Проблемы развития микроволновой медицины и биологии

Полученные результаты можно использовать для создания микроволновой установки для лечения злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей.

3.2 Выбор конструкции излучающей антенны

Волноводный вывод источника СВЧ энергии имеет прямоугольное сечение и работает на основной волне типа . Для этого размеры его поперечного сечения выбираются из условий [1]:

, (3.25)

где: а - широкая стенка волновода;

b - узкая стенка волновода.

Составляющие электромагнитного поля по прямоугольным координатам имеют следующие значения [1]:

, (3.26)

где:

. (3.27)

Здесь k - волновое число свободного пространства, которое определяется соотношением [1]:

. (3.28)

Задача об излучении из раскрыва прямоугольного волновода не имеет в настоящее время строгого решения [1]. Косвенные данные, результаты решения для аналогичных более простых задач дают основание утверждать, что хорошую точность можно получить при решении этой задачи так называемым методом Гюйгенса - Кирхгофа, который заключается в следующем. Принимается, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным, определяемым по формулам (3.26), что отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна. При этих предположениях поле рассчитывается на основе понятия об элементе Гюйгенса.

При этих предположениях диаграммы направленности выражаются следующими функциями соответственно:

в Е - плоскости:

 (3.29)

в Н - плоскости:

. (3.30)

В дипломной работе рассматривается СВЧ устройство лучевого типа, которое в качестве вводов СВЧ энергии использует антенну в виде открытого прямоугольного волновода, работающего на основном типе волны Н₁₀.

Электродинамическими системами СВЧ устройств лучевого типа являются прямоугольные камеры. Расчет и проектирование таких устройств происходит следующим образом:

1. Расчет излучения мощности из раскрыва прямоугольного волновода на волне типа , как по узкой, так и по широкой стенке, который в первом приближении описывается уравнениями Гюйгенса - Кирхгофа.

Значение мощности электромагнитного поля, излучаемой из раскрыва волновода источника СВЧ энергии, неравномерно распределена в пространстве. Зависимость истечения мощности излучения от величины угла , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе, описывается функциями:

в Е - плоскости:

(3.31)

в Н - плоскости:

(3.32)

в плоскостях Е и Н параллельно узкой или широкой стенкам волновода.

Диаграммы направленности по мощности, рассчитанные по формулам (3.31) и (3.32) для а=72 мм, b=34 мм, а также для а=90 мм, b=45 мм показаны на рис. 3. 2.1 и рис. 3.2.2

Рисунок 3.2.1. Диаграмма направленности излучения по мощности в Е- плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм.



Рисунок 3.2.2. Диаграмма направленности излучения по мощности в Н- плоскости из раскрыва волноводов сечением (90х45) мм и сечением (72х34) мм.

Из диаграмм видно, что источники СВЧ энергии более выгодно использовать с раскрывом волновода сечением (72х34) мм.

Это существенно улучшает массогабаритные параметры СВЧ устройств лучевого типа.

Если в качестве электродинамического устройства используются резонаторные камеры больших размеров, то более 90% генерируемой СВЧ мощности может быть использовано для нагревания биологической ткани.

Поглощенная и преобразованная в тепло СВЧ мощность в диэлектрическом материале с потерями может быть рассчитана с учетом диэлектрического фактора потерь или тангенса угла диэлектрических потерь материала.

Если считать, что теплоемкость и масса биологической ткани остаются неизменными:

. (3.33)

Следовательно, измеренное относительное распределение температуры можно поставить в соответствие рассчитанному относительному распределению температуры, согласно распределению излучаемой СВЧ мощности .

При этом расчет распределения температуры в материале проводится с учетом уравнений Гюйгенса - Кирхгофа.

2. Расчет распределения мощности из раскрыва волновода от источника СВЧ энергии на различных расстояниях от обрабатываемого материала и построение уровней постоянной мощности при условии отсутствия теплопроводности внутри материала.

На рис. 3.2.3 показаны уровни постоянной половинной мощности излучения для различных расстояний от материала до раскрыва волновода (200 мм; 300 мм; 400 мм), определены диагонали эллипсов и составлена соответствующая программа их расчета;

3. Корректировка с помощью эмпирических коэффициентов теоретически рассчитанных с использованием уравнений Гюйгенса - Кирхгофа и измеренных распределений температурного поля материала в зависимости от расстояния до обрабатываемого биологического объекта.



Рисунок 3.2.3. Уровни половинной мощности излучения из раскрыва волновода на различных расстояниях от обрабатываемого материала.

На рис. 3.3.4 и рис. 3.3.5 показано рассчитанное и измеренное распределение температурного поля в зависимости от угла излучения от источника СВЧ энергии, как по узкой стенке волновода, так и по широкой.

Расхождение рассчитанных и измеренных характеристик можно связать эмпирическими коэффициентами и .



Рисунок 3.2.4. Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по узкой стенке волновода.

Рисунок 3.2.5. Рассчитанное и измеренное распределение относительной температуры по широкой стенке волновода.

Эти коэффициенты зависят от расстояния до поверхности диэлектрического материала и от величины угла , который составляет интересующее нас направление относительно направления распространения энергии в волноводе:

. (3.34)

. (3.35)

Таким образом, разработана модель расчета лучевого СВЧ устройства с раскрывом прямоугольного волновода в качестве излучающей антенны, работающего на основном типе волны .

