Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

Esittely latautuu. Ole hyvä ja odota

SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA)

Samankaltaiset esitykset


Esitys aiheesta: "SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA)"— Esityksen transkriptio:

1 SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA)
S Sähkömagneettisten kenttien ja optisen säteilyn biologiset vaikutukset ja mittaukset Syksy 2013 SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA) Lauri Puranen Säteilyturvakeskus Ionisoimattoman säteilyn valvonta

2 Luennon sisältö kenttien kytkeytyminen kudoksiin ja soluihin
kudosten ja solujen rakenne sekä koostumus permittiivisyys, johtavuus ja permeabilisuus dispersio ja polarisaatio kudoksissa kenttien kytkeytyminen kehoon kvasistaattinen alue resonanssialue pinta-absorptioalue /LP

3 Kudosten ja solujen rakenne sekä koostumus
kudokset sisältävät vettä, siihen liuenneita suoloja, erilaisia orgaanisia yhdisteitä, mm. aminohappoja, hiilihydraatteja, nukleiini- ja rasvahappoja kudosten sähköisiin ominaisuuksiin vaikuttavat eniten suuri vesipitoisuus ( %) solurakenne solu koostuu solulimasta ja siinä olevista soluelimistä (tuma, mitokondriot, endoplasminen kalvosto) sekä solua ympäröivästä solukalvosta, joka koostuu kahdesta fosfolipidimolekyylikerroksesta tuma koostuu DNA-rihmoista, joista muodostuvat kromosomit ja joissa sijaitsevat ihmisen geenit sähköisesti kudokset ja solut ovat sekoitus eristeitä ja johteita /LP

4 Solukalvon rakenne /LP

5 Polarisaatio aineen sisäisen sähkökentän ja varautuneiden hiukkasten väliset sähköiset vuorovaikutukset määräävät aineen sähköiset ominaisuudet vapaat varauksenkuljettajat liikkuvat sähkökentän suuntaan ja erimerkkisistä varauksista koostuvat hiukkaset eli dipolit kääntyvät sähkökentän suuntaisiksi kudosten tärkeimpiä polarisaatiomuotoja dipolipolarisaatio, esim. vesimolekyyli Maxwell-Wagnerin polarisaatio (sähköiset rajapinnat) /LP

6 Solun polarisoituminen sähkökentässä
/LP

7 Permittiivisyys, johtavuus ja permeabilisuus
permittiivisyys  kuvaa aineen kykyä varastoida ja kuluttaa sähkökentän energiaa 0 = tyhjiön permittiivisyys r’ = suhteellisen permittiivisyyden reaaliosa r” = suhteellisen permittiivisyyden imaginaariosa vapaat ionit ja polarisaatiohäviöt vaikuttavat teholliseen johtavuuteen pienillä taajuuksilla (< 1 MHz) kudokset ovat johteita ja suurilla taajuuksilla häviöllisiä eristeitä kudoksissa ei ole magneettista materiaalia eli kudosten permeabilisuus  = 0 vapaan tilan permeabilisuus /LP

8 Häviöllinen levy sähkökentässä
A Ei IG ID U C G U d U=Ei d ID + IG Levymäinen häviöllinen kappale kondensaattori-levyjen välissä IG = johtavuusvirta Yleinen levykondensaattorin yhtälö ID = kapasitiivinen siirrosvirta kuvaa aineen johtavuutta ja häviöllisyyttä kuvaa aineen energianvarastointikykyä /LP

9 Häviöllinen levy sähkökentässä
johtavuusvirran tiheys kapasitiivisen siirrosvirran tiheys kondensaattorin tehohäviö tehohäviö massayksikköä kohti = ominaisabsorptionopeus /LP

