Dienstag, 15 März 2011 15: 39

Statische elektrische und magnetische Felder

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Sowohl unsere natürliche als auch unsere künstliche Umgebung erzeugen elektrische und magnetische Kräfte unterschiedlicher Größenordnung – im Freien, in Büros, Haushalten und an Industriearbeitsplätzen. Dies wirft zwei wichtige Fragen auf: (1) Haben diese Expositionen irgendwelche nachteiligen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, und (2) welche Grenzwerte können festgelegt werden, um „sichere“ Grenzwerte für solche Expositionen festzulegen?

Diese Diskussion konzentriert sich auf statische elektrische und magnetische Felder. Es werden Studien an Arbeitern in verschiedenen Industriezweigen und auch an Tieren beschrieben, die keine eindeutigen nachteiligen biologischen Wirkungen bei den üblicherweise auftretenden Expositionsniveaus bei elektrischen und magnetischen Feldern zeigen konnten. Dennoch wird versucht, die Bemühungen einer Reihe internationaler Organisationen zu erörtern, Richtlinien zum Schutz von Arbeitnehmern und anderen Personen vor möglichen gefährlichen Expositionen aufzustellen.

Definition der Begriffe

Wenn eine Spannung oder ein elektrischer Strom an ein Objekt wie einen elektrischen Leiter angelegt wird, wird der Leiter aufgeladen und Kräfte beginnen, auf andere Ladungen in der Nähe zu wirken. Zwei Arten von Kräften können unterschieden werden: Kräfte, die von stationären elektrischen Ladungen herrühren, bekannt als die Elektrostatische Kraft, und solche, die nur erscheinen, wenn sich Ladungen bewegen (wie bei einem elektrischen Strom in einem Leiter), bekannt als die Magnetkraft. Um die Existenz und räumliche Verteilung dieser Kräfte zu beschreiben, haben Physiker und Mathematiker das Konzept von geschaffen Feld. Man spricht also von einem Kraftfeld oder einfach von elektrischen und magnetischen Feldern.

Die statisch beschreibt eine Situation, in der alle Ladungen im Raum fixiert sind oder sich als stetiger Fluss bewegen. Dadurch sind sowohl Ladungen als auch Stromdichten zeitlich konstant. Bei festen Ladungen haben wir ein elektrisches Feld, dessen Stärke an jedem Punkt im Raum vom Wert und der Geometrie aller Ladungen abhängt. Bei einem stationären Strom in einem Stromkreis haben wir sowohl ein zeitlich konstantes elektrisches als auch ein magnetisches Feld (statische Felder), da sich die Ladungsdichte an keinem Punkt des Stromkreises ändert.

Elektrizität und Magnetismus sind unterschiedliche Phänomene, solange Ladungen und Ströme statisch sind; jede Verbindung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern verschwindet in dieser statischen Situation und kann daher getrennt behandelt werden (anders als bei zeitlich veränderlichen Feldern). Statische elektrische und magnetische Felder sind eindeutig durch konstante, zeitunabhängige Stärken gekennzeichnet und entsprechen der Nullfrequenzgrenze des extrem niedrigen Frequenzbands (ELF).

Statische elektrische Felder

Natürliche und berufliche Exposition

Statische elektrische Felder werden durch elektrisch geladene Körper erzeugt, bei denen eine elektrische Ladung auf der Oberfläche eines Objekts innerhalb eines statischen elektrischen Felds induziert wird. Infolgedessen kann das elektrische Feld an der Oberfläche eines Objekts, insbesondere dort, wo der Radius klein ist, wie z. B. an einem Punkt, größer sein als das ungestörte elektrische Feld (dh das Feld ohne Vorhandensein des Objekts). Das Feld innerhalb des Objekts kann sehr klein oder null sein. Elektrische Felder werden von elektrisch geladenen Objekten als Kraft empfunden; beispielsweise wird eine Kraft auf das Körperhaar ausgeübt, die von der Person wahrgenommen werden kann.

