電磁輻射4講

1、電磁環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測儀器,3.1電場強(qiáng)度、磁場測量原理現(xiàn)場監(jiān)測儀器通過配置不同頻段的探頭，可以實(shí)現(xiàn)對不同電磁輻射體的監(jiān)測。具有各向同性響應(yīng)的寬頻帶電場強(qiáng)度測量儀屬于非選頻式電場強(qiáng)度測量儀（如綜合場強(qiáng)儀）。只選擇某些頻率進(jìn)行測量，只讓很小頻率范圍的信號進(jìn)來，濾除其余頻率的信號的測量儀屬于選頻式電磁測量儀（如場強(qiáng)干擾儀、頻譜儀）。,對于不同的應(yīng)用可采用不同的電極，將平行板電容放入交變電場中，會產(chǎn)生一個(gè)交變電壓信號。由于其尺寸遠(yuǎn)小于低頻信號的

2、波長，因此可以看作是一個(gè)電容偶極子。其工作的原理可以等價(jià)為以下回路，包含電流源或者電壓源，平行板電容，串聯(lián)電阻。交變電流I，從電流源流出，經(jīng)過放入電場內(nèi)的感應(yīng)器。介電電流可以通過對單個(gè)極板表面電場強(qiáng)度進(jìn)行積分得出。,A=電極有效面積,如果計(jì)算出隨介電電流回路變化的被測電壓以及后續(xù)測量回路的輸入電容Cm，電場強(qiáng)度和測量電壓之間的關(guān)系就能得出，只要頻率在規(guī)定的最低限制頻率以上就可以了。,。,空間的輻射電磁場經(jīng)天線接收，將電磁場轉(zhuǎn)換為交變電

3、壓，并將此電壓輸入到電壓測量儀表進(jìn)行電壓測量。,只要知道從場（E）到電壓（v）的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可以從測到的電壓得知電磁場強(qiáng)度的數(shù)值。因而電磁輻射測量儀表是由天線及電壓表兩部分組成。,只要知道從場（E）到電壓（v）的轉(zhuǎn)換系數(shù)，就可以從測到的電壓得知電磁場強(qiáng)度的數(shù)值。因而電磁輻射測量儀表是由天線及電壓表兩部分組成。,電壓表分為窄帶（選頻式）及寬帶兩種類型。因而電磁輻射測量也分為窄帶（選頻式）輻射測量儀與寬帶輻射測量儀。對應(yīng)于這兩種類型，天線或

4、傳感器也有寬帶與窄帶之分。一般來說，選頻式表具有較高的靈敏度，而寬帶式表靈敏度較低，但能承受較強(qiáng)的電磁輻射場強(qiáng)測量。,寬頻帶場強(qiáng)儀測量原理（射頻）,1、偶極子和檢波二極管組成探頭寬頻帶場強(qiáng)儀是由三個(gè)正交的2～10cm長的偶極子天線、端接肖特基檢波二極管、RC濾波器組成。,當(dāng)三副正交偶極子組成探頭時(shí)，它可以分別接收x、y、z三個(gè)方向場分量.,（1）劃分意義：一般近區(qū)場的電磁強(qiáng)度較大，所以應(yīng)該格外注意對電磁輻射近區(qū)場的防護(hù)；遠(yuǎn)區(qū)場電磁場強(qiáng)

5、度較小，通常對人的危害較小，應(yīng)考慮保護(hù)信號。,（2）近區(qū)場的特點(diǎn)：① 近區(qū)場電場強(qiáng)度E與磁場強(qiáng)度H大小關(guān)系不確定；② 電磁場強(qiáng)度》遠(yuǎn)區(qū)場（電磁防護(hù)重點(diǎn)）③ 隨距離的變化較快（衰減快）電磁場強(qiáng)度不均勻度較大。近區(qū)場的電磁輻射與場源密切相關(guān)，近區(qū)場不能脫離場源而獨(dú)立存在。,2、熱電偶型探頭采用三條相互垂直的熱電偶結(jié)點(diǎn)陣作電場測量探頭，提供和熱電偶元件切線方向場強(qiáng)平方正比的直流輸出。,沿?zé)犭娕荚本€方向分布的熱電偶結(jié)點(diǎn)陣，保證了探頭

