РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2012, том 52, № 3, с. 276-281
НЕИОНИЗИРУЮЩИЕ ^^^^^^^^^^^^ ИЗЛУЧЕНИЯ
УДК [57+61]::539.1.04:537.531:57.08:577.34
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ДОЗИМЕТРИЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ: ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И СОВРЕМЕННАЯ МЕТОДОЛОГИЯ © 2012 г. С. Ю. Перов1, 2*, Ю. Б. Кудряшов3, Н. Б. Рубцова1
1 Учреждение Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт
медицины труда РАМН, Москва 2 Фонд по исследованию информационных технологий в обществе, Цюрих, Швейцария 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Рассмотрена современная методология инструментальной дозиметрии неионизирующих электромагнитных излучений радиочастотного диапазона. Проанализированы основные принципы измерения удельной поглощенной мощности для количественной оценки биологических эффектов электромагнитных излучений. Описан общий принцип построения автоматизированной системы дозиметрии для оценки удельной поглощенной мощности, применяемой при установлении соответствия источников излучения предельно допустимым уровням и базовым ограничениям стандартов безопасности.
Электромагнитные излучения, экспериментальная дозиметрия, удельная поглощенная мощность, фантомы, автоматизированные системы дозиметрии.
Электромагнитные излучения (ЭМИ) радиочастотного (РЧ) диапазона в настоящее время широко используются для передачи информации в диапазоне частот от сотен кГц до десятков ГГц и являются тем негативным физическим фактором окружающей среды, который невозможно устранить или заменить на другой [1]. Суммарные уровни радиочастотных ЭМИ, создаваемые различными техническими средствами, постоянно возрастают, и при этом увеличивается число лиц, так или иначе подвергающихся воздействию излучений. Согласно последним представлениям организм человека не выработал соответствующих эффективных адаптационных механизмов к влиянию техногенных ЭМИ. В связи с этим исследование механизмов и закономерностей влияния ЭМИ на организм человека сохраняет свою актуальность.
В оценке биологического эффекта и последующих проявлений важную роль занимает количественная оценка доз излучения — дозиметрия. Дозиметрия ЭМИ — процесс, конечной целью которого является определение количества и характера распределения энергии излучения, поглощенной объектом за время экспозиции. Дозиметрическая оценка необходима не только для количественного описания величины поглощенной энергии, но и для дальнейшего обоснования
* Адресат для корреспонденции: 105275 Москва, просп. Буденного, 31, НИИ МТ РАМН; тел.: (495) 366-09-00; факс: (495) 365-09-02; e-mail: perov1980@mail.ru.
экстраполяции на человека биологических эффектов облучения, тестируемых на животных.
Дозиметрия ЭМИ подразделяется на теоретическую (расчетную, вычислительную) и экспериментальную (инструментальную), которые взаимно дополняют друг друга [2]. В настоящее время в литературе существует множество обзоров и журнальных статей, опубликованных как в отечественной, так и в зарубежной печати, часть из которых устарела, другие посвящены исключительно теоретическим вопросам дозиметрии ЭМИ или узкоспециальным вопросам [3—7]. В принципе все дозиметрические исследования ЭМИ формировались и развивались в большей степени применительно к дальней зоне от источника излучений, тогда как дозиметрическая оценка в ближней зоне оставалась менее востребованной.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ) ДОЗИМЕТРИИ
Экспериментальная дозиметрия ЭМИ не приобрела такого распространения как в радиационной биологии неионизирующих излучений. Зависимости типа "доза—эффект" при воздействии ЭМИ получены только для некоторых показателей (содержание кортикостерона в плазме крови крыс и формирование катаракты у кроликов) и лишь для тепловых уровней излучения [8, 9].
Развитие и распространение систем мобильной радиосвязи, работающей в диапазоне частот
400—1800 МГц, активно внедряемых и широко используемых в последние десятилетия, привело к необходимости уделять больше внимания дозиметрии ЭМИ в ближней зоне от источника, которым является приемное устройство мобильного телефона, поскольку именно в ней находится голова пользователя. Все это способствовало созданию новой методологии, разработке более совершенных методов экспериментальной дозиметрии ЭМИ РЧ-диапазона или модификации существующих [10].
Экспериментальная дозиметрия заключается в непосредственном измерении величины общей энергии ЭМИ, поглощенной всем облучаемым объектом или в его отдельных точках. В дозиметрии неионизирующих ЭМИ единицей измерения является величина удельной поглощенной мощности [2, 3, 7] или иногда называемой мощностью поглощения дозы [11], обозначение которой как Specific Energy Absorption Rate в английской аббревиатуре SAR принято на международном уровне. Величина SAR характеризует количественно мощность ЭМИ, поглощенную единицей объема или массы тела (ткани) и выражается в Вт/кг. Величина SAR определяется не только параметрами электромагнитной волны, но также диэлектрическими свойствами и геометрическими параметрами тканей — мишеней облучения.
