения осуществляется путем его
дозиметрического контроля в соответствии с требованиями [3,4]. Измерение
параметров лазерного излучения (средней мощности непрерывного
излучения, суммарное значение энергетической экспозиции за рабочий день,
энергии одиночного импульса или импульса из серии импульсов излучения и
т.д.) следует проводить при приемке в эксплуатацию новых лазерных
изделий классов 3 и 4, при организации рабочих мест при сертификации
лазерных изделий, при изменении средств коллективной защиты.
ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Общие сведения
Излучения, взаимодействия которых со средой приводят к образованию
ионов разных знаков, называются ионизирующими. Видимый свет и
29
ультрафиолетовое излучение общепринято не включать в понятие
ионизирующее излучение. При этом различают корпускулярное и фотонное
излучения. Корпускулярное излучение
представляет
собой
поток
элементарных частиц:  - и  - частицы, нейтроны, электроны, мезоны и др.
Элементарные частицы возникают при радиоактивном распаде, ядерных
превращениях или генерируются на ускорителях. Заряженные частицы
(протоны, электроны,  - и  - частицы) в зависимости от величины
кинетической энергии могут вызывать непосредственное ионизирующее
излучение при столкновении с веществом. Нейтроны и другие нейтральные
элементарные частицы при взаимодействии с веществом непосредственно
ионизации не производят, но в процессе взаимодействия со средой они
высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны и т.д.), способные
ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. Такие
излучения принято называть косвенными ионизирующими излучениями.
К
фотонному
излучению
относят:
гамма-излучение,
характеристическое, тормозное,
рентгеновское
излучения. Указанные
излучения представляют собой поток электромагнитных колебаний, которые
возникают при изменении энергетического состояния атомных ядер (гамма излучение), перестройке внутренних электронных оболочек атомов
(характеристическое), взаимодействии заряженных частиц с электрическим
полем (тормозное) и других явлениях. Фотонное излучение также является
косвенно ионизирующим.
Источником
излучения
называют
объект,
содержащий
радиоактивный материал или техническое устройство, испускающее или
способное
в определенных условиях испускать излучение. К числу таких
объектов
относятся: радионуклиды, ядерные устройства
(ускорители,
атомные реакторы), рентгеновские трубки.
Технологии, методики и приборы, использующие излучения,
получили широкое распространение в промышленности, в медицине и науке.
Это, в первую очередь атомные электростанции, надводные и подводные
корабли
с
атомными
установками, рентгеновские
установки для
медицинского, научного и промышленного назначения и др.
Биологическое воздействие излучений.
Излучение является вредным фактором для живой природы и особенно
человека. Биологически вредное воздействие излучения на живой организм
определяется
в
первую
очередь дозой поглощенной энергии и
30
производимым при этом эффектом ионизации, т. е. плотностью ионизации.
Большая часть поглощенной энергии расходуется на ионизацию живой
ткани, что нашло свое отражение и в определении излучений как
ионизирующих.
Ионизирующие излучения оказывают на биологическую ткань прямое и непрямое
воздействие. Прямое - разрыв внутриатомных и внутримолекулярных связей, возбуждение
и отрыв свободных радикалов. Наиболее важное значение имеет радиолиз воды, в
результате этого образуются высокореактивные радикалы, которые и вызывают
вторичные реакции окисления по любым связям, вплоть дo изменения химического
строения ДНК (дезоксирибонулиновая кислота) с последующими генными и
хромосомными мутациями. В этих явлениях и заключается опосредованное (непрямое)
действие излучения.
Патологические процессы в живом организме, вызываемые
излучением, в зависимости от степени и характера облучения, могут
проявляться в острой или хронической форме лучевой болезни. Острая
форма лучевой болезни возникает у человека при однократном облучении
свыше 100 P (ренген), а при 400 P наблюдается 50% смертельных случаев.