10 Dispersio ja polarisaatio kudoksissa
dispersio = aallon etenemisnopeus kudoksessa riippuu taajuudesta /LP

11 Polarisaatiomekanismeja
- ja –dispersio ovat tärkeimmät /LP

12 Maksakudoksen sähköiset ominaisuudet
/LP

13 Debyen yhtälöt Esim. puhdas H2O /LP

14 Veden sähköiset ominaisuudet suolapitoisuuden funktiona (-dispersio)
0 - 3 % /LP

15 Sähkökentän kytkeytyminen soluun (-dispersio)
/LP

16 Sähkökentän kytkeytyminen soluun
solukalvon yli kytkeytynyt jännite K1= 0,75 pallomaisille soluille K1= 0,5 pitkulaisille soluille Ee = sähkökenttä soluväliaineessa relaksaatiotaajuus pallomaisille soluille h = solun halkaisija cm = 1 µF/cm2 sähkökenttä solukalvon sisällä (d on kalvon paksuus) d  5 nm solun sisäinen sähkökenttä virrantiheys soluväliaineessa virrantiheys solulimassa e = 1 S/m i = 0,5 S/m /LP

17 Sähkökentän kytkeytyminen solu- ja tumakalvoon sekä solulimaan ja tumaan
/LP

18 Kudosten suhteellinen permittiivisyys taajuuden funktiona
/LP

19 Kudosten johtavuus taajuuden funktiona
/LP

20 Virran kulku hermokudoksessa pienillä taajuuksilla
johtavuus riippuu merkittävästi virran suunnasta alle 1 kHz taajuuksilla /LP

21 Sähkö- ja magneettikenttien kytkeytyminen kehoon eri taajuusalueilla
Alue Taajuus Kvasistaattinen < 30 MHz Resonanssi MHz Pinta-absorptio GHz Huom. /2 > kehon pituus E- ja H-kytkeytyvät erikseen virta-absorptio kehon sisällä /2  kehon tai sen osan pituus resonansseja säteilylähteen puoleiset sisäelimet altistuvat kuumia pisteitä kehon sisällä (mm.päässä) absorptio muuttuu pinnalliseksi iho ja silmät altistuvat eniten /LP

22 Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen maassa seisovaan ihmiseen
Ihmiskeho vaikuttaa merkittävästi pientaajuisen sähkökentän jakaumaan. Pintavarausten muodostama vastak-kaissuuntainen sähkökenttä kumoaa ulkoisen sähkökentän melkein kokonaan kehon sisällä. Pienen pieni nettokenttä tarvitaan tuottamaan ulkoisen kentän tahdissa värähtelevä pintavaraus. taajuuksilla Hz /LP

23 ken = 2 - 18 (maksimiarvo päässä)
PIENTAAJUISEN SÄHKÖKENTÄN KYTKEYTYMINEN HOMOGEENISESSA KENTÄSSÄ SEISOVAAN IHMISEEN pintakenttä pintavaraus virrantiheys iholla virrantiheys sisäosissa ken = (maksimiarvo päässä) 50 Hz johtavuus  (S/m) veri ,0 lihas ,1 rasva ,02 - 0,05 jalkavirta maahan /LP

24 Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen ihmisen kudosellipsoidimalliin
eristetty maadoitettu Ellisoidin pituus = 4a /LP

25 Eo Ei K= J R = a/b, r’<< r’’= alle 1 MHz taajuuksilla
SÄHKÖKENTÄN KYTKEYTYMINEN PYÖRÄHDYSELLIPSOIDIIN ALLE 10 MHz TAAJUUKSILLA Eo 2b + vähennys- kerroin depolarisaatio-kerroin Ei J K= R = a/b, 2a aksiaalisuhde alle 1 MHz taajuuksilla r’<< r’’= /LP

26 Sähkökentän kytkeytyminen erimuotoisiin kudosmalleihin
Ei = sisäinen sähkökenttä Eo=ulkoinen (homog.) sähkökenttä ω =kulmataajuus σ =johtavuus N=depolarisaatiokerroin /LP

27 10 kV/m sähkökentän indusoimia virrantiheyksiä ihmisen kehossa
1-3 mA/m2 12 mA/m2 jalat oikosulussa maahan /LP

28 Pientaajuisen sähkökentän kytkeytyminen kehoon
Sisäinen sähkökenttä on merkittävästi pienempi kuin ulkoinen. Suurimmat sisäiset sähkökentät syntyvät, kun jalat ovat hyvässä kontaktissa maahan ja pienimmät kentät syntyvät, kun keho on täysin eristetty maasta. Kehon koko ja muoto sekä asento vaikuttavat kehossa kulkevaan kokonaisvirtaan enemmän kuin kudosten johtavuus, kun jalat ovat hyvässä kontaktissa maahan. Kehoon syntyvien virtojen paikallinen jakauma riippuu kudosten ja elinten johtavuudesta. Pientaajuisen sähkökentän välillinen vaikutus on kosketusvirta, joka syntyy kosketettaessa sähkökentässä maasta eristettyä johtavaa kappaletta. /LP

