电磁辐射(EMF)健康影响和测量技术及方法综述

电磁辐射（EMF）健康影响和测量技术及方法综述一、电磁辐射(EMF)项目背景介绍随着技术革命的更新和不同波段新的应用的不断发现，许多频率电磁辐射（EMF）的暴露水平显著增加,生活中的每个人都处在0-300GHz频率的复合电磁场（EMF）暴露中，电磁污染（EMF）已成为最广泛的环境影响因素之一。电磁污染的主要来源有：各种输变电系统；运输系统、长途通讯设施和便携式通讯工具如移动电话；医药、商业和工业设备；雷达；电台和电视台发射天线等。随着对电磁场(EMF)暴露会引起各种健康问题担忧的增加，1996年世界卫生组织（WHO）设立了国际电磁辐射（EMF）项目以寻求解决问题的方法。由于对电磁辐射所造成的健康危害的不同理解，不同国家所制定的电磁辐射标准有很大的差异。其中，俄罗斯、中国、意大利、比利时等国家在制定标准时考虑了电磁辐射对人体的神经效应方面的影响，标准限值较严厉，美国、澳大利亚、德国等国在制定标准时采用了国际非电离协会（ICNIRP）的推荐标准，没有考虑电磁辐射对人体的神经效应方面的影响，而只是考虑已有明确研究结果的热效应，标准限值较宽松，将来仍然有进一步提高标准限值的可能。二、电磁辐射（EMF）的环境影响由于电磁辐射对环境所造成的影响主要有两方面，一是对人类健康的影响，二是对各种电气设备的影响，因此在考虑电磁辐射的环境影响时将从两个方面入手。如图示：1．电磁辐射对人类健康的影响在评价电磁辐射生物效应的不良健康后果时，应该区分相互作用、生物效应和健康危害这几个概念：o相互作用是由电感和电容的耦合或力作用于带电颗粒引起的，可能导致微小的身体变化。o生物效应是可被检测的分子水平以上的功能或结构改变，生理性变化可能或无法被衡量。活的生物体在生命过程中对许多刺激产生反应，这种反应便是一种生物效应。o在人体生理正常代偿范围内以及尚未损害人的身体与精神健康的生物效应不能视为危害性效应。o相互作用所导致的生物效应若超出了人体生理正常代偿范围，则构成真正的或潜在的健康危害。o生物效应若有损于个体行使正常功能或从刺激中恢复的能力，应视为健康危害。o经过证实（即，以科学的态度进行的研究、结果有显著性意义、直接的因果关系）的主观感觉，若对个体的身体和精神健康造成损害，应视为健康危害。1．1电磁辐射不良健康效应电磁辐射对人体的健康影响主要有两方面：躯体热效应和神经效应。根据频率的不同电磁辐射对体的影响有所不同，一般而言低频电磁辐射对人体的影响以神经效应为主，高频电磁辐射对体的影响以热效应为主。如图一示：图一、电磁辐射对人体的健康影响示意图神经效应热效应低频高频静态场的健康效应对静电场生物效应的实验研究为数不多，没有证据表明其对人体健康产生不良影响。对大多数人而言，能感觉到的体表带电对身体表面有直接作用，在暴露的静电场强度小于25kV/m时不会发生这种情况。也没有直接的证据表明暴露于高至2T的静磁场会对人体造成任何急性不良影响。对已证实的相互作用机制进行的分析表明，长期暴露于200mT的磁通量密度不会对健康产生任何不良影响。频率低于100kHz的时变场的健康效应。感应电流密度为10mA/m2或低于10mA/m2时，没有发现低频场能产生明确的不良效应。感应电流密度较高（10-100mA/m2）时，明显的组织效应，如神经系统的功能变化。感应电流密度高于100达到数百mA/m2时，超过神经元和神经肌肉的刺激阈值。只有少数实验研究显示工频磁场有促癌作用。由于缺乏实验研究的支持，有关暴露ELF场癌症危险度的流行病学数据尚不足以提出暴露限值的推荐值。频率为100KHz-300GHz场的健康效应比吸收率（SAR）为4W/kg的电磁辐射场中约30分钟，体温上升约1℃。比吸收率（SAR）大于4W/kg，超过人体的热调节能力，组织发热会达到有害程度。以上数据为职业暴露限值定为0.4W/kg奠定了基础，这一限值可使在其它极端条件下（如高温、潮湿或体力劳动强度）工作的人们得到充分的安全保证。