6、有極寬的頻帶。沿x、y、z三個(gè)方向分布的熱電偶元件的最大尺寸應(yīng)小于最高工作頻率的1/4，以避免產(chǎn)生諧振。,3、工頻磁場測量原理,通過法拉第電磁感應(yīng)定律來實(shí)現(xiàn)磁場測量是此類儀器的工作原理，環(huán)天線中有固定匝數(shù)的線圈，線圈磁通量變化時(shí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而待測磁場與感應(yīng)電動勢成正比，通過測量線圈中的感應(yīng)電動勢來測定空間某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度。,4、全向?qū)掝l帶電場強(qiáng)度測量儀,全向?qū)拵鰪?qiáng)儀由寬帶各向同性測量探頭和顯示表體兩部分組成。寬帶各向同性測量探

7、頭是全向?qū)拵鰪?qiáng)儀系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。換句話說，測量探頭的技術(shù)性能直接決定著整個(gè)儀器的主要技術(shù)指示。作為接收電場信號的寬帶各向同性探頭，它由三個(gè)相互正交的偶極子、零偏壓二極管、高阻傳輸線、外包殼和手柄等組成。,這種偶極子構(gòu)成的各向同性探頭具有寬帶特性。目前，采用更先進(jìn)設(shè)計(jì)的探頭，頻率覆蓋范圍可達(dá)18GHz。,全向探頭同時(shí)檢測三個(gè)方向的場值。電場和磁場都是矢量場，它們在空間的任意點(diǎn)都有確定的場強(qiáng)大小和方向，既可以是穩(wěn)定場，也可以隨時(shí)間變化。為

8、了調(diào)查特定點(diǎn)位的場值，最好的方式是分別測出三個(gè)正交場分量（相對時(shí)間內(nèi)）的幅度和相位。磁場強(qiáng)度定義如下：,這種磁場探頭主要由三個(gè)相互正交的感應(yīng)線圈組成，每一個(gè)占有相同的有效面積。與單向感應(yīng)器的場測量比較，全向測量不需要精確的調(diào)整感應(yīng)器的方向，但是其精確度會受到各向同性誤差的影響。各向同性誤差會導(dǎo)致當(dāng)探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，出現(xiàn)不同的值。各向同性誤差是由于三個(gè)感應(yīng)線圈的相對位置的機(jī)械誤差造成的，無法通過后期修正。,全向?qū)拵鰪?qiáng)儀主要誤差源1.頻率響應(yīng)

9、頻率響應(yīng)誤差主要來源于測量探頭，由于受偶極子頻響特性和檢波二極管特性的限制，探頭以致整個(gè)儀器的頻響應(yīng)只可能在某一頻率范圍內(nèi)較為平坦，且存在一定的誤差。2.各向同性各向同性度是表征測量探頭對各種極化和入射方向的電磁場響應(yīng)的重要技術(shù)指標(biāo)。由于傳輸饋線及電路元件引入的影響、各檢波器的差異、各偶極子特性的差異及偶極子安裝位置的偏離等，使得測量探頭偏離各向同性。,全向?qū)拵鰪?qiáng)儀主要誤差源3.線性線性誤差既衡量了在被測場強(qiáng)改變時(shí)整個(gè)儀器

10、（包括測量探頭）線性工作狀態(tài)的優(yōu)劣，同時(shí)也反映了該儀器的場強(qiáng)校準(zhǔn)誤差，亦即測量精度。4.溫度當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，探頭對場強(qiáng)的響應(yīng)將發(fā)生變化，有實(shí)驗(yàn)表明，這種變化又隨著頻率的增高而減小。,3.1.4 直流合成場強(qiáng)測量原理由于直流合成場強(qiáng)的特殊性，直流合成場強(qiáng)的測量必須使用能測出直流合成場強(qiáng)的大小和極性，具有自動記錄功能的直流場強(qiáng)儀進(jìn)行測量。用于測量直流合成電場的場強(qiáng)測量儀傳感器有快門型、圓筒型和震板型等，目前國內(nèi)通用的是快門型。,3

11、.2 工頻（低頻）電場、磁場監(jiān)測儀器 3.2.1儀器適用范圍工頻電、磁場監(jiān)測儀器在輸變電設(shè)施的監(jiān)測中大量使用，同時(shí)在對一般環(huán)境現(xiàn)狀值監(jiān)測時(shí)也較多適用。此類儀器給人的第一印象似乎只能測試工頻電、磁場。實(shí)際上，大多數(shù)工頻電、磁場監(jiān)測儀器的探頭仍然是寬頻帶場強(qiáng)計(jì)。其探頭頻率范圍使得其可以對一些低頻段的設(shè)備進(jìn)行測試。,儀器的構(gòu)成及特點(diǎn),工頻電、磁場監(jiān)測儀器主要由讀數(shù)表頭、接收天線以及連接光纖構(gòu)成。使用連接光纖可讓天線與讀數(shù)表頭保持一定距離

