TEKNILLINEN KORKEAKOULU HARJOITUSTEHTÄVÄT Sähkömagneettisten kenttien ja optisen säteilyn biologiset 31.10.2005 vaikutukset ja mittaukset 1(5) Kari Jokela Säteilyturvakeskus HARJOITUSTEHTÄVÄ 1 Laske relaksaatiotaajuus 7 µm (halk.) solulle ja 100 µm solulle. Mikä on 50 Hz ja 100 khz taajuuksilla solukalvon yli indusoitunut jännite, jos virrantiheys on 1 A/m2? HARJOITUSTEHTÄVÄ 2 400 kv voimajohdon alla vaikuttavan sähkökentän voimakkuus on 10 kv/m. Esiintyykö päänahassa sähköärsytystä seisottaessa johdon alla? HARJOITUSTEHTÄVÄ 3 Laske 1 mt/50 Hz magneettikentälle altistuvan ihmisen 100 µm halkaisijaisen solun ulomman kalvon (plasmamambraani) yli indusoitunut maksimijännite ja vertaa sitä kalvon yli vaikuttavaan lämpökohinajännitteeseen. Solukalvo oletetaan heikosti johtavaksi eristeeksi, jonka paksuus dm = 5 nm, εr'= 3 ja resistivisyys ρm = 1 106 Ωm (10 5... 107 Ωm). HARJOITUSTEHTÄVÄ 4 Henkilöauto on 50 Hz sähkökentässä, jonka kentänvoimakkuuden tehollisarvo on 10 kv/m. Auton efektiiviseksi korkeudeksi, korin kapasitanssiksi maahan ja renkaiden sekä maan väliseksi kapasitanssiksi oletetaan 0,5 m, 800 pf ja 500 pf. Paljain jaloin maassa seisova henkilö koskettaa autoa. Laske karkeasti sormelle 3 mm pitkän lihassolun plasmamambraanin yli indusoituvan jännitteen huippuarvo kipinäpurkauksessa ja tehollisarvo jatkuvassa kosketuksessa. Hyvin johtavien kudosten efektiiviseksi poikkipinta-alaksi sormessa oletetaan 1 cm2 ja johtavuudeksi suurilla taajuuksilla 0,5 S/m ja pienillä 0,1 S/m. Kehon resistiiviseksi impedanssiksi oletetaan 1 kω ja lihassolujen relaksaatiotaajuudeksi 10 khz. Kontaktiresistanssi on noin 100 Ω.
TEKNILLINEN KORKEAKOULU HARJOITUSTEHTÄVÄT 2 HARJOITUSTEHTÄVÄ 5 400 kv voimajohdon pylväät ovat harustettua portaalityyppiä ja vaihejohtimien väli on 9 m. Laske magneettivuon tiheyden maksimikomponentti 2 m korkeudella maan pinnasta silloin, kun vaihejohtimien etäisyys maasta on 10 m. Johtimien kuormitus oletetaan symmetriseksi ja virta 1 ka. x = 9 m ja y = 2 m. HARJOITUSTEHTÄVÄ 6 Ihminen kiipeää puuhun 21 MHz taajuudella toimivan 500 kw lyhytaaltoantennin edessä Porin yleisradioasemalla. Laske pyörähdysellipsoidimallilla sähkö- ja magneettikentän aiheuttama SAR erikseen ja yhdessä maksimikytkentätapauksessa silloin, kun S E = 500 W/m2, S H = 500 W/m2 ja ihmisen pituus 2a = 1,8 m (a/b = 6,42). Mitä tapahtuu? HARJOITUSTEHTÄVÄ 7 Aikuinen keskipituinen ihminen seisoo 10 m etäisyydellä Porin yleisradiomaston 600 kw/963 khz keskipitkäaaltoantennista. Laske SAR pyörähdysellipsoidimallia hyväksikäyttäen a) maassa paljain jaloin seisovalle ihmiselle, b) hyvin maasta eristetylle ihmiselle. Vertikaalinen sähkökenttä on 450 V/m ja horisontaalinen magneettikenttä on 0,53 A/m. HARJOITUSTEHTÄVÄ 8 Laske 50 W/m2 tasoaallon aiheuttama SAR lihasfantomin pinnalla ja 1 cm syvyydellä 9 GHz taajuudella. Oletus εr = 50, σ = 3 S/m ja ρ= 1000 kg/m 3. HARJOITUSTEHTÄVÄ 9 Laske nilkan maksimi ja keskimääräinen SAR, kun nilkasta maahan kulkeva virta on 100 ma taajuudella 27 MHz. Nilkan fysikaalinen poikkipinta-ala on 40 cm2, josta lihaksen luuytimen ja luun suhteelliset osuudet ovat vastaavasti 10 %, 20 % ja 68 %. Vastaavat johtavuudet ovat 0,65 S/m, 0,27 S/m ja 0,03 S/m. Lihaksen tiheys on 1 kg/dm 3. HARJOITUSTEHTÄVÄ 10 Laske sähkö- ja magneettikentän voimakkuus sekä niitä vastaavat ekvivalenttiset tehotiheydet 0,5 m kohtisuoralla etäisyydellä 1 m (2 h) pituisen lyhytaaltodipolin syöttöpisteestä. Dipolin säteilyteho on 10 W, taajuus 27,12 MHz ja vahvistus isotrooppisen säteilijän suhteen 2,15 db.
