zaštita od električnog zračenja -...

11.2.2010

1

Zaštita od električnog zračenja

(ZA INŽENJERE ELEKTROTEHNIKE)

Kemal Hot

Elektrotehnički odjel

Tehničko veleučilište u Zagrebu

Veljača, 2010.

Meñunarodna tijela:- WHO Svjetska zdravstvena

organizacija- UNEP Program za okoliš

Ujedinjenih naroda- IRPA Meñunarodna udruga za

zaštitu od zračenja- ICNIRP Meñunarodna komisija

za zaštitu od neionizirajućeg zračenja

Cilj:

Ograničenje izloženosti zračenju koje može prouzročiti negativne učinke na osobu i njeno biološko nasljeñe

TVZ-EO: Zaštita od električnog zračenja

Utjecaji:1. zdravstveni / biološki

2. direktni / indirektni

3. profesionalni / javni

4. niskofrekventni / visokofrekventni

U v o d

Prirodni utjecaji: nekoliko redova veličineslabiji od umjetnih

zračenje zemlje 1.3 mW/m2

zračenje sunca i neba 3 µW/m2

prirodna električna polja 1-10000 V/m

efektivno trajanje munje 40 µs

temperatura Sunca 5800 K

pozadinska temperatura svemira 2.7 K

temperatura čovjeka 300 K

11.2.2010

2

Osnovna ograničenja zračenja:- gustoća struje (J, A/m2)- brzina absorpcije specifične energije (SAR, W/kg)- gustoća snage (S, J/kg)

Komplementarna ograničenja:- Ograničenja za medicinske

implantate (metalne proteze, srčani pacemakeri, defibrilatori i sl.)

- Standardi za električne proizvode


Referentne razine zračenja*:(mjerenja / izračuni)

jakost električnog polja (E, V/m)

jakost magnetskog polja (H, A/m)

struja kroz udove (Iu , A)

kontaktna struja (Ic , A)

* nisu uvjet za prekoračenje

U v o d

Zračenje u EMP:- električno

- magnetsko

- elektromagnetsko

Neionizirajuće zračenje:- Energija fotona manja od cca 12 eV, frekvencija ispod 3·1015 Hz


Prostiranje EM vala

Daleko polje Antena

Reaktivno

blisko polje Blisko

polje

Reflektirajući

objekt 'Blisko polje'

'Reaktivno

blisko polje'

Smjer vala →

11.2.2010

3


Osnove ograničenja izloženosti

• Fizikalne osnove EMP: B = µ·H

•Polje blizu izvora:

• Udaljenost od antene manja

od valne duljine

•Polje daleko od izvora:

• E i H su u fazi te okomiti na smjer polja i jedan na drugog

• karakteristična impedancija E/H = 377 Ω

• Gustoća snage u smjeru prostiranja vala S = E·H = E2/377=377·H2

Absorpcija energije u tkivu:Ohmov zakon

J = σ·Egustoća struje u području

frekvencija do 10 MHzstruja u području frekvencija do

110 MHzbrzina absorpcije specifične

energije u području frekvencija 100 kHz do 10 GHz

absorpcija specifične energije za impulsna polja u području frekvencije 300 Mhz do 10 Ghz

gustoća snage u području frekvencija 10 do 300 GHz


Osnove ograničenja izloženosti

Brzi učinci EMP:• stimulacija živaca

• stimulacija mišića

• strujni udar

• opeklina

• porast temperature tkiva

Odgoñeni učinci EMP:• povećani rizik tumora

• neurodegenerativni poremećaj

• kardiovaskularni poremećaj

Direktni mehanizmi djelovanja EMP:

• učinak NF električnog polja

• učinak NF magnetskog polja

• absorpcija energije EMP

Učinak NF električnog polja u tkivu:• Električna struja

• Polarizacija → električni dipoli

• Preorjentacija postojećih dipola

Učinak NF magnetskog polja u tkivu:• Inducirano električno polje

• Inducirane struje

11.2.2010

4


Direktni mehanizmi djelovanja EMP

Absorpcija energije EMP: zanemariva do 100 kHz 0.1-20 Mhz: znatno raste u trupu, moguće u vratu i nogama 20-300 Mhz: visoka u cijelom tijelu, negdje više (glava) 0.3-10 Ghz: značajna lokalna (nejednolika) iznad 10 Ghz: prvenstveno na površini tijela