В отношении поражения от ионизирующего излучения природа поставила
человека в самые тяжелые условия по сравнению с другими живыми
существами. Так, средние смeртельные дозы (50%) составляют: обезьяна-550
, кролик - 800, черви - 20000 , а амеба - 100000, вирусы - более 1000000 P.
Единицы доз.
Общей единицей (мерой) воздействия ионизирующего излучения
на человека является доза. Различают следующие виды доз: поглощенная,
эквивалентная, эффективная, экспозиционная и другие.
Доза поглощенная (D) – величина энергии ионизирующего
излучения, переданная веществу:
D = dE / dm
где dE – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением
веществу, находящемуся в элементарном объеме,
dm – масса вещества в этом объеме.
Доза эквивалентная (НT, R) – поглощенная доза в органе или ткани,
умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного
вида излучения. WR :
НT, R = WR ∙ DT, R
где WR - взвешивающий коэффициент для излучения R,
DT, R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т.
31
При воздействии различных видов излучения с различными
взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как
сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.
Взвешивающие коэффициенты учитывают относительную опасность
различных видов излучения в индуцировании
неблагоприятных
биологических эффектов. Для видов излучения значения взвешивающих
коэффициентов составляют:
фотоны любых энергий, электроны …………………………1
нейтроны с энергией менее 10 кэВ………………………….5
от 10 кэВ до 100 кэВ……………….10
альфа-частицы……………………………………………….20
Доза эффективная (Е) – величина, используемая как мера риска
возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и
отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она
представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы в органах и
тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:
Е = ∑ WT ∙ HT
где WT - взвешивающий коэффициент для органа или ткани, который
характеризует относительный риск на единицу дозы по выходу отдаленных
последствий при облучении данного органа по отношению к облучению
всего тела. При облучении организма в целом WT =1, а при облучении
отдельных органов WT составляет: гонады - 0,2; желудок – 0,12; печень –
0,05; кожа – 0,01 и т.д.
HT - эквивалентная доза в органе или ткани Т.
На практике в качестве характеристики ионизирующего излучения
широко используется единица рентген (Р), которая является внесистемной
единицей экспозиционной дозы.
Экспозиционная доза (X) - это количественная характеристика
фотонного излучения, основанная на его ионизирующем действии в сухом
атмосферном воздухе и представляющая собой отношение суммарного
заряда (dQ) ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном
торможении всех вторичных электронов и позитронов, которые были
образованы фотонами в малом объеме воздуха, к массе воздуха (dm) в этом
объеме (справедливо для фотонного излучения с энергией до 3 МэВ):
32
X=dQ/dm
Экспозиционную дозу в рентгенах и эквивалентную дозу в зивертах
для биологических тканей можно считать совпадающими с погрешностью
до 5%, которая вызвана тем, что экспозиционная доза не учитывает
ионизацию, обусловленную тормозным излучением электронов и позитронов.
Единицы измерения доз в системе СИ и внесистемные единицы
измерения приведены в таблице 1.
Таблица
1
Доза
Единицы СИ
Внесистемные единицы
Поглощенная
Дж/кг, Грей (Гр)
1 рад=0,01 Гр
Эквивалентная Грей ∙ WR, Зиверт (Зв)
1 бэр=0,01 Зв
Эффективная Зиверт ∙ WT, Зиверт (Зв)
Экспозиционная
Кулон/кг, (Кл/кг) Рентген, 1Р=2,58 ∙ 10-4 Кл/кг
1 Р =0,013 Зв (в биол.тканях)
Для характеристики изменения дозы во времени вводится понятие
мощности дозы. Мощность экспозиционной, поглощенной и эквивалентной
доз соответственно определяются:
Pэ=dХ/dt;
Pп=dD/dt; Pэкв=dН/dt
Характеристикой активности радионуклида (самопроизвольного
распада) является отношение числа спонтанных ядерных превращений,
происходящих в источнике за единицу времени. Единицей
радиоактивности является беккерель (Бк). Беккерель равен активности
радионуклида в источнике, в котором за время 1с происходит одно
спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица активности кюри (Ки). 1 Ки = 3,700 ∙ 1010 Бк.
