Приложение ВВ (справочное). Объяснения для барьеров против доступа к токам СВЧ и связанные с ними испытания на утечку

Приложение ВВ
(справочное)

Объяснения
для барьеров против доступа к токам СВЧ и связанные с ними испытания на утечку

ВВ.1 Стандартные измерения утечки токов СВЧ

В продаже имеется несколько приборов измерения утечки токов СВЧ. Те приборы, которые достаточно хорошо функционируют для решения поставленной цели, имеют небольшой, приемлемо изотропный (всенаправленный) чувствительный элемент на конце пластмассового стержня. Этот чувствительный элемент реагирует только на электрическое поле. Также имеется распорная деталь, которая не возмущает чувствительный элемент, но используется для того, чтобы установить минимальную дистанцию 50 мм между чувствительным элементом и любой частью СВЧ оборудования или установки, как задано в настоящем стандарте. Испытание прибора включает поверку в поле в дальней зоне (допустимая неточность составляет примерно 20%), а одно или два испытания предназначены показать, что чувствительный элемент является электрически малой величиной, так что сам по себе он не создает помехи (стоячие волны) для близлежащих объектов.

Шкала приборов для измерения токов утечки градуирована не в тех же самых единицах измерения, в которых действительно измеряется утечка (В/м), но вместо этого в ваттах на квадратный метр (или в ). Перевод из одних единиц в другие является корректным только в случае плоской волны в свободном пространстве, когда волновое (характеристическое) полное сопротивление составляет 377 Ом при однонаправленном распространении. Так как стоячая волна есть сумма двух волн, распространяющихся в разных направлениях, а зонд не является чувствительным по направлению, то волновое полное сопротивление становится меньше или больше 377 Ом, так что показание прибора становится ошибочным. Ошибочные показания получаются также в сильно искривленных ближних полях и при измерениях зондом в волноводе или подобном месте, где имеется одиночный или составной вид электрических колебаний (имеющих разное полное сопротивление).

Минимальная дистанция 50 мм между чувствительным элементом измерительного прибора и любой доступной частью СВЧ устройства была задана более 35 лет назад, когда был разработан первый стандарт по утечке в печи нагрева токами СВЧ. Главной причиной было желание использовать такой тип измерительных приборов, который был использован для измерений воздействий поля в дальней зоне. Также пришли к заключению, что прибор с датчиком для измерения электрического поля не мог показывать точное значение для определения плотности потока исходящей энергии, если зонд был расположен: а) где кривизна поля была значительной (по сравнению с длиной волны) и b) в присутствии любых стоячих волн вблизи датчика. Разумный компромисс с необходимостью измерять излучение (т.е. в зоне источника, так что "пятно утечки" не могло быть обнаружено) был найден в дистанции 50 мм для 2450 МГц в диапазоне ISM. Даже если в литературе по измерительным приборам отмечалось, что та же самая дистанция, 50 мм, была менее подходящей для нижнего диапазона ISM на частоте 915 МГц, вопрос не считался столь проблематичным, чтобы технические требования были изменены. В настоящее время имеются измерительные приборы, которые охватывают также 5800 МГц в диапазоне ISM.

Историческая причина для выбора максимально допустимого уровня 50 (= 5 ) была результатом существующего правила считать приемлемой плотность потока энергии до 100 в коммерческом и промышленном окружениях плюс предположения о возможности двух или больше микроволновых печей или генераторов, близко расположенных друг к другу. Позднее, когда в продажу поступили бытовые микроволновые печи, характер утечки через дверку был найден типично только из некоторых пятен утечки, так что плотность потока энергии уменьшалась почти квадратично с дистанцией в сторону от этих пятен. Не было никакой причины, почему пользователь мог оставаться очень близко от закрытой дверки работающей печи. Широко публикуемые исследования показывают, что реальное воздействие на любую часть тела человека стало очень низким, в частности, с учетом разумного усредненного времени от 5 до 10 мин для оценки возможности нанесения вреда. В результате предел 50 был применен к бытовым микроволновым печам, а также и к промышленным установкам.

В начале 1970-х годов органы власти США, ответственные за радиационную безопасность, обнаружили некоторые проблемы качества в некоторых моделях микроволновых печей и ввели "производственный предел" 10 для новых, еще не использованных печей, чтобы смягчить любые озабоченности населения. Только одна или две другие страны последовали этому пределу.