Im Durchschnitt ist die Oberflächenladung der Erde negativ, während die obere Atmosphäre eine positive Ladung trägt. Das resultierende statische elektrische Feld nahe der Erdoberfläche hat eine Stärke von etwa 130 V/m. Dieses Feld nimmt mit der Höhe ab und sein Wert beträgt etwa 100 V/m bei 100 m Höhe, 45 V/m bei 1 km und weniger als 1 V/m bei 20 km. Die tatsächlichen Werte variieren stark, abhängig vom lokalen Temperatur- und Feuchtigkeitsprofil und dem Vorhandensein von ionisierten Verunreinigungen. Unter Gewitterwolken zum Beispiel und selbst wenn sich Gewitterwolken nähern, treten in Bodennähe große Feldschwankungen auf, weil normalerweise der untere Teil einer Wolke negativ geladen ist, während der obere Teil eine positive Ladung enthält. Außerdem gibt es eine Raumladung zwischen Wolke und Erde. Wenn sich die Wolke nähert, kann das Feld in Bodennähe zunächst ansteigen und sich dann umkehren, wobei der Boden positiv geladen wird. Dabei können auch ohne lokale Blitze Felder von 100 V/m bis 3 kV/m beobachtet werden; Feldumkehrungen können sehr schnell stattfinden, innerhalb von 1 Minute, und hohe Feldstärken können für die Dauer des Sturms bestehen bleiben. Gewöhnliche Wolken sowie Gewitterwolken enthalten elektrische Ladungen und beeinflussen daher das elektrische Feld in Bodennähe stark. Auch bei Nebel, Regen und natürlich vorkommenden kleinen und großen Ionen ist mit großen Abweichungen vom Schönwetterfeld bis zu 200 % zu rechnen. Auch bei ganz schönem Wetter ist mit elektrischen Feldänderungen im Tageszyklus zu rechnen: ziemlich regelmäßige Änderungen der lokalen Ionisation, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit und daraus resultierende Änderungen der atmosphärischen elektrischen Leitfähigkeit in Bodennähe sowie mechanische Ladungsübertragung durch lokale Luftbewegungen, sind wahrscheinlich für diese tageszeitlichen Schwankungen verantwortlich.

Typische Niveaus künstlicher elektrostatischer Felder liegen im Bereich von 1 bis 20 kV/m in Büros und Haushalten; Diese Felder werden häufig in der Nähe von Hochspannungsgeräten wie Fernsehgeräten und Videoanzeigegeräten (VDUs) oder durch Reibung erzeugt. Gleichstrom-Übertragungsleitungen (DC) erzeugen sowohl statische elektrische als auch magnetische Felder und sind ein wirtschaftliches Mittel zur Energieverteilung bei großen Entfernungen.

Statische elektrische Felder werden häufig in Branchen wie Chemie, Textil, Luftfahrt, Papier und Gummi sowie im Transportwesen eingesetzt.

Biologische Effekte

Experimentelle Studien liefern nur wenige biologische Beweise für negative Auswirkungen statischer elektrischer Felder auf die menschliche Gesundheit. Die wenigen Tierversuche, die durchgeführt wurden, scheinen auch keine Daten ergeben zu haben, die nachteilige Wirkungen auf die Genetik, das Tumorwachstum oder auf das endokrine oder kardiovaskuläre System belegen. (Tabelle 1 fasst diese Tierversuche zusammen.)

Tabelle 1. Studien an Tieren, die statischen elektrischen Feldern ausgesetzt waren

Biologische Endpunkte

Gemeldete Auswirkungen

Belichtungsbedingungen

Hämatologie und Immunologie

Veränderungen in den Albumin- und Globulinfraktionen von Serumproteinen bei Ratten.
Antworten nicht konsistent

Keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl der Blutkörperchen, Blutproteine ​​oder Blut
Chemie bei Mäusen

Kontinuierliche Exposition gegenüber Feldern zwischen 2.8 und 19.7 kV/m
im Alter von 22 bis 52 Tagen

Exposition gegenüber 340 kV/m für 22 h/Tag für insgesamt 5,000 h

Nervensystem

Induktion signifikanter Veränderungen, die in den EEGs von Ratten beobachtet wurden. Allerdings kein eindeutiger Hinweis auf eine konsequente Reaktion

Keine signifikanten Änderungen in den Konzentrationen und Nutzungsraten von
verschiedene Neurotransmitter im Gehirn männlicher Ratten

Belastung durch elektrische Feldstärken bis zu 10 kV/m

Exposition bei einem 3 kV/m-Feld für bis zu 66 h

Verhalten

Neuere, gut durchgeführte Studien, die darauf hindeuten, dass es keine Auswirkungen auf Nagetiere gibt
Verhalten

Erzeugung eines dosisabhängigen Vermeidungsverhaltens bei männlichen Ratten ohne Einfluss von Luftionen

Exposition gegenüber Feldstärken bis zu 12 kV/m

Exposition gegenüber elektrischen HVD-Feldern im Bereich von 55 bis 80 kV/m

Fortpflanzung und Entwicklung

Keine signifikanten Unterschiede in der Gesamtzahl der Nachkommen noch in der
Prozentsatz, der bei Mäusen überlebt

Exposition gegenüber 340 kV/m für 22 h/Tag vor, während und nach
Schwangerschaft

 

Nein in vitro Es wurden Studien durchgeführt, um die Wirkung der Exposition von Zellen gegenüber statischen elektrischen Feldern zu bewerten.

Theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass ein statisches elektrisches Feld eine Ladung auf der Oberfläche exponierter Personen induziert, die wahrgenommen werden kann, wenn sie auf ein geerdetes Objekt entladen wird. Bei einer ausreichend hohen Spannung wird die Luft ionisiert und kann einen elektrischen Strom beispielsweise zwischen einem geladenen Objekt und einer geerdeten Person leiten. Das Die Spannung unterbrechen hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Form des geladenen Objekts und der atmosphärischen Bedingungen. Typische Werte entsprechender elektrischer Feldstärken liegen zwischen 500 und 1,200 kV/m.

Berichte aus einigen Ländern weisen darauf hin, dass bei einer Reihe von Bildschirmbedienern Hauterkrankungen aufgetreten sind, deren genaue Beziehung zur Bildschirmarbeit jedoch unklar ist. Statische elektrische Felder an Bildschirmarbeitsplätzen wurden als mögliche Ursache dieser Hauterkrankungen vorgeschlagen, und es ist möglich, dass die elektrostatische Aufladung des Bedieners ein relevanter Faktor sein kann. Jegliche Beziehung zwischen elektrostatischen Feldern und Hauterkrankungen muss jedoch auf der Grundlage verfügbarer Forschungsergebnisse immer noch als hypothetisch betrachtet werden.

Messungen, Prävention, Expositionsstandards

Messungen der statischen elektrischen Feldstärke können auf Messungen von Spannungen oder elektrischen Ladungen reduziert werden. Mehrere elektrostatische Voltmeter sind im Handel erhältlich, die genaue Messungen von elektrostatischen oder anderen hochohmigen Quellen ohne physischen Kontakt ermöglichen. Einige verwenden einen elektrostatischen Chopper für geringe Drift und negative Rückkopplung für Genauigkeit und Unempfindlichkeit zwischen Sonde und Oberfläche. In einigen Fällen „blickt“ die elektrostatische Elektrode durch ein kleines Loch an der Basis der Sondenbaugruppe auf die zu messende Oberfläche. Das an dieser Elektrode induzierte zerhackte Wechselstromsignal ist proportional zur Differenzspannung zwischen der zu messenden Oberfläche und der Sondenanordnung. Gradientenadapter werden auch als Zubehör für elektrostatische Voltmeter verwendet und ermöglichen deren Verwendung als elektrostatische Feldstärkemessgeräte; direktes Ablesen in Volt pro Meter Abstand zwischen der zu prüfenden Oberfläche und der geerdeten Platte des Adapters ist möglich.

Es gibt keine aussagekräftigen Daten, die als Richtlinie dienen könnten, um grundlegende Grenzwerte für die Exposition von Menschen gegenüber statischen elektrischen Feldern festzulegen. Aus der Mindestdurchschlagsspannung für Luft könnte prinzipiell ein Expositionsgrenzwert abgeleitet werden; Die Feldstärke, die eine Person in einem statischen elektrischen Feld erfährt, variiert jedoch je nach Körperausrichtung und -form, und dies muss bei dem Versuch, einen angemessenen Grenzwert zu erreichen, berücksichtigt werden.

Schwellenwerte (TLVs) wurden von der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH 1995) empfohlen. Diese TLVs beziehen sich auf die maximale ungeschützte statische elektrische Feldstärke am Arbeitsplatz, die Bedingungen darstellt, denen fast alle Arbeitnehmer wiederholt ohne nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit ausgesetzt sein können. Laut ACGIH sollten berufliche Expositionen eine statische elektrische Feldstärke von 25 kV/m nicht überschreiten. Dieser Wert sollte als Richtwert für die Kontrolle der Exposition verwendet werden und sollte aufgrund der individuellen Empfindlichkeit nicht als klare Grenze zwischen sicheren und gefährlichen Werten angesehen werden. (Dieser Grenzwert bezieht sich auf die Feldstärke in der Luft, entfernt von den Oberflächen von Leitern, wo Funkenentladungen und Kontaktströme erhebliche Gefahren darstellen können, und ist sowohl für Teilkörper- als auch für Ganzkörperexpositionen vorgesehen.) Vorsicht ist geboten ungeerdete Gegenstände zu beseitigen, solche Gegenstände zu erden oder isolierte Handschuhe zu tragen, wenn ungeerdete Gegenstände gehandhabt werden müssen. Vorsicht gebietet die Verwendung von Schutzvorrichtungen (z. B. Anzüge, Handschuhe und Isolierung) in allen Bereichen, die 15 kV/m überschreiten.