Нормы радиационной безопасности.
Основным
документом, регламентирующим допустимые уровни
воздействия излучений на организм чeловека, в нашей стране являются
«Нормы радиационной безопасности» (НРБ - 99). С целью снижения
необоснованного
облучения
нормирование
осуществляется
дифференцированно
для различных категорий облучаемых лиц, в
зависимости от условий контакта с источниками излучений и места
проживания. Нормы устанавливают следующие категории облучаемых лиц:
- персонал (группы А и Б);
33
- все население, включая лиц из персонала вне сферы и условий их
производственной деятельности.
Нормы облучения также дифференцированы в отношении различной
радиочувствительности органов и частей тела человека.
Для каждой категории облучаемых лиц устанавливаются три класса
нормативов: основные дозовые пределы , допустимые уровни и контрольные
уровни. Основные дозовые пределы приведены в таблице 2.
Предельно допустимая доза (ПДД) - наибольшее значение
индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при рaвномерном
воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала
неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.
Предел дозы (ПД) - прeдельная эквивалентная доза за год для
ограниченной части населения. ПД устанавливают меньшим, чем ПДД в 10
раз для предотвращения необоснованного облучения этого контингента
людей. Значения ПДД и ПД в зависимости от группы критических оpганов
приведены ниже в таблице 2.
Закономерности биологического эффекта излучения на живую
ткань опредeляют основные принципы зaщиты - снижение плотности потокa
излучения и времени его действия. Время контакта с излучением в режиме
нормальной
эксплуатации
установки
является
регулируемым
и
контролируемым параметром. Плотность облучающего потoка зависит oт
мощности источника, его физических характеристик и инженерной защиты
источника.
Таблица 2.
Основные пределы доз
Пределы доз
Нормируемые величины Персонал
(группа А)*
Эффективная доза
20 мЗв в год в среднем
за
любые
последовательные
5
лет, но не более50 м Зв
в год
34
лица из населения
1 мЗв в год в среднем
за
любые
последовательные 5
лет, но не более5 мЗв в
год
Эквивалентная доза за год:
- в хрусталике глаза, 150 мЗв
- коже,
500 мЗв
- кистях и стопах
500 мЗв
15 мЗв
50 мЗв
50 мЗв
* Примечание: дозы облучения для персонала группы Б не должны
превышать ¼ значений для персонала группы А.
Под инженерной защитой понимают любую среду (материал),
расположенную
между источникoм и зонoй размещения людей или
оборудования для ослабления потоков ионизирующих излучений. Защиту
принято
классифицировать по назначению, типу, компоновке, формe и
геометрии. По
назначению защиту подраздeляют на биологическую,
радиационную и тепловую.
Биологическая защита должна обеспечивaть уменьшение дозы
облучения персонала до предельно допустимых уровней. При радиационной
защите должна быть обеспечeна степeнь радиационных повреждений
различных объектов, подвергающихся облучeнию, до допустимых уровней.
Тепловая защита обеспечивaет снижeние радиационного энерговыделения в
защитных композициях до допустимых уровней.
Защитные свойства материалов.
Основными
свойствами
излучений, определяющими условия
безопасности обращения с ними, являются ионизирующая и проникающая
способность. Ионизирующая способность излучения отражена в знaчении
взвешивающего коэффициента (WR), а проникающая - характеризуется
величиной линейного коэффициента поглощения.
Закон ослабления излучения в веществе, в зависимoсти от его
толщины (х), можно записать в следующем виде:
(х)=(0) ∙ ехр(- ∙ х), (6)
где (0),(х) - плотности потока излучeния соответственно на
(0) и на выходе (х) из вещества толщиной х;
входе
 - линейный коэффициент ослабления излучения в веществе.
Формула (6) может быть записана в следущем виде:
n – nф = (no – nф) ехр(-µ∙ х), (7)
где n - скорость счета импульсов тока при наличии защитного материала
35
толщиной х, имп/с ,
nф - скорость счета импульсов тока за пределами зоны влияния
источника излучения, т.е. фона, имп/с,
nо - скорость счета импульсов тока без защитнoго материала , имп/с.
