НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

"Для службового користування"

Прим. ________

Сахацький Віталій Дмитрович

УДК 504.064:658.562:537.874

РОЗВИТОК МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ КОНТРОЛЮ І ЗАХИСТУ

НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА ВІД ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ

ВИПРОМІНЮВАНЬ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2001

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Українській інженерно- педагогічній академії Мiнiстерства освiти і науки України, м.Харків.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Боличевцев Олексій Дмитрович,

Українська інженерно- педагогічна академія,

завідувач кафедри автоматики та радіоелектроніки,м. Харків.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гурин Анатолій Григорович,

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри електроізоляційної і кабельної техніки.

доктор технічних наук, професор

Хандецький Володимир Сергійович,

Дніпропетровський національний університет,

завідувач кафедри електронно- обчислювальної техніки.

доктор технічних наук, доцент

Гальченко Володимир Якович,

Луганський державний медичний університет,

завідувач кафедри медичної кібернетики, біофізики та

медичної апаратури.

Провідна установа: АТ “Науково- дослідний інстітут радіотехнічних

вимірювань” Національного космічного агенства

України, м. Харків.

Захист відбудеться 17.01.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 16.12.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час електромагнітні поля (ЕМП) ввійшли в розряд нових шкідливих екологічних факторів, що несприятливо впливають на навколишнє середовище, на технічний стан радіоелектронних засобів (РЕЗ) і обслуговуючий їх персонал.

Проблеми контролю і обмеження шкідливого впливу екологічних факторів відносяться до проблем державного значення. У розділі "Державна система екологічного моніторингу" Постанови Верховної Ради України від 5 березня 1998р. № 188/98- ВР "Про основні напрями державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки" відзначається необхідність вирішення наступних задач: "...прогнозування стану середовища життєдіяльності суспільства та умов функціонування екосистем для прийняття управлінських рішень", "...підвищення оперативності одержання та достовірності первинних даних за рахунок використання досконалих методик". Постановою запропоновано: "... розробити і втілити архітектурно- планувальні заходи, заходи захисту окремих об'ектів...", "... нормалізація умов життєдіяльності населення".

Нормалізація параметрів ЕМП у довкіллі здійснюється за допомогою організаційних і технічних методів і засобів захисту. Для контролю їхньої якості використовують різні види неруйнівного контролю. Найбільше поширення в практиці захисту від електромагнітних випромінювань знайшли такі види контролю як радіохвильовий, вихретоковий, електричний і проникаючих речовин.

Основними вимірюваними фізичними параметрами, що використовуються для діагностики методів і засобів захисту, є напруженості електричних і магнітних полів (група електричних і магнітних параметрів), а також коефіцієнти пропускання (екранування), відбиття і поглинання (група параметрів випромінювання).

Значний внесок у розвиток теорії і практики визначення цих параметрів при вирішенні проблем неруйнівного контролю, електромагнітної сумісності (ЕМС) радіоелектронних засобів, захисту технічного стану об'єктів і населення від електромагнітних випромінювань і контролю їх рівнів внесли такі вчені України та інших країн, як Шидловський А.К., Кравченко В.І., Сердюк А.М., Думанський Ю.Д., Аполлонський С.М., Буга Н.Н., Гроднев І.І., Князєв А.Д., Каден Г., Шандала М.Г., Клюєв В.В., Герасимов В.Г., Шатерников В.Е. та інші.

Разом з тим у виробництво впроваджуються нові види джерел випромінювань, що створюють у навколишньому середовищі нетрадиційні типи ЕМП, відкриваються невідомі раніше ефекти взаємодії полів з біологічними об'єктами, створюються нові види захисних матеріалів. Це, у свою чергу, викликає необхідність подальшого розвитку теорії і практики створення більш досконалих методів і засобів контролю і захисту навколишнього середовища і технічного стану об'єктів.

Кожне джерело ЕМП має ближню і далеку зони випромінювань. У низькочастотній частині радіодіапазону об'єкти і засоби захисту знаходяться під впливом полів ближніх, а у високочастотній частині- полів далеких зон випромінювання. Якщо методи контролю ЕМП і якості засобів захисту для далеких полів розроблені досить докладно, то для ближніх полів має місце багато невирішених проблем. Так діючі з 1996р. “Державні санітарні норми і правила захисту населення від впливу електромагнітних випромінювань”, №488/1513 як метод контролю рівнів ЕМП у навколишньому середовищі передбачають проведення розрахунку границь санітарно-захисної зони (небезпечної зони випромінювання). На етапі поточного санітарного нагляду виміри можуть проводитись по одній характерній трасі чи границі санітарно- захисної зони. Разом з тим у діючих методиках їх розрахунку відзначається, що вони можуть застосовуватися лише для полів далекої зони випромінювання. В зв'язку с цим для комплексної оцінки електромагнітної обстановки (ЕМО) у навколишньому середовищі дуже важливим є побудова математичних моделей, що дозволяють прогнозувати характерні траси і границі санітарно- захисних зон для полів ближніх зон випромінювання.

