CC BY
14УДК 621.309:613.62
Б.Н. Городецкий1, Т.В. Каляда2, С.В. Петров1
ОПЫТ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
1 Крыловский государственный научный центр,д.44,Московское шоссе, Санкт-Петербург 196158, Россия 2 «Северо-Западный научный центр гигиены и общественного здоровья», дом 4, 2-я Советская ул., Санкт-Петербург 191036, Россия
Рассмотрены вопросы создания специализированной медико-технической лаборатории, предназначенной для проведения медико-биологических исследований влияния мощного высокочастотного электромагнитного излучения на различные биологические объекты. Приведен пример создания подобной лаборатории, описаны её конструктивные особенности, назначение и основные характеристики входящих в неё установок.
Ключевые слова: биологический объект, электромагнитное излучение, испытательная лаборатория.
B.N.Gorodetsky1, TV.Kalyada2, SV.Petrov1. Experience of the development special medical technical laboratory for studies of effects caused by potent electromagnetic radiation in biologic objects
Krylov State Research Center, 44, Moskovskoe shosse, Saint-Petersburg 196158, Russia
2North-West Public Health Research Center, 4, 2-ya Sovetskaya, Saint-Petersburg 191036, Russia
The article covers topics of creating special medical technical laboratory for medial and biologic studies concerning influence of potent high-frequency elecromagnetic radiation on various biologic objects. The authors gave example of such laboratory, described its construction features, purpose and main characteristics of the included devices.
Key words: biologic object, electromagnetic radiation, test laboratory.
Результаты многочисленных медико-биологических исследований [1-4,7 и др.] показывают, что внешние электромагнитные воздействия оказывают существенное влияние на различные биологические объекты, включая и человека. В этой связи в настоящее время как в РФ [5,6], так и за рубежом [8,9] существует гигиеническая регламентация воздействий внешних электромагнитных полей (ЭМП) в фиксированных частотных диапазонах. В основу регламентации заложен принцип исключения вредного влияния ЭМП на состояние здоровья работающих на протяжении всего периода их трудовой деятельности и отдаленных негативных последствий. При этом регламентируются предельно допустимые уровни ЭМП различных частотных диапазонов, а основным источником репрезентативных данных являются результаты экспериментальных исследований по изучению биологического действия ЭМП и клинических наблюдений.
Изучение указанных механизмов воздействий на биологические объекты в широком диапазоне частот и определение достоверных значений предельно допустимых уровней этих воздействий производится, как правило, на основе экспериментальных исследований с использованием соответствующего специализированного оборудования, позволяющего имитировать электромагнитные воздействия с заданными ампли-
тудно-временными и спектральными частотными параметрами в лабораторных условиях.
Следует отметить, что номенклатура возможных вариантов внешних воздействий является достаточно широкой и охватывает воздействия как естественного, так и искусственного (техногенного) происхождения. Однако наибольшую опасность для биологических объектов представляют преднамеренные электромагнитные воздействия искусственно созданные для поражения человека. К их числу относятся импульсное излучение источников ядерно-физического происхождения, мощное монохроматическое высокочастотное излучение, а также излучение в виде последовательных мощных сверхширокополосных импульсов.
Применительно к этой группе электромагнитных воздействий на базе ФБУН «СЗНЦ гигиены и общественного здоровья» была создана специализированная медико-техническая лаборатория, предназначенная для исследования биофизических механизмов поражения биологических объектов, а также разработки и оценки эффективности технологий средств защиты. Разработка и введение в строй лаборатории явились результатом совместной работы ряда организаций: «СЗНЦ гигиены и общественного здоровья», ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и 23 ГМПИ филиала ОАО «31 ГПИСС». Основная цель, которая преследовалась разработчиками испы-
тательной лаборатории при её создании, заключалась в оснащении лаборатории специализированными установками, которые позволяли бы имитировать в лабораторных условиях излучение основных известных источников преднамеренных электромагнитных воздействий указанного типа.
Рассмотрим структуру лаборатории, а также перечень используемого испытательного оборудования и его технические характеристики. Испытательная лаборатория представляет собой объединённый в единое целое комплекс специализированных установок (имитаторов электромагнитного поля) и аппаратуры, установленных в специальным образом оборудованном помещении. Общая компоновка лаборатории представлена на рис. 1.
В состав лаборатории входят:
— имитатор электромагнитных импульсов ИИН-100;
— имитатор электромагнитного поля ИП-3;
— установка для воспроизведения сверхширокополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ);
— комплект измерительной аппаратуры и оборудования;
— средства визуализации измерений;
— средства видеонаблюдения за ходом экспериментальных исследований.
Общий вид специализированной испытательной лаборатории представлен на рис. 2.
