Dienstag, 15 März 2011 15: 26

Hochfrequenzfelder und Mikrowellen

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Hochfrequente (HF) elektromagnetische Energie und Mikrowellenstrahlung werden in einer Vielzahl von Anwendungen in Industrie, Gewerbe, Medizin und Forschung sowie im Haushalt eingesetzt. Im Frequenzbereich von 3 bis 3 x 108 kHz (d. h. 300 GHz) erkennen wir leicht Anwendungen wie Radio- und Fernsehübertragung, Kommunikation (Ferntelefon, Mobiltelefon, Funkkommunikation), Radar, dielektrische Heizgeräte, Induktionsheizgeräte, Schaltnetzteile und Computermonitore.

Hochleistungs-HF-Strahlung ist eine Quelle thermischer Energie, die alle bekannten Auswirkungen des Erhitzens auf biologische Systeme mit sich bringt, einschließlich Verbrennungen, vorübergehender und dauerhafter Veränderungen in der Fortpflanzung, Katarakt und Tod. Für den breiten Bereich von Radiofrequenzen ist die kutane Wahrnehmung von Wärme und thermischen Schmerzen unzuverlässig für die Erkennung, da sich die thermischen Rezeptoren in der Haut befinden und die durch diese Felder verursachte tiefe Erwärmung des Körpers nicht ohne weiteres wahrnehmen. Expositionsgrenzwerte sind erforderlich, um sich vor diesen gesundheitsschädlichen Wirkungen einer Hochfrequenzfeld-Exposition zu schützen.

Exposition durch Beruf

Induktionsheizung

Durch Anlegen eines starken magnetischen Wechselfeldes kann ein leitendes Material induziert erhitzt werden Wirbelströme. Eine solche Erwärmung wird zum Schmieden, Glühen, Hartlöten und Weichlöten verwendet. Betriebsfrequenzen reichen von 50/60 bis zu mehreren Millionen Hz. Da die Abmessungen der Magnetfelder erzeugenden Spulen oft klein sind, ist das Risiko einer hohen Ganzkörperexposition gering; Die Exposition gegenüber den Händen kann jedoch hoch sein.

Dielektrische Heizung

Hochfrequenzenergie von 3 bis 50 MHz (hauptsächlich bei Frequenzen von 13.56, 27.12 und 40.68 MHz) wird in der Industrie für eine Vielzahl von Erwärmungsprozessen verwendet. Zu den Anwendungen gehören das Versiegeln und Prägen von Kunststoffen, die Leimtrocknung, die Stoff- und Textilverarbeitung, die Holzbearbeitung und die Herstellung so unterschiedlicher Produkte wie Planen, Schwimmbäder, Wasserbetteneinlagen, Schuhe, Reisecheckmappen und so weiter.

In der Literatur berichtete Messungen (Hansson Mild 1980; IEEE COMAR 1990a, 1990b, 1991) zeigen, dass in vielen Fällen elektrisch und magnetisch Leckagefelder sind in der Nähe dieser HF-Geräte sehr hoch. Oft sind die Operateure Frauen im gebärfähigen Alter (also 18 bis 40 Jahre). Die Leckagefelder sind in einigen beruflichen Situationen oft großflächig, was zu einer Ganzkörperexposition der Bediener führt. Bei vielen Geräten übersteigen die Belastungswerte durch elektrische und magnetische Felder alle bestehenden HF-Sicherheitsrichtlinien.

Da diese Geräte zu einer sehr hohen Absorption von HF-Energie führen können, ist es von Interesse, die von ihnen ausgehenden Streufelder zu kontrollieren. Daher wird eine regelmäßige HF-Überwachung unerlässlich, um festzustellen, ob ein Expositionsproblem vorliegt.

Kommunikationssysteme

Beschäftigte in den Bereichen Kommunikation und Radar sind in den meisten Situationen nur geringen Feldstärken ausgesetzt. Die Exposition von Arbeitern, die UKW-/Fernsehtürme besteigen müssen, kann jedoch intensiv sein, und Sicherheitsvorkehrungen sind erforderlich. Die Exposition kann auch in der Nähe von Senderschränken, deren Verriegelungen aufgehoben und die Türen offen sind, erheblich sein.

Medizinische Exposition

Eine der frühesten Anwendungen von HF-Energie war die Kurzwellen-Diathermie. Üblicherweise werden dazu ungeschirmte Elektroden verwendet, die möglicherweise zu hohen Streufeldern führen.

Kürzlich wurden HF-Felder in Verbindung mit statischen Magnetfeldern verwendet Magnetresonanztomographie (MRT). Da die verwendete HF-Energie gering ist und das Feld fast vollständig in der Patienteneinhausung enthalten ist, ist die Exposition der Bediener vernachlässigbar.