Laut ACGIH reichen die vorliegenden Informationen über menschliche Reaktionen und mögliche gesundheitliche Auswirkungen statischer elektrischer Felder nicht aus, um einen zuverlässigen TLV für zeitgewichtete durchschnittliche Expositionen festzulegen. Mangels spezifischer Informationen des Herstellers zu elektromagnetischen Störungen wird empfohlen, die Exposition von Trägern von Herzschrittmachern und anderen medizinischen elektronischen Geräten bei oder unter 1 kV/m zu halten.

In Deutschland sollen nach einer DIN-Norm berufliche Expositionen eine statische elektrische Feldstärke von 40 kV/m nicht überschreiten. Für kurze Expositionen (bis zu zwei Stunden pro Tag) ist eine höhere Grenze von 60 kV/m zulässig.

1993 gab das National Radiological Protection Board (NRPB 1993) Ratschläge zu angemessenen Beschränkungen der Exposition von Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern und Strahlung. Dies umfasst sowohl statische elektrische als auch magnetische Felder. Im NRPB-Dokument werden Untersuchungsstufen zum Zweck des Vergleichs von Werten gemessener Feldgrößen bereitgestellt, um festzustellen, ob die Einhaltung der Basisbeschränkungen erreicht wurde oder nicht. Übersteigt das Feld, dem eine Person ausgesetzt ist, die jeweilige Ermittlungsstufe, ist die Einhaltung der Basisgrenzwerte zu prüfen. Faktoren, die bei einer solchen Bewertung berücksichtigt werden könnten, umfassen beispielsweise die Effizienz der Kopplung der Person an das Feld, die räumliche Verteilung des Felds über das von der Person eingenommene Volumen und die Expositionsdauer.

Laut NRPB ist es nicht möglich, grundlegende Beschränkungen zur Vermeidung direkter Wirkungen der Exposition von Menschen gegenüber statischen elektrischen Feldern zu empfehlen; Es wird eine Anleitung gegeben, um lästige Auswirkungen der direkten Wahrnehmung der elektrischen Oberflächenladung und indirekte Auswirkungen wie einen elektrischen Schlag zu vermeiden. Für die meisten Menschen tritt die lästige Wahrnehmung einer elektrischen Oberflächenladung, die direkt auf den Körper einwirkt, nicht auf, wenn sie statischen elektrischen Feldstärken von weniger als etwa 25 kV/m ausgesetzt sind, d. h. der gleichen Feldstärke, die von ACGIH empfohlen wird. Um zu vermeiden, dass Funkenentladungen (indirekte Effekte) Stress verursachen, empfiehlt NRPB, dass DC-Kontaktströme auf weniger als 2 mA begrenzt werden. Ein Stromschlag durch Quellen mit niedriger Impedanz kann verhindert werden, indem die für solche Geräte relevanten etablierten elektrischen Sicherheitsverfahren befolgt werden.

Statische Magnetfelder

Natürliche und berufliche Exposition

Der Körper ist relativ durchlässig für statische Magnetfelder; solche Felder interagieren direkt mit magnetisch anisotropen Materialien (die Eigenschaften mit unterschiedlichen Werten zeigen, wenn sie entlang von Achsen in verschiedenen Richtungen gemessen werden) und sich bewegenden Ladungen.

Das natürliche Magnetfeld ist die Summe aus einem internen Feld, das von der Erde als Permanentmagnet herrührt, und einem externen Feld, das in der Umgebung durch Faktoren wie Sonnenaktivität oder Atmosphäre erzeugt wird. Das innere Magnetfeld der Erde entsteht durch den elektrischen Strom, der in der oberen Schicht des Erdkerns fließt. Es gibt erhebliche lokale Unterschiede in der Stärke dieses Feldes, dessen durchschnittliche Größe von etwa 28 A/m am Äquator (entsprechend einer magnetischen Flussdichte von etwa 35 mT in einem nichtmagnetischen Material wie Luft) bis etwa 56 A variiert /m über den geomagnetischen Polen (entspricht etwa 70 mT in Luft).

Künstliche Felder sind um viele Größenordnungen stärker als solche natürlichen Ursprungs. Zu den künstlichen Quellen statischer Magnetfelder gehören alle Geräte, die Drähte enthalten, die Gleichstrom führen, einschließlich vieler Geräte und Anlagen in der Industrie.