12、，這樣可以避免監(jiān)測人員離天線太近對場強(qiáng)大?。ㄌ貏e是電場強(qiáng)度）造成影響。此類儀器根據(jù)接收天線分為全向和單方向兩種。由于空間某點(diǎn)任何一個(gè)方向的電場都可以分解為三個(gè)相互正交的場分量，因此通過三個(gè)正交的短偶極子（環(huán)）天線可以同時(shí)測量三個(gè)相互正交的電（磁）場分量，從而得到該點(diǎn)電（磁）場強(qiáng)度。單方向性天線則需要調(diào)整探頭方向來測量不同方向的電（磁）場值。目前全向天線使用較多。,3.2.3 常用儀器 目前在輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中常用的工頻電、磁場儀器主

13、要有以下幾種。表中列出了常用儀器接收天線的性能指標(biāo)。從下表中可以看出，PMM、NBM和EFA探頭包含的頻段范圍較寬，可以實(shí)現(xiàn)除輸變電設(shè)施外其他的一些低頻設(shè)備的監(jiān)測，適用范圍更廣；HI3604則頻點(diǎn)固定，針對性較強(qiáng)。,3.3 射頻電磁場監(jiān)測儀器 3.3.1 儀器適用范圍此類儀器數(shù)量眾多，通過適用不同頻段的探頭，可以實(shí)現(xiàn)對廣播電視、移動通信、雷達(dá)等頻率在100kHz以上的各類型電磁輻射體及一般環(huán)境現(xiàn)狀的監(jiān)測。,3.3.2

14、儀器的構(gòu)成及特點(diǎn)射頻電磁場監(jiān)測儀器主要由接收機(jī)（或頻譜儀）和接收天線兩部分構(gòu)成。與工頻電、磁場測量儀器一樣，射頻電磁場測量天線也有全向和單方向性之分，全向天線使用較多。,非選頻場監(jiān)測儀器的測值是一個(gè)頻段范圍的場強(qiáng)疊加值（即綜合場），頻段范圍由接收天線的頻段決定。例如在使用0.1-800MHz探頭監(jiān)測時(shí)，儀器的讀數(shù)就表征了0.1-800MHz頻段范圍內(nèi)各種場強(qiáng)的疊加值。此類儀器操作較為簡單。選頻場監(jiān)測儀器使用的接收天線與非選頻式儀器使

15、用的天線并無功能上的差別，但選頻場監(jiān)測儀器可以通過頻譜儀設(shè)置，選取天線頻段中的某一小段頻率或某一個(gè)固定頻率來進(jìn)行監(jiān)測，因此，選頻場監(jiān)測儀器的測值既可以是一個(gè)頻段范圍的場強(qiáng)疊加值，也可以是一個(gè)頻點(diǎn)的場強(qiáng)值。這類儀器的讀數(shù)靈敏度很高，可以對一些場強(qiáng)值很小的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，例如在對輸變電設(shè)施進(jìn)行無線電干擾監(jiān)測時(shí)使用的儀器，就是專門針對這種微弱場強(qiáng)的選頻式監(jiān)測儀器。另外，選頻式儀器還需要在掃描帶寬、檢波方式上進(jìn)行一系列的設(shè)置才能監(jiān)測出較為準(zhǔn)確的數(shù)

16、值，此類儀器在操作上要復(fù)雜得多。,3.3.3 常用儀器下表中是目前在電磁環(huán)境監(jiān)測中使用較多的儀器，與工頻電、磁場儀器一樣，接收天線的性能在很大程度上決定了儀器的監(jiān)測能力，儀器生產(chǎn)商也根據(jù)不同監(jiān)測環(huán)境的需求開發(fā)了各種型號的接收天線，天線的頻段大多覆蓋了較寬的頻段，在實(shí)際監(jiān)測中，需根據(jù)具體的情況選擇。,3.4 直流輸變電項(xiàng)目監(jiān)測儀器直流輸變電項(xiàng)目主要監(jiān)測指標(biāo)為直流合成場強(qiáng)和離子流密度兩項(xiàng)，對應(yīng)于每個(gè)指標(biāo)都有專用監(jiān)測儀器。,3.4.

