大學實驗室電磁輻射安全研究*

張仲元 易蔓 段墨馨 魏慧 董續(xù)豪 魏環(huán)

(華北理工大學理學院應用物理系 河北 唐山 063210)

1 引言

電磁波將電磁場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、設備或系統(tǒng)性能降低，對有生命或無生命的物質產(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中包含著一系列的生物電活動，這些生物電對環(huán)境的電磁波非常敏感，因此，電磁輻射可以對人體造成影響和損害．根據(jù)流行病學的研究發(fā)現(xiàn)，不同頻率和強度的電磁輻射會對人體造成不同程度的損害和影響，長期過量的電磁輻射還會對人體的生殖、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，世界許多國家針對電磁輻射的安全性，在各自研究的基礎上制定了相應的 “國家防護標準”．我國現(xiàn)行的國家電磁輻射防護標準(包括“衛(wèi)生標準”和“環(huán)保標準”)，是由衛(wèi)生部和國家環(huán)保局分別制訂的，其中，衛(wèi)生標準是以電磁輻射強度及其頻段特性對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度標準分為二級, 超過二級標準地區(qū), 對人體可能帶來有害影響．而環(huán)保標準采用了限值概念，并以SAR(比吸收率)作為了基本安全限值[5]．

大學里的電工電子實驗室與物理實驗室中有許多電工電子儀器設備，如變壓器、穩(wěn)壓電源、信號發(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．大學實驗室作為教學場所，儀器設備的擺放相對密集，教學人員人數(shù)較多，但是調研顯示，截至目前，國內外關于電磁輻射安全性的研究主要集中在工業(yè)、商業(yè)辦公場所、通信基站周邊以及一般的家庭上面，尚未有關于大學實驗室輻射安全性的評估報道．

因此，依據(jù)國家電磁輻射防護標準，對這類實驗室電磁輻射的安全性進行檢測與評估，為在實驗室工作和學習的師生提供電磁輻射防護方面的科學建議，是十分必要的．

2 檢測目標與檢測方案

2.1 檢測目標

華北理工大學作為綜合性大學，其實驗室的設置是能夠反映出同類院校的共性的，對其研究所獲得的結論能夠適用于同類院校的大學實驗室．

最初的檢測計劃是將華北理工大學的大學物理實驗室和電工電子技術的兩個實驗室(包括模擬電子技術[6]實驗室和電工學實驗室)選作電磁輻射的檢測研究對象，但因電工電子技術的兩個實驗室中，能夠產(chǎn)生電磁輻射的儀器設備要比物理實驗室的種類多、數(shù)量大、擺放密度大、各類儀器同時工作的頻率也大，因此，我們最終將模擬電子技術實驗室與電工學實驗室作為了電磁輻射的重點檢測與評估對象．

2.2 檢測儀器

模擬電子技術實驗室開設的15個實驗項目所采用的信號均在1 kHz～2 kHz的頻率范圍，電工學實驗室使用的則是50 Hz工頻三相交流電，均屬于低頻波段．我校應用物理專業(yè)的輻射與防護實驗室為檢測提供了高、低頻段的電磁輻射測試儀，其中，型號為TES-92高頻電磁輻射測試儀的檢測范圍為50 MHz～3.5 GHz．我們使用高頻測試儀對實驗室內的電磁輻射進行了檢測，檢測結果表明，無論實驗室內是否有實驗正在進行，室內高頻段電場強度的峰值基本不變，約為0.7 V/m，參照GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》，這個數(shù)值低于國家給出的高頻波段的電磁輻射安全限制，由此可知，實驗室內所進行的學生實驗沒有造成新的、可觀測到的高頻輻射．基于這一檢測結果，我們對上述兩個實驗室的檢測全程使用的是LZT-1150型檢測儀，該型號檢測儀的檢測范圍是5 Hz～400 kHz，能夠滿足檢測的需求．對于低頻電磁輻射，儀器采集的物理量為電場強度．

2.3 檢測方案

模擬電子技術實驗室中每一組實驗臺上均有示波器、信號發(fā)生器、模擬電子實驗箱、交流數(shù)字毫伏表共4種類型的儀器，這4種儀器在實驗中均同時啟用，因此，我們確立了如下檢測方案：

(1)在全部實驗儀器開啟之前，對實驗室內的背景電磁輻射情況進行檢測評估，以排除外部電磁輻射對檢測數(shù)據(jù)的影響．

(2)所有檢測數(shù)據(jù)均在實驗室全部儀器進入工作狀態(tài)一小時之后進行采集．理由是，此時由各類實驗儀器產(chǎn)生的電磁輻射的空間分布能夠趨于穩(wěn)定，實驗室內電磁輻射的空間濃度也能夠達到最大．

(3)對處于工作狀態(tài)的每臺儀器周圍的電場分布情況進行測量，以了解它們各自的輻射特點；對在進行模擬實驗的每張實驗臺，按不同方位、不同距離檢測電磁輻射數(shù)據(jù)，即檢測的空間范圍包括實驗人員正常操作范圍，以給出對實驗室電磁輻射安全的多維度(人機安全距離、儀器擺放密度、實驗臺之間的距離等)的科學評估．