Из формулы (7) выводим
коэффициента ослабления:
выражение
 = 1/х ∙ ln [(no – nф) /(n – nф) ] ,
для
расчета
линейного
(8)
Значение
линейного коэффициента ослабления может быть также
определено из графической зависимости:
ln (no– nф) = f (х),
представленной по результатам измерений ослабления излучения за
различными толщинами для одного материала. В этом случае эта
зависимость будет иметь вид прямой с наклоном определяемым значением
линейного коэффициента ослабления, т.е.  = tq а
Поглощение излучения в веществе зависит от природы излучения, а
также от состава и плотности самого вeщества. Ниже в таблице 3
представлена зависимость коэффициента ослабления для изучения фотонной
природы:
Поглощение корпускулярных ионизирующих излучений происходит
значительно интенсивнее фотонных. Это можно объяснить либо наличием у
частиц, ионизирующих вещество, электрического заряда, либо
при его
отсутствии наличием значительной массы иoнизирующих частиц (нейтронов).
Поглощение корпускулярных излучений удобно харaктеризовать величиной
пробега частиц в веществе.
Таблица 3
Энергия гамма-излучения, МэВ Коэффициент ослабления, см-1
Воздух оргстекло железо Свинец
0,1
0,198
0,172
2,81
59,9
0,5
0,111
0,006
0,82
1,67
1,0
0,081
0,07
0,45
0,75
2,0
0,057
0,05
0,33
0,51
5,0
0,036
0,03
0,24
0,48
10,0
0,026
0,022
0,23
0,62
36
В таблице 4 представлены харaктерные значения пробегов
воздухе для  -,  - и протонного излучений.
Таблица 4
Вид ионизирующего
излучения


протонное
Диапазон
энергии, МэВ
4,0 -10,0
Диапазон
пробегов
2,5-10,6
0,01-8,00
0,002-34,4
1,0-15,0
0,002-0,003
частиц в
, см
Геометрическое ослабление излучений.
Для точечных источников поток излучения, кроме указанной выше
закономерности ослабления при прохождении в веществе, будет ослабляться
за счет геометрической расходимости, подчиняющейся закону обратных
квадратов
(R) =S ∙ ехр(-∙ х) / 4пR2 ,
где S - мощность источника,
R - расстояние от источника.
Геометрически источники могут быть точечными и протяженными.
Протяженные источники представляют сoбой супeрпозицию точечных
источников и могут быть линейными, поверхностными или объемными.
Физичeски точечным можно считать такой источник, максимальные
размeры которого много меньше расстояния до точки детектировaния и
длины свободного пробега в материале источника.
Для
точечного изотропного источника опрeделяющую роль в
ослаблении
плотности излучения в воздухе играет геометрическое
расхождeние. Ослабление за счет поглощения в воздухе, например, для
источника с энергией, равной 1 МэВ на расстоянии 3м, составляет 0,2%.
Регистрация излучений. Оборудование и порядок исследований.
Применяемые в области радиационного контроля приборы по своему
назнaчению подразделяются на дозиметры, рaдиометры и спектрометры.
Дозиметры служат для измерения поглощенной дозы ионизирующего
излучения или ее мощности. Радиометры служат для измерения
37
плотнoсти потока излучений и активности радиoнуклидов. Спектрoметры
служат для измерения распределения излучений по энергии частиц или
фотонов.
Основа регистрации любого вида излучений - его взаимодействие
с веществом детектора. Под дeтектором понимается устройство, на
вход которого поступают ионизирующее излучение и на
выходе
пoявляются сигналы. Тип детектора опредeляется природой сигнала - при
световом сигнaле детектор называется сцинтилляционным, при импульсах
тока - ионизационным, при появлении пузырьков пара - пузырьковая
камера, а при наличии капелек жидкости - кaмерa Вильсона. Вещество, в
котором происходит преобразование энергии иoнизирующего излучения в
сигнал, можeт быть газом, жидкостью или твердым телом, что и дает
соответствующее название детекторам: газовые, жидкостные и твердотелые.