Biologische Wirkungen

Die spezifische Absorptionsrate (SAR, gemessen in Watt pro Kilogramm) wird häufig als dosimetrische Größe verwendet, und Expositionsgrenzwerte können von SARs abgeleitet werden. Die SAR eines biologischen Körpers hängt von Expositionsparametern wie Frequenz der Strahlung, Intensität, Polarisation, Konfiguration der Strahlungsquelle und des Körpers, Reflexionsflächen und Körpergröße, Form und elektrischen Eigenschaften ab. Darüber hinaus ist die räumliche SAR-Verteilung im Körper sehr ungleichmäßig. Eine ungleichmäßige Energieabscheidung führt zu einer ungleichmäßigen Erhitzung des tiefen Körpers und kann interne Temperaturgradienten erzeugen. Bei Frequenzen über 10 GHz wird die Energie nahe an der Körperoberfläche deponiert. Die maximale SAR tritt bei etwa 70 MHz für das Standardsubjekt auf und bei etwa 30 MHz, wenn die Person in Kontakt mit HF-Erde steht. Bei extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen wird erwartet, dass Ganzkörper-SARs von 1 bis 4 W/kg bei 70 MHz bei gesunden Menschen einen Anstieg der Kerntemperatur von etwa 2 °C in einer Stunde verursachen.

Die HF-Erwärmung ist ein Wechselwirkungsmechanismus, der ausführlich untersucht wurde. Thermische Effekte wurden bei weniger als 1 W/kg beobachtet, aber für diese Effekte wurden im Allgemeinen keine Temperaturschwellenwerte festgelegt. Bei der Beurteilung biologischer Wirkungen ist das Zeit-Temperatur-Profil zu berücksichtigen.

Biologische Wirkungen treten auch dort auf, wo eine HF-Erwärmung weder ein angemessener noch ein möglicher Mechanismus ist. Diese Effekte beinhalten oft modulierte HF-Felder und Millimeterwellenlängen. Es wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen, die jedoch noch keine nützlichen Informationen für die Ableitung von Expositionsgrenzwerten für den Menschen erbracht haben. Es ist notwendig, die grundlegenden Wechselwirkungsmechanismen zu verstehen, da es nicht praktikabel ist, jedes HF-Feld auf seine charakteristischen biophysikalischen und biologischen Wechselwirkungen hin zu untersuchen.

Human- und Tierstudien weisen darauf hin, dass HF-Felder aufgrund übermäßiger Erwärmung des inneren Gewebes schädliche biologische Wirkungen haben können. Die Wärmesensoren des Körpers befinden sich in der Haut und nehmen eine Erwärmung tief im Körper nicht ohne weiteres wahr. Arbeiter können daher beträchtliche Mengen an HF-Energie absorbieren, ohne sofort das Vorhandensein von Streufeldern wahrzunehmen. Es wurde berichtet, dass Personal, das HF-Feldern von Radargeräten, HF-Heizgeräten und Versiegelungen sowie Radio-TV-Türmen ausgesetzt war, einige Zeit nach der Exposition ein Wärmegefühl verspürt hat.

Es gibt kaum Hinweise darauf, dass HF-Strahlung beim Menschen Krebs auslösen kann. Dennoch deutet eine Studie darauf hin, dass es bei Tieren als Krebspromotor wirken könnte (Szmigielski et al. 1988). Epidemiologische Studien an Personal, das HF-Feldern ausgesetzt war, sind zahlreich und allgemein begrenzt (Silverman 1990; NCRP 1986; WHO 1981). In der ehemaligen Sowjetunion und in osteuropäischen Ländern wurden mehrere Erhebungen unter beruflich exponierten Arbeitern durchgeführt (Roberts und Michaelson 1985). Diese Studien sind jedoch nicht schlüssig in Bezug auf gesundheitliche Auswirkungen.

Untersuchungen am Menschen und epidemiologische Studien über Benutzer von RF-Sealern in Europa (Kolmodin-Hedman et al. 1988; Bini et al. 1986) berichten, dass die folgenden spezifischen Probleme auftreten können:

  • HF-Verbrennungen oder Verbrennungen durch Kontakt mit thermisch heißen Oberflächen
  • Taubheit (dh Parästhesie) in Händen und Fingern; gestörtes oder verändertes Tastempfinden
  • Augenreizung (möglicherweise durch Dämpfe von vinylhaltigem Material)
  • erhebliche Erwärmung und Beschwerden der Beine des Bedieners (möglicherweise aufgrund des Stromflusses durch die Beine zum Boden).