В даний час РЕЗ проходять випробування на завадостійкість, У ДСТУ 29280-92 відзначено, що як іспитове устаткування для створення іспитового ЕМП використовуються екрановані камери (приміщення). Вони також забезпечують захист навколишнього середовища, технічного стану об'єктів і персоналу, розташованих як усередині приміщення, так і поза ним від впливу потужних ЕМП.

Контрольно- вимірювальна апаратура повинна задовольняти вимогам ЕМС. Перевищення встановлених рівнів ЕМП, що впливають на РЕЗ, приводить до порушення нормального функціонування цих засобів. Тому їхнє розміщення в екранованому приміщенні здійснюють з урахуванням результатів контролю ЕМО у цьому приміщенні. В якості захисного (екрануючого) матеріалу звичайно використовують метал. Однак екранування металом біологічних і технічних об'єктів викликає ряд проблем, пов'язаних з погіршенням здоров'я людини і якості функціонування РЕЗ за рахунок екранування металом природного поля Землі, а також зростання напруженості ЕМП у екрануючому об'ємі внаслідок резонансних явищ.

В даний час розробляються і впроваджуються в практику нові види матеріалів, що екранують, (радіоекрануючі бетони, цеглини й ін.). Їх відносять до класу композиційних матеріалів. Вони мають проміжне значення провідності між діелектриком і металом і їх можна характеризувати як напівпровідні матеріали. Такі матеріали можуть одночасно зменшувати і рівень радіоактивних випромінювань, що для України має немаловажне значення.

Створення екранованих приміщень з напівпровідних матеріалів є більш кращим як з екологічної, так і з технічної точок зору. Разом з тим питання визначення характерних трас і точок контролю ЕМО в таких приміщеннях залишаються маловивченими. Не вивчена поведінка контрольованих параметрів напівпровідних матеріалів в умовах впливу на них ЕМП з несинусоїдальною несучою, амплітудно-модульованих і багаточастотних гармонійних випромінювань, а також ближніх полів. Такий стан речей приводить до того, що в реальних виробничих умовах екрановані приміщення, виконані з даних матеріалів, виявляють непередбачений ступінь екранування, що не забезпечує належний рівень захисту технічного стану об'єктів і навколишнього середовища і вимагає теоретичного обґрунтування даного явища та удосконалення методики контролю ефективності екранування цих приміщень. Не розроблені також математичні методи прогнозування ЕМО в таких приміщеннях.

Найбільшу небезпеку для навколишнього середовища представляють ЕМП, створювані радіолокаційними станціями (РЛС). Останні також є ефективними засобами контролю параметрів навколишнього середовища. Відповідно до рекомендацій МККР №580-3, для антен, встановлених після 1995р. передбачені більш тверді норми на рівні бічних пелюстків діаграми спрямованості і крос- поляризаційного випромінювання. Зменшення цих рівнів дозволить не тільки розширити функціональні можливості радіолокаційних засобів контролю, але одночасно підвищити ступінь захисту навколишнього середовища від електромагнітних випромінювань. Найбільш успішно забезпечити необхідні параметри антенного випромінювання для діючих РЛС можна за допомогою спеціальних засобів захисту з матеріалів, що поглинають випроміння. Відсутність в Україні таких промислових засобів стримує вирішення даної проблеми.

Робота в екранованих приміщеннях, обслуговування РЛС і інших потужних джерел ЕМП часто вимагають використання засобів індивідуального захисту. Однак діючі методи конструювання цих засобів і контролю їх якості не враховують результати останніх медичних досліджень і тому вимагають перегляду. При виготовленні захисного одягу доцільно використовувати тканини з напівпровідних матеріалів.

Проблема нормалізації параметрів ЕМП у довкіллі вимагає комплексного підходу до її вирішення, зв'язаного з розробкою не тільки методів і засобів контролю, а також методів і засобів захисту. Тут необхідне проведення активного контролю, коли первинні дані (як зазначено в Постанові Верховної Ради) використовуються для прийняття управлінських рішень, тобто застосування відповідних методів і засобів захисту, результат дії яких також підлягає контролю.

В цілому аналіз літературних джерел показує, що в області контролю і захисту навколишнього середовища при впливі на нього ЕМП можна виділити новий напрямок досліджень: активний контроль ЕМО в навколишньому середовищі і створення відповідних йому методів і засобів захисту з напівпровідних (композиційних) матеріалів.

Цей напрямок має важливе значення для вирішення наукової проблеми моніторингу і охорони довкілля і забезпечення сталого розвитку держави.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок дослідження відповідає плану держбюджетної НДР Української інженерно - педагогічної академії на 1999 - 2001 р.м. по темі N 9/15 "Моделі і методи числового контролю"; програмі “Пріоритетні напрямки наукових досліджень та впровадження їх результатів щодо розробки наукових основ охорони навколишнього середовища і сталого розвитку України”, затвердженої в 1998р. Президією Національної академії наук; а також Постанові Кабінету Міністрів України № 1345 від 2.11.1996 р. “Про національну програму поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 1996 - 2000 роки”.