'Referentno tijelo':• električno polje daleko od izvora

• tijelo uzdužno u smjeru jakosti polja

• rezonantna absorpcijska frekvencija cca 70 Mhz

• za djecu i sjedeći položaj cca 100 MHz

• kod uzemljenja se vrijednost prepolavlja

Brzina absorpcija energije EMP:• proporcionalna E2 u tkivu• ovisi o frekvenciji, veličini, polarizaciji, geometriji izvor - tijelo• tijelo: veličina, geometrija, dielektričnost tkiva • učinak uzemljenja i refleksije polja od bliskih objekata

Blizak izvor iznad 10 MHz:• dielektrični grijač, mobitel• Mobitel: magnetsko polje dominira, brzina absorpcije visoka u glavi, šaci i zglobovima• Dubina prodiranja vala je mala, pa je prikladnija vrijednost gustoće snage


Indirektni mehanizmi djelovanja EMP

Indirektni mehanizmi: kontaktna struja kod dodira tijela s objektom na drugom električnom potencijalu usljed EMP djelovanje EMP na priključenu medicinsku opremu ili implantate

Biološka osnova za ograničenje izloženosti (do 100 kHz):• razvoj dječje leukemije indiciran• relativni rizik nekonzistentan: za B>0.2 µT je 3.2 (D), 1.5 (USA), za B>0.3 µT je 1.7 (USA) • razvoj tumora (djeca) moguće• reproduktivni problemi ne• Alzheimer nepotvrñen• Glava, vrat, trup <10 mA/m2 za 10 do 1000 Hz• Magnetske čestice u mozgu: (5-10)·105

Indirektni učinak (T1): Granična struja (mA) Frekvencija: 50 Hz 1 kHz 100 kHz 1 MHz

Osjet dodira 0.2-0.4 0.4-0.8 25-40 25-40

Bol na kontaktnom prstu 0.9-1.8 1.6-3.3 33-55 28-50

Bolan udarac / otpuštanje 8-16 12-24 112-224 ?

Oštar udarac / otežano disanje 12-23 21-41 160-320 ?

11.2.2010

5


Biološka osnova za ograničenje izloženosti

Biološka osnova za ograničenje izloženosti (100 kHz - 300 GHz):• pobačaj / malformacija indicirani (varenje plastike, fizioterapijska oprema)• leukemija lokalno indicirana (EMP transmiteri)• 100 kHz dominira osjet 'peckanja', iznad 10 MHz toplina kože• 30 minuta: SAR<4 W/kg → +1 oC• fiziološki toplinski stres indiciran za >100 mA kroz udove trajno• hipotalamus reagira na 0.2-0.3 oC• lokalno najosjetljiviji oči i testisi

Impulsni i amplitudno modulirani valovi:• mikrovalni slušni učinak: termoelastična interakcija u korteksu mozga (impuls 30 µs, ~2.4 Ghz, 100-400 mJ/m2 / 4-16 mJ/kg)• sugerirane degeneracije ćelija retine iznad 2.6 mJ/kg

Populacijske grupe:• zdravstveno stanje• dobno stanje• toplinska osjetljivost• razlike u absorpciji (veličina i orjentacija tijela)• lokacija (fokusi, refleksije i rasipanja polja)


Ograničenja izloženosti

Osnovna ograničenja:• 1 Hz–10 Mhz: ograničiti J radi učinka na funkcije nervnog sustava• 100 kHz-10 Ghz: ograničiti SAR radi ugrijavanja tkiva• 100 kHz-10 Mhz: ograničiti J i SAR•10 Ghz-300 Ghz: ograničiti SA radi ugrijavanja blizu površine tijela

Izmjenična električna i magnetska polja (T2):•Frekvencija f (Hz) <1 1-4 4-103 103-105 105-107 107-1010