Тем временем подкомитет IEC/SC 61В (Безопасность микроволновых печей) разработал стандарт по безопасности микроволновых печей, и значение 50 стало всемирным пределом после всех испытаний. Технический комитет 27 придерживался того же самого предела. В 1980-х годах измерения утечки у крышек для замены ламп были рассмотрены в SC 61В. Расположение отверстий в стенке резонатора у лампы может быть причиной утечки токов СВЧ. Размер крышки может быть такой, что дистанция 50 мм до ближайшей части СВЧ устройства может быть также поддержана, когда чувствительный элемент находится почти внутри наружного корпуса, с которого была снята крышка. В этом состоянии было отмечено довольно высокое показание прибора, но оно было очень низким при снятии всего корпуса. Причиной высокого показания была стоячая волна, которая возникла внутри корпуса. Было электрическое поле, но не было реальной утечки, так как стоячая волна есть сумма волн, направленных наружу и внутрь, и эта волна не может иметь полезного потока энергии. Кроме того, если бы палец был просунут в отверстие, то стоячая волна исчезла бы и только реальная утечка становится возможной для нанесения вреда. Подкомитет SC 61В добавил заявление к стандарту в отношении того, что чувствительный элемент измерительного прибора не следует располагать у плоскости отверстия ближе 50 мм, т.е. зону внутри под крышкой не следует считать доступной в том, что касается измерения утечки. Настоящий стандарт остается верным тому же самому принципу.

ВВ.2 Возможности нанесения вреда токами СВЧ. Основное ограничение

Незащищенность от токов СВЧ считается потенциально опасной, если нагрев частей тела человека превышает определенные значения. Они точно определяются как значения SAR (specific absorption rate - специфическая скорость абсорбции) и выражаются ваттами на килограмм ткани. Самое низкое значение SAR при незащищенности от токов СВЧ всего тела, когда могут быть некоторые риски, было найдено - 4 Вт/кг. Коэффициент безопасности 10 соответственно применяется для рабочих с токами СВЧ (обученные люди) и другой коэффициент безопасности 5 - для общей публики (обычные люди), что дает результатом основное ограничение 0,4 и 0,08 Вт/кг в обоих случаях. Местное неопасное воздействие токов СВЧ, ограниченное для головы и туловища, может быть вплоть до 10 и 2 ВТ/кг соответственно. Эти удвоенные значения (20 и 2 Вт/кг) считаются неопасными местно в конечностях (включая кисти и пальцы). Тогда значения интегрирования превышают любые 10 г в расчете на массу тела. Эти значения применяются к сверхвысоким частотам вплоть до 10 ГГц. Интересно, время интегрирования устанавливается на 6 мин. Как будет обсуждаться ниже, время интегрирования короче 6 мин используется в настоящем стандарте.

ВВ.3 Оценка возможности нанесения вреда токами СВЧ. Метод воздействия в свободном пространстве

Для всех практических ситуаций воздействия (за исключением средств связи, например, сотовых телефонов, для которых может применяться полная концепция максимальной мощности источника) в промышленности и для защиты от токов СВЧ рабочих и общей публики применяются два упрощенных метода проверки. К ним относятся максимальная, допустимая в дальней зоне плотность потока энергии далеко в стороне от источника и стандарт излучения для бытовых приборов, например микроволновых печей и промышленного высокочастотного оборудования.

Этот вопрос является актуальным в настоящее время, если смягчение значений SAR для частей тела (в комбинации с объемом интегрирования) является сопоставимым с методом незащищенности в свободном пространстве.

Когда части тела человека с небольшим радиусом кривизны нагреваются, то могут возникать дифракция, резонансные и другие фокусирующие или усилительные явления. Для частот примерно 915 и 2450 ГГц внутренние длины волн в тканях, а также ограничение глубины проникновения влияют на пальцы, которые представляют главный интерес. В принципе только согнутые в суставе пальцы и локти могли бы создавать фокусирующий эффект. Но пальцы определенно являются более проблематичными в том, что касается рассматриваемых здесь влияний. Не предполагается, что другие выступающие части тела, например, нос, уши или пенис будут находиться близко от источников утечки токов СВЧ в коммерческом или бытовом высокочастотном оборудовании.