2.4 電磁輻射的安全性評估標準

對大學實驗室的電磁輻射進行安全性評估所依據(jù)的標準為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軟件對檢測數(shù)據(jù)進行分析處理．

3 檢測數(shù)據(jù)與安全性評估

3.1 實驗室環(huán)境的安全性評估

全部實驗儀器啟用之前，我們檢測了實驗室內的電磁輻射情況，在5 Hz～400 kHz范圍內檢測數(shù)據(jù)為零，表明實驗室的環(huán)境輻射污染可以忽略．

3.2 模擬電子技術實驗室的輻射檢測與安全性評估

利用模擬電子實驗箱，能夠完成10多種不同功能、不同目的的模擬電子技術實驗．我們在對實驗室進行電磁輻射檢測時選擇了共集電極放大電路作為實驗樣本，采用的輸入信號為1 kHz的正弦交流信號．除模擬電子實驗箱外，實驗中還需使用信號發(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 模擬電子技術實驗臺上的儀器

3.2.1 3類儀器的電磁輻射分布

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

參照GB8702-2014標準，這3類儀器表面處的輻射基本都超過了國家規(guī)定的安全限值(1 000 Hz,200 V/m)．與此同時，電場強度在空氣中衰減迅速，距儀器表面10 cm處場強均已衰減為零，如表3所示．

表2 3類儀器表面的電場強度

表3 電場強度衰減至零的表面距離

3.2.2 模擬電子技術實驗箱的電磁輻射分布

(1)模擬電子實驗箱的操作面板如圖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為本次檢測采用的共集電極放大電路實驗的電路工作區(qū)和電源區(qū)位置示意圖．實驗箱面板上電場強度的最大值出現(xiàn)在電源區(qū)，數(shù)值為1 029V/m，圖4描述了距實驗箱面板上方10cm處的電場強度分布情況．

圖2 實驗箱面板

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 實驗箱面板上方10 cm處的電場強度分布曲線

(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)正上方的電場強度隨距離衰減的檢測數(shù)據(jù)，圖5為電源區(qū)正上方的電場強度在空氣中隨距離衰減的曲線．可見，在電源區(qū)上方10cm處，電場強度已經(jīng)衰減至安全限值200V/m以內．

圖5 電源區(qū)上方電場強度隨距離衰減的曲線

表4 電源區(qū)正上方電場強度衰減

表5 實驗電路的工作區(qū)上方電場強度隨距離的衰減

(3)在共集電極放大電路中，實驗箱前方表面處的場強最大值為225V/m，在10cm處即衰減至100V/m．距后方表面10cm處場強為232V/m，20cm處已衰減為零．

3.3 電工學實驗室的電磁輻射檢測與安全性評估

在電工學實驗室中，我們選取了三相異步電動機的控制電路作為樣本實驗，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線，檢測結果顯示，導線附近電磁輻射最強，電場強度甚至能夠達到1 950V/m．但是，由于50Hz交流電場強度安全限值為4 000V/m，因此，由控制電路實驗形成的電磁輻射均在安全限值范圍內．

4 對大學實驗室電磁輻射防護措施的建議

我們依據(jù)上述對大學實驗室的電磁輻射安全性的評價結果，對大學實驗室電磁輻射防護措施提出以下建議.

第一,電工學實驗室中的電工電子實驗臺在工作狀態(tài)下造成的電磁輻射強度較低，均在安全限值以內，無需采取特殊防護措施．

第二,模擬電子技術實驗室內的電磁輻射主要集中在儀器表面和模擬電子實驗箱的穩(wěn)壓電源和電路工作區(qū)，最大電場強度甚至超過安全限值的5倍，載流導線集中的地方輻射也很強．由于電磁輻射在空氣中衰減迅速，因此，建議實驗者與儀器之間應保持10cm的安全距離．

第三,對儀器擺放密度的建議：面對面放置的兩張實驗臺上的儀器擺放距離必須大于40cm,這個距離可以確保彼此不會給對方實驗操作者造成電磁輻射污染．

第四,信號在1kHz～2kHz頻率范圍內的模擬電子技術實驗不會造成可檢測到的高頻電磁污染，因此，實驗室只需要對來自周圍環(huán)境的高頻電磁輻射加以防范．

5 結束語

本項目針對“大學實驗室的電磁輻射安全狀況”這一課題展開了調查研究．通過對華北理工大學的模擬電子技術實驗室和電工學實驗室的電磁輻射情況的檢測與評估發(fā)現(xiàn)，在模擬電子技術實驗室內，的確存在著超出國家電磁輻射安全限值的輻射污染區(qū)，為此，本文在對上述實驗室的電磁輻射檢測情況給出具體描述的同時，也對如何有效防范實驗室內的電磁輻射污染提出了相應的科學建議．本文給出的結論和建議適用于同類院校的實驗室．