In Gleichstrom-Hochspannungsleitungen werden statische Magnetfelder durch bewegte Ladungen (einen elektrischen Strom) in einer Zweidrahtleitung erzeugt. Bei einer Freileitung beträgt die magnetische Flussdichte in Bodennähe etwa 20 mT bei einer  500-kV-Leitung. Bei einer unterirdischen Übertragungsleitung, die in 1.4 m Tiefe vergraben ist und einen maximalen Strom von etwa 1 kA führt, beträgt die maximale magnetische Flussdichte weniger als 10 mT in Bodennähe.

Wichtige Technologien, die die Verwendung großer statischer Magnetfelder beinhalten, sind in Tabelle 2 zusammen mit ihren entsprechenden Expositionsniveaus aufgeführt.

Tabelle 2. Wichtige Technologien, bei denen große statische Magnetfelder verwendet werden, und entsprechende Expositionsniveaus

Verfahren

Expositionsstufen

Energietechnologien

Kernfusionsreaktoren

Randfelder bis 50 mT in für Personal zugänglichen Bereichen.
Unter 0.1 mT außerhalb des Reaktorgeländes

Magnetohydrodynamische Systeme

ca. 10 mT bei ca. 50 m; 100 mT nur bei Entfernungen über 250 m

Energiespeichersysteme mit supraleitenden Magneten

Randfelder bis zu 50 mT an für Bediener zugänglichen Stellen

Supraleitende Generatoren und Übertragungsleitungen

Randfelder werden auf weniger als 100 mT projiziert

Forschungseinrichtungen

Blasenkammern

Beim Filmkassettenwechsel beträgt das Feld in Fußhöhe etwa 0.4–0.5 T und in Kopfhöhe etwa 50 mT

Supraleitende Spektrometer

Etwa 1 T an bedienerzugänglichen Stellen

Teilchenbeschleuniger

Das Personal ist aufgrund des Ausschlusses aus der Hochstrahlungszone selten exponiert. Ausnahmen treten nur während der Wartung auf

Einheiten zur Isotopentrennung

Kurzzeitige Exposition gegenüber Feldern bis zu 50 mT
Üblicherweise liegen die Feldstärken unter 1 mT

Branche

Aluminiumproduktion

Pegel bis zu 100 mT an für Bediener zugänglichen Stellen

Elektrolytische Prozesse

Mittlere und maximale Feldstärken von etwa 10 bzw. 50 mT

Herstellung von Magneten

2–5 mT durch die Hände des Arbeiters; im Bereich von 300 bis 500 mT auf Brust- und Kopfhöhe

Medizin

Kernspintomographie und Spektroskopie

Ein nicht abgeschirmter 1-T-Magnet erzeugt etwa 0.5 mT bei 10 m, und ein nicht abgeschirmter 2-T-Magnet erzeugt die gleiche Exposition bei etwa 13 m

 

Biologische Effekte

Beweise aus Experimenten mit Labortieren zeigen, dass es keine signifikanten Auswirkungen auf die vielen Entwicklungs-, Verhaltens- und physiologischen Faktoren gibt, die bei statischen magnetischen Flussdichten von bis zu 2 T bewertet wurden. Auch haben Studien an Mäusen keine Schädigung des Fötus durch die Exposition bei Magnetfeldern gezeigt bis 1 T.

Theoretisch könnten magnetische Effekte den Blutfluss in einem starken Magnetfeld verzögern und einen Anstieg des Blutdrucks bewirken. Bei 5 T war eine Durchflussreduzierung von höchstens einigen Prozent zu erwarten, bei Untersuchungen wurde jedoch keine bei menschlichen Probanden bei 1.5 T beobachtet.

Einige Studien an Arbeitern, die an der Herstellung von Permanentmagneten beteiligt sind, haben über verschiedene subjektive Symptome und funktionelle Störungen berichtet: Reizbarkeit, Müdigkeit, Kopfschmerzen, Appetitlosigkeit, Bradykardie (langsamer Herzschlag), Tachykardie (schneller Herzschlag), niedriger Blutdruck, verändertes EEG , Juckreiz, Brennen und Taubheit. Das Fehlen einer statistischen Analyse oder Bewertung der Auswirkungen physikalischer oder chemischer Gefahren in der Arbeitsumgebung verringert jedoch die Aussagekraft dieser Berichte erheblich und erschwert ihre Bewertung. Obwohl die Studien nicht schlüssig sind, deuten sie doch darauf hin, dass, wenn tatsächlich Langzeitwirkungen auftreten, diese sehr subtil sind; Es wurden keine kumulativen Bruttoeffekte gemeldet.