高频EMFs造成在磁场中接触金属物件的人受电击和灼伤，是间接不良效应。在此频率范围内低电磁辐射强度对人体的神经效应由于缺乏足够的实验支持和大量的流行病学调查研究，因此在国际标准制定时没有考虑该因素，但对标准限值的修改留出了修改的余地。简单事例：日常生活的例子是微波炉加热食物（但加热对象不是人体，不叫热效应），手机使用时间长了以后，头面部会发热。射频场才有热效应，工频场不能致热。遗传学效应（尚无定论）关于微波能否造成遗传损伤的问题，报道不尽相同。由于国内外对微波遗传学效应的研究在暴露频率、功率密度和研究指标等方面较为局限，人群资料较少，因此对于长期微波暴露能否引起遗传损伤，尚有待于进一步研究证实。1．2电磁干扰--对各种电气设备的影响由于各种设备所辐射的杂散信号在空间中传播，会对其他设备的有用信号造成干扰，如：广播混频，电视声、图干扰，电话杂音（由于非线性器件有检波能力）。心脏起搏器停止，飞机导航失控，炸弹引炸，仪器失灵。电磁场使金属带电，电火花导致燃油起火。工频磁场对阴极射线管电子束的偏移，引起电视、电脑图像抖动。三、电磁辐射物理原理1、电磁场的产生及性质⑴产生根据电磁学基本理论，带电粒子周围会有相应的电场分布，随时间变化的带电粒子产生变化的电场。由于带电粒子周围电位不同的两点之间存在电位差，因此在两点间形成了电压。当大量的带电粒子定向移动时形成了电流，电流周围产生磁场，随时间变化的电流产生变化的磁场。电磁场是一种特殊的物质形态，可以单独在空间中传播。变化的电场能产生磁场，反之，变化的磁场也能产生电场，对电磁场的测量通常有：电场强度v/m，磁场强度A/m，功率密度W/m2。对于工频磁场，常用磁感应强度B表示磁场强弱，磁感应强度B与磁场强度的关系为，B=μ0H，μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7，当磁场强度H以(A/m)为单位，磁感应强度B以μT（微特斯拉）为单位时，B=1.2566H。⑵性质矢量电场与磁场是矢量，不但有量值大小，还有方向，所以对于非各向同性的测量天线，测量时必须调整天线方向，直到读数为最大值为止。从目前情况来看，一般情况下，综合场强仪都是各向同性天线（探头）。电磁场的迭加电磁场有可迭加的性质，空间任一点的电场（或磁场）为不同电荷（或电流）在该点产生的电场（或磁场）的矢量和。理想导体内及所严密包围的空间内的电场强度为零，理想导体上各个位置的电位相等，理想导体表面的电场方向垂直理想导体表面。（如果不垂直，则电场有沿导体表面的分量，导体表面成了非等位面）。电磁波的干涉、绕射、反射、透射由惠更斯-菲涅耳原理，包括电磁波在内的一切波有干涉、绕射、镜面反射、漫反射（散射）、透射等特性。当辐射源与测量点之间有障碍物时，电磁波可通过绕射方式达监测点，但强度能量有很大的损失。同一波源发出的波通过不同路径传播到达测量点，这些波在测量点的相位一般不同，由此产生相消干涉或相加干涉。同相相加，反相相消。干涉的结果使得电磁波能量的空间分布发生变化，因此出现在测量中可能距离辐射源相同的点位但测量值却相差较大，但对电磁波的总能量来说是不变的。当电磁波入射到两种介质（如空气与大地）的分界面上时，会发生反射与透射，一部分能量进入新的介质形成透射波，另一部分能量被反射回原先的介质形成反射波。当反射波和源辐射波相遇时也会产生干涉叠加，形成场的不均匀分布。因此在测量中要考虑到反射物可能带来的影响。对于良导体，电磁波能量基本上被全部反射回去，不能透射到导体深处。在介质的分界面起伏不平的程度远小于波长时，形成镜面反射，入射角等于反射角。否则形成漫反射（散射）。因此由平整的导体所形成的反射波导致的干涉叠加容易在空间中形成驻波。测量时给予注意。综合经上因素，测量点周围的物体都可反射电磁波，与其他传播路径（包括直射、地面反射等）的电磁波产生相消干涉或相加干涉，影响测量结果。因此，对电磁测量的要求：①测量无关人员应尽量远离测量天线（探头），测量人员不能站在电磁波的传播路径进行测量，以防止由测量人员身体反射电磁波带来影响。