TEKNILLINEN KORKEAKOULU HARJOITUSTEHTÄVÄT 3 HARJOITUSTEHTÄVÄ 11 Korkeudenmittaustutkan pulssiteho on 1,5 MW, taajuus 3 GHz, pulssinkesto 5 µs, pulssitaajuus 220 Hz, antennin vahvistus 40 db, keilanleveys pystytasossa 0,75 o ja vaakatasossa 3 o. Antennin fysikaalinen korkeus on 8 m ja keilaussektori 30 o. Laske pysäytetyn ja nyökyttävän antennin keskimääräinen tehotiheys etäisyyden funktiona pääkeilassa. Millä etäisyydellä keskim. tehotiheys 50 W/m 2 ja pulssienergiatiheys 20 mj/m 2 ylittyvät kummassakin tapauksessa? HARJOITUSTEHTÄVÄ 12 Laske 50 Ω vastuksella päätetyssä TEM kammiossa olevan dipoli-diodianturin kuormittamaton ulostulo-(dc)-jännite ja 3 db alarajataajuus. Sähkökentän suuntaisen anturin mitat, komponenttiarvot ja diodiparametrit ovat: Dipolin pituus 2 h = 2 cm Poikkipinnan halk. 2a = 0,5 cm Kuormituskapasitanssi CL = 20 pf Diodin eksponenttitekijä α = 30 1/V Diodin kyllästysvirta IS = 6 µa (Io = 0) TEM kammion ominaisimpedanssi ZC = 50, levyjohtimen etäisyys maatasosta d = 25 cm ja kammioon syötetty RF teho Pin = 10 W. HARJOITUSTEHTÄVÄ 13 Laske 50 Ω kuormalla päätetyssä TEM kammiossa olevan 1 kierroksisen silmukka-diodianturin (ks. kuva 5, STUK-B-TARO-16) kuormittamaton ulostulojännite U do ja likimääräinen alarajataajuus. Silmukan taso on kohtisuorassa magneettikentän suuntaan nähden, TEM-kammion ominaisimpedanssi Z C = 50 Ω, levyjohtimen etäisyys maatasosta d = 25 cm ja kammioon syötetty RF teho P = 10 W. Anturin mitat ja komponenttiarvot ovat: säde r = 4 cm johtimen halkaisija 2a = 1 mm C S = 10 nf C d = 10 nf R d = 10 Ω diodin eksponenttitekijä = 30 1/V diodin kyllästysvirta I S = 6 µa biasvirta I o = 0 R L >> R j.