Es wurde berichtet, dass Personen, die einer magnetischen Flussdichte von 4 T ausgesetzt waren, sensorische Effekte im Zusammenhang mit Bewegung im Feld erfahren, wie z. B. Schwindel, Übelkeitsgefühl, metallischer Geschmack und magnetische Empfindungen bei Augen- oder Kopfbewegungen. Zwei epidemiologische Erhebungen zu allgemeinen Gesundheitsdaten bei Arbeitern, die chronisch statischen Magnetfeldern ausgesetzt waren, ergaben jedoch keine signifikanten gesundheitlichen Auswirkungen. Gesundheitsdaten von 320 Arbeitern wurden in Werken erhoben, die große Elektrolysezellen für chemische Trennverfahren verwenden, wo der durchschnittliche statische Feldpegel in der Arbeitsumgebung 7.6 mT und das maximale Feld 14.6 mT betrug. Bei der exponierten Gruppe wurden im Vergleich zu den 186 Kontrollen geringfügige Veränderungen in der Anzahl der weißen Blutkörperchen festgestellt, die jedoch noch im Normbereich lagen. Keine der beobachteten vorübergehenden Änderungen des Blutdrucks oder anderer Blutwerte wurde als Hinweis auf eine signifikante nachteilige Wirkung im Zusammenhang mit der Magnetfeld-Exposition angesehen. In einer weiteren Studie wurde die Krankheitsprävalenz bei 792 Arbeitern untersucht, die beruflich statischen Magnetfeldern ausgesetzt waren. Die Kontrollgruppe bestand aus 792 nicht exponierten Arbeitern, die nach Alter, Rasse und sozioökonomischem Status zusammenpassten. Der Bereich der Magnetfeld-Expositionen variierte von 0.5 mT für lange Zeiträume bis 2 T für Zeiträume von mehreren Stunden. In der exponierten Gruppe wurde im Vergleich zu den Kontrollen keine statistisch signifikante Veränderung der Prävalenz von 19 Krankheitskategorien beobachtet. Es wurde kein Unterschied in der Prävalenz der Krankheit zwischen einer Untergruppe von 198, die Expositionen von 0.3 T oder mehr über einen Zeitraum von einer Stunde oder länger ausgesetzt waren, im Vergleich zum Rest der exponierten Population oder den entsprechenden Kontrollen gefunden.

Ein Bericht über Arbeiter in der Aluminiumindustrie wies auf eine erhöhte Leukämie-Sterblichkeitsrate hin. Obwohl diese epidemiologische Studie ein erhöhtes Krebsrisiko für Personen berichtete, die direkt an der Aluminiumproduktion beteiligt sind, wo Arbeiter großen statischen Magnetfeldern ausgesetzt sind, gibt es derzeit keine eindeutigen Beweise dafür, welche krebserregenden Faktoren im Arbeitsumfeld dafür verantwortlich sind. Der zur Aluminiumreduktion verwendete Prozess erzeugt Kohlenteer, flüchtige Pechstoffe, Fluoriddämpfe, Schwefeloxide und Kohlendioxid, und einige davon könnten eher Kandidaten für krebserregende Wirkungen sein als eine Magnetfeld-Exposition.

In einer Studie an französischen Aluminiumarbeitern wurde festgestellt, dass sich die Krebssterblichkeit und die Sterblichkeit aus allen Ursachen nicht signifikant von den Beobachtungen für die allgemeine männliche Bevölkerung Frankreichs unterscheiden (Mur et al. 1987).

Ein weiterer negativer Befund, der Magnetfeld-Expositionen mit möglichen Krebsfolgen in Verbindung bringt, stammt aus einer Studie mit einer Gruppe von Arbeitern in einer Chloralkali-Anlage, wo die 100-kA-Gleichströme, die für die elektrolytische Chlorproduktion verwendet wurden, zu statischen magnetischen Flussdichten an den Standorten der Arbeiter führten von 4 bis 29 mT. Die beobachtete gegenüber der erwarteten Krebsinzidenz bei diesen Arbeitern über einen Zeitraum von 25 Jahren zeigte keine signifikanten Unterschiede.

Messungen, Prävention und Expositionsstandards

In den letzten dreißig Jahren hat die Messung von Magnetfeldern eine beträchtliche Entwicklung erfahren. Fortschritte in der Technik haben es ermöglicht, neue Messmethoden zu entwickeln und alte zu verbessern.