0
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по курсу
“ПРОМЫШЛЕННАЯ САНИТАРИЯ”
раздел
38
“Освещенность, микроклимат, воздушная
среда на рабочем месте, защита от
вибраций и шумов”.
2011 г.
1. Освещенность на рабочем месте.
Общие сведения
Важнейшим источником информации, поступающей в мозг человека из
внешней среды, является зрение. Качество информации, получаемое
посредством зрения, во многом зависит от освещения. Освещение,
удовлетворяющее гигиеническим и экологическим требованиям, называется
рациональным. Рациональное освещение производственных помещений
оказывает
положительное
психофизиологическое
воздействие
на
работающих. Способствует повышению производительности труда,
обеспечению его безопасности, сохранению высокой работоспособности
человека в процессе труда.
Свет оказывает положительное влияние на эмоциональное состояние
человека, воздействует на обмен веществ, сердечно-сосудистую систему,
нервно-психическую сферу. Он является важным стимулятором не только
зрительного анализатора, но и организма в целом.
39
При недостаточной освещенности и плохом качестве освещения
состояние зрительных функций находится на низком исходном уровне,
повышается утомление зрения в процессе выполнения работы, возрастает
опасность травм. С другой стороны, существует опасность отрицательного
влияния на органы зрения слишком большой яркости (блескости) источников
света. Следствием этого может явиться временное нарушение зрительных
функций глаза (явление слепимости). Кроме того, следует учитывать, что
основная обработка изображения происходит в мозгу. Поэтому при
нерациональной освещенности зрительный аппарат, центральная нервная
система и мозг функционируют в перенапряженном режиме, что сказывается
на самочувствии человека.
Основные светотехнические понятия и определения
Свет (видимое излучение) – представляет собой излучение, которое,
воздействуя на рецепторы сетчатки (палочки и колбочки),
вызывает
зрительное ощущение.
По своей природе это электромагнитные волны длиной от 380 до 760
нм (1 нм =10-9 м). Наибольшая чувствительность зрения – к излучению
длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет), которая уменьшается к границам
видимого спектра.
Свет
характеризуется
количественными
и
качественными
показателями. К количественным показателям относятся: световой поток,
сила света, освещенность, яркость и некоторые другие.
Световой поток Ф – поток лучистой энергии через произвольную
площадь в единицу времени. Единица светового потока - люмен (лм) - это
световой поток, излучаемый точечным источником с телесным углом в 1
стерадиан при силе света равной 1 канделе.
Сила света I – пространственная плотность светового потока в
заданном направлении. Она равна отношению светового потока к величине
телесного угла (стерадиана), в котором он излучается. Единицей силы света
является кандела (кд)
I=Ф/ώ
(1)
Телесный угол ώ – часть пространства, ограниченная конусом с
вершиной в центре сферы, опирающимся на поверхность S. Телесный угол
определяется отношением площади S, которую конус вырезает на
поверхности сферы, к квадрату радиуса R этой сферы.
Ώ = S / R2
(2)
Освещенность Е – поверхностная плотность светового потока.
Е=Ф/S
(3)
Единица освещенности – люкс (лк) – освещенность поверхности
площадью 1 кв. м при световом потоке падающего на него излучения равном
1 люмену.
Яркость L – поверхностная плотность силы света в данном
направлении, определяется силой света, излучаемой с единицы площади
40
поверхности в заданном направлении, или другими словами – отношение
силы света в данном направлении к площади проекции излучающей
поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.
L = I / Sпр (кд/м2)
(4)
Для оценки условий зрительной работы учитывают качественные
характеристики: фон, контраст объекта с фоном, видимость объекта. К
качественным показателям освещения относятся также: коэффициент
пульсации, показатели ослепленности, спектральный состав света и
некоторые другие.