Модель основана на том, что поле в раскрыве волновода остается невозмущенным; отсутствуют токи, затекающие на наружную поверхность волновода; отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна и справедливости уравнений Гюйгенса - Кирхгофа

Разработан метод расчета лучевых СВЧ устройств, который основан на использовании эмпирических корректирующих коэффициентов, зависящих от расстояния между раскрывом волновода источника СВЧ энергии и обрабатываемым материалом и угла направления распространения энергии в волноводе в уравнениях Гюйгенса - Кирхгофа.

Проведены экспериментальные исследования распределения температурного поля в лучевых конструкциях устройств СВЧ нагрева и показано, что расхождение между рассчитанными и экспериментальными значениями температурного поля не превышает 10%.

3.3 Выбор конструкции источника СВЧ энергии

На кафедре: “Радиоэлектроники и телекоммуникаций” МИЭМ НИУ ВШЭ проводятся экспериментальный работы, как по созданию компактных источников микроволновой энергии на частоте 2450 МГц, а также экспериментальные работы по исследованию распределения температуры в многослойных биологических структурах, имитирующих тело человека.

На рис. 3.3.1 представлен источник микроволновой энергии, разработанный на базе зарубежных комплектующих [4], который имеет массу 12 кг и габаритные размеры: длина - 400 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм. Выбор волноводного вывода энергии основан не только на стремлении уменьшения габаритов и веса источника микроволновой энергии, но, главным образом, исходя из диаграммы направленности распределения микроволновой мощности из волновода, что в свою очередь сильно влияет на выбор и габариты электродинамической системы.

Дальнейшее развитие в этой области связано, как с уменьшением массы и габаритных размеров источника микроволновой энергии, так и с увеличением КПД источника за счет использования инверторной схемы питания.

В МИЭМ НИУ ВШЭ, на кафедре: ”Радиоэлектроники и телекоммуникаций” разработан источник микроволновой энергии со встроенным блоком питания на основе инверторной схемы, представленный на рис. 3.3.2. Габариты источника: длина - 200 мм; ширина - 200 мм; высота - 200 мм с волноводным выводом энергии сечением (72 х 34) мм и весом 5,0 кг. Именно эти источники микроволновой энергии обладают максимальным КПД (до 67%) и позволяют плавно изменять уровень выходной мощности.

Разработанная конструкция источников микроволновой энергии является наиболее перспективной с точки зрения использования в установках микроволнового нагрева. Как показывают экспериментальные исследования, время наработки таких источников микроволновой энергии на порядок превышают заявленные цифры производителем микроволновых печей, за счет лучшего охлаждения и выбора режимов работы.

3.4 Экспериментальные исследования

Рассмотрим воздействие микроволнового излучения на однородную биологическую ткань в виде опухоли, которая расположена внутри однородной биологической среды, представляющей мягкую мышечную ткань. Учитывая, что частота колебаний электромагнитного поля является величиной постоянной, введем следующее обозначение:

(3.36)

В этом случае значение удельной мощности потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде опухоли имеет вид:

, (3.37)

а значение удельной мощности потерь, отдаваемые электромагнитным полем на единицу объема биологической среды в виде мягких мышечных тканей имеет вид:

, (3.38)

где - мощность, выделяемая на единицу объема опухоли;

- мощность, выделяемая на единицу объема окружающей среды;

- мнимые составляющие диэлектрической проницаемости клетки и среды;

- амплитуды напряженности электрического поля в клетке и среде.

Учитывая граничные условия на границе опухоли и окружающей среды:

, (3.39)

где - действительные составляющие комплексной диэлектрической проницаемости опухоли и окружающей ее среды в виде мягких тканей.

Тогда:

, (3.40)

где - температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей.

В работе [3] приведены ссылки на результаты исследований зарубежных специалистов, а также научных публикаций, в которых утверждается, что многие виды опухолевых тканей содержат значительно больше воды, чем нормальные виды биологических тканей того же типа.

Таким образом, доброкачественные и злокачественные опухоли имеют диэлектрические параметры близкие к обычной воде. Вода обладает более высоким значением мнимой части относительной диэлектрической проницаемости (фактора потерь) по сравнению с окружающими их здоровыми биологическими тканями того же типа.

Следовательно, клетки опухоли, согласно выражению (7) поглощают значительно больше энергии микроволнового излучения, чем здоровые ткани, и значение температуры в опухолях значительно выше, чем в окружающих здоровых биологических тканях. Если температурный коэффициент, характеризующий эффективность теплового воздействия микроволнового излучения на клетки опухоли по сравнению с окружающей их средой в виде мягких тканей больше единицы (), то в научных публикациях это свойство получило название “избирательности микроволнового нагрева” [4].

В настоящей дипломной работе приведены результаты экспериментальных исследований распределения температуры в многослойных биологических мягких тканях с различными электрофизическими параметрами. Температура мягких биологических тканей изменяется в результате воздействия на эти ткани микроволнового излучения из раскрыва прямоугольного волновода на основном типе волны , на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц.