•Glava i trup J (mA/m2) 40(8) 40/f(8/f) 10(2) f/100(f/500) f/100(f/500) -•Tijelo prosj.SAR (W/kg) - - - - 0.4(0.08) 0.4(0.08) •Glava, trup SAR (W/kg) - - - - 10(2) 10(2)•Udovi SAR (W/kg) - - - - 20(4) 20(4)

Uvjeti u tablici:• gustoće struje se računa prosječno za 1 cm2

• impulsi trajanja ti imaju ekv. frekvenciju 1/(2ti)• SAR se računa prosječno za 6 min• lokalni SAR se računa prosječno za 10 g okolne mase, maksimum mora biti ograničen• glava kod 0.3-10 GHz (termoelastična ekspanzija): SA max. 10(2) mJ/kg• 10-300 GHz: gustoća snage 50(10) W/m2

(prosječno na 20 cm2 i period 68/f1.05 min, gdje je f (GHz) •Podaci u zagradi odnose se na javna mjesta!

11.2.2010

6


Referentne razine izloženosti

Izvedene referentne razine:• matematičko modeliranje i ekstrapolacije• postoji nehomogena razdioba polja i anizotropija materijala• prosječne vrijednosti su prostorno dane za cijelo tijelo, ali bez lokalnih prekoračenja• osnovna ograničenja indirektno zadovoljena• Struje proizvedene električnim i magnetskim poljem ne mogu se zbrajati → učinci električnog i magnetskog polja razmatraju se odvojeno

Jednostavan model magnetskog polja:• homogena razdioba i izotropan materijal • jednostavne petlje induciranih struja u organima i dijelovima tijela• sinusoidalno polje frekvencije f• gustoća struje u kružnoj petlji J = π·R·f·σ·B

Model električnog polja:• veličina, oblik i položaj tijela jako mijenjaju površinski naboj i razdiobu struje u tijelu• sinusoidalno polje do 10 MHz: gustoća inducirane struje u tijelu raste s frekvencijom• vrat i trup: 5 kV/m daje 2 mA/m2

• do 100 kHz izvedena polja oko polovine osnovnih ograničenja

Magnetsko polje:- 100 µT, 50 Hz, 0.2 S/m →

0.2-2 mA/m2

- 100 µT, 60 Hz, 0.2 S/m →

0.2-2.3 mA/m2



(T3) Frekvencija E (V/m) H (A/m) B (µT) Se (W/m2)< 1 Hz - 1.63·105 2·105 -1 - 8 Hz 2·104 1.63·105/f2 2·105/f2 -8 - 25 Hz 2·104 2·104/f 2.5·104/f -25 - 820 Hz 500/f 20/f 25/f -0.82 - 65 kHz 610 24.4 30.7 -65 kHz – 1 MHz 610 1.6/f 2/f -1 - 10 MHz 610/f 1.6/f 2/f -10 - 400 MHz 61 0.16 0.2 100.4 - 2 GHz 3·f1/2 0.008·f1/2 0.01·f1/2 f/402 - 300 GHz 137 0.36 0.45 50

Izmjenično polje za radna mjesta 100 kHz – 10 GHz : prosječna vrijednost tijekom 6 min > 10 GHz : prosječna vrijednost tijekom 68/f1.05 min (f u Ghz) < 1 Hz : statičko polje osigurano propisima zaštite od udara ako su zadovoljena osnovna ograničenja, vrijednosti mogu biti veće

11.2.2010

7



(T4) Frekvencija E (V/m) H (A/m) B (µT) Se (W/m2)< 1 Hz - 3.2·104 4·104 -1 - 8 Hz 104 3.2·104/f2 4·104/f2 -

8 - 25 Hz 104 4·103/f 5·103/f -25 - 800 Hz 250/f 4/f 5/f -0.8 - 3 kHz 250/f 5 6.25 -3 – 150 kHz 87 5 6.25 -0.15 – 1 MHz 87 0.73/f 0.92/f -1 - 10 MHz 87/f1/2 0.73/f 0.92/f -10 - 400 MHz 28 0.073 0.092 20.4 - 2 GHz 1.375·f1/2 0.0037·f1/2 0.0046·f1/2 f/2002 - 300 GHz 61 0.16 0.20 10