Фон – это поверхность, прилегающая непосредственно к объекту
различения, на которой он рассматривается.
Коэффициент отражения поверхности - отношение величины
отраженного светового потока к падающему.
ρ = Фотр / Фпад
(5)
Фон считается светлым, если коэффициент отражения   0,4 , средним
при 0,2    0,4 и темным при   0,2 .
Контраст объекта с фоном определяется соотношением
L L
îá ô
,
k
L
ô
где L
- яркость объекта, L - яркость фона. Контраст считается
îá
ô
большим при k  0,5 , средним при 0.2  k  0.5 и малым при k  0,2 .
Коэффициент пульсаций освещенности определяется соотношением
E
E
E ì àêñ, E ì èí , E
Kï  ì àêñ ì èí 100% , где
- максимальная,
ñðåä
2E
ñðåä
минимальная и средняя освещенности за период колебания напряжения
питания.
Основной характеристикой искусственных источников света является
световая отдача. Световая отдача – отношение светового потока источника
света к потребляемой мощности.
ή = Ф / Р (лм/Вт)
(6)
Виды и системы освещения
Производственное освещение бывает естественным, искусственным и
совмещенным.
Естественное освещение обусловлено прямыми солнечными лучами и
рассеянным светом небосвода и меняется в зависимости от географической
широты, времени суток, времени года, степени облачности, прозрачности
атмосферы. Основной характеристикой естественной освещенности является
коэффициент
естественной
освещенности
(КЕО),
определяемый
соотношением:
41
Eâí óò
100% ,
Eâí åø
где Eâí óò - освещенность в данной точке помещения; Eâí åø освещенность на горизонтальной поверхности под открытым небосводом.
Искусственное освещение применяется при недостаточности
естественного освещения или отсутствии его (в темное время суток). По
функциональному назначению искусственное освещение разделяется на:
рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное и дежурное. Искусственное
освещение создается искусственными источниками света: лампами
накаливания или газоразрядными лампами
Совмещенное
освещение
представляет
собой
дополнение
естественного освещения искусственным в светлое время суток при
недостаточном по нормам естественном освещении.
Искусственное освещение может быть общим и местным. При общем
освещении светильники размещают в верхней зоне равномерно (равномерное
освещение) или применительно к расположению оборудования
(локализованное освещение).
При местном освещении световой поток от светильников
концентрируется непосредственно на рабочих местах. При дополнении
общего освещения местным оно называется комбинированным освещением.
Для искусственного освещения помещений рекомендуется применение
газоразрядных
ламп
(люминесцентных,
дуговых
ртутных,
металлогалогенных и др.).
Как правило, на рабочих местах должно использоваться естественное и
искусственное освещение. Одно местное освещение в производственных
условиях не применяется, так как резкий контраст между ярко освещенными
и неосвещенными участками утомляет глаз, замедляет процесс работы и
может послужить причиной несчастных случаев и аварий. Минимальная
величина освещенности, создаваемая общим освещением в системе
комбинированного освещения, должна быть не менее 10% от нормированной
величины.
ÊÅÎ 
Источники искусственного освещения.
Электрические лампы — источники оптического излучения,
создаваемого в результате преобразования электрической энергии.
Электрические лампы подразделяются на лампы накаливания (ЛН), в
которых свет создается телом накала, раскаленным в результате
прохождения по нему электрического тока, и разрядные лампы (РЛ), в
которых свет создается в результате электрического разряда в газе, парах
металлов или в газовой среде, содержащей пары металлов.
ЛН относятся к тепловым источникам света, в которых свечение
возникает путем нагревания нити накала до высоких температур. Они просты
и надежны в эксплуатации. Недостатками их являются: низкая световая
42
отдача (порядка 20 лм/Вт), ограниченный срок службы (~ 1000 часов),
преобладание излучения в желто-красной части спектра, что искажает
цветовое
восприятие.
