CC BY
63
УДК 621.388.
М.Я. Воронин, А.Н. Поспелов, М.Б. Устюгов СГГ А, Новосибирск
ОБЩАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАБОТЕ СО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ ОПТОРАДИОЭЛЕКРОННЫМИ ПРИБОРАМИ
Безопасность техники [1] - комплексное свойство технического объекта, заключающееся в сведении к минимуму или исключении полностью опасных и вредных факторов для жизни и здоровья человека. Охрана труда - система обеспечения безопасности, сохранения здоровья и работоспособности человека в процессе труда, основанная на совокупности законодательных актов и соответствующим им социально-экономическим, техническим и организационным мероприятиям. В соответствии с конституцией РФ один из путей обеспечения прав российских граждан по охране здоровья - развитие и совершенствование техники безопасности и производственной санитарии. Требования, связанные с предупреждением травматизма и профессиональных заболеваний, содержатся в правилах техники безопасности, санитарных нормах проектирования промышленных предприятий и строительных нормах.
Профилактика и предупреждение проявлений опасных производственных факторов, которые могут привести к несчастным случаям, важнейшая задача охраны труда. Причины несчастных случаев могут быть технические и организационные. К техническим причинам относятся несоблюдение правил выполнения технологических процессов, неисправность радиотехнических систем, дефекты конструкций. К организационным причинам относятся неудовлетворительный и несвоевременный инструктаж по безопасным методам работы, отсутствие или неиспользование средств защиты. Не менее значим и человеческий фактор, влияющий на возникновение несчастных случаев; он определяется совокупностью физических и психологических свойств личности. Одной из причин несчастных случаев является недостаточно хорошо организованное взаимодействие оператора, например, со сверхвысокочастотными (СВЧ) опторадиоэлектронными приборами (ОРЭП). Кроме того, имеются еще и вредные эксплуатационные факторы, которые разделяют по природе их действия на четыре группы - физические, химические, биологические и психофизиологические. Первые три охватывают воздействия, оказываемые окружающей средой и техникой: шум и вибрация, СВЧ-излучения,
запыленность, загазованность и зараженность микроорганизмами. Четвертая группа факторов характеризует изменение состояние человека под влиянием напряженности труда. Требования охраны труда, направленные на предупреждение или уменьшение действия вредных факторов, включают для каждого из них предельно допустимые уровни или предельно допускаемые концентрации вредных веществ, которые рассчитываются таким образом, чтобы при их соблюдении исключить возможные проявления вредных последствий для человека. Состояние и работоспособность операторов определяется анализом комбинированного воздействия названных выше
вредных воздействий. Разработка критериев оценки одновременного действия различных факторов составляет основу многих научно-учебных дисциплин. На современном этапе развития рыночной экономики в России эффективное решение проблем охраны труда возможно путем реализации комплекса мероприятий, направленных на оптимизацию трудовой деятельности и условий ее осуществления. К ним относятся защита от воздействий вредных и опасных факторов, СВЧ и лазерных излучений.
Безопасность техники закладывается в процессе ее проектирования. Совершенствование техники путем улучшения ее параметров сопровождается интенсификацией технологических процессов, которая может вести к созданию потенциально опасных и вредных факторов для человека (повышение скоростей, давления, теплового режима, химической активности и т. д.). Их воздействие существенно снижается или устраняется обеспечением безопасных условий труда. Для развития общества и самого человека переход от техники безопасности к безопасной технике -важнейшее направление кардинального улучшения и оздоровления условий труда. Поэтому разработка безопасных автоматизированных комплексов с использованием современной радиоэлектроники и дисплейной техники, представляется весьма актуальной.
Охрана здоровья - система мер, предусматривающих возможность поддерживать нормальное состояние организма человека. Здоровье составляет экономический, трудовой, демографический, оборонный, культурный и духовный потенциал общества, зависит от уровня его социального, научнотехнического и культурного прогресса. Вопрос охраны здоровья - один из важнейших в социальной политике государства. Укрепление здоровья нации, увеличение продолжительности активной фазы жизни общества -первостепенная задача здравоохранения.
Важное значение в сохранении и укреплении здоровья человека имеет эргономика - научно-практическая дисциплина, комплексно изучающая человека, либо группы людей в конкретных условиях их деятельности, связанной с использованием технических средств. Цель эргономики -оптимизация предметного содержания, условий и процессов труда, повышение его привлекательности и удовлетворенности.