Испытательная лаборатория представляет собой помещение, полностью закрытое со всех сторон сплошным металлическим экраном из листовой стали, включая оконные проёмы и входную дверь. С целью исключения возможного переотражения сигналов помещение лаборатории (лабораторный зал) изнутри частично покрыто специальным радиопоглощающим
материалом (РПМ) с эффективным коэффициентом отражения не более 30 дБ в диапазоне рабочих частот от 300 МГц до 37,5 ГГц. Расположенный внутри помещения лаборатории РПМ позволяет в рабочей зоне установок воспроизводить мощные электромагнитные воздействия с плотностью потока электромагнитной энергии на его поверхности до 1 кВт/м2.
Внутри экранированного помещения лаборатории расположены испытательные установки и имитаторы источников электромагнитного излучения, а также датчики измерительной аппаратуры и видеонаблюдения, вентиляционная и осветительная системы. Управление всеми установками и системами стенда осуществляется оператором извне (из операторской) с помощью дистанционных средств управления и наблюдения, для чего в конструкции помещения лаборатории предусмотрены специальные экранированные кабельные проходы.
Что касается собственно испытательных установок и имитаторов, предназначенных для воспроизведения электромагнитного излучения, то их в составе лаборатории несколько образцов. Они отличаются друг от друга характеристиками и параметрами воспроизводимых сигналов — такими, как вид сигналов и способ их формирования, частотный диапазон, величина напряжённости электрического и магнитного полей, мощность излучения, частота повторения сигналов, способ полеобразования. Ниже приведена краткая характеристика используемых установок и имитаторов.
Имитатор электромагнитных импульсов ИИН-100 предназначен для имитации импульсных электромагнитных воздействий ядерно-физических источников излучения. Имитатор формирует в объёме устройства полеобразования (полосковой линии) однократные или повторяющиеся импульсы
Рис. 1. Специализированная испытательная лаборатория
Рис. 2. Общий вид специализированной испытательной лаборатории
электромагнитного поля (ЭМП) со следующими характеристиками:
— вид сигнала — импульсный, типа «двойной экспоненты»;
— длительность фронта импульса ЭМП по уровню 0,9 амплитуды — не более 5нс;
— длительность импульса ЭМП по уровню амплитуды — 25нс;
— амплитудное значение напряжённости электрического (Е) поля — до 100 кВ/м;
— амплитудное значение напряжённости магнитного (Н) поля — 270 А/м;
— временной интервал между импульсами — 1-3 с.
Конструктивно имитатор ИИН-100 состоит из зарядного устройства, генератора импульсных напряжений, обостряющего устройства, полосковой линии и дистанционного пульта управления. Основным функциональным элементом установки является высоковольтный генератор импульсов (ГИН). Он выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и работает в накопительном режиме. ГИН обеспечивает формирование в устройстве полеобразования импульса высокого напряжения или их последовательности с требуемыми характеристиками. Полеобразующая система представляет собой двухпроводную горизонтальную полосковую линию с волновым сопротивлением в 150 Ом. В её рабочем объёме размером 2x0,6x0,6 м формируется плоская электромагнитная волна с вертикальной поляризацией Е-поля.
Имитатор электромагнитного поля ИП-3 предназначен для имитации работы источников микроволнового электромагнитного излучения. Имитатор воспроизводит в рабочей зоне электромагнитное излучение в виде периодической последовательности сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсно-модулированных сигналов с монохроматической несущей частотой, изменяемой амплитудой и длительностью импульсов. Параметры сигналов, воспроизводимые имитатором, имеют следующие значения:
— частота излучения (несущая частота) — 2,5 ГГц;
— плотность потока энергии на расстоянии 1м от среза излучающей антенны — не менее 200 Вт/м2;
— скважность модулирующего импульса — 11/18 с.
Конструктивно имитатор ИП-3 состоит из блока СВЧ излучения и дистанционного пульта управления. В основе работы блока СВЧ лежит мощный магнетрон, который формирует на выходе прямоугольной излучающей антенны с апертурой 250x300 мм высокочастотное ЭМП с вертикальной поляризацией Е-поля.
Установка для воспроизведения СШП электромагнитных импульсов. Её включение в лабораторный комплекс обусловлено устойчивой современной тенденцией широкого использования в различных технических приложениях (радиолокация, геодезия, медицинская техника, беспроводная связь, радиоэлектронная борьба и др.) генераторов сверхкоротких СШП электромагнитных импульсов. Воспроизводимые подобными генераторами электромагнитные импульсы характеризуются очень широким частотным спектром с диапазоном в несколько единиц и десятков гигагерц и обладают очень высокой проникающей способностью, порой несоизмеримой с другими источниками электромагнитного излучения. Биологический аспект действия излучения подобного рода изучен слабо. Создатели лаборатории полагают, что исследования, проводимые с помощью упомянутой СШП установки, позволят восполнить этот пробел.
