Nok ein gang er det fokus på "Kvikk"-saka og skadeleg elektromagnetisk stråling frå radar og radiosendarar. Så mykje nytt er det ikkje i dagens oppslag om saka, men det kan vera godt med ei gjenoppfrisking av problemområdet.

Fysikklæraren har tidlegare hatt innlegg om temaet.  I aviser, radio og TV  er det denne gangen sett fokus på kva informasjon dei tilsette i forsvaret har fått om strålingsfare. Offisersutdanninga i Sjøforsvaret består av ei akademisk høgskoleutdanning på Sjøkrigsskolen og deretter ei rad spesialkurs ved våpenskolane ved KNM Tordenskjold på Haakonsvern. Sjøkrigsskolen har i sine fysikk-kurs alltid lagt stor vekt på elektromagnetisme, men først i kjølvatnet av "Kvikk"-saka har vi for alvor fokusert på helsefaren ved strålinga. Dette er sjølvsagt eit tema som kadettane våre er svært opptatt av. Det er deira framtidige arbeidsmiljø det gjeld. Men det er mange opne spørsmål, og vi må ofte svare "Det er best å vera føre var"  og  "Det kan vera til no ukjende skadelege effekter ved strålinga".

Kunnskap om korleis antenner verkar, kunnskap om energi, effekt og feltstyrke i strålinga og kunnskap om absorbsjon av elektromagnetiske bølgjer i menneskekroppen vil føre til at framtidige offiserar har sterkt fokus på problemet når dei kjem ombord på marinefartøya. Ikkje berre dei tekniske offiserane skal ha denne kunnskapen, men også dei operative offiserane som ofte har eit overordna ansvar ombord.

Her er eit utsnitt av teori og typiske oppgåver som er pensum for dei operative kadettane ved Sjøkrigsskolen:

Strålingsdosar.
(Frå Kompendium i Sensorteori, Lars Olav Tveita, Sjøkrigsskolen)

Helsefaren ved elektromagnetisk stråling er ikkje fullgodt kartlagt. Men ein effekt er velkjend og lett å rekne på: oppvarming pga. det elektriske feltet. Effekt absorbert pr. kg kroppsvekt, Spesifikk AbsorbsjonsRate, SAR, er gitt ved likninga:

   

der Ei = elektrisk feltstyrke inne i kroppsvevet [V/m],  s = ledningsevne i vevet [1/Wm] og r = tettheten til kroppsvevet [kg/m3].  

Ei , og dermed SAR, er avhengig av strålingsintensitet kroppen blir eksponert for, men også av størrelsen på kroppen eller kroppsdelen i høve til bølgjelengde for strålinga. Når kroppen verkar som ei antenne (halvbølgje dipol), får vi resonans og ein topp for SAR-verdien: For menneske ved f=70 MHz,  apekatt ved f=300 MHz og mus ved f=2450 MHz. Kroppsdelar som hovud, auge, testiklar osv. har også sine resonans-frekvensar.

Figuren viser middels SAR-verdi for 3 arter
som er utsett for e.m. stråling med
intensitet  I = 10 W/m2 = 1 mW/cm2
med E-felt parallelt med lengderetningen
til kroppen. Kurvene er empiriske
(funne ved dyreeksperiment).

Oppvarminga av kroppen er målt for ulike
frekvensar, og SAR-verdien er rekna ut i
kvart tilfelle.

(Klikk på bilete for større versjon!)
 

 Temperaturauken i  kroppsvevet   DT  er også avhengig av eksponeringstid  t  og den spesifikke varmekapasiteten til kroppsvevet  c (ca. 2000 J/kgK) :

Friske personar kan tolerere temperaturauke på 1K for heile kroppen (om lag som lett feber). Det tilsvarar SAR-verdi på 1-4 W/kg.
Dyreforsøk viser at ved SAR-verdi på 4W/kg startar adferdsendringar.

Grenseverdiar.

Grunnleggjande for eksponeringsnorm er at SAR-verdi på 4W/kg kan føre til biologiske skader.
Sikkerhetsfaktor 10 for yrkeseksponerte -> grense SAR-verdi = 0,4 W/kg.
Ekstra faktor 5 for befolkning generelt  -> grense SAR-verdi = 0,08 W/kg.
Alle verdian gjeld midla over ein vilkårleg 6 minutts periode.

Eksempel :

Eit barn blir utsett for radiostråling med frekvens 100 MHz med intensitet 20 W/m2 i 10 minutt.
Finn SAR-verdien og temperaturauken i kroppen dersom det ikkje er varmetap (avkjøling)! 

Løysing:

Etter kroppsstørrelse brukar vi kurva for apekatt og les av  SAR-verdi på 0,10 W/kg ved intensitet 10 W/m2 . Her er intensiteten 20 W/m2, og SAR-verdien blir  då 0,20 W/kg som er over grenseverdien for befolkning generelt.

Dette er sansynlegvis ingen faretruande temperaturauke, men …

 Oppgåver.

2.      Finn maksimal og gjennomsnittleg intensitet i  W/m2 for ei plan elektromagnetisk bølgje med E-felt med maksimalverdi 10 V/m. Finn maksimalverdien til B-feltet.

3.      Ein mobiltelefon med utstrålt effekt P=1,0 W stråler isotropt (dvs. likt i alle retningar - det er lite sannsynleg , men brukt som forenkling her). Finn strålingsintensiteten sin middelverdi 10 cm frå antenna og 40 cm frå antenna. Finn effektivverdien til E-feltet i begge desse avstandane. Finn maksimal strålingsintensitet i avstand 10 cm og 40 cm dersom antenna har ein direktivitet på 6dB.

4.      Ein kortbølgjesendar har frekvens 7,7 MHz.  Finn bølgjelengde for radiobølgjene i luft. Finn optimale antennedimensjonar for halvbølgje dipol, halvbølgje folda dipol og kvartbølgje monopol.

5.      Ein pulsa radar har maksimaleffekt 250 kW. I ein avstand på 10 m har hovedloben eit tverrsnitt på 1,0 m2 , og vi antar at 90% av effekten ligg innafor denne. Finn effektivverdien til E-feltet her (gjennomsnittsverdien over heile tverrsnittet).

6.      Eit menneske og ei mus blir begge utsett for stråling med effekt 2 W/m2 frå ein FM-sendar med frekvens 100MHz. Finn bølgjelengde for strålinga. E-felt er parallelt med lengderetningen. Finn SAR-verdiar frå figur! Vi kan anta at spesifikk varmekapasitet for kroppsvevet er 2 kJ/kgK. Finn middels temperaturauke i løpet av 6 minutt!

 

Fasit:

Oppg.1:  I Q: Eeff=19,4 mV/m,  Em=27 mV/m,  Beff=65 pT , Bm=91 pT
E(x,t)=27sin(10-9t-3,3x)   I R:  PdB=-6,0  
Oppg. 2: Bm=33nT  Im=2,65 W/m2 Imiddel=1,32W/m2 

Oppg. 3: I10=8,0W/m2 I40=0,50W/m2 Direktiv: I10=32W/m2 I40=2,0W/m2  Eeff10=54,8V/m Eeff40=13,7V/m

Oppg. 4:  Halvbølgje dipol og folda dipol lengde 19,5 m, kvartbølgje monopol lengde 9,7m

Oppg. 5:  6,5 kV/m

Oppg. 6:  l=3,0 m   Menneske  SAR=22mW/kg  Mus   SAR=2,1 mW/kg

Mann: DT=4 mK. Mus DT=0,4 mK.