張仲元 易蔓 段墨馨 魏慧 董續(xù)豪 魏環(huán)

(華北理工大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系 河北 唐山 063210)

1 引言

電磁波將電磁場(chǎng)的能量以波的形式向空間傳播的現(xiàn)象又稱電磁輻射．電磁輻射可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低，對(duì)有生命或無(wú)生命的物質(zhì)產(chǎn)生損害作用，這種現(xiàn)象被稱為電磁輻射污染[1，2]．由于人體的生命活動(dòng)中包含著一系列的生物電活動(dòng)，這些生物電對(duì)環(huán)境的電磁波非常敏感，因此，電磁輻射可以對(duì)人體造成影響和損害．根據(jù)流行病學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率和強(qiáng)度的電磁輻射會(huì)對(duì)人體造成不同程度的損害和影響，長(zhǎng)期過(guò)量的電磁輻射還會(huì)對(duì)人體的生殖、神經(jīng)和免疫等系統(tǒng)造成傷害，甚至成為心血管疾病、糖尿病、癌突變的主要誘因[3，4]．

目前，世界許多國(guó)家針對(duì)電磁輻射的安全性，在各自研究的基礎(chǔ)上制定了相應(yīng)的 “國(guó)家防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)”．我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(包括“衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”和“環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)”)，是由衛(wèi)生部和國(guó)家環(huán)保局分別制訂的，其中，衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)是以電磁輻射強(qiáng)度及其頻段特性對(duì)人體可能引起潛在性不良影響的閾值為界, 將環(huán)境電磁波容許輻射強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分為二級(jí), 超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)地區(qū), 對(duì)人體可能帶來(lái)有害影響．而環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)采用了限值概念，并以SAR(比吸收率)作為了基本安全限值[5]．

大學(xué)里的電工電子實(shí)驗(yàn)室與物理實(shí)驗(yàn)室中有許多電工電子儀器設(shè)備，如變壓器、穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器等等，這些儀器在工作狀態(tài)下都是產(chǎn)生電磁輻射的污染源．大學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為教學(xué)場(chǎng)所，儀器設(shè)備的擺放相對(duì)密集，教學(xué)人員人數(shù)較多，但是調(diào)研顯示，截至目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電磁輻射安全性的研究主要集中在工業(yè)、商業(yè)辦公場(chǎng)所、通信基站周邊以及一般的家庭上面，尚未有關(guān)于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室輻射安全性的評(píng)估報(bào)道．

因此，依據(jù)國(guó)家電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)這類實(shí)驗(yàn)室電磁輻射的安全性進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，為在實(shí)驗(yàn)室工作和學(xué)習(xí)的師生提供電磁輻射防護(hù)方面的科學(xué)建議，是十分必要的．

2 檢測(cè)目標(biāo)與檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)目標(biāo)

華北理工大學(xué)作為綜合性大學(xué)，其實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置是能夠反映出同類院校的共性的，對(duì)其研究所獲得的結(jié)論能夠適用于同類院校的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室．

最初的檢測(cè)計(jì)劃是將華北理工大學(xué)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室和電工電子技術(shù)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室(包括模擬電子技術(shù)[6]實(shí)驗(yàn)室和電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室)選作電磁輻射的檢測(cè)研究對(duì)象，但因電工電子技術(shù)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，能夠產(chǎn)生電磁輻射的儀器設(shè)備要比物理實(shí)驗(yàn)室的種類多、數(shù)量大、擺放密度大、各類儀器同時(shí)工作的頻率也大，因此，我們最終將模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室作為了電磁輻射的重點(diǎn)檢測(cè)與評(píng)估對(duì)象．