В качестве модели, имитирующей тело человека, использована многослойная структура биологических тканей животных (кожа - жировая ткань, мышечная ткань, между слоями которой имеется слой воды, параметры которой характеризуют опухоль). Между слоями биологических тканей расположен радиопрозрачный материал - пленка из фторопласта, для того, чтобы не учитывать теплопроводность между различными слоями биологических тканей.

Энергия микроволнового излучения подводится к многослойной структуре биологических тканей с помощью антенны в виде раскрыва волноводного излучателя, поперечные размеры которого 72 мм х 34 мм, расположенного на определенном расстоянии от её поверхности.

Измерение температуры различных слоев биологических тканей проводилось по центральной линии излучающего волновода, вдоль оси “z”, соответствующей максимальному значению выходной мощности источника микроволнового излучения , удовлетворяющему условию , времени облучения и расстоянию излучающей антенны от поверхности многослойной биологической ткани .

После облучения многослойного материала из биологических тканей, источник микроволновой энергии отключался, и в центре каждого слоя измерялось значение температуры с использованием термометра (термопара) с точность С.

Результаты экспериментальных исследований распределения температуры в различных слоях биологических тканей представлены в таблице 3.4.1, в таблице 3.4.2 и таблице 3.4.3. В таблицах отражена последовательность расположения слоев биологических тканей, а также значения их толщин. Помещая слой воды (контейнер из радиопрозрачного материала, диаметром 50 мм и толщиной 15 мм имитирующий опухолевую ткань, на различные расстояния от поверхности многослойной биологической структуры видно, что работает принцип избирательности нагрева и значение температуры слоя воды выше, чем значение температуры окружающих тканей.

В первом эксперименте (таблица 3.4.1), слой воды отсутствовал, во втором эксперимента (таблица 3.4.2) слой воды располагался на расстоянии 40 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и температура слоя имела значение 45С, а в третьем эксперименте (таблица 3.4.3) слой воды располагался на расстоянии 25 мм от поверхности облучаемой биологической ткани и значение температуры слоя составляло 48С.

Таблица 3.4.1. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	41
4	Мышечная ткань	15	23	38
5	Мышечная ткань	15	23	35
6	Мышечная ткань	15	23	32

Таблица 3.4.2. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	41
4	Мышечная ткань	15	23	37
5	Вода	15	23	45
6	Мышечная ткань	15	23	31

Таблица 3.4.3. Экспериментальное распределение температурного поля в многослойной биологической ткани

№ слоя	Название биологической ткани	Толщина слоя биологической ткани (мм)	Начальная температура биологической ткани (°С)	Конечная температура биологической ткани (°С)
1	Кожа	3	23	33
2	Жировая ткань	7	23	28
3	Мышечная ткань	15	23	42
4	Вода	15	23	48
5	Мышечная ткань	15	23	32
6	Мышечная ткань	15	23	29

Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной структуре биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани.

Если известны параметры различных слоев биологических тканей и где расположена опухоль, то можно рассчитать величину поглощенной мощности в данном слое биологической ткани и получить значение температуры в интересующей области.

Полученные результаты можно использовать для создания микроволновой установки для лечения злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей.

Выводы к главе 3

Основные выводы по проведенным теоретическим и экспериментальным исследованиям многослойного биологического материала, используемого в качестве модели человеческого организма, можно сформулировать следующим образом:

1. Результаты экспериментальных исследований показали, что значение температуры в слое воды, независимо от положения этого слоя в многослойной структуре биологических тканей, существенно выше, чем значение температуры в окружающих тканях.

2. Результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность локального нагрева области, где расположена опухоль, не повреждая окружающие биологические ткани.

3. Если известны параметры различных слоев биологических тканей и где расположена опухоль, то можно рассчитать величину поглощенной мощности в данном слое биологической ткани и получить значение температуры в интересующей области.

4. Полученные результаты можно использовать для создания микроволновой установки для лечения злокачественных опухолей, расположенных внутри биологических тканей.

ГЛАВА 4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

4.1 Электробезопасность

Электрические установки, к которым относятся почти всё оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает только при протекании последнего через тело человека.

Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических средств, что вызывает них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава.

Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма. Любое из перечисленных действий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ-12.1.009-76).

Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов:

величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушение дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др. нарушения сердечной деятельности может привести к смерти.

Таблица 4.1

Сила тока, мА	Характер воздействия
До 1	Не ощущается
1-6	Ощущения тока безболезненны. Управление мышцами не утрачено. Возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением.
6-20	Ощущения тока безболезненны. Управление мышцами затруднено, но возможно самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением.
20-30	Ощущение тока весьма болезненны. Самостоятельное освобождение от контакта с частями, находящимися под напряжением, невозможно.
30-50	Сильные судорожные сокращения мышц. Дыхание затруднено.Возможна остановка дыхания и сердца.
50-100	Парализация дыхания. Возможна фибриллизация сердца, приводящая к смерти.
100-500	Фибрилляция сердца, самовосстановление нормального биения сердца невозможно.
500-1000	Ожоги в местах контакта, с частями находящимися под напряжением. Фибрилляция сердца.
1000* и более	Сильные ожоги, возможна фибрилляция сердца.
*Сила тока, при которой не возникает фибрилляция, достигает 3000…5000 мА.