Die beiden beliebtesten Arten von Magnetfeldsonden sind eine abgeschirmte Spule und eine Hall-Sonde. Die meisten handelsüblichen Magnetfeldmessgeräte verwenden einen davon. Kürzlich wurden andere Halbleitervorrichtungen, nämlich bipolare Transistoren und FET-Transistoren, als Magnetfeldsensoren vorgeschlagen. Sie bieten einige Vorteile gegenüber Hall-Sonden, wie z. B. eine höhere Empfindlichkeit, eine größere räumliche Auflösung und einen breiteren Frequenzgang.

Das Prinzip der Kernspinresonanz (NMR)-Messtechnik besteht darin, die Resonanzfrequenz des Prüflings im zu messenden Magnetfeld zu bestimmen. Es ist eine absolute Messung, die mit sehr großer Genauigkeit durchgeführt werden kann. Der Messbereich dieser Methode liegt bei etwa 10 mT bis 10 T, ohne eindeutige Grenzen. Bei Feldmessungen mit dem Protonen-Magnetresonanzverfahren wird eine Genauigkeit von 10-4 ist mit einfachen Geräten und einer Genauigkeit von 10 leicht zu erhalten-6 mit umfangreichen Vorkehrungen und raffinierter Ausrüstung zu erreichen. Der inhärente Mangel des NMR-Verfahrens ist seine Beschränkung auf ein Feld mit einem geringen Gradienten und das Fehlen von Informationen über die Feldrichtung.

Kürzlich wurden auch mehrere Personendosimeter entwickelt, die zur Überwachung von Expositionen gegenüber statischen Magnetfeldern geeignet sind.

Schutzmaßnahmen für die industrielle und wissenschaftliche Nutzung von Magnetfeldern können kategorisiert werden als konstruktive Maßnahmen, die Einhaltung des Trennungsabstands und behördliche Kontrollen. Eine andere allgemeine Kategorie von Gefahrenabwehrmaßnahmen, die persönliche Schutzausrüstung (z. B. spezielle Kleidung und Gesichtsmasken) umfassen, gibt es für Magnetfelder nicht. Schutzmaßnahmen gegen potenzielle Gefahren durch magnetische Interferenzen mit Notfall- oder medizinischen elektronischen Geräten und für chirurgische und zahnärztliche Implantate sind jedoch ein besonderes Anliegen. Die mechanischen Kräfte, die auf ferromagnetische (Eisen-)Implantate und lose Gegenstände in Hochfeldanlagen ausgeübt werden, erfordern, dass Vorkehrungen getroffen werden, um Gesundheits- und Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Techniken zur Minimierung einer unangemessenen Exposition gegenüber hochintensiven Magnetfeldern in der Nähe von großen Forschungs- und Industrieanlagen lassen sich im Allgemeinen in vier Arten einteilen:

    1. Entfernung und Zeit
    2. magnetische Abschirmung
    3. elektromagnetische Interferenz (EMI) und Kompatibilität
    4. administrative Maßnahmen.

           

          Die Verwendung von Warnschildern und speziellen Zugangsbereichen zur Begrenzung der Exposition von Personal in der Nähe von großen Magnetanlagen war für die Kontrolle der Exposition von größtem Nutzen. Administrative Kontrollen wie diese sind im Allgemeinen einer magnetischen Abschirmung vorzuziehen, die extrem teuer sein kann. Lose ferromagnetische und paramagnetische (alle magnetisierenden Substanzen) Objekte können in gefährliche Geschosse umgewandelt werden, wenn sie starken Magnetfeldgradienten ausgesetzt werden. Diese Gefahr kann nur vermieden werden, indem lose metallische Gegenstände aus dem Bereich und vom Personal entfernt werden. Gegenstände wie Scheren, Nagelfeilen, Schraubendreher und Skalpelle sollten aus der unmittelbaren Umgebung verbannt werden.

          Die frühesten Richtlinien für statische Magnetfelder wurden als inoffizielle Empfehlung in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt. Grundlage dieser Norm waren klinische Untersuchungen, die darauf hindeuteten, dass die statische Magnetfeldstärke am Arbeitsplatz 8 kA/m (10 mT) nicht überschreiten sollte.

          Die American Conference of Governmental Industrial Hygienists hat TLVs statischer magnetischer Flussdichten herausgegeben, denen die meisten Arbeiter Tag für Tag ohne nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit ausgesetzt sein könnten. Wie bei elektrischen Feldern sollten diese Werte als Richtwerte für die Kontrolle der Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern verwendet werden, sie sollten jedoch nicht als scharfe Grenze zwischen sicheren und gefährlichen Werten angesehen werden. Laut ACGIH sollten routinemäßige berufliche Expositionen 60 mT im Durchschnitt über den ganzen Körper oder 600 mT an den Extremitäten auf täglicher, zeitgewichteter Basis nicht überschreiten. Als Obergrenze wird eine Flussdichte von 2 T empfohlen. Durch die mechanischen Kräfte, die das Magnetfeld auf ferromagnetische Werkzeuge und medizinische Implantate ausübt, können Sicherheitsrisiken bestehen.