2.2 檢測(cè)儀器

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)的15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所采用的信號(hào)均在1 kHz～2 kHz的頻率范圍，電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的則是50 Hz工頻三相交流電，均屬于低頻波段．我校應(yīng)用物理專業(yè)的輻射與防護(hù)實(shí)驗(yàn)室為檢測(cè)提供了高、低頻段的電磁輻射測(cè)試儀，其中，型號(hào)為TES-92高頻電磁輻射測(cè)試儀的檢測(cè)范圍為50 MHz～3.5 GHz．我們使用高頻測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電磁輻射進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，無(wú)論實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行，室內(nèi)高頻段電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值基本不變，約為0.7 V/m，參照GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》，這個(gè)數(shù)值低于國(guó)家給出的高頻波段的電磁輻射安全限制，由此可知，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所進(jìn)行的學(xué)生實(shí)驗(yàn)沒(méi)有造成新的、可觀測(cè)到的高頻輻射．基于這一檢測(cè)結(jié)果，我們對(duì)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)全程使用的是LZT-1150型檢測(cè)儀，該型號(hào)檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍是5 Hz～400 kHz，能夠滿足檢測(cè)的需求．對(duì)于低頻電磁輻射，儀器采集的物理量為電場(chǎng)強(qiáng)度．

2.3 檢測(cè)方案

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室中每一組實(shí)驗(yàn)臺(tái)上均有示波器、信號(hào)發(fā)生器、模擬電子實(shí)驗(yàn)箱、交流數(shù)字毫伏表共4種類型的儀器，這4種儀器在實(shí)驗(yàn)中均同時(shí)啟用，因此，我們確立了如下檢測(cè)方案：

(1)在全部實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)啟之前，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的背景電磁輻射情況進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，以排除外部電磁輻射對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響．

(2)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)均在實(shí)驗(yàn)室全部?jī)x器進(jìn)入工作狀態(tài)一小時(shí)之后進(jìn)行采集．理由是，此時(shí)由各類實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生的電磁輻射的空間分布能夠趨于穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電磁輻射的空間濃度也能夠達(dá)到最大．

(3)對(duì)處于工作狀態(tài)的每臺(tái)儀器周圍的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行測(cè)量，以了解它們各自的輻射特點(diǎn)；對(duì)在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的每張實(shí)驗(yàn)臺(tái)，按不同方位、不同距離檢測(cè)電磁輻射數(shù)據(jù)，即檢測(cè)的空間范圍包括實(shí)驗(yàn)人員正常操作范圍，以給出對(duì)實(shí)驗(yàn)室電磁輻射安全的多維度(人機(jī)安全距離、儀器擺放密度、實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的距離等)的科學(xué)評(píng)估．

2.4 電磁輻射的安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射進(jìn)行安全性評(píng)估所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》[7]，如表1所示.

表1 公眾曝露控制限值[7]

2.5 數(shù)據(jù)處理軟件

使用Origin 2018 64Bit軟件對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理．

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)與安全性評(píng)估

3.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的安全性評(píng)估

全部實(shí)驗(yàn)儀器啟用之前，我們檢測(cè)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電磁輻射情況，在5 Hz～400 kHz范圍內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為零，表明實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境輻射污染可以忽略．

3.2 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的輻射檢測(cè)與安全性評(píng)估

利用模擬電子實(shí)驗(yàn)箱，能夠完成10多種不同功能、不同目的的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)．我們?cè)趯?duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電磁輻射檢測(cè)時(shí)選擇了共集電極放大電路作為實(shí)驗(yàn)樣本，采用的輸入信號(hào)為1 kHz的正弦交流信號(hào)．除模擬電子實(shí)驗(yàn)箱外，實(shí)驗(yàn)中還需使用信號(hào)發(fā)生器、示波器及交流數(shù)字毫伏表3類儀器，如圖1所示．

圖1 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的儀器

3.2.1 3類儀器的電磁輻射分布

信號(hào)發(fā)生器、示波器及交流數(shù)字毫伏表這3類儀器工作時(shí)均產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射測(cè)試儀測(cè)得上述3類儀器表面處的輻射值如表2所示．檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在儀器后方電源線處．儀器表面場(chǎng)強(qiáng)衰減至零的距離如表3所示．

參照GB8702-2014標(biāo)準(zhǔn)，這3類儀器表面處的輻射基本都超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的安全限值(1 000 Hz,200 V/m)．與此同時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度在空氣中衰減迅速，距儀器表面10 cm處場(chǎng)強(qiáng)均已衰減為零，如表3所示．