Экспериментальные данные показывают, что при повышении температуры тела менее чем на 1°C для 30-минутного облучения ЭМИ величина SAR составляет 4 Вт/кг для всего тела. Облучение с большей интенсивностью может вызвать повышенное нагревание тканей и, как следствие, увеличение SAR. В связи с этим в рекомендациях Международной комиссии по защите от неиони-зирующих излучений ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) содержатся ограничения по величине SAR для облучения профессионального контингента лиц, которые составляют 0.4 Вт/кг, а для населения еще ниже — 0.08 Вт/кг [12].
В экспериментальной дозиметрии присутствует группа теплофизических методов, в основе которых лежит приращения тепловой энергии объекта при облучении ЭМИ, на основании измерения которой и определяется величина SAR. К другой группе относятся методы дозиметрии, основанные на измерении величин электрической (Е) или магнитной (Н) составляющих ЭМИ с использования миниатюрных датчиков (зондов).
Однако первые результаты в дозиметрии ЭМИ были получены благодаря именно теплофизиче-ским методам. Дозиметрия с помощью термистор-ных зондов использовалась в конце 1970-х годов для оценки облучения от носимого коммуникационного оборудования внутри имитационных моделей (фантомов) головы человека [13, 14]. Од-
нако точность таких температурных измерений невысока и может быть соблюдена только с очень большими ограничениями. Необходимость минимизировать время для измерения в точке и достижения теплового равновесия делает терми-сторный зонд неподходящим для стандартизированных дозиметрических оценок. В дополнение к этому для получения подробной структуры пространственного распределения SAR требуется несколько сотен точек измерения температуры, что становится малореализуемым на практике, не говоря уже об инвазивности таких измерений. Позже были предложены температурные зонды, основанные на оптических эффектах в виде изменения флюоресценции, лучепреломления или отражающих свойств жидких кристаллов под действием энергии ЭМИ [15]. Оптические зонды передают полученную информацию по оптическому волокну и обладают высокой степенью радиопрозрачности. Однако недостаточная чувствительность разработанных к настоящему времени зондов делает их также неподходящими для оценки SAR в диапазоне приемлемых для человека уровней облучения. В настоящее время температурные зонды в дозиметрии используются для определения теплопередачи при калибровке зондов, использующих другие принципы, а также для решения специализированных дозиметрических задач [16, 17].
Методы определения SAR, проводимые по собственному излучению объекта в инфракрасном или РЧ диапазонах (термография и радиотермометрия), более технологичны, однако также не лишены некоторых недостатков. Термография, которая была впервые применена на тканеэкви-валентных моделях тела (фантомах), неинвазивна и дает возможность получить информацию о характере распределения температур на поверхности [18]. Впоследствии этот метод получил широкое распространение и был также применен при дозиметрических исследованиях дозиметрических характеристик излучений мобильных телефонов с использованием фантомов: сухих керамических [19, 20] и состоящих из смолы и графита [21]. Метод термографии характеризуется достаточно широким диапазоном измеряемых радиационных температур, высоким пространственным разрешением, но полученные с его помощью картины отображают распределение зон нагрева исключительно на поверхности. Температурные же профили более глубоких структур исследуемого объекта можно получить с помощью радиотермометрии, но высокая чувствительность радиотермометров к внешним электромагнитным помехам не позволяет использовать данный метод в стандартной дозиметрической системе [22].
278
ПЕРОВ и др.
СОВРЕМЕННАЯ СИСТЕМА ДОЗИМЕТРИИ ЭМИ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
Измерительные зонды. В настоящее время наиболее оптимальными и используемыми являются миниатюрные имплантируемые зонды, предназначенные для измерения электрической (Е) или магнитной (Н) составляющих ЭМИ. Впервые зонд для измерения Е-составляющей был предложен в середине 1970-х годов и в ходе дальнейших разработок его конструкция и характеристики значительно совершенствовались [23—25]. Зонд для измерения магнитной Н-составляющей ЭМИ был разработан значительно позднее [27].
Измерительные зонды характеризуются размерами рабочей части порядка нескольких мм и, как правило, состоят из воспринимающей части, детектирующего диода и линии передачи. Основным ограничением для использования таких зондов является техническая реализация, так как их линейные размеры должны быть намного меньше, чем длина электромагнитной волны в биологических тканях или их других электрических эквивалентов, выполненных в виде фантома. Другой важной характеристикой измерительного зонда должна быть его нечувствительность к ориентации относительно векторов электромагнитной волны, т.е. быть изотропным, а также иметь линейную зависимость от квадрата величины Е-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.