Первый критерий - неощутимый ток, который не вызывает нарушений деятельности организма и допускается для длительного (не более 10 мин. В сутки) протекания через тело человека при обслуживании электрооборудования.

Для переменного тока частотой 50 Гц составляет 0,3 мА, а для постоянного 1мА. В качестве второго критерия принимают отпускающий ток. Действие тока на человека допустимо, если длительность его протекания не превышает 30с.

Сила отпускающего тока: для переменного 6 мА, для постоянного 15 мА (не болевое значение).

Третьим критерием является фибрилляционный ток, не превосходящий пороговый фибрилляционный ток и действующий кратковременно до 1 с. Сила тока в зависимости от длительности воздействия для переменного тока промышленной частоты и постоянного тока принята следующей:

Таблица 4.2

T,c	1,0	0,5	0,2	0,1	0,08…0,01
,мA	50	100	250	500	650
, мА	200	250	400	500	650

4.2 Пожаробезопасность

К опасным факторам относится возникновение пожара, которое может произойти, например, от короткого замыкания из-за неисправностей в электропроводке.

Находясь в горящем помещении, человек может получить сильные ожоги. При горении полимерных материалов, используемых для отделки интерьера, выделяются токсичные вещества, вызывающие сильное отравление организма.

Для того, чтобы избежать пожара, необходимо обязательно предусмотреть автоматическую пожарную сигнализацию, средства пожаротушения, а также план эвакуации людей.

Таблица 4.3 - Нормы первичных средств пожаротушения на действующих предприятиях

Помещение, сооружение, установка	Единица измерения,	Огнетушители ручные ОУ-2, ОУ-5,ОУ-8	Пенные, химические, воздушно-пенные и жидкостные огнетушители	Войлок, Кошма или асбест(1Ч1; 2Ч1.5;2Ч2м)
Административные здания и сооружения
(a) служебно-бытовые помещения	200	-	1	-
(б) вычислительные центры, машиносчётные станции, архивы, библиотеки, проектно-конструкторские бюро	100	1	1	1
(в) типографии, помещения множительных, печатно-копировальных машин.	200	1	1	-

Примечание:

1. К (а) - должно быть не менее двух огнетушителей на этаж.

2. К (б) - вместо углекислотных огнетушителей могут устанавливаться порошковые.

3. Помещения, оборудованные автоматическими стационарными установками пожаротушения, обеспечиваются первичными средствами пожаротушения из расчёта 50% расчётного количества.

Помещение в котором осуществлялась данная дипломная работа, относится к категории (б).

Таблица 4.4 - Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности

Категория Помещений	Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении.
А Взрывопожаро-опасная	Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28?С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчётное избыточное давление, взрыва в помещении, превышающее 5 кПа. Вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчётное избыточное давление взрыва в помещении, превышает 5 кПа
Б Взрывопожаро-опасная	Горючие пыли и волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28?С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчётное избыточное давление, взрыва в помещении, превышающее 5 кПа.
В Пожароопасная	Горючие и трудно горючие жидкости, твёрдые вещества и материалы(в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категориям А или Б
Г	Негорючие вещества и материалы в горячем раскаленном или расплавленном состоянии процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твёрдые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.
Д	Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии

Особые требования предъявляют к устройству и размещению коммуникаций. Все виды кабелей от трансформаторных подстанций двигатель-генераторных агрегатов прокладывают в металлических газовых трубах вплоть до распределительных щитов или стоек питания. В машинных залах кабельные линии прокладывают под технологическими съёмными полами, которые выполняют из негорючих или трудногорючих материалов с пределом огнестойкости 0.5 часа .

Подпольные пространства под съёмными полами разделяют несгораемыми перегородками с пределом огнестойкости не менее 0,75 часа на отсеки площадью не более 250, коммуникации через которые прокладывают в специальных обоймах с применением негорючих уплотняющих материалов.

4.3 Оценка возможности опасных и вредных производственных факторов

В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий труда на человека могут воздействовать, как известно, опасные и вредные производственные факторы.

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, которые обеспечивают безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Опасный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др.

Вредный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

При проектировании и организации работы в вычислительных центрах (ВЦ) необходимо учитывать опасные и вредные факторы. Из опасных факторов внимание следует обращать на электроопасность и пожароопасность. Также надо обращать внимание на такие вредные факторы, как повышенный уровень шума и вибрация, повышенная или пониженная температура внешней среды, отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, статическое электричество, ионизирующее излучение, ионизация воздуха, электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля, микроклиматические параметры и чистота воздуха.

Электроопасность. Электрические установки, к которым относится почти все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека.

Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических сред, что вызывает в них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава. Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма.

Любое из перечисленных воздействий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ 12.1.009-76).

Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов: величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушения дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др. Нарушение сердечной деятельности может привести к смерти.

Пожароопасность. В современных ЭВМ высокая плотность размещения элементов электронных схем, близость друг к другу соединительных проводов, коммутационных кабелей представляют серьезную пожароопасность. Источником пожара может быть короткое замыкание, искрение или например чрезмерный нагрев.

Опасность при пожаре представляют: токсичные продукты горения, выделяемые горящими материалами и предметами (теплоизоляционные, акустические, декоративные и другие синтетические отделочные материалы), воздействие огня и высокие температуры.