Следующее результаты моделирования указывают степень совместимости между основным ограничением и методом незащищенности в открытом пространстве.

Было использовано численное моделирование с применением коммерчески доступного электромагнитного программного обеспечения. Палец диаметром 13 мм и с типичными диэлектрическими данными (гомогенный, с комплексной диэлектрической постоянной , где коэффициент потерь (10) понижается при рассмотрении костей и сухожилий) был подвергнут воздействию плотности потока энергии 10 в свободном пространстве. Самая сильная абсорбция случилась для поляризации TMz (т.е. с падающим электрическим полем параллельно оси пальца) и вида электрического колебания в пальце, ставшем типом с двумя противоположными осевыми зонами максимальной нагревательной интенсивности. Максимальная интенсивность энергии становится 5 и средняя по наихудшим 10  становится 1,8 .

Если бы палец подвергался воздействию плоской волны с плотностью потока энергии 50 (что допустимо для бытовых и коммерческих микроволновых печей и т.д.), то максимальное значение стало бы 25 и объединенное значение 10  стало бы 9 .

Приходим к заключению, что:

- Основное ограничение для обычного человека превышается. Однако обычные люди по сегодняшним стандартам подвергаются только воздействию токов СВЧ в микроволновых печах с дверкой в случае, когда источник утечки настолько мал, что высокая интенсивность минует значимо меньший объем пальца. Дополнительно, нет причины держать руку вблизи закрытой дверки работающей микроволновой печи. Фактически имеются многочисленные сообщения по экспериментальным исследованиям в 1970-х годах, которые ясно указывают, что усредненный уровень воздействия за несколько минут от 10 до 100 раз ниже 10 . Следовательно, действительное поглощение находится в границах предела SAR.

- Основное ограничение для обученного человека примерно такое же, как действительное значение SAR. Однако реальная ситуация с оператором, занятым удалением загрузки у порта непрерывно работающего сверхвысокочастотного нагревательного оборудования с конвейером в течение длительных периодов, является более тяжкой по сравнению с микроволновой печью, имеющей дверку, но рабочая рука может типично не быть вблизи отверстия больше половины определенного времени. Дополнительный усугубляющий фактор заключается в том, что туннельное отверстие больше двери печи в качестве источника утечки, так что зона с высокой плотностью СВЧ энергии может растянуться дальше наружу, чем от дверки печи. Следовательно, строительство зон в конце туннеля, а также метод измерения предназначаются гарантировать, что значения SAR в пальце человека, равное величине SAR при воздействии поля в далекой зоне 50 , не превышается.

- Рабочий режим СВЧ оборудования с конвейером должен быть такой, что любые уровни утечки выше среднего не появятся. Однако пустые части туннельной микроволновой печи могут вводиться в действие, когда оператор все еще удаляет загрузку. Следовательно, более высокое значение может быть приемлемым временно при условии, что объединенная энергия находится под контролем.

ВВ.4 Возможности нанесения вреда токами СВЧ из отверстий в резонаторах и из портов входа и выхода

Фактически поглощенная СВЧ энергия в части тела человека всегда сильно зависит от конфигурации поля, а конфигурация поля на этой части тела также сильно видоизменяется самой этой частью. Это означает, что даже знание истинной плотности потока энергии или интенсивности электрического поля не может быть использовано для оценки фактической скорости высокочастотного поглощения, т.е. надо установить более полный сценарий до того, как могут быть сделаны какие либо вычисления абсорбции. Следовательно, интенсивность утечки, измеренная как квазиплоская волна свободного пространства на 50 мм или больше в стороне от источника, не будет теперь одна определять уровень возможности нанесения вреда. Фактическая возможность нанесения вреда также зависит от следующего:

- любой возможности доступа в зону, где имеется СВЧ энергия,

- размера отверстия, которое может обуславливать тип характеристик поля и допускать несколько типов характеристик СВЧ поля.

- любых предметов, включая загрузку, которую надо нагревать, или часть тела в отверстии, которая может также обуславливать тип характеристик поля.