Базовими для підготовки дисертаційної роботи є НДР по темах: "Дослідження способів підвищення ефективності радіозахисного одягу" (ВНТІ Центр; № ГР 80000477.-1980.); "Дослідження способів підвищення ефективності пристроїв, що екранують, з резистивных матеріалів" (ВНТІ Центр; № ГР 81039948.- 1982.); "Дослідження екранного загасання в зразках типових будівельних матеріалів" (ВНТІ Центр; № ГР 0184.0015513.- 1985.); "Розробка методик і вимірювальної системи для досліджень ефективності радіоекрануючих пристроїв з резистивних матеріалів і оцінка санітарно-гігієнічних умов праці в спеціальних приміщеннях" (ВНТІ Центр; № ГР 0183.0038019.- 1985.); “Чистоль 2” (інв. № 1191.-ХІРЕ.-1988). В приведених НДР автор брав участь як відповідальний виконавець тем. А також НДР "Дослідження та розроблення нових комп'ютерних технологій проектування соціально-екологічних систем на прикладі житлової забудови" (УкрІНТЕІ; № ГР 0396 U 004688.-1996.). В даній НДР автор брав участь як виконавець теми.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення теоретичних і практичних основ активного контролю навколишнього середовища і відповідних йому методів і засобів захисту в умовах впливу різного роду ЕМП ближніх і далеких зон випромінювань.

Основні задачі дослідження для досягнення поставленої мети полягали в наступному:

- розвиток математичних методів оцінки рівнів електромагнітних полів ближніх і далеких зон випромінювань у виробничому і навколишньому середовищах; розробка на їхній основі нових методів контролю і захисту;

- виявлення закономірності поводження контрольованих параметрів напівпровідних засобів захисту при впливі полів ближніх зон, амплітудно-модульованих і несинусоїдальних випромінювань;

- перевірка гіпотези виникнення локальних концентрацій поля в напівпровідних середовищах у режимі їхнього опромінення багаточастотними амплітудно-модульованимі полями та удосконалення методів контролю і захисту з урахуванням даного явища;

- розробка нових принципів конструювання і контролю якості засобів індивідуального захисту;

- розвиток методів підвищення якості радіолокаційних та інших засобів контролю і захисту;

- розробка нових методів контролю якості екранованих приміщень з напівпровідних матеріалів.

Об'єкт дослідження - це процеси розсіювання у довкіллі ЕМП ближніх і далеких зон випромінювань та іх дифузії в композиційні (напівпровідні) матеріали, що породжує проблему активного контролю ЕМО в навколишньому середовищі і створення відповідних йому методів і засобів захисту.

Предмет досліджень є створення математичних методів опису ЕМО в навколишньому середовищі, а також нових методів і засобів її контролю і захисту.

Методи дослідження. При розробці теоретичних основ оцінки ЕМО в навколишньому середовищі і контролю якості організаційних методів захисту використовувалися класичний і наближений методи "дзеркальних зображень", методи часткових областей і поділу змінних, перетворення Фур'є. При розробці теоретичних основ контролю якості технічних методів і засобів захисту поряд з викладеними, використовувалися метод інтеграла Зоммерфельда, чисельні методи трапецій і Ньютона. При експериментальному дослідженні засобів захисту використовувався радіохвильовий метод контролю.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

- науково обґрунтовані методи визначення границь небезпечних для біологічних і технічних об'єктів зон випромінювань і точок контролю напруженості ближніх і далеких полів у виробничих і житлових приміщеннях, а також в навколишньому середовищі при розміщенні джерела ЕМП як усередині приміщення, так і зовні;

- виявлено новий ефект локальної концентрації поля в напівпровідних матеріалах, що погіршує якість екранування і являє потенційну небезпеку для людини і напівпровідникової елементної бази РЕЗ при їхньому опроміненні багаточастотними амплітудно-модульованими ЕМП;

- відкриті нові закономірності поводження контрольованих параметрів матеріалів, що екранують, в умовах впливу полів ближніх зон, амплітудно-модульованих і несинусоїдальних випромінювань;

- науково обґрунтовані принципи контролю і забезпечення засобами індивідуального захисту однакової поглиненої дози випромінювання всіма областями тіла людини;

- теоретично обґрунтовано новий метод “неекранованого” захисту.

- науково обґрунтовані нові принципи контролю якості напівпровідних матеріалів, що екранують, і виготовлених з них екранованих приміщень.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі контрольованих параметрів ЕМП та засобів захисту, запропоновані методи контролю вносять істотний вклад у рішення поставленої в державі задачі "...підвищення оперативності одержання та достовірності первинних даних за рахунок використання досконалих методик"; результати роботи дозволяють розширити функціональні можливості радіолокаційних засобів контролю параметрів навколишнього середовища і створити нові більш якісні з екологічної точки зору методи і засоби захисту.

Розроблені уточнення і доповнення до діючої методики контролю якості екранованих приміщень, запропонований графо-аналітичний метод розрахунку параметрів матеріалів, що екранують, використані на підприємстві п/я Г-4430 (м. Москва) у процесі виготовлення матеріалів, що екранують, і оцінки якості екранування промислових споруджень спеціального призначення.

Запропонована методика виміру контрольованих параметрів матеріалів, що екранують, використана для оцінки коефіцієнта екранування різних будівельних матеріалів при розробці апаратури дефектоскопії в ЦКБ "Протон" (м.Харків).

