微波輻射及其防護

1、微波輻射及其防護            【關(guān)鍵詞】  微波生物效應(yīng)；微波輻射；微波防護    微波是指頻率為3×1023×105 MHz的電磁波，其相應(yīng)波長是l m1 mm，相對于低頻無線電波，波長很短，具有光的直線傳播特性，能聚焦成束，輻射本領(lǐng)強，易于穿透各種介質(zhì)。當(dāng)生物體受微波照射后，在生物化學(xué)、生物物理、組織形態(tài)、生理功能及行為等方面將會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就是微波的生物效應(yīng)(biological ef

2、fect of microwave，以下簡稱微波效應(yīng))。微波效應(yīng)分為有益的和有害的兩類，這兩類效應(yīng)都可以由微波熱效應(yīng)或微波的非熱效應(yīng)引起。微波的熱效應(yīng)是微波對生物組織中的鹽離子、極性蛋白質(zhì)分子加速振動而引起，使受照生物組織把所吸收的微波電磁能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因而使生物組織的溫度升高。而微波的非熱效應(yīng)是無明顯溫升或溫升無關(guān)的一種效應(yīng)。        微波醫(yī)學(xué)應(yīng)用就是一種有益的微波效應(yīng)，它包括微波診斷、微波治療、微波解凍、微波解毒和微波殺菌等。有害的微波效應(yīng)包括引起眼睛晶狀體混濁；抑制精子產(chǎn)生，從而影響受精胚胎，使胎兒畸形和發(fā)育緩

3、慢；引起失眠或嗜睡、頭痛、頭暈、疲乏；產(chǎn)生血液動力學(xué)失調(diào)、心律加快或變慢、心臟房室傳導(dǎo)阻滯、心肌病變；影響鐵的代謝及血紅蛋白合成和白血球減少；影響內(nèi)分泌及其他生理功能等。        由于人體是一個高度復(fù)雜的自適應(yīng)系統(tǒng)，人體具有自適應(yīng)自然環(huán)境變化的能力，并具有自我補償外界環(huán)境所施加影響的能力。因此，如果微波效應(yīng)處于人體的生理補償范圍以內(nèi)的，則不引起明顯的傷害，或停止照射后，出現(xiàn)的傷害經(jīng)一段時間會自行消失。1  微波效應(yīng)原理    當(dāng)人體組織受微波電磁能照射時，人體內(nèi)部產(chǎn)生熱效應(yīng)和非熱

4、效應(yīng)。因為一切有機物質(zhì)都含有相當(dāng)多的水分，且水是極性分子，它們的正負(fù)電荷分布中心不重合，當(dāng)電場改變時，極性分子快速來回擺動，吸收微波電磁能，并將其轉(zhuǎn)換為熱能。因此，微波加熱是屬于對介質(zhì)的加熱。由于水是導(dǎo)電物質(zhì)，會產(chǎn)生電阻損耗。水分子在微波場中的振動頻率為22.235 GHz，在此頻率下，水對微波將產(chǎn)生共振吸收。對物質(zhì)中的含水，共振頻率般將降低，對有水介質(zhì)，其相對介電常數(shù)應(yīng)為：    r=r-nr    式中r為介電常數(shù)實部，它衡量介質(zhì)的儲能本領(lǐng)，r”為損耗系數(shù)。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。一般含水的介質(zhì)具有大得多的介電常數(shù)和損耗系數(shù)，所以對微波具有很好的吸收性能，常作為微波的負(fù)載，這就是微波能快速加熱和烹煮食物的原因。        由于人體組織中的含水量很高，可以很好地吸收微波電磁能，在微波電磁能的輻射下，人體組織將迅速得到加熱，大量的臨床治療效果可以確認(rèn)，熱效應(yīng)是微波電磁能用于臨床治病的主要原因。微波能用于臨床治療的另一個重要原因是微波的生物效應(yīng)，其現(xiàn)象是生物組織在微波段有共振吸收現(xiàn)象。用8 mW、幾十毫瓦的微波功率可治療胃潰瘍有良好療效已報導(dǎo)。  

6、;  電子順磁共振(EPR)在醫(yī)療上的診斷與核磁共振(NMR)的基本原理是相類似的，它們的旋進圓頻率其表達式分別為：    oi=iHo    oe=eHo    式中i為核磁比；e為電子的旋磁比，其值比核磁比大1 000倍。故oe一般在微波段。由于人體血液有EPR信號，正常人與癌腫患者血液EPR的馳豫時間有所不同，據(jù)此可以早期診斷癌腫。微波也可以治癌，當(dāng)人體組織的溫度超過42 時，微波對腫癌細(xì)胞具有明顯的殺傷作用。2  微波輻射    微波電磁能的傳播，