Воздействие этих факторов на человека может привести к отравлению, тепловым ударам, ожогам различной степени и смерти.

Шум и вибрация. Для рабочих мест ВЦ характерно наличие всех видов шумов: механического, аэродинамического, электрического. Технические средства создают механический шум, установки кондиционирования, компрессоры - аэродинамический, преобразователи напряжения - электромагнитный.

Проявление вредного воздействия шума на организм человека разнообразно: затруднение разборчивости речи, снижение работоспособности, обратимые и необратимые потери слуха, механическое повреждение органов слуха, воздействие на центральную и вегетососудистую нервную систему (через них на внутренние органы). Может вызвать головную боль, бессонницу, ослабление внимания, ухудшение памяти.

Вибрации также могут неблагоприятно действовать на организм человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечно-сосудистой систем (спазмы сосудов), а также опорно-двигательного аппарата. Они также могут быть причиной головных болей, головокружении, повышенной утомляемости. Возможно также ухудшение состояния желудочно-кишечного тракта, головного и спинного мозга.

Вибрации способны оказывать действие на все органы. Особо вредными считаются колебания с частотой 6…9 Гц, близкой к частоте колебания тела человека. При вибрациях таких частот возникает вредный резонанс, который увеличивает колебания внутренних органов, расширяя их или сужая.

Ионизированное излучение. Экран монитора представляет собой источник бета-и гамма - рентгеновского излучений. Эти излучения являются ионизирующими. При воздействии на человека они могут вызвать образование в организме чужеродных молекул белка с токсическими свойствами. При длительном воздействии ионизирующее излучение может привести к малокровию, образованию злокачественных опухолей. Возможно снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям и другие неблагоприятные эффекты.

При работе за дисплеем особенно подвергаются облучению кожа лица, глаза, головной мозг и кровь. Чрезмерная ионизация воздуха также может негативно влиять на человека.

Электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля.

Низкочастотные электромагнитные поля возбуждает отклоняющая система электронно-лучевой трубки монитора. Источник электростатического поля - прежде всего экран монитора и система формирования электронного луча ЭЛТ.

Переменные магнитные поля образует трансформатор развертки монитора, трансформаторы блоков питания и другие вспомогательные устройства. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, происходит повышение температуры тела. Перегревание органов и тканей ведет к их заболеваниям. Электромагнитные поля могут влиять и непосредственно на клетки, приводя к изменению происходящих в них процессов. Особенно болезненно могут реагировать на электромагнитное поле клетки глаз, мозга, почек, желудка.

Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые и необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение кровяного давления, выпадения волос, ломкость ногтей.

Электростатические поля могут вызвать вторичную электризацию человеческого организма. Это вредное явление способствует развитию дерматита, появлению угрей. Низковольтный разряд способен прекратить клеточное развитие, вызвать помутнение кристаллика. Воздействие магнитных полей на человека может приводить к нарушениям в нервной системе, пищевом тракте, сердечно-сосудистой системе, изменениям в составе крови.

Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная или неправильная освещенность рабочей зоны.

Освещенность помещения ВЦ создается естественным и/или искусственными источниками света. Недостаток освещенности или неправильная освещенность рабочей зоны, как отсутствие или недостаток естественного света приводят к вредным воздействиям на органы зрения и психику человека.

В результате снижается работоспособность, происходит отрицательное психологическое воздействие, длительная адаптация зрения, что приводит к снижению производительности труда.

4.4 Охрана труда при проведении исследований

Нормализация микроклимата: Оптимальными параметрами температуры при почти неподвижном воздухе являются 19єС…21єС, допустимыми 18 єС или 22єС.

Комфортное состояние при данных температурах воздуха определяется влагосодержанием. Оптимальное влагосодержание составляет , допустимое - не ниже (см. табл. 4.1.).

Таблица 4.5 - Содержание абсолютной и относительной влажности воздуха в зависимости от температуры

Темп-ра	Влажность
В Сє	Абсолютная г/м3	Относительная г/м3
	Оптимальная	Оптимальная	допустимая	допустимая
18	10	6	65	39
19	10	6	62	37
20	10	6	58	35
21	10	6	55	33
22	10	6	52	31

Для обеспечения надлежащего микроклимата и качественного состава воздуха, включая аэронный режим в котором исследованиями не предусматривались компьютеры, а их оборудование осуществлялось в других помещениях, необходимо систематически перед началом работы и с периодичностью 45 минут осуществлять проветривание не менее 10 минут.

Наилучший обмен воздуха осуществляется при сквозном проветривании, если позволяют погодные условия, то работа за компьютером должна производиться при открытых окнах.

Другой путь обеспечения воздухообмена, может быть достигнут установлением в оконных рамах автономных кондиционеров.

Режим работы кондиционера должен обеспечить максимально возможное поступление наружного воздуха, но не менее 50% от производительности кондиционера.

В каждом конкретном случае необходим расчет воздухообмена по количеству избытков тепла от машин, людей и солнечной радиации.

Для повышения влажности воздуха можно использовать увлажнители или устанавливать емкости с водой типа аквариумов вблизи отопительных приборов.

В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть для окон солнцезащитные регулируемые устройства типа жалюзи, расположенные снаружи или в межстекольном пространстве.