В 20-е годы ХХ столетия в России была разработана концепция эргономики, которую тогда назвали «эрология» или «эргонология». По мнению ученых-разработчиков, такая концепция должна обеспечивать повышение производительности труда, сохранение здоровья и развитие личности человека. Кардинальное отличие эргономики от наук, на базе которых она возникала, в том, что в ней широко используются развитые в философии, социологии и психологии представления о формировании и структуре деятельности, ее основных видах и формах, главных закономерностях создания личности человека.
Предметом эргономической оценки являются технические средства, с которыми непосредственно контактирует и которыми оперирует человек. При разработке критериев и методов профессионального отбора анализ направлен
на выявление свойств личности существенно влияющих на эффективность и качество труда. Эргономика не только использует сложившиеся в гуманитарных науках представления о деятельности человеческой, но и развивает их применительно к решению задач оптимизации систем «человек - машина». Это позволяет успешно преодолевать сложившуюся практику учета отдельных данных о возможностях и особенностях человека. Важны не только знания о восприятии, мышлении (понятие решения), действий и операций работающего, но и его деятельности в целом. Поэтому в качестве оппозиции адаптационному гомеостатическому подходу в современной эргономике развивается конструктивный или системно-деятельностный подход.
Рассмотрим некоторые вопросы безопасности жизнедеятельности человека при регулировке, настройке и эксплуатации СВЧ ОРЭП и их излучении в промышленных условиях с позиции биологии и медицины [2].
Проникновение электромагнитной энергии в различные тела определяется свойствами вещества этих тел, а также частотой и другими характеристиками волны. Явления, наблюдаемые при воздействии сверхвысоких частот, имеют в основном тепловой характер: при этом они существенно зависят от дисперсии диэлектрической проницаемости. С другой стороны, наблюдаются явления, существенным образом связанные также с частотой излучения. В этих случаях играет роль молекулярная структура среды, которая может быть изучена методами электронного резонанса.
Методы измерений, используемые при изучении диэлектрических свойств живых тканей, и полученные результаты во многих отношениях такие же, как и для обычных веществ. Например, диэлектрическая постоянная крови, как и следовало ожидать, из-за большого содержания в ней воды определяется свойствами последней. Результаты измерений в диапазонах 3,0 - 23,6 ГГц и 1,78 -4,63 ГГц для таких тканей, как кожа, мускулы, кости и жировые образования, удовлетворяют соотношениям Дебая [3]. В табл. 1 приведены характерные данные измерений, выполненных на различных тканях человеческого организма в диапазоне частот 0,2 - 10,0 ГГц.
Диэлектрические свойства мускулов, жира и кожи из-за большого значения для медицины исследовались в широком диапазоне частот электромагнитной энергии.
Таблица 1
Ткань Относительная диэлектрическая проницаемость на частотах Проводимость (мо/см) на частотах
0,4 ГГц 1 ГГц 0,4 ГГц 1 ГГц
Мускулы 54 - 56 54 - 57 9,5 - 10,0 12,0 - 12,7
Печень 46 -53 50 - 51 6,7 - 8,3 9,1 - 9,6
Легкие 36 - 6,1 -
Кровь 64 63-67 11,0 12,8 - 14,2
0,9% ШСЇ 74 77 17,3 18,5
Жир 4 - 7 - 0,7 - 0,8 -
Канцерогенная активность веществ может быть измерена путем сравнения концентраций свободных радикалов в здоровых и раковых тканях. Свободные радикалы участвуют в ферментативных реакциях, детали которых могут быть исследованы методом парамагнитного резонанса.
Электронный резонанс позволяет изучить разрушения живых тканей при облучении рентгеновскими (у-лучами); импульсная техника исследует динамические режимы. Этот же метод может быть использован при исследованиях влияния протеина и ионов таких металлов, используемых для трассирования, как марганец и медь. Способы являются безопасными и могут быть использованы при исследованиях человеческого организма.
Разработано много методов СВЧ нагрева на базе использования диэлектрических потерь, происходящих в большинстве веществ на частотах дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Характерным преимуществом нагрева диэлектрика СВЧ является, для практического применения, возможность произвести быстрый и равномерный прогрев всего объема объекта воздействия. Общая энергия Р^ поглощаемая диэлектриком:
Ps = 2.78 10-11 /Е2 V •е"
где f - СВЧ; Е - напряженность электрического поля; Vs - объем; е" -тангенс угла диэлектрических потерь.