Розроблені математичний метод оцінки ЕМО в навколишньому середовищі та організаційні методи захисту використані фірмою "Харківбудпроект" для визначення місць розміщення автомобілів (як джерел індустріальних радіоперешкод) при проектуванні торгового комплексу автомобілів, а також лікарняного комплексу.

Десять зразків радіозахисного одягу з напівпровідної тканини впроваджені у Физико- технічному інституті НАН України (м. Харків) для забезпечення санітарних норм рівня опромінення персоналу.

Практичне використання матеріалів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами про впровадження.

Крім вирішення задач контролю, отримані результати можуть використовуватися широким колом фахівців в областях екології, електромагнітної сумісності, розроблювачами засобів зв'язку для підземних і гірничорятувальних робіт, електромедичної апаратури, викладачами вузів, що читають курси "Електромагнітна сумісність радіоелектронних засобів", "Конструювання радіоапаратури" та інші.

Особистий внесок здобувача в дисертаційну роботу полягає в наступному:

- розроблена теорія контрольованих параметрів ближніх і дальніх полів, створюваних джерелом випромінювань в виробничих та житлових приміщеннях, а також в навколишньому просторі;

- розроблені теоретичні основи контролю якості радіоекрануючих засобів захисту в умовах впливу амплітудно-модульованих і несинусоїдальних випромінювань;

- розроблені інженерні методи проектування спеціальних радіопоглинаючих пристроїв для радіолокаційних та інших засобів контролю, які дозволять підвищити як функціональні можливості цих засобів, так і ступінь захисту навколишнього середовища від електромагнітних випромінювань;

- обгрунтовані і сформульовані нові принципи контролю якості засобів індивідуального захисту;

- розроблені нові організаційні міри захисту в умовах впливу ближніх полів та багаточастотних випромінювань, запропоновані нові методи контролю їх якості;

- розроблено метод "неекранованого" захисту від ближніх полів і визначені характерні траси контролю інтенсивності полів;

- визначені нові характерні траси контролю коефіцієнта екранування спеціальних приміщень, які зроблені з напівпровідних матеріалів;

- удосконалена методика контролю якості екрануючих напівпровідних матеріалів;

- визначені характерні траси і точки контролю рівнів полів ближніх зон випромінювань в виробничій і селітебній зонах.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи представлені і обговорені на 10 міжнародних, всесоюзних та республіканських науково-технічних конференціях і семінарах таких як "Проектування автоматизованих систем контролю і керування складними об'єктами" (м.Туапсе, 1992), "Контроль і керування в технічних системах" (м. Вінниця, 1995) ,"Метрологія в електроніці - 97" (м. Харків, 1997), "НВЧ - техніка і телекомунікаційні технології" (м. Севастополь, 1997) , "Метрологiя в електронiцi - 2000" (м. Харків, 2000), "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" (м. Харків, 2000), і інші.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 40 роботах, серед яких навчальний посібник [1], 11 статей у наукових журналах, 14 - у збірниках наукових праць, 12 - у матеріалах і тезах науково-технічних конференцій. Отримано два авторськіх свідоцтва на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести розділів, висновків та додатків. Повний обсяг дисертації складає 343 сторінок: 56 ілюстрацій по тексту, 24 ілюстрації на 24 стор., 4 таблиці по тексту, одна на окремій стор., 5 додатків на 22 стор., 181 найменувань використаних літературних джерел на 19 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтована актуальність теми, відмічено зв'язок роботи з науковими темами, визначені науковий напрямок, мета та задачі дослідження, показана наукова новизна та її практичне значення, розглянуто особистий внесок автора у друкованих працях із співавторами, наведена апробація роботи та структура дисертації.

У першому розділі проведено аналіз сучасного рівня методів та засобів контролю і захисту навколишнього середовища і технічного стану РЕЗ при впливі електромагнітних випромінювань, сформульовані основні проблеми їх розвитку.

Показано, що проблема нормалізації електромагнітної обстановки в навколишньому і виробничому середовищах вимагає комплексного підходу до її вирішення. Суть цього рішення полягає в тому, що контроль ЕМП повинен бути активним, тобто супроводжуватися розробкою відповідних методів і засобів захисту. Останні впливають на об'єкт контролю і є сполучною ланкою в ланцюзі "контроль- захист- контроль". При цьому новий метод захисту, як правило, вимагає розробки і нового методу контролю його якості.

В даний час приведення рівня електромагнітних випромінювань до встановлених норм досягається за допомогою організаційних і технічних методів захисту. Проведено аналіз і систематизація методів контролю їх якості. Показано, що дана область контролю містить багато невирішених проблем. Це насамперед відноситься до оцінки у виробничих і житлових приміщеннях ЕМО, створюваної полями ближніх зон випромінювання різних джерел.

Встановлено, що для захисту навколишнього середовища, технічного стану об'єктів і обслуговуючого персоналу доцільно використовувати засоби захисту з композиційних (напівпровідних) матеріалів. Однак, методи контролю якості таких засобів захисту, які діють на цей час, не повною мірою враховують вплив ближніх полів, амплітудно-модульованих і несинусоїдальних випромінювань на контрольовані параметри захисних матеріалів, залишають без уваги результати останніх медико-біологічних досліджень взаємодії ЕМП з живим організмом.

