168225 (Безопасность электромагнитных полей)

Безопасность электромагнитных полей

Фомин Геннадий Васильевич, старший научный сотрудник ГНЦ РФ Институт биофизики

Предисловие

Настоящие рекомендации и требования разработаны ГНЦ РФ Институтом биофизики Главного управления по медико-биологическим и экстремальным проблемам Минздравмедпрома.

Научный руководитель - зам. директора Института, канд. техн.наук О.А.Кочетков, ответственный исполнитель - старший научный сотрудник Г.В.Фомин

1.Введение

Персонал ИТЭР может подвергаться воздействию различных видов неионизирующих излучений-электромагнитных полей (ЭМП):

-магнитного поля,постоянного и квазипостоянного, обусловленного токами плазмы и магнитных катушек,и импульсного,обусловленного колебаниями плазмы ;

-ВЧ-и СВЧ-излучений при утечках от оборудования для нагрева плазмы;

-лазерного излучения от оборудования для диагностики плазмы ;

-электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования;

-циклотронного излучения (СВЧ-излучения с частотой выше 1ООГГц), возникающего из магнитотормозного излучения отдельных электронов.

1.1.Цель

Цель-разработка рекомендаций и требований по защите персонала при проектировании ИТЭР.В силу международного характера ИТЭР необходимо выявить и объединить все национальные критерии по электромагнитной безопасности.

1.2.Аннотация

Представлены данные по нормированию неионизирующих излучений в зависимости от двух концепций воздействия-энергетической и информационной. Особое внимание обращено на малоизвестную концепцию информационного воздействия, при котором определяющим параметром ЭМП является модуляция.

В виде отраслевых методических рекомендаций обоснована необходимость временной регламентации работ в квазипостоянных магнитных полях,необходимость экранирования ВЧ,СВЧ и лазерных излучений,необходимость возможной автоматизации и механизации работ в магнитных полях.

Даны нормы на ВЧ излучение в зависимости от частоты излучения,нормы на СВЧ излучения в величинах мощностей излучения,падающего на единицу площади,даны рекомендации по безопасносности лазеров.Сделан вывод о том,что нормирование в России более "жесткое",чем в других странах-участников проекта ИТЭР.

Ввиду практического отсутствия приборов по контролю магнитных полей,пригодных для измерения на плазменных установках, проанализированы и рекомендованы наиболее подходящие методы и средства контроля магнитных полей.Представлены данные по разработке и апробации прибора для индивидуального контроля постоянных магнитных полей. Даны рекомендации по инспекционному и индивидуальному контролю неионизирующих излучений.

Даны проектные требования к помещениям ИТЭР c учетом комбинированного воздействия ионизирующей и неионизирующей радиации.

2.Критерии

При действии ЭМП на биосистемы различают три уровня: первичные физико-химические,кибернетические и общие механизмы биологического действия ЭМП /21/.В основе первичных механизмов лежат физико-химические законы взаимодействия ЭМП с веществом:изменение траектории движущихся в МП заряженных частиц /например эритроцитов/;смещение или вращение анизотропных частиц,имеющих различную магнитную восприимчивость,изменения биогенного магнетита в клетках магниторецепторов, химическая поляризация электронов и ядер,приводящих к изменению кинетики радикальных химических реакций;расщепление квантовых уровней /эффект Зеемана/ и т.д.Однако следует отметить,что первичные физико-химические механизмы не могут ни предсказать,ни объяснить биологические эффекты.Это связано с тем,что между первичным взаимодействием ЭМП с элементами организма и биологическим эффектом имеется множество переходных звеньев,большинство которых неизвестны.Многие из этих промежуточных звеньев охвачены взаимопереплетающимися обратными связями.Поэтому для биологии и медицины гораздо более существенным является выяснение кибернетических механизмов действия ЭМП,которые сформулированы в виде змпирических обобщений /21/.Что касается общих механизмов действия ЭМП,то они,как и любые патофизиологические процессы,являются общими для всей медицины и не имеют "электромагнитной" специфики /1/.

В настоящее время большинство опубликованных работ касается энергетической концепции воздействия ЭМП,в которой биологические эффекты пропорциональны поглощенной энергии излучения,т.е. поглощенной дозе /12,13,17,21,38,44,45/.