②对职业暴露测量布点应尽量放在常规工作位置，在操作工人离开的情况下进行。③对于一般的电磁辐射环境监测布点，测点应选在开阔地段，要尽可能避开各种因素的影响。频谱时域将电磁场量（E、H或S）表示成随时间变化的函数g(t)，称为时域表示。在时域表示中，平面直角坐标系的横轴为时间t，纵轴为电磁场量大小g(t)，表示电磁场量大小随时间变化，不同时刻t的电磁场量大小g(t)不同。将电磁场量换成股票指数，就是股市涨跌图了。时域表示很直观，通过常识容易理解。频域将电磁场量（E、H或S）表示成随时间变化的函数g(t)，表示成频率的函数G(f)，称为频域表示。函数G(f)称为电磁场量的频谱。在频域表示中，平面直角坐标系的横轴为频率f，纵轴为电磁场量大小G(f)，表示电磁场量大小随频率而变，不同频率f的电磁场量大小G(f)不同，换一个更能显露其物理意义的等效说法，不同频率分量f的频谱强度G(f)不同。（时域）正弦波为单一频率的波，其频谱为一根竖线。如手机机站信号。基波和谐波周期为T的非正弦波可分解成（看作）一系列正弦波的迭加，这些正弦波中频率最低的称为基波，其频率f0=1/T，其余正弦波称为谐波，频率为nf0，n=2,3,4……，n称为谐波次数。周期性的非正弦波频谱是离散的。一般基波频谱强度最大，谐波次数越高，频谱强度越小。为了简化设备，降低成本，工科医设备的电磁振荡源的频谱质量很差，除了振荡频率（周期）的变化之外，振荡波形也有畸变，偏离正弦波形，造成谐波干扰。这类干扰源中常见的典型设备是塑料热合机。其基波频率虽然远离广播电视的接收频率，但是其谐波频率可能落入广播电视的接收频率范围，干扰电视的图像与声音。广播电视及移动通信等携带有信息的调幅(AM)、调频(FM)及调相电磁波源的频谱是离散的，频谱范围较窄。其测量可用峰值检波的电视场强仪或频谱分析仪。非周期性的脉冲波的频谱是连续的，没有基波频率，频谱低端从零频率（直流）开始。脉冲波的上升及下降沿越陡，脉冲越窄（持续时间越短），频谱就越宽。火花放电产生的电磁脉冲就是这种脉冲波，其频谱很宽，可对不同频段的信号接收造成干扰。其测量必须用准峰值检波的测量接收机、干扰场强仪或频谱分析仪。雷雨闪电时所有波段的收音机、电视机都会有大的杂音，街上的摩托车报警器发出叫声，说明闪电所发射电磁波的频谱很宽。闪电是一种火花放电，所发射电磁波是脉冲波，由此可从经验了解到，脉冲波的频谱很宽。极化定义：在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。电场矢量端点运动的轨迹如为园，称园极化。如为椭圆，称椭圆极化。电场矢量端点运动的轨迹如为直线，称线极化，以地面为参考，又分为垂直极化和水平极化。一般而言，单根线状发射天线的方向即为所发射电磁波的极化方向，中波天线垂直于地面，所以辐射垂直极化波，主要传播途径为地波传播；短波天线平行于地面，所以辐射水平极化波，主要传播途径为天波传播（通过电离层反射）。四、电磁辐射的测量基础知识电磁辐射的测量方法通常与测量点位和辐射源的距离有关，即，所进行的测量是远场测量还是近场测量。由于远场和近场的情况下，电磁场的性质有所不同，因此，要对远场和近场测量有明确的了解。1、电磁场的远场和近场划分电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射，称为辐射场。一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为近区场（感应场）和远区场（辐射场）。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的工作环境和测量目的进行划分，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。近区场通常具有如下特点：近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系