微波辐射及其防护

1、微波辐射及其防护            【关键词】  微波生物效应；微波辐射；微波防护    微波是指频率为3×1023×105 MHz的电磁波，其相应波长是l m1 mm，相对于低频无线电波，波长很短，具有光的直线传播特性，能聚焦成束，辐射本领强，易于穿透各种介质。当生物体受微波照射后，在生物化学、生物物理、组织形态、生理功能及行为等方面将会发生变化，这种现象就是微波的生物效应(biological ef

2、fect of microwave，以下简称微波效应)。微波效应分为有益的和有害的两类，这两类效应都可以由微波热效应或微波的非热效应引起。微波的热效应是微波对生物组织中的盐离子、极性蛋白质分子加速振动而引起，使受照生物组织把所吸收的微波电磁能量转变为热能，因而使生物组织的温度升高。而微波的非热效应是无明显温升或温升无关的一种效应。        微波医学应用就是一种有益的微波效应，它包括微波诊断、微波治疗、微波解冻、微波解毒和微波杀菌等。有害的微波效应包括引起眼睛晶状体混浊；抑制精子产生，从而影响受精胚胎，使胎儿畸形和发育缓

3、慢；引起失眠或嗜睡、头痛、头晕、疲乏；产生血液动力学失调、心律加快或变慢、心脏房室传导阻滞、心肌病变；影响铁的代谢及血红蛋白合成和白血球减少；影响内分泌及其他生理功能等。        由于人体是一个高度复杂的自适应系统，人体具有自适应自然环境变化的能力，并具有自我补偿外界环境所施加影响的能力。因此，如果微波效应处于人体的生理补偿范围以内的，则不引起明显的伤害，或停止照射后，出现的伤害经一段时间会自行消失。1  微波效应原理    当人体组织受微波电磁能照射时，人体内部产生热效应和非热

4、效应。因为一切有机物质都含有相当多的水分，且水是极性分子，它们的正负电荷分布中心不重合，当电场改变时，极性分子快速来回摆动，吸收微波电磁能，并将其转换为热能。因此，微波加热是属于对介质的加热。由于水是导电物质，会产生电阻损耗。水分子在微波场中的振动频率为22.235 GHz，在此频率下，水对微波将产生共振吸收。对物质中的含水，共振频率般将降低，对有水介质，其相对介电常数应为：    r=r-nr    式中r为介电常数实部，它衡量介质的储能本领，r”为损耗系数。水在3 cm波段(f=9 370 MHz)的r=64，r”=29；而塑料薄

5、膜的r=23，r”=10-310-4。一般含水的介质具有大得多的介电常数和损耗系数，所以对微波具有很好的吸收性能，常作为微波的负载，这就是微波能快速加热和烹煮食物的原因。        由于人体组织中的含水量很高，可以很好地吸收微波电磁能，在微波电磁能的辐射下，人体组织将迅速得到加热，大量的临床治疗效果可以确认，热效应是微波电磁能用于临床治病的主要原因。微波能用于临床治疗的另一个重要原因是微波的生物效应，其现象是生物组织在微波段有共振吸收现象。用8 mW、几十毫瓦的微波功率可治疗胃溃疡有良好疗效已报导。  

6、;  电子顺磁共振(EPR)在医疗上的诊断与核磁共振(NMR)的基本原理是相类似的，它们的旋进圆频率其表达式分别为：    oi=iHo    oe=eHo    式中i为核磁比；e为电子的旋磁比，其值比核磁比大1 000倍。故oe一般在微波段。由于人体血液有EPR信号，正常人与癌肿患者血液EPR的驰豫时间有所不同，据此可以早期诊断癌肿。微波也可以治癌，当人体组织的温度超过42 时，微波对肿癌细胞具有明显的杀伤作用。2  微波辐射    微波电磁能的传播，

7、一般是成直线束传递，但仍然会散射到周围空间，当它穿透到人体的正常组织时是有害的，损害程度与微波进入人体暴露区域的平均功率密度和平均暴露时间有一定的关系，通常用暴露剂量表示，微波穿入人体所允许的辐射剂量Cd可由下式表示：    Cd=T0Pd(t)dt=PdT    式中Cd的单位为mW·h/cm-2；Pd为微波辐射功率密度，单位为mW/cm2；T为人体组织受照射时间，单位为h。由此可见，人体组织受微波辐射的剂量是与微波功率大小及受照时间长短成正比关系。其剂量是表示某一段时间内功率密度的积累量。有的国家规定连续无限制照射时，允

8、许功率密度为l W/cm2，然而每天只照射20 min时，可允许l mW/cm2的功率密度。    但是，世界各个国家所规定的辐射剂量标准有所不同，如图l所示和表1所列出的数据差别是相当明显的。我国于1983年在全国卫生标准审定会上规定了人体的正常组织受微波辐射暂时标准剂量为每天连续工作6 h限制值为50 W/cm2，每天连续工作8 h限制为30 W/cm2。除此之外，由于人体组织受微波辐射时还与辐射源距离远近有关，近区场比远区场对人体伤害威胁更大。在大口径喇叭辐射场的近区定义为：    R    式中R

9、为微波源与辐射点的距离，D为天线直径，为工作波长，三者单位均为m。例如微波源的工作波长10 cm，发射喇叭直径为2 m，则R<2×22/0.1=80(m)。这说明在80 m范围内为近区，受微波辐射威胁大，在80 m以外属远区，影响随距离远而逐渐减小。一般来说，暴露区域微波辐射剂量和与微波源的距离平方成反比(1/r2)，但实际测量微波辐射剂量是处在线性(1/r)和平方律(1/r2)两者之间的衰变。假设探针天线的辐射功率为100 W，以球面波的形式辐射，则在距离探针天线l m处的功率密度为3.2 mW/cm2，在距离0.5 m处的功率密度为12.8 mW/cm2。如果是定向辐射天线

10、，方向性强且距离近时，就可以用微波辐射功率和天线口截面积直接估算微波辐射的功率密度。假设微波辐射功率为100 W，天线口截面积为100 cm2，则辐射功率密度为1 W/cm2，该功率密度在近距离的区域内变化不很大，人体不宜靠近该区域内微波源的周围。图1  人体暴露标准、平均功率和平均时间（略）表1  各国微波辐射的安全标准（略）3  微波防护    由于微波对人体有伤害作用，对于从事微波技术工作的人员和接受微波治疗的患者，除有病变组织以外的部位，都应采取防护措施，一般可用铜丝网(网孔大小依微波频率而定，频率高，网孔小；频率低，网孔大)屏蔽，或穿戴特制的沉积有铜或银的微波防护服、防护帽和防护眼镜。但是接触微波技术工作人员和一般居民受微波辐射功率密度及时间有所不同，由图2所示和表1可知，对海、陆、空三军和医务人员及居民所受微波的连续波和脉冲浪照波的平均功率密度及暴露时间也是不相同的。例如，我国规定在一天8 h连续辐射时其剂量不应超过30 W/cm2；而短时间且间断地一天超过8 h工作时，剂量不超过300 W/cm2。可是，在特殊情况下需要辐射剂量大于l mW/cm2环境中工作时，就必须使用微波防护用具，但日剂量不得超过300 W/cm2，一般不允许在剂量超过5 mW/cm