Показано, що виникаючі проблеми позв'язані з відсутністю теорії, яка б прогнозувала поводження контрольованих параметрів ЕМП у навколишньому середовищі і засобів захисту з напівпровідних матеріалів при впливі на них як далеких, так і ближніх полів, а також амплітудно-модульованих і несинусоїдальних випромінювань.

Проведено аналіз методів нормалізації параметрів антенного випромінювання і розширення функціональних можливостей радіолокаційних і інших засобів контролю. Показано, що ефективне рішення цих проблем можливе за допомогою спеціальних радіопоглинаючих. пристосувань.

Однак, відомі пристосування відрізняються громіздкістю і складністю конструкцій, а тому даний метод вимагає свого подальшого розвитку. Обґрунтовано необхідність нового підходу до методів конструювання і контролю якості засобів індивідуального захисту.

Для оцінки ЕМО в навколишньому середовищі, контролю якості розроблюваних організаційних методів захисту важливо знати картину розподілу полю в приміщенні, створювану як внутрішніми, так і зовнішніми джерелами випромінювань, а також ті ефекти, що можуть виникнути при багаточастотному режимі опромінення засобів захисту, технічних і біологічних об'єктів. Це дозволить правильно визначити характерні траси і точки контролю рівня ЕМП, що підвищує оперативність одержання первинних даних, а також зробити більш якісний контроль багаточастотних полів. Для практичної реалізації такого контролю насамперед необхідна відповідна методика дослідження і теорія по викладених питаннях.

У другому розділі у першій його частині розроблена методика досліджень. Як об'єкт досліджень обрані гармонійні поля ближніх зон випромінювань і далекі амплітудно-модульовани і несинусоїдальні поля. Обґрунтовано вибір об'єкта досліджень виходячи з типу ЕМП у різних діапазонах частот, що впливає на навколишне середовище і засоби захисту.

Проведено аналіз математичних методів опису електромагнітної обстановки, який показав, що для цілей контролю ЕМП і якості засобів захисту більш прийнятний електродинамічний метод. Він відрізняється високим ступенем вірогідності отриманих результатів і може застосовуватися до широкого класу задач практики. Описуючи методи електромагнітного контролю промислових виробів, В.Г. Герасимов, В.В. Клюєв, В.Е. Шатерников відзначають, що "теоретичні основи вихрострумового контролю складають рішення крайових задач електродинаміки з розрахунку електричних і магнітних полів для різних вихростумових перетворювачів". Відповідно до викладеного, теоретичні основи контролю якості методів і засобів захисту складають рішення задач електродинаміки з розрахунку напруженості електричних (магнітних) полів для різних типів джерел випромінювань і місць їхнього розташування.

Обрано математичні моделі джерел випромінювань і критерії доказу вірогідності отриманих результатів. Для цього використовується метод граничного переходу від розроблених математичних моделей до відомих і підтвердження отриманих результатів як власними, так і експериментальними дослідженнями інших авторів.

Друга частина розділу присвячена розробці теоретичних основ контролю ЕМО в навколишньому середовищі і контролю якості організаційних методів захисту.

Донедавна розрахунок напруженості поля в приміщенні з напівпровідними стінами через великі математичні труднощі не представлявся можливим. Однак, уникнути цих труднощів можна шляхом використання приблизного методу "дзеркальних зображень", що і було зроблено в

розділі. Картина поля в приміщенні визначалася для джерел випромінювань як електричного, так і магнітного типів. Їх математичною моделлю служив відповідно електричний і магнітний диполь. Якщо центр електричного диполя розташований у горизонтальній площині в точкі (х0, у0), то, створювана їм напруженість електричного поля в точкі (х, у) цієї площини, визначається з рівняння

, N ® Ґ ,

де - напруженість поля, створювана диполем у вільному просторі на відстані .

Останнє визначається з рівняння ,

де

і - відповідно довжина і ширина приміщення; er і s - відносна діелектрична проникність і провідність його стін.

Чисельний аналіз отриманих виражень показав, що існують такі місця розташування випромінювача в приміщенні, при яких створювані їм зони небезпечного (перевищуючого норми) випромінювання можуть мати як мінімальні, так і максимальні розміри. Для приміщення, виконаного з цегли типу "Морион", (er =2,5 , s = 2,5 См/м, d1=0,25 м) такі зони показані на рис.1. Положення диполя на рисунку відзначено хрестиком. Заштриховані області показують розміри

зон небезпечного випромінювання, створювані джерелом ЕМП у приміщенні, а кола - у вільному просторі. Стрілкою показано напрямок характерних трас контролю рівня ЕМП. Вивчено вплив провідності стін і координат розташування випромінювача на розміри цих зон.

Аналогічні дослідження проведені і для джерела ЕМП магнітного типу.

Аналіз отриманих результатів показав, що площа і границі зон небезпечного випромінювання залежать не тільки від місця розташування джерела, але і від його типу. А це вносить свої корективи в організацію контролю рівня ЕМП у приміщенні. Використовуючи результати теорії, можна правильно прогнозувати напрямок характерних трас для проведення інструментального контролю.