Izmjenično polje za javna mjesta100 kHz – 10 GHz : prosječna vrijednost tijekom 6 min > 10 GHz : prosječna vrijednost tijekom 68/f1.05 min (f u Ghz) < 1 Hz : statičko polje osigurano propisima zaštite od udara, osjeta površinskog izboja nema za <25 kV/m



0

0 , 5

1

1 , 5

2

2 , 5

3

3 , 5

4

4 , 5

5

0 0 , 5 1 1 , 5 2 2 , 5 3 3 , 5 4 4 , 5 5 5 , 5 6 6 , 5 7 7 , 5 8 8 , 5 9 9 , 5 1 0 1 0 , 5 1 1 1 1 , 5

javno

javno m ax

rad no

rad no m ax

1 04

1 03

1 02

E(V

/m)

1 1 01 1 0

2 1 0

3 1 0

4 1 0

5 1 0

6 1 0

7 1 0

8 1 0

9 1 0

1 0 1 0

1 1

f (H z )

11.2.2010

8



-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

f (Hz )

B (

μT

)

javno

javno m ax

rad no

rad no m ax

1 05

1 04

1 03

1 02

1 01

1 00

1 0-1

f (H z )

1 1 01 1 0

2 1 0

3 1 0

4 1 0

5 1 0

6 1 0

7 1 0

8 1 0

9 1 0

1 0 1 0

1 1


Eksperimentalni faktori i izvedene vrijednosti

< 1 kHz E-polje: 10 kV/m (50 Hz) ili 8.3 kV/m (60 Hz) osigurava od kontaktnih struja javna razina dva puta manja od radne razine (90% osoba)

< 100 kHz M-polje: javna razina pet puta manja od radne razine

100 kHz do 10 MHz M-polje: razina izvedena iz odnosa E i H za daleki izvor polja ovdje nema opasnosti od efekata iz E-polja! 10 MHz do 10 GHz: javna razina E i M polja 2.2 puta manja od radne razine (E, H, S)10 GHz do 300 Ghz: javna razina pet puta manja od radne razine (S)

Impulsna polja: >10 MHz: E, H ne veći od 32-struke referentne vrijednosti (Se) >300 Mhz: glava (SA 4-16 mJ/kg; SAR 30 µs, 130-520 W/kg u mozgu) 100 kHz do 10 MHz: interpolacija (1,5 puta vrijednost kod 100 kHz i 32 puta vrijednost kod 10 MHz)

11.2.2010

9


Referentne razine za struje

(T5) Kontaktne struje iz vodljivih objekata:Frekvencija Max. struja (mA)

• Radna mjesta: do 2.5 kHz 1.02.5-100 kHz 0.4·f100 kHz-110 MHz 40

• Javna mjesta: do 2.5 kHz 0.52.5-100 kHz 0.2·f100 kHz-110 MHz 20

Kontaktne i inducirane struje: do 110 MHz ograničiti kontaktne struje (udar, opeklina) osjetljivost djece (i starica) gotovo dvaput veća od odraslih 10-100 MHz: struje u udovima su niže od osnovnih ograničenja za likalni SAR (6 min period)

(T6) Inducirane struje udova za 10-100 MHz: Radna mjesta: 100 mA Javna mjesta: 45 mA


Simultana izloženost poljima različite frekvencije

Neaditivnost stimulacionih i termičkih učinaka polja:

Učinak električne stimulacije:Ji – gustoća struje inducirane

kod frekvencije iJg,i – granična gustoća struje inducirane

kod frekvencije i (T2)

Toplinski učinak:SARi – brzina absorpcije

kod frekvencije iSARg,i – granična brzina absorpcije

kod frekvencije i (T2)Si – gustoća snagekod frekvencije iSg,i – granična gustoća snage

kod frekvencije i (uz T2)