          1994 hat die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP 1994) Richtlinien zu Grenzwerten für die Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern fertiggestellt und veröffentlicht. In diesen Leitlinien wird zwischen Expositionsgrenzwerten für Arbeitnehmer und der allgemeinen Öffentlichkeit unterschieden. Die von der ICNIRP empfohlenen Grenzwerte für berufliche und allgemeine öffentliche Exposition gegenüber statischen Magnetfeldern sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Wenn magnetische Flussdichten 3 mT überschreiten, sollten Vorkehrungen getroffen werden, um Gefahren durch herumfliegende metallische Objekte zu vermeiden. Analoguhren, Kreditkarten, Magnetbänder und Computerdisketten können durch die Exposition gegenüber 1 mT beeinträchtigt werden, dies wird jedoch nicht als Sicherheitsbedenken für Menschen angesehen.

          Tabelle 3. Von der International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) empfohlene Expositionsgrenzwerte bei statischen Magnetfeldern

          Belichtungseigenschaften

          Magnetflußdichte

          Beruflich

          Ganzer Arbeitstag (zeitlich gewichteter Durchschnitt)

          200 mT

          Höchstwert

          2 T

          Gliedmaßen

          5 T

          Allgemeine Öffentlichkeit

          Kontinuierliche Exposition

          40 mT

           

          Der gelegentliche Zugang der Öffentlichkeit zu speziellen Einrichtungen, in denen magnetische Flussdichten 40 mT überschreiten, kann unter angemessen kontrollierten Bedingungen gestattet werden, vorausgesetzt, dass der entsprechende Arbeitsplatzgrenzwert nicht überschritten wird.

          ICNIRP-Expositionsgrenzwerte wurden für ein homogenes Feld festgelegt. Bei inhomogenen Feldern (Schwankungen innerhalb des Feldes) muss die mittlere magnetische Flussdichte auf einer Fläche von 100 cm gemessen werden2.

          Laut einem kürzlich erschienenen NRPB-Dokument wird die Beschränkung der akuten Exposition gegenüber weniger als 2 T akute Reaktionen wie Schwindel oder Übelkeit und nachteilige gesundheitliche Auswirkungen aufgrund von Herzrhythmusstörungen (unregelmäßiger Herzschlag) oder beeinträchtigter geistiger Funktion vermeiden. Trotz des relativen Mangels an Beweisen aus Studien an exponierten Bevölkerungsgruppen hinsichtlich möglicher Langzeitwirkungen hoher Felder hält es der Ausschuss für ratsam, die langfristige, zeitgewichtete Exposition über 24 Stunden auf weniger als 200 mT (ein Zehntel des Ausgangswerts) zu beschränken davon, um akute Reaktionen zu verhindern). Diese Werte sind den von ICNIRP empfohlenen sehr ähnlich; ACGIH-TLVs sind etwas niedriger.

          Personen mit Herzschrittmachern und anderen elektrisch aktivierten implantierten Geräten oder mit ferromagnetischen Implantaten sind durch die hier angegebenen Grenzwerte möglicherweise nicht ausreichend geschützt. Es ist unwahrscheinlich, dass die meisten Herzschrittmacher durch eine Exposition bei Feldern unter 0.5 mT beeinträchtigt werden. Personen mit einigen ferromagnetischen Implantaten oder elektrisch aktivierten Geräten (außer Herzschrittmachern) können von Feldern über einigen mT betroffen sein.

          Es gibt weitere Richtlinien, die Grenzwerte für die berufliche Exposition empfehlen: Drei davon werden in Hochenergiephysiklabors (Stanford Linear Accelerator Center und Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, CERN-Beschleunigerlabor in Genf) durchgesetzt, und eine vorläufige Richtlinie des US-Ministeriums Energie (DOE).

          In Deutschland sollen nach einer DIN-Norm berufliche Expositionen eine statische Magnetfeldstärke von 60 kA/m (ca. 75 mT) nicht überschreiten. Wenn nur die Extremitäten exponiert sind, liegt diese Grenze bei 600 kA/m; Für kurze Ganzkörperexpositionen (bis 150 min pro Stunde) sind Feldstärkengrenzen bis 5 kA/m zulässig.

           

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