ЕМП високих рівнів у приміщенні можуть створюватися не тільки джерелами, безпосередньо в ньому розташованими, але і проникати в нього ззовні, особливо якщо воно знаходиться поблизу радіотелецентру чи під впливом потужних джерел індустріальних перешкод.

Розглянуто наземне джерело ЕМП у виді горизонтального електричного диполя, який розташовано перед стіною будівлі. Показано, що при опроміненні залізобетонного фасаду будівлі, поблизу фасаду в довільно заданій точки (Х, У) створюється напруженість поля

Е = Е1 - Е2 + Е3 - Е4 + Е5 - Е6 + Е7 - Е8 .

Тут ,

а відстані Ri для i = 1...8 при заданих координатах розташування випромінювача (Х0, У0) визначаються з рівнянь

R1 = [(X - X0)2 + (Y - Y0)2[1/2; R2 = [(X - X0)2 + (Y +Y0)2]1/2;

R3 = [(X +X0)2 + (Y + Y0)2]1/2; R4 = [(X +X0)2 + (Y - Y0)2]1/2;

R5 = [(X +X0)2 + (2H -Y - Y0)2]1/2; R6 = [(X - X0)2 + (2H - Y - Y0)2]1/2;

R7 = [(X + x0)2 + (2H -Y + Y0)2]1/2; R8 = [(X - X0)2 + (2H -Y + Y0)2]1/2.

Результати чисельного аналізу розподілу ЕМП по висоті будівлі для різних місць розташування джерела випромінювання показали, що будівля, висота якої більше чи порівнянна з довжиною хвилі, формує спрямоване випромінювання. Проведені розрахунки показали, що це випромінювання може становити небезпеку насамперед для людини і РЕЗ, що знаходяться на верхніх поверхах інших прилеглих будинків. Крім того, існують визначені відстані між джерелом і стіною будівлі, при яких високий рівень ЕМП має максимальну довжину по висоті будівлі.

Випромінювання зовнішнього джерела проникає усередину будівлі насамперед через віконні прорізи. Прийнявши до уваги, що при дифракції на малому (менше l) прямокутному отворі поле за екраном описується комбінацією полів, еквівалентних електричному і магнітному диполям, отримане рівняння, що визначає напруженість поля в приміщенні. Побудовано картину розподілу ЕМП у приміщенні для різних місць розташування вікна як з боку фасаду будинку (рис.2), так і з боку його торця (рис.3). Показано, що поблизу вікна на відстані до 1,5l від його центра, рівень поля в приміщенні перевищує падаючий (затемнені області на рис.2 і рис.3). Якщо вікно розташоване на торці будинку, то загальна площа зон з високим рівнем ЕМП значно менше, ніж для вікна, розташованого на фасаді будинку. Слід зазначити, що отримані теоретичні результати підтверджуються експериментальними дослідженнями в роботах Думанського Ю.Д. і інших.

Аналіз отриманих результатів показав, що якщо зовнішнє джерело і створює перед будинком напруженість поля, що задовольняє санітарним нормам, то всередині приміщення ці норми можуть бути перевищені. Це можна пояснити тим, що віконний проріз формує поле ближньої зони випромінювання. Тому контроль за санітарними нормами опромінення населення остаточно повинний проводитися безпосередньо в приміщенні. Крім того, у виявлених місцях формування максимальних рівнів ЕМП апаратуру чутливу до їхнього впливу розміщати не можна. В цих місцях не рекомендується поміщати також РЕЗ, електронна інформація яких підлягає захисту.

На практиці біологічні і технічні об'єкти (рецептори ЕМП) і засоби їх захисту є під впливом випромінювань різних частот і потужностей, що мають різноманітний вид модуляції (амплітудну, частотну та ін.). До складу РЕЗ входить велика кількість напівпровідникових приладів. Тіло оператора РЕЗ і засоби захисту, що екранують, також являють собою напівпровідне середовище. Природно порушити питання: чи не викликає такий режим опромінення яких-небудь непередбачених ефектів у напівпровідних середовищах? Для з'ясування цього питання знайдено розподіл поля усередині тришарової моделі напівпровідного середовища при опроміненні її серією радіоімпульсів з різними несущими частотами. Виявлено ефект локальної концентрації поля в середовищі, що погіршує якість екранування напівпровідних екранів, становить потенційну небезпеку для напівпровідникових приладів і оператора РЕЗ. Знайдено співвідношення між частотами і потужностями радіоімпульсів, при яких цей ефект максимальний. Визначено глибину утворення локальної концентрації ЕМП у залежності від параметрів падаючих радіоімпульсів.

Отримані результати досліджень вимагають удосконалення діючих методик контролю рівня ЕМП і розробки нових методів захисту. Ці питання викладені в четвертому розділі.

У третьому розділі розроблено теоретичні основи контролю якості технічних методів і засобів захисту. Вивчено вплив ближніх полів на контрольовані параметри напівпровідних матеріалів, що екранують, а також поводження цих параметрів при екрануванні амплітудно-модульованих і несинусоїдальних полів.