 

Mobiltelefone

Die Verwendung von persönlichen Funktelefonen nimmt schnell zu und dies hat zu einer Zunahme der Anzahl von Basisstationen geführt. Diese befinden sich oft in öffentlichen Bereichen. Die Exposition gegenüber der Öffentlichkeit von diesen Stationen ist jedoch gering. Die Systeme arbeiten normalerweise auf Frequenzen nahe 900 MHz oder 1.8 GHz und verwenden entweder analoge oder digitale Technologie. Die Handgeräte sind kleine Funksender mit geringer Leistung, die bei Gebrauch in unmittelbarer Nähe des Kopfes gehalten werden. Ein Teil der von der Antenne abgestrahlten Leistung wird vom Kopf absorbiert. Numerische Berechnungen und Messungen in Phantomköpfen zeigen, dass die SAR-Werte in der Größenordnung von wenigen W/kg liegen können (siehe weitere ICNIRP-Erklärung, 1996). Die Besorgnis der Öffentlichkeit über die Gesundheitsgefährdung durch elektromagnetische Felder hat zugenommen, und mehrere Forschungsprogramme widmen sich dieser Frage (McKinley et al., unveröffentlichter Bericht). Derzeit laufen mehrere epidemiologische Studien in Bezug auf die Nutzung von Mobiltelefonen und Hirntumoren. Bisher wurde nur eine Tierstudie (Repacholi et al. 1997) mit transgenen Mäusen publiziert, die 1 Monate lang 18 h pro Tag einem Signal ausgesetzt wurden, das dem der digitalen Mobilkommunikation ähnelt. Am Ende der Experimente hatten 43 von 101 exponierten Tieren Lymphome, verglichen mit 22 von 100 in der schein-exponierten Gruppe. Der Anstieg war statistisch signifikant (p > 0.001). Diese Ergebnisse können nicht ohne Weiteres mit Relevanz für die menschliche Gesundheit interpretiert werden, und es bedarf weiterer Forschung dazu.

Normen und Richtlinien

Mehrere Organisationen und Regierungen haben Standards und Richtlinien zum Schutz vor übermäßiger Belastung durch HF-Felder herausgegeben. Eine Übersicht über weltweite Sicherheitsstandards wurde von Grandolfo und Hansson Mild (1989) gegeben; die Diskussion bezieht sich hier nur auf die von IRPA (1988) herausgegebenen Richtlinien und den IEEE-Standard C 95.1 1991.

Die vollständige Begründung für HF-Expositionsgrenzwerte ist in IRPA (1988) dargestellt. Zusammenfassend haben die IRPA-Richtlinien einen grundlegenden SAR-Grenzwert von 4 W/kg festgelegt, oberhalb dessen als zunehmende Wahrscheinlichkeit gesundheitliche Beeinträchtigungen infolge der Absorption von HF-Energie angesehen werden. Es wurden keine gesundheitsschädlichen Wirkungen aufgrund akuter Expositionen unterhalb dieses Niveaus beobachtet. Unter Einbeziehung eines Sicherheitsfaktors von zehn zur Berücksichtigung möglicher Folgen einer Langzeitexposition wird 0.4 W/kg als Basisgrenzwert zur Ableitung von Expositionsgrenzwerten für die berufliche Exposition verwendet. Ein weiterer Sicherheitsfaktor von fünf wird eingearbeitet, um Grenzwerte für die Allgemeinheit abzuleiten.

Abgeleitete Expositionsgrenzwerte für die elektrische Feldstärke (E), die magnetische Feldstärke (H) und die Leistungsdichte angegeben in V/m, A/m und W/m2 jeweils, sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Quadrate der E und H Felder werden über sechs Minuten gemittelt, und es wird empfohlen, dass die momentane Exposition die zeitlich gemittelten Werte nicht um mehr als den Faktor 100 überschreitet. Außerdem sollte der Körper-Erde-Strom 200 mA nicht überschreiten.

Abbildung 1. IRPA (1988) Expositionsgrenzwerte für elektrische Feldstärke E, magnetische Feldstärke H und Leistungsdichte

ELF060F1

Der 95.1 vom IEEE festgelegte Standard C 1991 gibt Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz (kontrollierte Umgebung) von 0.4 W/kg für die durchschnittliche SAR über den gesamten Körper einer Person und 8 W/kg für die SAR-Spitze an, die auf ein beliebiges Gramm abgegeben wird des Gewebes für 6 Minuten oder länger. Die entsprechenden Werte für die Exposition der Allgemeinheit (unkontrollierte Umgebung) betragen 0.08 W/kg für die Ganzkörper-SAR und 1.6 W/kg für die Spitzen-SAR. Der Körper-Erde-Strom sollte 100 mA in einer kontrollierten Umgebung und 45 mA in einer unkontrollierten Umgebung nicht überschreiten. (Siehe IEEE 1991 für weitere Einzelheiten.) Die abgeleiteten Grenzwerte sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Expositionsgrenzwerte nach IEEE (1991) für elektrische Feldstärke E, magnetische Feldstärke H und Leistungsdichte

ELF060F2

Weitere Informationen zu hochfrequenten Feldern und Mikrowellen finden sich beispielsweise in Elder et al. 1989, Greene 1992 und Polk und Postow 1986.

 

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