29 Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen ihmiseen ja erimuotoisiin kappaleisiin
Ihmiskeho ei vaikuta ulkoiseen magneettikenttään. Sisäinen ja ulkoinen magneettikenttä ovat yhtä suuria. Muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän ja pyörrevirtoja Sisäinen sähkökenttä ja virrantiheys ovat suurim- millaan kehon ja kappaleen pinnalla. /LP

30 Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen palloon
Φ = r2Bo magneettivuo U = 2rEi induktiojännite Ei U = -dΦ/dt Faradayn laki r Bo Sinimuotoisella kentällä maksimikenttä pinnalla keskellä 0 /LP

31 Magneettikentän kytkeytyminen pyörähdysellipsoidiin
Induktiokenttä suurimmillaan B-kenttää vasten kohtisuorassa tasossa pinnalla B-kenttä xy-tasossa Indusoituva sähkökenttä keskialueella (z=0), Indusoituva sähkökenttä keskialueella (z=0), kun a/b>6 (sinimuotoinen kenttä) /LP

32 Pientaajuisen magneettikentän kytkeytyminen kehoon
Kookkaampien ihmisten kehoon syntyy suuremmat sisäiset sähkökentät, koska kehon sisäiset virtasilmukat ovat suuremmat. Sisäinen sähkökenttä riippuu magneettikentän suunnasta kehoon nähden. Suurin sisäinen sähkökenttä syntyy, kun magneettikenttä tulee kehon edestä tai takaa ja on kohtisuorassa kehon pituusakseliin nähden (suurin poikkipinta-ala). Pienin sisäinen sähkökenttä syntyy, kun magneettikenttä on kehon pituusakselin suuntainen (pienin poikkipinta-ala). Elimen sisäinen sähkökenttä riippuu magneettikentän suunnasta elimeen nähden. Sisäisen sähkökentän paikallinen jakauma riippuu kudosten ja elinten johtavuudesta. /LP

33 Taajuuden vaikutus kehon sisäiseen altistumiseen sähkö- ja magneettikentässä
laskettu maadoitetulla ihmisen pyörähdysellipsoidimallilla E on pituusakselin suuntainen H on kohtisuorassa pituusakseliin nähden johtavuus 0,2 S/m taajuudella 50 Hz ja 0,4 S/m taajuudella 1 MHz tasoaalto-olosuhteissa (E/H=613/1,63 = 377 W) sähkökenttä kytkeytyy voimakkaammin kuin magneettikenttä /LP

34 Ei,e Ei,m  =ave= 2/3 lihas  = 1000 kg/m3
SAR pyörähdysellipsoidissa  =ave= 2/3 lihas  = 1000 kg/m3 Ei,e E Sähkökentän aiheuttama koko kehon keskimääräinen SAR Ei,m Magneettikentän aiheuttama koko kehon keskimääräinen SAR Ei,m = pintakenttä H SARwba=SARwba,e+SARwba,m /LP

35 Oikosulkuvirta jaloissa
homogeenisessa sähkökentässä E0 johtavaan maatasoon oikosulussa olevan ihmisen jalkojen kautta kulkeva oikosulkuvirta h = ihmisen pituus f = taajuus K0 = virtavakio pyörähdysellipsoidista johdettu virtavakion lauseke keskikokoiselle miehelle R = 12,8 K0 = 0,078 nA/(m2HzVm-1) realistisemmilla malleilla ja mittauksilla saadut virtavakiot 0,07 - 0,108 nA/(m2HzVm-1) malli toimii noin 30 MHz taajuuteen asti /LP