17、1 直流合成場監(jiān)測儀器構(gòu)成及特點(diǎn)直流合成場強(qiáng)監(jiān)測儀主要包括監(jiān)測探頭、接地裝置和數(shù)據(jù)自動采集裝置。用于監(jiān)測直流合成電場的場強(qiáng)監(jiān)測儀傳感器有快門型、圓筒型和震板型等，目前國內(nèi)通用的是快門型。,設(shè)場磨位于均勻恒定的電場E之中，電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)快門（或稱為動磨片）作定速旋轉(zhuǎn)，下部的感應(yīng)電極（或稱為靜磨片）曝露于電場E的面積呈周期性變化，當(dāng)靜磨片曝露于電場時(shí)，為了維持其地面電位，其上面會積聚相應(yīng)的電荷，當(dāng)電場E指向地面時(shí)積聚的是負(fù)電荷，當(dāng)電場E

18、指向上空時(shí)積聚的是正電荷。當(dāng)靜片被動片遮蔽時(shí)，其上的電荷會流散于地中。電荷的積聚與流散都是通過電阻R進(jìn)行的，通過監(jiān)測R上的壓降即可測得其所在位置的電場強(qiáng)度。,3.4.2 離子流密度監(jiān)測儀器構(gòu)成離子流密度監(jiān)測儀主要包括電流表、威爾遜平板和數(shù)據(jù)自動采集裝置。較為常用的監(jiān)測方式是將威爾遜板對地絕緣，并將其連接一個(gè)能測微弱電流的接地電流表。通過監(jiān)測絕緣的威爾遜版截獲的離子流產(chǎn)生的電流，計(jì)算出離子流密度。,3.4.3 常用儀器離子流密度監(jiān)

19、測儀主要包括電流表、威爾遜平板和數(shù)據(jù)自動采集裝置。較為常用的監(jiān)測方式是將威爾遜板對地絕緣，并將其連接一個(gè)能測微弱電流的接地電流表。通過監(jiān)測絕緣的威爾遜版截獲的離子流產(chǎn)生的電流，計(jì)算出離子流密度。,3.4.3 常用儀器離子流密度監(jiān)測儀主要包括電流表、威爾遜平板和數(shù)據(jù)自動采集裝置。較為常用的監(jiān)測方式是將威爾遜板對地絕緣，并將其連接一個(gè)能測微弱電流的接地電流表。通過監(jiān)測絕緣的威爾遜版截獲的離子流產(chǎn)生的電流，計(jì)算出離子流密度。,3.5 輔

20、助監(jiān)測儀器在電磁環(huán)境監(jiān)測中，還需要一些輔助監(jiān)測儀器的配合才能更好地反映出外環(huán)境的情況。使用頻率較高的儀器有測距儀、溫濕度計(jì)以及定位設(shè)備。3.5.1 測距儀的選用工頻電場、工頻磁場、射頻電磁場以及靜態(tài)場都會隨距源的距離變化而變化，距離電磁輻射體距離不同，測值也不同。給出測點(diǎn)位置與電磁輻射體的距離關(guān)系，有利于對數(shù)據(jù)的解釋。因此，測距儀在對電磁輻射體的監(jiān)測中大量使用。絕大多數(shù)測距儀都是給出直線距離讀數(shù)，但單一的直線距離對測點(diǎn)與電磁輻

21、射源位置關(guān)系的反映并不全面。,以最常見的基站、輸電線路監(jiān)測為例，一個(gè)測點(diǎn)較為全面的距離關(guān)系需要以下數(shù)據(jù)支撐：①基站：天線的架設(shè)高度，測點(diǎn)與天線的水平直線距離，測點(diǎn)與天線的相對高差；②輸電線路：線路架設(shè)高度、測點(diǎn)與線路地面投影的水平直線距離，測點(diǎn)與線路的相對高差。不難看出，在一次監(jiān)測過程中，點(diǎn)位越多，需要測量的高度、水平距離越多關(guān)系。選用一款包含直線模式、水平距離模式、高度模式的測距儀則可以直接測出相應(yīng)模式下的值，大大節(jié)約測量時(shí)間。

22、,3.5.2 溫濕度計(jì)的選用溫濕度計(jì)只需使用檢定合格的設(shè)備即可。溫度計(jì)主要用作判斷監(jiān)測現(xiàn)場的氣溫是否滿足儀器工作溫度要求；對一些對監(jiān)測濕度有要求的測量項(xiàng)目，濕度計(jì)的測值是能否開展監(jiān)測的判斷依據(jù)。3.5.3 定位設(shè)備的選用 定位設(shè)備主要有指南針和GPS兩類。指南針操作簡便，利用地磁可以快速判斷測點(diǎn)的大致方位，在繪制現(xiàn)場監(jiān)測圖時(shí)使用較多；GPS利用衛(wèi)星定位測點(diǎn)，獲得較為精確的經(jīng)緯度，在一些需要精確定位的監(jiān)測中使用，如對一個(gè)區(qū)