Освещение. На уровень освещенности помещения оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их ограждающая способность.

Для уменьшения поглощения света потолок и стены свыше 1,5…1,7 м, если они не облицованы звукопоглощающим материалом, окрашиваются белой водоэмульсионной краской ( должен быть не менее 0,7). Допускается окраска стен до потолка цветом панелей. Для окраски стен и панелей рекомендуется применять светлые тона красок (=0,5…0,6). Предпочтение следует отдавать холодным тонам: светло-голубому, светло-зеленому, светло-серому. Допускается окраска стен светло-желтым, светло- бежевым цветом или цветом слоновой кости.

Нельзя окрашивать стены, расположенные напротив экрана монитора, более темными тонами красок (=0,3…0,4).

На окнах монтируются занавеси, по цвету гармонирующие с краской стен. Занавеси не должны пропускать естественный свет и не полностью закрывать оконные проемы. Запрещается применять для окон черные занавеси.

В осветительных установках помещения следует использовать систему общего освещения, выполненную потолочными или подвесными люминесцентными светильниками, равномерно размещенными по потолку рядами, параллельно проемам света, так, чтобы экран монитора находился в зоне защитного угла светильника, и его проекция не приходилась на экран монитора.

Оператор не должен видеть отражение светильников на экране ЭВМ.

Применять местное освещение при работе на ЭВМ не рекомендуется.

Минимальная освещенность рабочей поверхности стола должна быть 100…500 лк. (см. таблицу 4.2).

Таблица 4.6 - Нормы освещенности поверхностей в производственных помещениях

			4
1	2	3	5	6
			7	8	9	10
Высокая точность		А	2000	500	1500	300
	От 0,3	Б	1000	300	750	200
	До 0,5	В	750	300	600	200
		Г	400	200	400	150
Средняя Точность		А	750	300	600	200
	От 0,5	Б	500	200	500	150
	До 1,0	В	400	150	400	100
		Г	300	150	300	100
Малая точность		А	300	200	300	150
	От 1,0	Б	200	150	300	100
	До 5,0	В	200	100	300	50
		Г	200	100	300	50

1- Характеристика зрительной работы по степени точности.

2- Наименьший размер объекта различения, мм.

3- Подразряд зрительной работы.

4- Освещенность, лк.

5- Освещенность при газоразрядных лампах.

6- Освещенность при лампах накаливания.

7, 9 - Комбинированное освещение.

8, 10 - Одно общее освещение.

Яркость экрана должна быть равной Ѕ или более яркости рабочей поверхности стола при освещенности 400…700 лк.

При проектировании осветительных установок с люминесцентными светильниками в помещении целесообразно выбирать коэффициент запаса, равный 1,4.

Допустимая величина дискомфорта, одного из основных качественных параметров осветительных установок, регламентируемого для ограничения прямой блескости, не должны превышать 15. При проектировании осветительных установок следует пользоваться инженерным методом оценки слепящего действия осветительных установок по дискомфорту.

Величина коэффициента пульсации не должна превышать 10%, для чего следует применять многоламповые светильники с компенсирующими ПРА, осуществлять расфазировку светильников при электромонтаже осветительных установок.

Для освещения помещения рекомендуется применять светильники с металлической экранирующей решеткой и непрозрачными боковинами.

В качестве источников света рекомендуется использовать люминесцентные лампы мощностью 40 Вт или энергоэкономичные мощностью 36 Вт.

Светильники должны освобождаться от пыли не менее двух раз в год.

Работа на видеотерминалах может осуществляться при следующих видах освещения:

1. Общем люминесцентном освещении, когда мониторы располагаются по периметру помещения или при центральном расположении рабочих мест в два ряда по длине помещения с экранами, обращенными в противоположные стороны, а также при одно-, трехрядной расстановке рабочих мести с ЭВМ; когда на улице темно, окна должны быть зашторены;

2. Совмещенном освещении (естественное + искусственное) только при одно- и трехрядном расположении рабочих мест, когда экран и поверхность рабочего стола находится перпендикулярно светонесущей стенке;

3. Естественном освещении, когда рабочие места с ЭВМ располагаются в один ряд по длине помещения на расстоянии 0,8…1,0 м от стены с оконными проемами и экраны видеомониторов находятся перпендикулярно этой стене.

Основной поток естественного света при этом должен быть слева. Не допускается направление основного светового потока справа, сзади и спереди работающей ЭВМ.

Солнечные лучи и блики не должны попадать в поле зрения работающей ЭВМ.

При выполнении работы в качестве источников света использовались люминесцентные лампы мощностью 40 Вт.

Шум: Помещение, где проводится расчет на ЭВМ, не должно граничить с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума, а также располагаться вблизи таких помещений.

Уровень шума помещения, свободного от операторов и вычислительной техники, не должен превышать 40 дБ (СН и П 11-12-77 “Защита от шума. Нормы проектирования ”), а уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц - соответственно 63, 52, 39, 28, 20 дБ (см. таблицу 4.3).