Ситуация доступа является конечно решающей и должна быть стандартизована некоторыми путями, так что могут быть установлены разумно простые и объективные процедуры и требования. Так как только рука, кисть и палец считаются частями тела, которые могут вступать в контакт с отверстиями или могут быть туда просунуты в этом виде сверхвысокочастотного оборудования, то два важных вопроса могут быть непосредственно определены количественно:

1) все геометрические факторы и

2) как рассмотрено выше, эти части тела являются менее чувствительными, чем, например, голова.

Важный принцип заключается в том, что "граница возможности нанесения вреда" (называемая базовой поверхностью в этом стандарте) определяется где-то вблизи поверхности отверстия и что измеренное прибором показание утечки 50 надо применять для испытаний. Это означает, что остается только разработать тесты, которые будут гарантировать с разумной определенностью, что фактические плотности энергии (в или значения SAR в Вт/кг) в пальцах, кисти или руке человека, "контактирующие" с базовой поверхностью, не будут превышать те значения плотности энергии, причиной которых является источник "нормальной утечки", например зона дверки микроволновой печи, дающая показание плотности потока энергии 50 на дистанции 50 мм от любой части СВЧ оборудования.

Тогда конфигурация поля становится проблемой, как получить реалистические результаты измерений тем же самым типом измерительных приборов, которые использовались для микроволновой печи с дверкой. Ясно, что имеется потребность для упрощения и стандартизации. В настоящем стандарте используется метод барьеров, которые не экранируют СВЧ энергию.

ВВ.5 Усреднение по времени

Имеются только две спецификации интегрирования по времени в существующих международных стандартах.

a) 6 мин при незащищенность всего тела и

b) критерии для рабочих циклов в случае очень коротких импульсов, например от радиолокационных передатчиков.

Дополнительно, в некотором национальном законодательстве по неионизирующему излучению имеется потолочное значение воздействия. Потолочное значение, например, 250 и среднее 10 , можно интерпретировать как максимальное изолированное сильное воздействие в течение 14,4 с (660/(250/10) = 14,4 с), разрешенное в течение любого интервала 6 мин.

Интегрирование по времени 6 мин является довольно совместимым с типичными случаями облучения частей тела, имеющих радиус кривизны больше, чем примерно одна длина волны в свободном пространстве для микроволн частотой 2450 МГц. В таких случаях, по существу, можно принять распространение плоской затухающей волны, а также глубину от 30 до 40 мм в ткани, по которой теплопроводностью устанавливается равновесие. Использование данных теплопроводности и уравнения теплопроводности Фурье дает в результате постоянную константу примерно 5 мин (т.е. произошло 63% стационарного режима). Полезное сравнение с кипячением яйца в воде: требуется 5 мин, чтобы в центре яйца температура достигла 65°С.

Наиболее тяжкая диаграмма нагрева в пальце диаметром 13 мм при облучении плоской волной частотой 2450 МГц является неровной, примерно с дистанцией 5 мм между горячей и холодной зонами. Можно показать, что всестороннее СВЧ сопряжение является самым сильным в пальце диаметром примерно 16 мм. Соответствующая дистанция между горячей и холодной зонами тогда становится 7 мм или меньше. Соответствующее измерение становится в три раза больше на частоте 915 МГц возможно в результате местного перегрева в кисти и нижней части руки. Довольно заметный местный перегрев за счет резонанса может случиться в пальцах на частоте 5800 МГц. Восприятие тепла тогда может быть довольно слабым.

Уравнение теплопроводности Фурье является пространственно квадратичным. Используя кипение яйца диаметром 40 мм, через 5 мин имеем дистанцию между холодной и теплой зонами 20 мм в качестве базиса, дистанция 7 мм была бы подобным образом сбалансирована через с, т.е. время интегрирования примерно 35 с является адекватным.

Однако имеется другой фактор, который также надо принимать во внимание: даже очень локализованная скорость нагрева не должна быть столь высокой, что будет какой-либо риск боли или раны в течение времени интегрирования. Подходящий приемлемый местный температурный рост может быть установлен на 5 K, принимая во внимание, что чувствительный к теплоте участок кожи будет нагрет, по меньшей мере, за счет проводимости и что такой рост температуры в краткосрочном режиме не вызовет какого-либо повреждения в пальцах. Нормальный человек будет чувствовать и реагировать на увеличение температуры такого же порядка или меньше (примерно 3 K) в пределах тех же самых нескольких секунд.