Поэтому для увеличения скорости нагрева данного объема вещества необходимо увеличивать напряженность Е или частоту f воздействующего поля. Напряженность поля удобно регулировать, но она не может быть увеличена выше предела, определяемого образованием дугового разряда между электродами и нагреваемым объектом. Этот предел сильно зависит от видов материалов; высокая концентрация поля в местах контактов приводит к локальному выгоранию при сравнительно малых уровнях СВЧ энергии.
Уравнение общей энергии показывает, что при постоянной мощности нагрев пропорционален частоте, которую поэтому следует увеличивать. Установки для нагрева диэлектрика довольно трудно экранировать от паразитного излучения и поэтому рабочая частота должна лежать в диапазонах, где уровень такого излучения имеет приемлемое значение. Применяемые в США полосы СВЧ приведены в табл. 2.
Таблица 2
Средняя частота, ГГц 0,915 2,45 2,85 10,6 18,0 и более
Допустимое отклонение, МГ ц ±25 ±50 ±75 ±100 ±150
Для этих диапазонов имеются полупроводниковые и электровакуумные приборы, но наибольшая мощность может быть получена с помощью магнетронов. Типичными значениями выходной мощности являются 5 кВт на 0,915 ГГц и 2 кВт на 2,45 ГГц, но с экспериментальными СВЧ лампами получены большие величины. В качестве выходных линий передачи, в
зависимости от частоты и мощности, применяются в основном коаксиальные и полосковые линии передач.
В каждом случае необходимо выбрать подходящую рабочую частоту. В веществах с большими потерями напряженность поля быстро спадает с глубиной проникновения, и поэтому центральная часть объема будет прогреваться незначительно. Коэффициент затухания
а = пе” / 4 • л/^7 ,
где X - длина волны; е' - относительная диэлектрическая проницаемость.
Например, в веществе с относительной диэлектрической проницаемостью е' = 28 и е" = 5,6 на частоте 0,915 ГГц плотность энергии излучения на глубине 2,5 см составляет 61% от своего первоначального значения.
Многие вещества, подвергаемые СВЧ нагреву, обладают небольшими диэлектрическими потерями, и для увеличения эффективности использования СВЧ мощности их необходимо помещать в резонансные структуры. Возможные пространственные вариации электрического поля накладывают ограничения на размеры и место расположения объектов, которые должны быть прогреты равномерно. Так, при колебаниях вида ТМ0ю в цилиндрическом резонаторе скорость нагрева постоянна в осевом направлении, но ее величина не превышает 90% от максимального значения только в области, заключенной внутри радиуса 0,07Л. Например, диаметр объекта из пластикового материала с е = 4, нагреваемого на частоте 0,915 ГГц, для выполнения этого условия не должен превышать 2,3 см.
В условиях эксплуатации СВЧ оборудования, требуется прогреть диэлектрик в СВЧ ОРЭП: в одних случаях это связано с необходимостью получения существенно однородного нарастания температуры, в других -более экономично сконцентрировать тепло. Скорость нагрева пропорциональна теплоемкости; чем равномернее нагрев, тем, однороднее распределение температур. Так как диэлектрическая постоянная и тангенс угла потерь различных материалов, состоящих из сложных или неоднородных диэлектриков, зависят от частоты по-разному, то иногда можно подобрать частоту, обеспечивающую значительное увеличение неравномерности нарастания температуры. Относительная скорость нагрева и нарастание температуры могут регулироваться также выбором вида приложения электрического поля и, если необходимо, путем относительного поворота или перемещения диэлектрического образца.
Таким образом, научные исследования и практика свидетельствуют, что излучения СВЧ-техники представляют серьезную опасность для здоровья обслуживающего персонала, в связи с чем необходим высокий уровень и разносторонняя подготовка работников по вопросам безопасности их жизнедеятельности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горохов В.Г., Халипов В.Ф. Научно-технический прогресс. Словарь. - М: Изд-во полит. литературы, 1987. - 366 с.
2. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот // Пер. с англ. под ред. В.И. Сушкевича, т. п. - М: Сов. радио, 1965 - С. 774.
3. Котельников В.А., Николаев А.М. Основы радиотехники. - М: Связьиздат, 1954. - 291 с.
© М.Я. Воронин, А.Н. Поспелов, М.Б. Устюгов, 2005