Используемая СШП установка выполнена на основе полупроводникового генератора СШП импульсов и антенной решётки разработки петербургской фирмы «ФИД-Техника». Конструктивно генератор состоит из набора отдельных модулей, автономно обеспечивающих возбуждение каждого из своего ТЕМ-рупора антенной решетки. Конструкция антенной решетки выполнена в виде набора таких ТЕМ-рупоров, на выходе которой формируется последовательность сверхкоротких электромагнитных импульсов со следующими характеристиками:
— вид сигнала — импульс, немодулированный биполярный;
— длительность переднего фронта импульса на уровне 0,9 амплитуды — 90-120 пс;
— длительность импульса на уровне 0,5 амплитуды — 200-300 пс;
— затухание электрического поля (Ехг) на расстоянии 10 м — 15-16 кВ/м;
— диапазон частот — 0,5-5 ГГц;
— частота повторения импульсов — 1-5кГц.
Помимо упомянутых выше установок и имитаторов испытательная лаборатория также оснащена набором средств, предназначенных для измерения и визуализации параметров создаваемого ЭМП. Имитатор импульсов ИИН-100 имеет встроенный емкостной датчик. С его помощью в рабочей зоне имитатора осуществляются измерения параметров
напряжённости Е-поля и отображения их текущих значений в темпе эксперимента на экране внешнего быстродействующего осциллографа (тип TDS3052B фирмы «Tektronix»). Для измерения в рабочих зонах установок и имитаторов осреднённых характеристик электромагнитного излучения — таких как плотность потока мощности, напряженностей электрического и магнитного поля используется многофункциональный измеритель типа П3-41 с возможностью его дистанционного управления и передачей измерительной информации по удалённому интерфейсу RS-232 посредством оптоволоконного кабеля. Кроме того, испытательная лаборатория также оснащена стационарной системой удалённого видеонаблюдения и портативным устройством, включающим в себя переносную видеокамеру и встроенный тепловизор.
Заключение. В настоящее время медико-техническая лаборатория успешно введена в эксплуатацию. Проведены лабораторные испытания её оборудования и систем, которые подтвердили соответствие их параметров предъявляемым требованиям. В рамках Федеральной целевой программы проводятся экспериментальные исследования по разработке принципов оценки безопасности экипажей кораблей в условиях воздействия мощного высокочастотного электромагнитного излучения. В качестве испытуемого биологического материала в проводимых экспериментах используются разного вида подопытные животные.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (см. REFERENCES пп.7-9)
1. Влияние СВЧ излучений на организм человека и животных. Под. Ред. Петрова И.Р. — Л.: Медицина, 1970.
2. Гигиеническая оценка и биологическое действие прерывистых микроволновых облучений. Под ред. Б.М. Савина. — М., 1983. — 139 с.
3. Гигиенические аспекты и биологическое действие модулированных ЭМП диапазона радиочастот. Под ред. Т.В. Каляда. — М., 1990. — 91 с.
4. Малышев В.М., Колесник Ф.А. ЭМ волны СВЧ и их воздействие на человека. — Л.: Медицина, 1968. — 80 с.
5. СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях».
6. СанПиН 2.2.4.1329-03 «Требования по защите персонала от воздействия импульсных электромагнитных полей».
REFERENCES
1. Petrov I.R., ed. Influence of WHf rays on humans and animals. — Leningrad, Meditsina, 1970 (in Russian).
2. Savin B.M., ed. Hygienic evaluation and biologic effects of interrupted microwave rays. — Moscow, 1983. — 139 p. (in Russian).
3. Kalyada TV., ed. Hygienic aspects and biologic effects of modulated radiowaves in electromagnetic field range. — Moscow, 1990. — 91 p. (in Russian).
4. Malyshev V.M., Kolesnik F.A. Electromagnetic waves in WHF range and their effects in humans. — Leningrad, Meditsina, 1968.
— 80 p. (in Russian).
5. SanPiN 2.2.4.1191-03 «Electromagnetic fields in occupational conditions» (in Russian).
6. SanPiN 2.2.4.1329-03 «Requirements on personnel protection against impulse electromagnetic fields» (in Russian).
7. Biological Effects and Health Hazard of microwave Radiation. — Warsaw, 1974. — 235 p.
8. ICNIRP Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 hr) Health & physics 74 (4). — Р. 494-522, 1998.
9. IEEE Standart for safety levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE Std. C95.1 — 2005 (Revision of IEEE Std. C95.1
— 1991). Copyright © 2006 by the Institute of Electrical and Electronics Engineers. Inc. April 2006. — P.250.
Поступила 23.12.2014
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Городецкий Борис Николаевич,
нач. сект. «Крыловский государственный научный центр», канд. техн. наук., вед. науч. сотр. Е-mail: bngor46@gmail. com.
Каляда Таисия Васильевна,
вед. науч. сотр. ФБУН «СЗНЦ гигиены и общественного здоровья, д-р мед. наук, проф. E-mail: [email protected]. Петров Сергей Владимирович,
ст. науч. сотр. «Крыловский государственный научный центр», канд. техн. наук. E-mail: [email protected].