Для вирішення першої частини задачі використовувалася математична модель у виді електричного (магнітного) диполя, розташованого над нескінченно протяжним у поперечному напрямку напівпровідним екраном. Його відносна діелектрична проникність er, провідність s, товщина d1, а також відстань між екраном і диполем d0 вважалися довільно заданими. Використовуючи представлення полів через інтеграл Зоммерфельда і метод часткових областей, отримані вирази для розрахунку коефіцієнта екранування полю диполя. Зокрема, для горизонтального магнітного диполя цей коефіцієнт визначається з рівняння

, дБ ,

де компоненти полю падаючого (H0x) і прониклого крізь екран випромінювань (H2x) описуються виразами

,

-

де r = d0+d1 ;

індекс i = 0 привласнюється параметрам середовища, що характеризує вільний простір, а i = 1 - екрана; m- параметр інтегрування. Коефіцієнти M, M1, N, N1 є функціями частоти і електрофізичних характеристик екрана і навколишнього середовища:

Аналогічним образом знайдені коефіцієнти екранування поля електричного диполя. Обчислення невласних інтегралів здійснювалося за допомогою ЕОМ. Для різних частот і параметрів екрана проведено чисельний аналіз залежності коефіцієнта екранування від відстані між екраном і диполем. Приклад цієї залежності при екрануванні полю магнітного й електричного диполів за допомогою екрана, виконаного з цегли типу “Морион”, представлений відповідно на рис.4 і рис.5.

Тут же для порівняння пунктиром показане значення коефіцієнта екранування плоскої хвилі.

Аналіз отриманих результатів показав, що в умовах впливу ближніх полів той самий матеріал, що екранує, може мати коефіцієнт екранування як більше, так і менше свого значення для плоскої хвилі. Виявлено закономірності поводження коефіцієнта екранування в залежності від типу і місця розташування джерела випромінювань, геометричних і електрофізичних параметрів екрана. Отримані теоретичні результати підтверджені експериментальними дослідженнями.

Таким чином, існуючи методи виміру коефіцієнта екранування матеріалів у поле плоскої хвилі дають нам свідомо невірні результати, якщо при організації захисту від полів ближніх зон випромінювання керуватися отриманими значеннями Більшість електромагнітних випромінювань має визначений вид модуляції. Особливості їхнього екранування розглянуті на прикладі імпульсно-модульованого випромінювання з тривалістю імпульсу tі і періоду проходження T.

Використовуючи перетворення Фур'є, отримано вираз для напруженості поля поза екраном

де w =2p/T0 - кругова несуща частота; wі=2p/T - кругова частота проходження імпульсів;

при k № 0, A0 = tі /T ; ЅPЅ і j - відповідно модуль і фаза коефіцієнту проходження. Для екрана, виконаного з цегли типу “Морион”, результати розрахунку тимчасової залежності огінаючої радіоімпульсу, який проник крізь екран, представлені на рис.6. Тут же для порівняння штриховою лінією показана амплітуда немодульованого гармонійного випромінювання.

Аналіз результатів розрахунку показав, що в спектрі прониклого випромінювання виникають вищі гармоніки, з яких найбільшу амплітуду має друга. Крім того пікове значення амплітуди радіоімпульсу перевищує амплітуду гармонійного випромінювання. Вивчено поводження зазначених ефектів у залежності від параметрів радіоімпульсу та екрана.

Відзначені дослідження говорять про те, що коефіцієнт екранування матеріала, обмірюваний при випромінюванні, яке не модульоване, буде не відповідати своєму значенню для радіоімпульсних полів. Цей факт також необхідно враховувати при атестації матеріалів, що екранують.

Впровадження в практику радіотехнічних комплексів, що випромінюють несинусоїдальні хвилі, ставить на порядок денний розробку відповідних засобів захисту і методів контролю їх якості. Для вирішення цієї проблеми проведено дослідження проникаючої здатності таких хвиль у захисне середовище. Її моделлю була плоска тришарова структура з електрофізичними параметрами тіла людини, що дозволило одночасно оцінити ступінь небезпеки такого роду випромінювань і для людини. Форма несинусоїдального випромінювання відповідала реально використовуваної в радіолокації, наприклад, при випромінюванні “електро-магнітного снаряду”. Часові залежності струму в антені й електричній складовій напруженості ЕМП показані на рис.7.

Знайдено коефіцієнт проходження енергії негармонійного випромінювання в i-й шар напівпровідного середовища:

PHG = 10 lg (Ri/R0) ,дБ ,

де Pi і P0 - відповідно усереднені за період значення щільності потоку енергії прониклого і падаючого випромінювань. Вони визначаються з наступних рівнянь

, k № 0 ,

де

y = tі /T ; - хвильовий опір i- го шару; e*ri = eri+ j60silk - його комплексна відносна діелектрична проникність; lk - довжина хвилі у вільному просторі, що відповідає частоті kW; W=2p/T; Пk - коефіцієнт проходження k- й гармоніки полю.

Встановлено (рис.7), що коефіцієнт проходження несинусоїдальних і гармонійних випромінювань приблизно однакові. Даний висновок можна перенести і на випадок екранування несинусоїдальних випромінювань однорідними екранами. Однак, при використанні неоднорідних

екранів (перфорованих, сітчастих та інших), як показано в розділі, несинусоїдальні поля в порівнянні з гармонійними екрануються більш, ніж на 10 дб гірше.