23、域?qū)嵤┚W(wǎng)格電磁環(huán)境調(diào)查時(shí)。,3.1 采樣技術(shù)要求,3.1.1 正常釋放期間采樣3.1.2 持續(xù)照射情況下的環(huán)境采樣3.1.3 采樣技術(shù),3.1.1 正常釋放期間采樣,源項(xiàng)采樣 大部分?jǐn)?shù)據(jù)，通常利用劑量率、總β放射性活度的在線測量測得 ； 放射性核素的組份，可對排放的空氣和水采用連續(xù)或間斷的采樣與測量方法測定； 在線測量靈敏度不能滿足要求時(shí)，依賴于實(shí)驗(yàn)室分析； 采樣頻度

24、的確定必須考慮該設(shè)施或同樣設(shè)施以往的監(jiān)測結(jié)果，以免錯(cuò)過組份的重大變化。,外圍環(huán)境采樣目的：為證實(shí)測量值與環(huán)境樣品中放射性核素濃度的規(guī)定限值或預(yù)測值的一致性。采樣點(diǎn)位：必須在預(yù)期的最大照射或沉積點(diǎn)附近。 氣載：主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)向； 水載：釋放點(diǎn)的下游 來自源的直接輻射：選在源的防護(hù)區(qū)。,,可比性：監(jiān)測的主要部分必須在相同的點(diǎn)位上進(jìn)行，以便使每年的監(jiān)測結(jié)果具有可比性。對照點(diǎn):在人口集中地附近以及在本底地區(qū)設(shè)置對照點(diǎn)

25、。農(nóng)業(yè)食品的采集：如葉菜、牛奶，每年必須采集幾次；土壤和每年收獲一次的產(chǎn)物，必須每年采集一次。,表1 正常排放情況下的環(huán)境監(jiān)測組分和采樣與測量頻度,續(xù)表1,續(xù)表1,續(xù)表1,,續(xù)表1,3.1.2 持續(xù)照射情況下的環(huán)境采樣,對象：應(yīng)急后或?qū)嵺`后很長時(shí)間，環(huán)境中的放射性活度仍然相對低保持在接近行動水平。如：鈾礦、伴生礦開采和加工。主要照射途徑：沉積在地面上的長壽命放射性核素所致的外照射；食入由根部吸收的污染食物和與α放射性污染相關(guān)情

26、況下吸入氡或被風(fēng)懸浮的污染土壤微粒所致的內(nèi)部照射,3.1.3 采樣技術(shù),代表性 樣品的放射性水平受放射性的空間和時(shí)間分布變化性支配，因此要求采用預(yù)定的采樣策略，使測到的放射性活度接近相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值。,表2 采樣技術(shù)（ICRU建議）,ICRU：國際輻射單位與測量委員會,3.2 測量技術(shù)要求,輻射環(huán)境監(jiān)測的測量技術(shù)要求 選擇測量的介質(zhì)、點(diǎn)位和頻度 選擇適合于特定輻射類型和能量測量的儀器設(shè)備 最低和最高輻射或放射性探測水平規(guī)定

27、要求,儀器設(shè)備的選擇 考慮一，使用儀器設(shè)備所要達(dá)到的目的，即監(jiān)測項(xiàng)目； 考慮二，設(shè)施在正常運(yùn)行和應(yīng)急期間可能釋出的放射性核素的量級。,樣品的測量頻度 取決于監(jiān)測項(xiàng)目和介質(zhì)中放射性濃度隨時(shí)間的變化情況。 在實(shí)踐和持續(xù)照射期間，濃度的瞬時(shí)漲落通常相對是較低的，因此測量的頻度可以低。 測量（計(jì)數(shù)）的時(shí)間間隔必須與放射性核素的半衰期相適應(yīng)。,最低可測活度（MDA） 必須保證比相應(yīng)介質(zhì)中放

28、射性核素的限值或行動水平低1～2個(gè)數(shù)量級。 若規(guī)定的限值低于本底水平，那么MDA能保證測到低于本底水平即可。 當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)被用于關(guān)鍵人群組年劑量的評估和核查時(shí)，相應(yīng)設(shè)備的MDA必須能保證測到顯著低于比規(guī)定的劑量及人體多種照射途徑的參考劑量水平。 注意與LLD不同,表3 監(jiān)測的量和測量指導(dǎo),續(xù)表3,續(xù)表3,3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的不確定性,不確定性來源技術(shù)上的不確定性樣品和/或測量的無代表性人為的誤