表2 3類儀器表面的電場(chǎng)強(qiáng)度

表3 電場(chǎng)強(qiáng)度衰減至零的表面距離

3.2.2 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱的電磁輻射分布

(1)模擬電子實(shí)驗(yàn)箱的操作面板如圖2所示，其中包括多種不同功能的電路區(qū)、元件區(qū)和電源區(qū)．圖3為本次檢測(cè)采用的共集電極放大電路實(shí)驗(yàn)的電路工作區(qū)和電源區(qū)位置示意圖．實(shí)驗(yàn)箱面板上電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在電源區(qū)，數(shù)值為1 029V/m，圖4描述了距實(shí)驗(yàn)箱面板上方10cm處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況．

圖2 實(shí)驗(yàn)箱面板

圖3 共集電極放大電路工作區(qū)及電源區(qū)位置的示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)箱面板上方10 cm處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線

(2)表4和表5分別給出了操作面板電源區(qū)正上方以及電路工作區(qū)正上方的電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離衰減的檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖5為電源區(qū)正上方的電場(chǎng)強(qiáng)度在空氣中隨距離衰減的曲線．可見(jiàn)，在電源區(qū)上方10cm處，電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)衰減至安全限值200V/m以內(nèi)．

圖5 電源區(qū)上方電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離衰減的曲線

表4 電源區(qū)正上方電場(chǎng)強(qiáng)度衰減

表5 實(shí)驗(yàn)電路的工作區(qū)上方電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的衰減

(3)在共集電極放大電路中，實(shí)驗(yàn)箱前方表面處的場(chǎng)強(qiáng)最大值為225V/m，在10cm處即衰減至100V/m．距后方表面10cm處場(chǎng)強(qiáng)為232V/m，20cm處已衰減為零．

3.3 電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射檢測(cè)與安全性評(píng)估

在電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，我們選取了三相異步電動(dòng)機(jī)的控制電路作為樣本實(shí)驗(yàn)，電源電壓為工頻三相交流電．因控制電路面板上分布有很多連接導(dǎo)線，檢測(cè)結(jié)果顯示，導(dǎo)線附近電磁輻射最強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度甚至能夠達(dá)到1 950V/m．但是，由于50Hz交流電場(chǎng)強(qiáng)度安全限值為4 000V/m，因此，由控制電路實(shí)驗(yàn)形成的電磁輻射均在安全限值范圍內(nèi)．

4 對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室電磁輻射防護(hù)措施的建議

我們依據(jù)上述對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射安全性的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室電磁輻射防護(hù)措施提出以下建議.

第一,電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的電工電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)在工作狀態(tài)下造成的電磁輻射強(qiáng)度較低，均在安全限值以內(nèi)，無(wú)需采取特殊防護(hù)措施．

第二,模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電磁輻射主要集中在儀器表面和模擬電子實(shí)驗(yàn)箱的穩(wěn)壓電源和電路工作區(qū)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度甚至超過(guò)安全限值的5倍，載流導(dǎo)線集中的地方輻射也很強(qiáng)．由于電磁輻射在空氣中衰減迅速，因此，建議實(shí)驗(yàn)者與儀器之間應(yīng)保持10cm的安全距離．

第三,對(duì)儀器擺放密度的建議：面對(duì)面放置的兩張實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的儀器擺放距離必須大于40cm,這個(gè)距離可以確保彼此不會(huì)給對(duì)方實(shí)驗(yàn)操作者造成電磁輻射污染．

第四,信號(hào)在1kHz～2kHz頻率范圍內(nèi)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)不會(huì)造成可檢測(cè)到的高頻電磁污染，因此，實(shí)驗(yàn)室只需要對(duì)來(lái)自周圍環(huán)境的高頻電磁輻射加以防范．

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目針對(duì)“大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射安全狀況”這一課題展開(kāi)了調(diào)查研究．通過(guò)對(duì)華北理工大學(xué)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和電工學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射情況的檢測(cè)與評(píng)估發(fā)現(xiàn)，在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，的確存在著超出國(guó)家電磁輻射安全限值的輻射污染區(qū)，為此，本文在對(duì)上述實(shí)驗(yàn)室的電磁輻射檢測(cè)情況給出具體描述的同時(shí)，也對(duì)如何有效防范實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電磁輻射污染提出了相應(yīng)的科學(xué)建議．本文給出的結(jié)論和建議適用于同類院校的實(shí)驗(yàn)室．