Отримані результати висувають додаткові вимоги до контролю якості радіоекрануючих матеріалів для цього виду випромінювання. Зокрема, матеріал, що екранує, повинен бути однорідним, а, отже, проходити контроль на відсутність дефектів у товщі матеріалу (тріщин, раковин та інших неоднорідностей). Разом з тим отримані результати говорять про те, що в апаратурі дефектоскопії доцільно використовувати не гармонійні хвилі, а несинусоїдальні.

Четвертий розділ присвячений питанням контролю ЕМО в навколишньому і виробничому середовищах і розробці організаційних методів захисту.

В даний час відповідно до вимог ЕМС встановлені допустимі рівні радіоперешкод, що впливають на технічний стан РЕЗ. Також визначені норми на рівні випромінювань самих РЕЗ у навколишнє середовище. Рівень опромінення оператора також нормується і підлягає контролю. Для досягнення встановлених норм необхідна розробка керуючих впливів на об'єкт контролю (розробка відповідних методів і засобів захисту) і контроль ЕМО в навколишньому середовищі повинен бути активним. Результати проведених у другому розділі досліджень дозволяють використовувати таку форму контролю в екранованому приміщенні. Дійсно, визначивши границі озн небезпечних випромінювань, можна вирішити питання як контролю, так і захисту. Причому цими границями можна керувати, використовуючи (відповідно до Постанови ВР) "...архітектурно- планувальні заходи". У цьому зв'язку запропонований новий організаційний метод захисту. Він полягає в тому, що для екранованих приміщень, з метою мінімізації площі зон небезпечного випромінювання, а також зменшення рівнів опромінення РЕЗ і обслуговуючого персоналу та випромінювання в навколишнє середовище, знайдені області, в яких не рекомендується розміщати ні робочі місця і чуттєву до впливу ЕМП РЕЗ, ні джерела випромінювань. Ці області розташовані уздовж стін приміщення та у його кутах.

Для робочих місць і чуттєвої апаратури координати даних областей обчислюється з наступних співвідношень. Відстань від стіни приміщення:

,

де (1)

.

Відстань від вершини кута приміщення при опроміненні далекими та ближніми полями електричного типу:

(2)

Заборонені для розташування джерел ЕМП відстані від стіни приміщення визначаються по формулі (1), у якій варто покласти Rэф = 0,25l . Заборонені відстані від вершини кута приміщення - по формулах (2) і (3).

Ті місця, у яких не рекомендується знаходитися персоналу, є одночасно і точками контролю рівня ЕМП у приміщенні. Характерними трасами при інструментальному контролі є ті напрямки від джерела випромінювань, в яких границя небезпечної зони випромінювання максимально відлегла від нього. Програми їхнього розрахунку приведені в додатку.

Розроблено метод активного контролю багаточастотних амплітудно-модульованих випромінювань, що виключає ефект локальних концентрацій поля в тілі людини та у напівпровідникових приладах. Його суть полягає в тому, що діючі вимоги контролю напруженості

полю кожної частоти повинні бути доповнені вимогами контролю відношення Енч / Евч на основі обмірювання напруженостей полів низьких Енч і високих Евч частот. Це обумовлено тим, що ефект локальної концентрації поля яскраво виражений у випадках, коли значення Евч більш ніж на порядок перевищує значення Енч. Керуючим впливом у цьому випадку є запропонований організаційний метод захисту, що припускає групування і розміщення в приміщенні джерел ЕМП по частотній ознаці. У тих випадках, коли описані вище організаційні методи захисту не дозволяють забезпечити нормалізацію параметрів ЕМП в екранованому приміщенні, запропоновано використовувати кутові фільтри. Останні являють собою смугасто-проникні чи таки, що відбивають по куті структури, принцип дії яких оснований на резонансних властивостях системи шарів без поглинання, або на зростанні поглинання в системі зі зміною кута падіння хвилі. У розділі розробляються кутові фільтри у виді тонкошарових поглинаючих покрить чи фарб, в основі принципу дії яких лежить ефект “швидких” поверхневих хвиль. Поміщаючи їх на стіни екранованого приміщення чи на металеві корпуси РЕЗ та іншого устаткування, можна знизити рівень розсіяного ЕМП у приміщенні.

У розвиток проведених раніше досліджень входило знайти відповідь на два основних питання: 1. Який з безлічі типів "швидких" поверхневих хвиль повинен бути прийнятий за основу при проектуванні тонкошарового покриття? 2. Якими співвідношеннями між частотою падаючого випромінювання і параметрами покриття необхідно керуватися проектувальнику при конструюванні кутового фільтра?

Установлено, що в одношаровій поглинаючій структурі найбільш доцільно використовувати ті типи "швидких" поверхневих хвиль, в які трансформуються власні поверхневі хвилі діелектричного шару без втрат у точках (по частотній осі) їхнього виникнення. При цьому найбільший ефект дає використання нижчих типів коливань, коли між довжиною хвилі падаючого випромінювання і параметрами покриття виконуються наступні співвідношення.

Для падаючого Е- поляризованого випромінювання

. (4)

Для падаючого Н- поляризованого випромінювання

. (5)

де b - товщина шаруючи, er21 - його реальна частина відносної діелектричної проникності.

Результати дослідження