7、一般是成直線束傳遞，但仍然會散射到周圍空間，當(dāng)它穿透到人體的正常組織時是有害的，損害程度與微波進入人體暴露區(qū)域的平均功率密度和平均暴露時間有一定的關(guān)系，通常用暴露劑量表示，微波穿入人體所允許的輻射劑量Cd可由下式表示：    Cd=T0Pd(t)dt=PdT    式中Cd的單位為mW·h/cm-2；Pd為微波輻射功率密度，單位為mW/cm2；T為人體組織受照射時間，單位為h。由此可見，人體組織受微波輻射的劑量是與微波功率大小及受照時間長短成正比關(guān)系。其劑量是表示某一段時間內(nèi)功率密度的積累量。有的國家規(guī)定連續(xù)無限制照射時，允

8、許功率密度為l W/cm2，然而每天只照射20 min時，可允許l mW/cm2的功率密度。    但是，世界各個國家所規(guī)定的輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)有所不同，如圖l所示和表1所列出的數(shù)據(jù)差別是相當(dāng)明顯的。我國于1983年在全國衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)審定會上規(guī)定了人體的正常組織受微波輻射暫時標(biāo)準(zhǔn)劑量為每天連續(xù)工作6 h限制值為50 W/cm2，每天連續(xù)工作8 h限制為30 W/cm2。除此之外，由于人體組織受微波輻射時還與輻射源距離遠(yuǎn)近有關(guān)，近區(qū)場比遠(yuǎn)區(qū)場對人體傷害威脅更大。在大口徑喇叭輻射場的近區(qū)定義為：    R    式中R

9、為微波源與輻射點的距離，D為天線直徑，為工作波長，三者單位均為m。例如微波源的工作波長10 cm，發(fā)射喇叭直徑為2 m，則R<2×22/0.1=80(m)。這說明在80 m范圍內(nèi)為近區(qū)，受微波輻射威脅大，在80 m以外屬遠(yuǎn)區(qū)，影響隨距離遠(yuǎn)而逐漸減小。一般來說，暴露區(qū)域微波輻射劑量和與微波源的距離平方成反比(1/r2)，但實際測量微波輻射劑量是處在線性(1/r)和平方律(1/r2)兩者之間的衰變。假設(shè)探針天線的輻射功率為100 W，以球面波的形式輻射，則在距離探針天線l m處的功率密度為3.2 mW/cm2，在距離0.5 m處的功率密度為12.8 mW/cm2。如果是定向輻射天線

10、，方向性強且距離近時，就可以用微波輻射功率和天線口截面積直接估算微波輻射的功率密度。假設(shè)微波輻射功率為100 W，天線口截面積為100 cm2，則輻射功率密度為1 W/cm2，該功率密度在近距離的區(qū)域內(nèi)變化不很大，人體不宜靠近該區(qū)域內(nèi)微波源的周圍。圖1  人體暴露標(biāo)準(zhǔn)、平均功率和平均時間（略）表1  各國微波輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)（略）3  微波防護    由于微波對人體有傷害作用，對于從事微波技術(shù)工作的人員和接受微波治療的患者，除有病變組織以外的部位，都應(yīng)采取防護措施，一般可用銅絲網(wǎng)(網(wǎng)孔大小依微波頻率而定，頻率高，網(wǎng)孔小；頻率低，網(wǎng)孔大)屏蔽，或穿戴特制的沉積有銅或銀的微波防護服、防護帽和防護眼鏡。但是接觸微波技術(shù)工作人員和一般居民受微波輻射功率密度及時間有所不同，由圖2所示和表1可知，對海、陸、空三軍和醫(yī)務(wù)人員及居民所受微波的連續(xù)波和脈沖浪照波的平均功率密度及暴露時間也是不相同的。例如，我國規(guī)定在一天8 h連續(xù)輻射時其劑量不應(yīng)超過30 W/cm2；而短時間且間斷地一天超過8 h工作時，劑量不超過300 W/cm2?？墒牵谔厥馇闆r下需要輻射劑量大于l mW/cm2環(huán)境中工作時，就必須使用微波防護用具，但日劑量不得超過300 W/cm2，一般不允許在劑量超過5 mW/cm