Таблица 4.7 - Уровни звукового давления в машинном зале ВЦ (данные спектра в октавных полосах в дБ)

Параметр/ f, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Допустимые значения для помещения	83	74	68	63	60	57	55	54
У одного печатающего устройства	66	56	56	58	62	57	57	52
У двух ПУ	72	62	62	64	68	63	63	58
У одного HDD	72	68	69	67	64	63	58	52
У двух HDD	78	74	75	73	70	69	64	58

Звукоизоляция ограждающих конструкций помещения должна отвечать требованиям согласно главы СН и П 11-12-77.

Во время работы на ЭВМ в помещении уровень шума не должен превышать 50 дБ, а уровни звукового давления в октавных полосах частот со среднегеометрическим значением 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц - соответственно 71, 61, 54, 49, 42, 40 и 38 дБ (ГОСТ ССБТ 12.1003-83 “Шум. Общие требования безопасности”; ”Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах” № 3223-85). Для снижения уровня шума потолок или стены выше панелей (1,5…1,7 м от пола), а иногда и стены и потолок должны облицовываться звукопоглощающим материалом с максимальным коэффициентом звукопоглощения в области частот 63…8000 Гц.

Дополнительным звукопоглощением в помещении могут быть занавеси, подвешенные в складку на расстоянии 15…20 см от ограждения, выполненного из плотной тяжелой ткани. Ширина занавеси должна быть в два раза больше ширины оконного проема.

При проведении исследований уровень звукового шума не превышал 50 дБ (48 дБ), что можно признать удовлетворяющем норме.

Качественный состав воздуха. Содержание кислорода в помещении должно быть в пределах 21…22 об.% Двуокись углерода не должна превышать 0,1 об.%, озон - 0,1 , аммиак - 0,2 , хлористый винил - 0,005 , формальдегид - 0,003.

Количество легких (положительных и отрицательных) ионов должно соответствовать оптимальным значениям: для положительных - 150…300, для отрицательных - 3000…5000. Коэффициент полярности (отношение разности числа положительных и отрицательных ионов к их сумме) должен находиться от - 0,5 до 0 (“Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизации воздуха производственных и общественных помещений” № 2152-80).

В помещении, где используется компьютер, следует ограничивать применение полимерных материалов для оценки интерьера и оборудования. Пол должен иметь поливинилхлоридное антистатическое покрытие (ТУ 21-29-108-84). Двери и стенные шкафы могут быть облицованы поливинилхлоридным декоративным антистатическим материалом (ТУ 400-20-38-3-82).

Запрещается применять для отделки интерьера компьютерного помещения строительные материалы, содержащие органическое сырье: древесно-стружечные плиты (ДСП), декоративный бумажный пластик, поливинилхлоридные пленки, моющиеся обои и др.

Другие факторы. Зрительное и умственное перенапряжение можно уменьшить путем правильной организации рабочего места при работе с компьютером.

При работе на ЭВМ необходимо соблюдать правильную посадку. Работающий за видеотерминалом должен сидеть прямо, опираясь в области нижних углов лопаток на спинку стула, не сутулясь, с небольшим наклоном головы вперед (до 5…7є). Предплечья должны опираться на поверхность стола, снимая тем самым статическое напряжение мышц плечевого пояса и рук. Угол, образуемый предплечьем и плечом, а также - голенью и бедром, должен быть не менее 90є.

Уровень глаз должен приходиться на центр экрана и оптимальное ее отклонение в вертикальной плоскости должно находиться в пределах 10є. Оптимальный обзор в горизонтальной плоскости от центральной оси экрана должен быть в пределах 15є, допустимый - 30є. При рассмотрении информации, находящейся в крайних положениях экрана ЭВМ, угол рассматривания ограниченный линией взора и поверхностью экрана должен быть не менее 45є. Чем больше угол рассматривания, тем легче воспринимать информацию с экрана видеотерминала и меньше будут уставать глаза.

Оптимальное расстояние глаз до экрана монитора должно составлять 60…70 см, допустимое - не менее 50 см. Рассматривать информацию на экране видеотерминала ближе 50 см не рекомендуется.

Для предупреждения развития переутомления обязательными условиями являются:

1. Осуществление перерыва после каждого академического часа работы длительностью не менее 15 минут, независимо от ее вида;

2. Проведение во время перерыва проветривания помещения (желательно сквозное);

3. Осуществление во время перерыва подвижной паузы в течении 3…4 минут:

4. Через каждые 20…25 минут работы на видеотерминале осуществлять упражнения для глаз. Комплекс упражнений рекомендуется менять не реже одного раза в 2…3 недели.

Уровень неиспользованного рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от экрана и других поверхностей ЭВМ не должен превышать 100 мкР/ч.

Напряженность электростатического поля на рабочем месте при работе на видеотерминале должна быть не более 15 кВ/м.

В целях предупреждения электрических травм запрещается работать на незаземленных мониторах, а также на мониторах, у которых нарушен внешний вид (повреждена поверхность корпуса и ЭЛТ и т.п.), имеются нехарактерные сигналы, нестабильное изображение на экране ЭДТ и др.

Помещения должны быть оснащены устройствами защитного отключения. Электрические розетки, находящиеся на рабочих местах операторов, должны быть расположены в труднодоступном месте. Свободные розетки должны быть закрыты заглушками. Должны быть соблюдены нормы, препятствующие легкому извлечению сетевых вилок из розеток (на розетках устанавливаются защитные кожухи).