Информационное воздействие характеризуется тем,что эффекты воздействия определяются модуляцией воздействующего фактора /ритмом воздействия/ и состоянием систем организма /4,5,6,7,10,16,40/.Малочисленность научных работ по информационному воздействию подчеркивает их научную новизну,однако теоретически возможно,что энергетическое воздействие будет частным случаем информационного,т.к. существует не только частотная,но и амплитудная модуляция /6/.Термин модуляция специалистами понимается по-разному.По определению из Большой советской энциклопедии /1974/: модуляция колебаний - это медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды,частоты или фазы колебаний по определенному закону К.Шеннон /37/ понимал модуляцию "как отображение пространства сигнала в пространство сообщения".Радиоинженеры понимают модуляцию как изменяющийся по определенному закону частотный спектр т.е. ритм сигнала /13/.Для нашего случая полезно последнее понимание,т.к. амплитудная,кодово-импульсная и фазовая модуляция по преобразованию Фурье непосредственно связаны с частотной модуляцией.По существу процесс измерения (детектирования),в том числе и в дозиметрии,тоже основан на процессе модуляции или демодуляции.

Уже с тех пор,как СВЧ-техника получила широкое распространение стало известно,что волны СВЧ большой мощности могут вызвать у человека развитие ожога или теплового удара.Позже были получены результаты исследований,доказывающие наличие неблагоприятных эффектов при действии ЭМП более низкой частоты и интенсивности,в частности таких эффектов,как изменение скорости химических реакций /39/, нарушение иммунной системы,нарушения в составе белой крови /4, 27,31/,повреждение хромосом,развитие раковых опухолей /12/ и т.д. Действующее в настоящее время нормирование,как правило,ограничивает величины,пропорциональные энергии ЭМП.Например,для СВЧ -излучения Американским Национальным Институтом Стандартов принята величина интенсивности поглощенной энергии О,4Вт/кг /44/. Только в редких случаях учитываются другие биотропные параметры ЭМП:длительность воздействия,характер импульсов,градиент и направленность поля /17,21,46/. Интерес к информационным процессам для биологических систем появился совсем недавно,по сравнению с задачами о передаче энергии.Объяснить это можно тем,что основополагающие работы Шеннона по теории информации и Винера по кибернетике вышли только 40 лет назад.Уже тогда было установлено,что система передачи информации состоит из передатчика,канала передачи /подверженного шуму/ и приемника.Основными факторами для передачи информации через канал являются природа сигнала,затухание,шум,конфигурация приемника и передатчика,модуляция /ширина частотной полосы/, скорость передачи информации в канале.Работы по информационному воздействию ЭМП на организм следует разделить на три типа:

-передача информации от источника излучения к живой системе /перенос информации электромагнитным полем/

-передача информации в живой системе

-изменение информации или энтропии системы при воздействии ЭМП.

Впервые электромагнитный канал связи изучался с физической точки зрения в работах Габора /43/,подчеркнувшим,что теория информации должна рассматриваться не как математическая дисциплина,а как ветвь физики.Но лишь в классической работе Бриллюэна /14/ был сформулирован в общем виде негэнтропийный принцип информации и установлена глубокая связь между физической энтропией и информацией.С точки зрения этого принципа всякая информация представляется некоторым состоянием физической (биологической) системы и связана с отклонением ее от термодинамического равновесия или от состояния с равными вероятностями /4/.В дальнейшем /14/ были использованы квантомеханические соображения для рассмотрения канала передачи информации,образуемого передатчиком,излучающим электромагнитный сигнал со средней мощностью Рср и приемником, на который воздействует сигнал и аддитивный шум /тепловое излучение/ с мощностью Рш.В результате для максимальной скорости передачи информации " С " была физически обоснована известная формула Шеннона:

C = Df·log2( 1 + Pср/ Pш) (1)

где Df -ширина частотной полосы,в которой сосредоточена мощность cигнала /т.е. где промодулирован сигнал/.По сути Df -величина модуляции.Данная формула верна для ЭМП с частотой до порядка 10в10 Гц.Для рентгеновского и гамма-излучений в работе /14/ определены другие выражения.