110

1 ,

≤∑=

MHz

Hzi ig

i

J

J

1300

10 ,

10

100 ,

≤+ ∑∑==

GHz

GHzi ig

i

GHz

kHzi ig

i

S

S

SAR

SAR

11.2.2010

10



Učinci inducirane struje i električne stimulacije:Jakost električnog polja:Ei – jakost električnog poljakod frekvencije iEg,i – granična jakost E polja

kod frekvencije i (T3,T4)a – 610 (87) kV/m za radno (javno) mjesto

Jakost magnetskog polja:Hi – jakost magnetskog poljakod frekvencije iHg,i – granična jakost M polja

kod frekvencije i (T3,T4)b – 24.4 (5) A/m ili 30.7 (6.25) µTza radno (javno) mjesto

110

1

1

1 ,

≤+ ∑∑==

MHz

MHzi

i

MHz

Hzi ig

i

a

E

E

E

110

65

65

1 ,

≤+ ∑∑==

MHz

kHzi

i

kHz

Hzi ig

i

b

H

H

H



Za termičke učinke iznad 100 kHz:Jakost električnog polja:Ei – jakost električnog poljakod frekvencije iEg,i – granična jakost E polja

kod frekvencije i (T3,T4)c – 610/f (87/f1/2) kV/m za radno (javno) mjesto, f (MHz)

Jakost magnetskog polja:Hi – jakost magnetskog poljakod frekvencije iHg,i – granična jakost M polja

kod frekvencije i (T3,T4)d – 1.6/f (0.73/f) A/m za radno(javno) mjesto, f (MHz)

1300

1

2

,

1

100

2

≤

+

∑∑==

GHz

MHzi ig

i

MHz

kHzi

i

E

E

c

E

1300

1

2

,

1

100

2

≤

+

∑∑==

MHz

MHzi ig

i

MHz

kHzi

i

H

H

d

H

11.2.2010

11



Za struje u udovima i kontaktne struje:

Ii – komponenta struje udovakod frekvencije iIg,i – granična jakost struje udova

kod frekvencije i (T6)

Ij – komponenta kontaktne struje kod frekvencije jIg,j – granična jakost kontaktne struje

kod frekvencije j (T5)

Napomena:Sumacione formule daju najnepovoljnije moguće uvjete za simultani slučaj više izvora zračenja. U praksi su zahtjevi manje restriktivni!

1110

10

2

,

≤

∑

=

MHz

MHzi ig

i

I

I

1110

1

2

,

≤

∑=

MHz

Hzj jg

j

I

I


Zaštitne mjere

Radni prostori: proizvoñači opreme s minimalnim zračenjem tehička kontrola i smanjenje zračenja u prostorima osobna oprema za zaštitu od zračenja administrativna kontrola pristupa ozračenim prostorima medicinski nadzor radnika u ozračenim prostorima

Javni prostori: kao za radne prostore, osim osobne opreme osiguranje od interferencije s medicinskim pomagalima i implantatima osiguranje od aktiviranja elektro-eksplozivnih ureñaja osiguranje zapaljivih materijala od mogućih induciranih polja, kontaktnih struja i električnih preskoka.

11.2.2010

12


Primjeri VF EMP

MF i HF predajnici (0.3-30 Mhz): Snaga 600 kW, jakost električnog polja 500(40) V/m za udaljenost 10(100) m, inducirane struje u nogama 140(30) mA. VHF predajnici: Snaga 40 kW, jakost električnog polja 150 V/m za udaljenost 0.2 m. UHF predajnici: Snaga 30 kW, jakost električnog polja 600 V/m za udaljenost 0.2 m. Bazne stanice: Jedna antena i 1-4 transmitera, visina antene 2.5-9 m, izlazna snaga 1-5 W, srednja gustoća snage 2·10-2(2·10-3/2·10-6) W/m2 za udaljenost 1(10/100) m. Kratkovalna diatermija: 27 MHz, <1000 V/m na udaljenosti 0.2 m, <500 W/m2 na udaljenosti 0.5 m, 100-1000 V/m na udaljenosti 1 m. Mikrovalni tretmani: 433 MHz, 25(10) W/m2 na udaljenosti 0.5(1) m; 2450 MHz, 200(50) V/m na udaljenosti 0.3(3) m. Magnetska rezonancija: 42-300 MHz, unutar ureñaja do 2 W/kg Indukcioni grijač (operater): 300-790 kHz, jakost magnetskog (električnog) polja: glava i ruke 0.24-20.48 A/m(16-1828 V/m), abdomen 0.24-14.64 A/m(8-646 V/m). Elektronički nadzor robe: 58 kHz impulsno, vršno 65 µT na udaljenosti 36 cm od stupa; vršna vrijednost maksimalne gustoće struje u zoni kralježnice 72 mA/m2 za prosjek na 1 cm2 .