36 50 Hz SÄHKÖKENTÄN INDUSOIMA VIRTA KEHOSSA
/LP

37 Laskentamallien käyttökelpoisuus alle 30 MHz taajuuksilla
Pyörähdysellipsoidimalleilla voidaan arvioida virrantiheyksiä ja oikosulkuvirtoja maahan sekä kentän polarisaation vaikutusta absorptioon homogeenisissa kentissä. Anatomisilla ja epähomogeenisilla kehon laskentamalleilla on arvioitava koko kehon SAR ja varsinkin paikallinen SAR myös homogeenisessa kentässä, koska raajoissa on suuria paikallisia absorptioita. koko kehon SAR, paikallinen SAR, virrantiheydet ja sisäinen sähkökenttä epähomogeenisessa kentässä, esim. hyvin lähellä säteilylähdettä Epähomogeeninen kenttä aiheuttaa aina pienemmän sisäisen sähkökentän kuin homogeeninen kenttä. /LP

38 Kehon SAR-jakaumia taajuuksilla 50 – 150 MHz
laskettu aikuisen miehen (Duke) numeerisella anatomisella mallilla sähkökenttä on kehon pituusakselin suuntainen maadoitettu maasta eristetty /LP

39 Koko kehon keskimääräinen ominaisabsorptionopeus SAR taajuuden funktiona
SAR  f2 /LP

40 Koon ja maakontaktin vaikutus absorptioon
/LP

41 Ihmisen ja rotan SAR eri polarisaatioilla
/LP

42 KUUMAT PISTEET Virran ahtautuminen kapeissa kehon osissa
Seisovat aallot Fokusoituminen kaareutuvista rajapinnoista Puoliaaltoresonanssi (pää, silmä) Pieni antenni lähellä kehoa (matkapuhelin) Tasoaallossa paikallinen SAR on eristetyssä ihmisessä noin 25-kertainen koko kehon SAR-arvoon nähden ( MHz). /LP

43 SAR-JAKAUMA 15 cm PALLOSSA (PÄÄ)
z SAR (W/kg) x y er=35 s = 0,7 S/m y-akselilla x-akselilla /LP

44 Matkapuhelimen aiheuttama SAR-jakauma päässä
Matkapuhelimen aiheuttama SAR on pinnallinen, koska pää on puhelimen lähikentässä, joka pienenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. /LP

45 SM-aallon tunkeutuminen kudokseen
z Eo Et k Ht k Ho Tunkeutumissyvyydellä Et(z)/Et(0)=0,37 (1/e) St(z)/St(0)=0,135 (1/e2) /LP

46 IHO JA IHONALAINEN KUDOS
/LP

47 MIKROAALLON TUNKEUTUMINEN KEHOON 10 GHz TAAJUUDELLA
/LP

48 Maksimi SAR iholla taajuuden funktiona
/LP

49 TASOAALTO KOHTAA HÄVIÖLLISEN VÄLIAINEEN
tuleva aalto H0 Et k läpäissyt aalto k Ht heijastunut aalto Hr Er E Et z /LP

50 SAR:n ja tehotiheyden välinen yhteys pinta-absorptioalueella
koko kehon SAR R2 = tehonheijastuskerroin, S = tehotiheys, A = kehon fysikaalinen poikkipinta-ala noin kolmannes mikroaaltotehosta absorboituu kehoon koko kehon SAR pyörähdysellipsoidimallilla, kun sähkökenttä on pituusakselin suuntainen samanmuotoisilla kehoilla koko kehon SAR on kääntäen verrannollinen kehon läpimittaan /LP

51 Yhteenveto kudosten sähköiset ominaisuudet määräytyvät kentän ja varautuneiden hiukkasten välisistä vuorovaikutuksista kudoksessa sähköistä polarisaatiota kudosten permittiivisyys ja johtavuus riippuvat eniten vesimolekyylien muodostamien dipolien aiheuttamasta polarisaatiosta (-dispersio) kudosnesteiden vapaiden ionien kulkeutumisesta kentän suuntaan solukalvojen polarisoitumisesta (-dispersio, < 10 MHz) kudoksen johtavuus riippuu sen vesipitoisuudesta kehoon sisään syntyvään sähkökenttään vaikuttavat ulkoiset kentät ja ympäristö kehon koko ja muoto sekä kudosten sähköiset ominaisuudet kentän kytkeytymisen taajuusalueet kvasistaattinen (< 30 MHz) resonanssi ( MHz) pinta-absorptioalue ( GHz) /LP


Lataa ppt "SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄN KYTKEYTYMINEN IHMISEEN (DOSIMETRIA)"

Samankaltaiset esitykset


Iklan oleh Google