TEKNILLINEN KORKEAKOULU HARJOITUSTEHTÄVÄT 4 HARJOITUSTEHTÄVÄ 14 Todista radianssilaki. HARJOITUSTEHTÄVÄ 15 Laske oheisessa liitteessä esitetyn spektroradiometrin detektorille tulevan tehon P out suhde diffuuserille tulevaan spektriseen tehotiheyteen E λ. Laskussa käytetään seuraavia parametreja: s = 2,7 cm f = 20 cm D d = 1,5 cm WS = 0,5 mm h S = 17 mm η d = 0,1 D L = 0,33 mm/nm diffuuserin etäisyys tuloraosta monokromaattorin polttoväli diffuuserin halkaisija rakojen leveys rakojen korkeus diffuuserin hyötysuhde hilojen lineaarinen dispersio HARJOITUSTEHTÄVÄ 16 Laske auringon säteilyn tehotiheys maassa sekä silmän verkkokalvolle tulevan säteilyn tehotiheys ja auringon kuvan halkaisija verkkokalvolla. Mykiön (linssin) halkaisija päivänvalossa on noin 2 mm ja silmän linssijärjestelmän polttoväli on noin 1,7 cm. Auringon pintalämpötila on noin 5 800 K ja se näkyy 9,3 mrad kulmassa. Auringon säteilystä noin 45 % on näkyvän valon (400-780 mm) alueella. Ilmakehän aiheuttama vaimennus ja sironta jätetään huomiotta. HARJOITUSTEHTÄVÄ 17 Panssarivaunuun asennetulla laseretäisyysmittarilla on seuraavat tekniset ominaisuudet: Aallonpituus λ = 1064 nm Pulssienergia Q = 120 mj Pulssinkesto t pw = < 18 µs Pulssitaajuus f p = 0,3 Hz Divergenssikulma ϕ = 0,4 mrad Säteen vyötärö lähtöaukossa a = 4,2 mm (1/e 2 ) Laske silmävaaraetäisyydet 1) katsottaessa suoraan säteeseen paljaalla silmällä 2) diffuusille heijastukselle. Näkyvyys ilmassa on 30 km. Altistumisaikana käytetään 10 s.
TEKNILLINEN KORKEAKOULU HARJOITUSTEHTÄVÄT 5 HARJOITUSTEHTÄVÄ 18 Corona UV-B -hoitolaitteen annosnopeutta mitataan MED-mittarilla, jonka suhteellinen responsiviteetti seuraa likimain CIE:n eryteemavaikutusspektriä. Mittari näyttää Philipstyyppisen monimetallilampulla ja suodattimella varustetun solariumin säteilykentässä annosnopeutta 3,2 MED/h kallibrointipisteessä, jossa spektroradiometrin antama tarkka lukema on 2,8 MED/h. MED-mittarin suhteellista responsiviteettikäyrää painotusfunktiona käyttäen on laskettu solariumin spektrisestä tehotiheydestä "simuloitu" eli laskennallinen annosnopeus 5 MED/h. Mitä MED-mittari näyttä Coronan säteilykentässä, jos mittauspisteessä saatu simuloitu annosnopeus on 80 MED/h ja spektroradiometrin antama tarkka lukema on 69 MED/h? HARJOITUSTEHTÄVÄ 19 Valotehosteena käytettävän keilaavat Ar+ laserin (514 nm) keilaussektori on 10 o, joka "pyyhkäistään" 0,01 sekunnissa (keilausjakso 0,02 s). Laske maksimiteho, jolla 1 m ja 10 m etäisyydellä olevan ihmisen silmään osuva säde ei ylitä altistumisrajoja. Silmän aukon halkaisija on 7 mm. Lisäksi oletetaan, että säde on kapea verrattuna silmän aukon halkaisijaan (huono oletus, mutta sillä ei ole suurta merkitystä). HARJOITUSTEHTÄVÄ 20 10 mw tehoisen UV-A-lasersäteen (poikkipinnan halkaisija 3 mm) teho mitataan integroivalla pallolla, jonka lähtöaukkoon on asetettu UV-herkistetty piidetektori. Mikä on detektorin ulostulovirta, kun a) detektori on integroivan pallon lähtöaukossa ja b) 3,1 cm etäisyydellä lähtöaukosta. Käytetään seuraavia spesifikaatioita: detektorin responsiviteetti = 150 ma/w detektorin pinta-ala = 2,4 x 2,4 mm 2 integroivan pallon tuloaukon halkaisija = 2,54 cm integroivan pallon lähtöaukon halkaisija = 1,52 cm integroivan pallon hyötysuhde = 20 % yhden hilan hyötysuhde = 50 %