Возможно,что первой работой по применению теории информации в биологических жидких системах была работа Ямомото /47/, затем последовала работа Баглайрелло /48/.В этих работах рассматриваются два основных вида каналов передачи информации: нервная система и гуморальная система /в частности система крови/. Хотя нейрон,как и любая клетка-это жидкая система и в некоторых нейронах обнаружены магниторецепторы,более наглядны представления по гуморальному каналу,в котором соответствие между потоком вещества и передачей сигналов более тесное. Гуморальный канал может передавать сигнал химическим путем в виде гормонов,растворенных газов (СО2,О2,N2),физическим путем(температура,давление) или посредством прямо передаваемых объектов (зритроциты,лейкоциты и т.д.) /48,49/.

Модуляция имеет первостепенное значение для передачи информации.Именно она приводит сигнал в соотношение с характеристиками среды,иначе сигнал не будет пригоден для передачи.Это выполняется за счет наложения сигнала на волну носителя.так широко известно,что рот двигается с низкой частотой /менее 1ОГц/,а для передачи сигнала на большое расстояние по воздуху сигнал модулируется посредством голосовых связок,генерирующих высокую частоту.Точно также предкапиллярные сфинкторы могут рассматриваться как модуляторы потока эритроцитов и лейкоцитов.Сердце тоже модулирует сигналы,а дыхание модулирует обонятельные сигналы,сигналы легочных газов и даже ритм сердечных сокращений /2/. Для оценки максимальной скорости передачи информации в гуморальном канале /48,49/ также используется известная формула Шеннона.При помощи этой формулы были получены оценки по скорости передачи информации в артериях,капиллярах,в нервной системе.В среднем она составляет около 1ООбит/с.

Концепция информационного воздействия ЭМП /4,5,6,7,10,16,24,49/ была впервые выдвинута Пресманом /24/ и формировалась в 6О-х годах,когда ряд экспериментов не могли объяснить при помощи концепции энергетического воздействия ЭМП.В современном виде информационная концепция представляется следующим образом.Неспецифическое влияние ЭМП на живой организм реализуется путем развития различных неспецифических реакций организма:стресса,тренировки,активации и соответствующих им состояний ареактивности /2,4,10,30/.Анализ структуры процессов гомеостаза при стрессе показывает,что в живой системе возникает ряд нескоординированных процессов,которые идут вразнобой и могут конкурировать. Уровень самоорганизации различных сервисных подсистем при этом резко падает и их состояние становится более неопределенным.Это сопровождается резким увеличением информационной энтропии,как функции выравнивания вероятностей систем.Причем часто наблюдаются флуктуации энтропии,т.е. система,минуя состояние нормы впадает в состояние с минимальной энтропией,затем в максимальное и т.д.,то есть возникают колебания.Одновременно может уменьшится объем информационного взаимодействия с окружающей средой,т.е. система на определенном этапе все больше приобретает свойство замкнутой.Это в свою очередь,согласно второму закону термодинамики в отношении к биологическим системам /50/,приводит к еще большему увеличению энтропии,а такие резкому падению резистентности,что в конечном счете приводит к болезням (чаще всего сердечно-сосудистым /30/),и может привести к полной деградации системы,к смерти /4/.В то же время состояния с высокой резистентностью -реакции тренировки и активации характеризуются более высокой упорядоченностью,причем вдали от положения равновесия.Условием снижения упорядоченности системы и возникновения стресса является информационная замкнутость процессов гомеостаза и флуктуации под действием ЭМП.Вывод из стресса должен предусматривать обогащение информационного потока,иными словами должно быть увеличено разнообразие типов воздействий,их модуляций. В этом,вероятно,состоит лечебное действие ЭМП.Однако при большой интенсивности информационного потока,т.е. при большой скорости передачи информации,возникают флуктуации,приводящие от нормальных состояний к стрессу /4/.Изменение энтропии систем организма обычно составляет несколько бит /29/.Необходимо еще учесть количество информации,переносимой ЭМП из организма человека,т.к. системы организма обладают своими электрическими и магнитными полями,в настоящее время получившие диагностическое значение /21/.

В чем преимущества концепции информационного воздействия?