Средства вычислительной техники должны быть установлены и подключены в строгом соответствии с инструкциями по их эксплуатации и заземлены. Провода электропитания не должны свешиваться со столов или висеть под столами. Должна быть исключена возможность случайного касания ногами проводов или электрических розеток.

Операторы не должны иметь легкого доступа к задним панелям видеотерминалов.

ЭВМ должны находиться на столах в устойчивом положении, а столы должны быть прикреплены к полу. Средства вычислительной техники должны иметь чехлы, предохраняющие их от пыли.

Для снижения пыли в помещении с компьютером рекомендуется:

1) не входить в помещение, где установлены видеотерминалы, в уличной обуви;

2) на входе в помещение необходимо предусмотреть шкаф с полками для хранения портфелей и сумок, или же встроенный шкаф:

3) ежедневно проводить уборку помещения влажным способом и протирать экраны и корпус видеомонитора.

4.5 Инженерный расчет экранировки экспериментальной установки

Основной целью электромагнитной экранировки установки является не допущение воздействия СВЧ - мощности на обслуживающий персонал. Для частот свыше 300 МГц установлена максимальная мощность длительного (несколько часов) воздействия на человека и она равна 10 .

Экранирование производится металлом, толщиной 3 мм. Защитные свойства обусловлены тем, что электромагнитное поле создает на экране токи Фуко, наводящие в нем вторичное поле по амплитуде примерно равное, а по фазе противоположное экранируемому. Результирующее поле, возникающее при сложении этих двух полей очень быстро убывает в экране, проникая на незначительную глубину.

В исследованиях применяется частота 2450 МГц, получаемые выходные мощности находятся в пределах до 1,0 кВт при следующих геометрических размерах установки размерах установки: 1200 мм 34мм72мм.

Таким образом, в объем резонаторной камеры излучается СВЧ мощность - 1 кВт, и следовательно можно определить величину мощности, приходящейся на единицу поверхности волноводной камеры:

(4.1)

Экранирование производится листами стали, толщиной (z = 3 мм).

Величину мощности СВЧ - излучения из СВЧ - устройства можно рассчитать из уравнения:

(4.2)

В этом выражении:

- плотность мощности излучения внутри установки;

- плотность мощности излучения из установки;

z - толщина металлического стального листа;

- постоянная затухания СВЧ - мощности в медном листе.

Величина постоянной затухания может быть определена по формуле:

(4.3)

В этом выражении:

f - частота колебаний электромагнитного поля, ;

- проводимость меди, ( ) ;

- относительная магнитная проницаемость стали;

- абсолютная магнитная проницаемость ;

Таким образом, величина СВЧ - мощности, которая излучается из установки равна нулю, и следовательно, удовлетворяет всем требованиям по безопасным условиям работы обслуживающего персонала.

В России в настоящее время действуют следующие нормативные документы:

1. ГОСТ 12.1.006 - 84 “Система безопасных условий труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допускаемые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”;

2. Отраслевые “Правила техники безопасности и производственной санитарии в электронной промышленности”, разделы К, Н, согласованные с Министерством электронной промышленности СССР от 16 февраля 1983 г.

Оба указанные документа устанавливают в качестве безопасной нормы, при 8 часовом рабочем дне, уровень плотности потока мощности не более 10 .

4.6 Основные требования к помещению для СВЧ - установки

Установка является экологически чистой, не содержит вредных выбросов в атмосферу и обеспечивает обеззараживание грунта под рассаду.

СВЧ - установка для обезжиривания грунта под рассаду изготовлена в исполнении УХЛ категория 3 по ГОСТ 15150-69 и предназначена для работы в сухом помещении, при температуре от +5°С до +40°С; относительной влажности воздуха до 98% при температуре +25°С и более низких без конденсации влаги, атмосферном давлении 745 мм.рт.ст. в среде невзрывоопасной, не содержащей пыли и капель воды в количестве снижающем параметры источников СВЧ - энергии в допустимых пределах.

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Воздействие электромагнитного излучения на человека

О вредном воздействии на здоровье человека электромагнитного излучения высоковольтных ЛЭП уже много писали, но, оказывается, наши квартиры, опутанные электрическим кабелем и переполненные бытовыми приборами, не намного безопаснее. Речь пойдет о воздействии на людей магнитных полей, которые создаются некоторыми бытовыми электроприборами, а в основном разнообразным электротехническим оборудованием здания: кабельными линиями, подводящими электричество ко всем квартирам, системами энергоснабжения лифтов. В России не установлены предельно допустимые уровни переменного магнитного поля частотой 50 Гц для населения, поэтому этот вид излучения не контролируется органами санэпидемнадзора в жилищах и для бытовых приборов. А вот в Швеции цифра 0,2 мкТл фигурирует уже в обязательных к исполнению существующих правил, и в них рекомендовано снижать уровень поля, насколько это позволяют сделать современные технические средства.

В результате исследований населения в Швеции установлено, что у тех, кто живет в условиях повышенного (более 0,1 мкТл) уровня магнитного поля промышленной частоты, риск развития лейкемии у детей возрастал в 3,6 раза с повышением уровня магнитного поля от 0,1 мкТл до 0,4 мкТл.