Определенными
преимуществами
обладают
галогеновые лампы накаливания. В колбе данных ламп наряду с
вольфрамовой спиралью содержатся пары элементов галогеновой группы,
например, йода, что повышает температуру накала нити и существенно
уменьшает ее испарение. Срок службы данного типа ламп составляет
величину до 3000 часов, а световая отдача – до 30 лм/Вт.
РЛ имеют более высокую световую отдачу (более 100 лм/Вт) и в 5 ÷ 10
раз больше срок службы (до 15000 ч) по сравнению с ЛН, а также более
широкий диапазон мощностей при весьма разнообразных спектрах
излучения. Соответствующий подбор среды и условий разряда позволяет
создавать высокоэффективные источники излучений во всех областях
оптического диапазона. Все указанное обусловило широкое применение РЛ
не только для освещения, но и для многочисленных специальных целей.
Например, для дальнометрии, аэрофотосъемки, накачки лазеров, в
облучающих установках, а также для изучения перемещающихся объектов и
быстропротекающих процессов.
РЛ присущ и ряд недостатков. Прежде всего, это определенная
сложность включения их в электрическую сеть, связанная с особенностями
разряда, так как для его зажигания требуется более высокое напряжение, чем
для поддержания устойчивого горения; пульсация светового потока,
длительное время (от нескольких секунд до нескольких минут) выхода на
оптимальный режим работы, а так же сложность утилизации.
Значительную опасность при использовании газоразрядных ламп
представляет так называемый стробоскопический эффект – явление
искажения зрительного восприятия вращающихся объектов в мелькающем
свете, возникающее при совпадении кратности частотных характеристик
движения объектов и изменения светового потока во времени. По
экономическим и светотехническим характеристикам преимущество следует
отдавать РЛ.
Лампа с арматурой называется светильником. Основное назначение
светильников заключается в распределении светового потока источников
света в требуемых для осветительных установок направлениях и защите
ламп, оптических элементов и электрических аппаратов светильников от
воздействия окружающей среды.
Осветительные приборы за счет наличия арматуры испускают в
окружающую среду меньшую величину светового потока Фс, чем сам
источник света Фл. Отношение этих величин определяет коэффициент
полезного действия светильника
КПД= Фс /Фл,
а отношение светового потока Фрасч, падающего на расчетную плоскость, к
световому потоку источника света Фл называется коэффициентом
использования светильника:
Кисп=Фрасч/Фл
(7)
43
Перспективными источниками искусственного освещения являются
получившие в последнее время большую популярность светодиоды, срок
службы которых составляет несколько десятков тысяч часов, а световая
отдача выше, чем световая отдача газоразрядных ламп.
Нормирование производственного освещения
Нормирование освещенности рабочего места производится в
зависимости от точности зрительной работы, характеризуемой размерами
объекта различения. На условия зрительной работы, ее разряд кроме
размеров объекта различения (деталь предмета с минимальными размерами)
влияют также контраст с фоном, яркость фона и система освещения.
Значения нормативных данных освещенности рабочего места определяются
по СНиП 23–05–95 (2003) Строительные нормы и правила «Естественное и
искусственное освещение»; СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические
требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению
жилых и общественных зданий» и другими, в том числе ведомственными
нормативными документами.
Для
естественного
освещения
регламентирован коэффициент
естественной освещенности (КЕО) %; для искусственного – наименьшая
освещенность на рабочих поверхностях в производственных помещениях, лк.
Согласно СНиП зрительные работы делятся на 8 разрядов в зависимости
от размера различаемой детали; разбиваются на подразряды (а, б, в, г) в
зависимости от контраста детали различения с фоном и от коэффициента
отражения фона. Для каждого подразряда установлены определенные
наименьшие значения освещенности, понижающиеся по мере увеличения
размера деталей, увеличения контраста с фоном, увеличения коэффициента
отражения и др.
По СНиП определяются нормы освещенности для отдельных разрядов
работ при соответствующей системе освещения, а также КЕО, что
необходимо для проектирования зданий и сооружений.
44
45
46