Stanje mjernog nadzora

Mjeri se električno i magnetsko zračenje niskih frekvencija (mrežni napon - 50 Hz, i drugi izvori do 500 kHz) te elektromagnetska polje visokih frekvencija do 3 GHz (predajnici i prijemnici signala mobilnih telefona, televizori, PC monitori i dr.). Instrumenti moraju biti frekventno korigirani.

U zoni spavanje: električno polje do 1 V/m, magnetsko polje do 0.1 µT (frekv. 50-60 Hz) - spavaće i dječje sobe, dječji vrtići, jaslice,

U zoni boravka - električno polje do 10 V/m, magnetsko polje do 1 µT (frekv. 50-60 Hz). Radna mjesta, škole, dnevni boravak max. do 6 sati.

Granične vrijednosti za frekvenciju 900 MHz (mreže D1,D2,CT1,CT1+): 0,05 W/m2

u Rusiji , 0,1 W/m2 u Poljskoj i Italiji, 0,24 W/m2 u Češkoj, 2,0 W/m2 u Novom Zelandu, 3,0 W/m2 u Kanadi i 4,5 W/m2 u Njemačkoj.Preporuka je do 0,00045 W/m2.

Granične vrijednosti za frekvenciju 1800 MHz / 2 GHz (mreže E+, UMTS, DECT) su: 0,05 W/m2 u Rusiji , 0,1 W/m2 u Poljskoj i Italiji, 0,24 W/m2 u Češkoj, 2,0 W/m2

u Novom Zelandu, 3,0 W/m2 u Kanadi i 9 W/m2 u Njemačkoj. Preporuka je do 0,0009 W/m2.

11.2.2010

13


Stanje mjernog nadzora

Australske preporuke (2009) nalaze električno i magnetsko zračenje za dokazani zdravstveni rizik i sugeriraju ograničenja: radna 8-satna izloženost 0.5 mT, javna 24-satna izloženost 0.1 mT; domovi 0.01-0.25 µT (domovi blizu dalekovoda 0.5-1 µT, točno ispod dalekovoda 6-10 µT).

Fluorescentni izvori svjetla imaju indukciju 16-20 µT na udaljenosti 2.5 cm. Električne budilice imaju indukciju 0.5-1 µT (udaljiti 1.8 m). Električni pokrivači daju polje koje prodire 15 cm u tijelo. Displeji imaju indukciju 0.025 µT na udaljenosti 0.5 m (stariji 0.5-10 µT). Električni brijači u sušila kose imaju indukciju 20-40 µT. Mikrovalne pećnice daju snagu 1 mW/m2 (starije i do 10 mW/m2).

Zračenje u ambijentu: 0.1 µT (SAD, Švedska), tendencija 0.05 µT.Zračenje vojnih i aerodromskih radara treba posebno mjeriti radi vršnih vrijednosti koje se brzo mijenjaju.


Zaključak

Izmjenična električna i magnetska polja utječu na biološke i

kemijske procese u stanicama

Razina jakosti polja je mjerodavna za nepovoljne učinke

Extrapolacija istraživanja na životinjama je nužna radi

nedefiniranosti ljudskih uzoraka i velike latencije

Ograničenja izloženosti na temelju istraživanja imaju za cilj

minimizirati biološka oštećenja

Osnovna ograničenja su gustoća struje, gustoća snage i brzina

absorpcije specifične energije

Referentna (izvedena) ograničenja su jakosti električnog i

magnetskog polja, magnetska indukcija, struje kroz udove i

kontaktne struje, te specifična energija absorpcije kod impulsnih

polja.

Mjerne i računalne metode odreñivanja referentnih ograničenja

su u intenzivnom razvoju.

zaštita od električnog zračenja -...

Documents