Гомогенное значение SAR 20 Вт/кг (основное ограничение для пальцев обученных людей) в результате будет иметь скорость подъема температуры примерно 0,5 K/мин.

Теперь предположим, что только кончик пальца поглощает всю энергию, а остальные 10 г не абсорбируют никакой энергии. Такие сценарии в действительности не являются редкими и могут случиться, например, с пальцем, касающимся поврежденных уплотнений микроволновой печи и в некоторых случаях поля в дальней зоне, например, на так называемых отверстиях отсечки (см. примечания к таблице 1). Объем этой части кончика, который поглощает токи СВЧ, теперь установлен на 0,5 , что является объемом полусферы диаметром 12 мм. Используя это в отношении 10  основного ограничения, получим в 20 раз быстрее "допустимую" скорость подъема температуры 10 К/мин. Это также означает, что человек будет чувствовать нагрев пальца в пределах 20 с. Так как равновесие теплопроводности имеет примерно такую же временную константу, как упомянуто выше, то опять получаем примерно 30 с подходящего времени интегрирования.

Имеется экстремальный случай для кончика пальца, прикасающегося к узкой щели утечки в металлической поверхности. Местное значение SAR становится очень зависимым от сухости кожи. Как пример, кончик пальца диаметром 13 мм с 1 мм сухой кожи прижимается к центру щели шириной 2 мм и длиной 100 мм при утечке тока на частоте 2450 МГц. Через щель происходит утечка, равная 50 , которая была измерена на дистанции 50 мм без пальца (т.е. напряженность электрического поля составляет 130 В/м). Тогда местное значение SAR становится примерно 30 в объеме 4 мм шириной и 1,5 мм глубиной. Местное значение само по себе находится приблизительно в пределах основного ограничения. Если палец мокрый и кожа тонкая, то местное значение SAR может быть до 50 раз больше, но два небольших нагретых объема, контактирующие стороны щели будут тогда только примерно 1 мм шириной и глубиной. Дистанция теплового равновесия теперь только 2 мм, поэтому теплопроводность имеет временную константу c = 3 с. Местная, термически изолированная скорость нагрева могла быть до 40 K/мин. Однако теплопроводность имела бы результатом стабильный подъем температуры меньше чем примерно 3 K, что также является приемлемым. Следовательно, нет необходимости иметь время интегрирования короче приблизительно 30 с даже в этом наиболее тяжком случае высоких местных значений SAR в ситуациях микроволновой печи с резонатором.

ВВ.6 Заключения и изменения стандартов для печей с дверкой резонатора

Время интегрирования 6 мин, заданное в существующих международных стандартах, не является адекватным для цели, которая была сначала изучена подкомитетом SC 61В. Более реалистичным было бы значение 30 с. Немного меньшее время (20 с) задается в АА.2, приложение АА. Возможен случай аппликаторов СВЧ с открытым концом, которые предназначены для нагрева контактирующей загрузки. Такие аппликаторы могут причинить почти мгновенное телесное повреждение при контакте любой части тела во время работы, поэтому должны применяться другие положения обеспечения безопасности.

Существующий эмиссионный стандарт для микроволновых печей задает время интегрирования примерно 2 с для измерения. Эта величина задается скорее в силу исторических и практических причин, но не для обеспечения безопасности. Типичная бытовая микроволновая печь имеет либо потолочную мешалку, либо поворотный круг. С заданной кругообразной цилиндрической испытательной загрузкой изменение утечки будет соизмеримым или меньше, чем заданное время интегрирования. Тогда измерения являются корректными, легко и быстро выполнимыми с текущим стандартом.

Так как СВЧ нагревательное оборудование с конвейером ведет себя по-другому и нет причины вводить ограничения на конструкцию, которые не имеют значимости для предположений безопасности, то время интегрирования 20 с для измерений утечки является подходящим. Однако сохраняется время интегрирования измерительного прибора от 2 до 3 с.

Кроме того, вводится максимальное измеренное значение 250 с временем интегрирования измерительного прибора 2 - 3 с, чтобы упростить технические условия для измерительных приборов и обращение с этими приборами, а также численное интегрирование в случае сильно переменной утечки. Такая сильная изменчивость может случиться, например, в микроволновом оборудовании с предохранительным устройством, состоящим из встроенного монитора утечки, сопряженного с отсечкой.