CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BXĐT 1.1 Khái quát về trường điện từ Trường điện từ là một dạng tồn tại đặc biệt của vật chất, đặc trưng bởi tập hợp các tính chất điện và từ. Các tham số cơ bản, biểu thị đặc tính của trường điện từ là: tần số, bước sóng và tốc độ lan truyền. Như đã biết quanh vật dẫn có dòng điện chạy luôn tồn tại đồng thời một điện trường và một từ trường. Đối với dòng điện một chiều, các trường này không phụ thuộc vào nhau, còn đối với dòng điện xoay chiều, thì các trường này liên quan chặt chẽ với nhau, là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền được trong môi trường chân không.
Sóng điện từ có tính chất hạt và tính chất sóng, khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin và tạo thành một trường điện từ thống nhất (Hình 1.1 Sóng điện từ lan truyền trong không gian [46] Từ những luận điểm của Max Planck (1900), Albert Einstein (1905) và De Broglie (1924). Ứng dụng của bức xạ điện từ cũng như tương tác giữa bức xạ điện từ với khối chất được giải thích theo bản chất lượng tử “Lưỡng tính Sóng – Hạt”. Tính “sóng” của bức xạ điện từ đó là sóng điện từ. Tính “hạt” của BXĐT đó là hạt photon - hạt cơ bản của BXĐT.
Nói cách khác, BXĐT cũng là một chùm hạt photon [52]. Đó là một chùm tia kết hợp hoặc không kết hợp. Kết hợp nếu là chùm tia BXĐT do phát xạ cảm ứng của khối chất, không kết hợp nếu là chùm tia BXĐT do phát xạ tự nhiên. BXĐT được chia theo bước sóng như hình 1.
4 Luận văn thạc sĩ Ngành Vật Lý Kỹ Thuật Hình 1.2 Phổ bức xạ điện từ [46] Bức xạ Viba (300 MHz ÷ 300 GHz) tuy chỉ đại diện cho một phần nhỏ của phổ bức xạ điện từ trải ra từ các tia vũ trụ cao tần và tia Gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, bức xạ hồng ngoại và Viba, cho tới các sóng vô tuyến bước sóng dài, tần số rất thấp. Nhưng trong cuộc sống hiện đại ngày nay, hầu hết các thiết bị ứng dụng tính chất của sóng điện từ trong sinh hoạt có bước sóng trong vùng Viba như: Truyền hình, điện thoại di động, điều khiển từ xa.2 Nguồn phát BXĐT 1.1 Nguồn phát xạ điện từ tần số thấp Hình 1.3 Mô tả các nguồn bức xạ điện từ [46] Nguồn phát xạ điện từ tấn số thấp (0 - 3 kHz) bao gồm các hệ thống sản xuất, biến đổi và truyền tải điện năng như nhà máy điện, đường dây truyền tải, trạm biến áp…cũng như các thiết bị điện trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, du lịch, thương mại, thiết bị điện công sở, gia dụng, các thiết bị kỹ thuật điện – điện tử. Nguồn bức xạ từ trường mà ta tiếp xúc thường xuyên là các thiết bị điện gia dụng 5 Luận văn thạc sĩ Ngành Vật Lý Kỹ Thuật nhưng cường độ từ trường của các thiết bị gia dụng giảm nhanh khi ta đứng cách xa chúng. Ở khoảng cách 30 cm, từ trường thấp hơn 100 lần so với giới hạn cho phép.
Ví dụ, màn hình TV hoặc máy vi tính phát sinh cả tĩnh điện và điện từ trường. Đối với người thao tác máy tính ngồi cách màn hình từ 30 đến 50 cm thì từ trường tại vị trí đó nhỏ hơn 7mG còn cường độ điện trường chỉ từ 1V/m đến 10V/m.Hàng ngày chúng ta tiếp xúc với mức độ từ trường trung bình từ 1 hoặc 2 milligauss (mG). Trong nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của điện từ trường đến sức khỏe con người, người ta thường dùng mức tiếp xúc trung bình 2 - 3mG làm mức tiếp xúc giới hạn. Dưới mức này được xem như không có "tiếp xúc", còn trên mức này thì xem là có "tiếp xúc".
Tuy nhiên trong thực tế thì mức cho phép trong các tiêu chuẩn lớn hơn nhiều. Trong quá trình nghiên cứu tác hại của từ trường đến sức khỏe con người, người ta thường quan tâm nhiều nhất đến hai loại bệnh là bệnh bạch cầu và bệnh u não ở trẻ em. Ví dụ ở Los Angeles, người ta thực hiện nghiên cứu việc trẻ em xem TV đã cho thấy nguy cơ bệnh bạch cầu gia tăng khi tăng số giờ xem, trừ khi đảm bảo khoảng cách cho phép giữa trẻ và TV. Cũng vậy, bệnh u não xảy ra khi người mẹ mang thai thường dùng màn điện (electrical blanket), giường nước (waterbed) để sưởi ấm hoặc khi phụ nữ mang thai mà sử dụng máy vi tính thường xuyên thì có thể làm hư thai hoặc thai có khuyết tật [34, 35, 36, 46].2 Nguồn phát xạ điện từ tần số cao Bức xạ tần số Radio (Radio Frequency Radiation - RF) là dạng bức xạ không ion hoá.
Dải tần radio (RF) trải rộng từ 3 KHz đến 3000 GHz. Bức xạ RF hiểu theo nghĩa đơn giản nhất là phát xạ các tín hiệu radio từ nguồn phát. Nguồn phát xạ các bức xạ nói chung được chia thành hai loại: Phát xạ tự nhiên và nhân tạo. Nguồn phát xạ tự nhiên tiêu biểu là các vì sao, mặt trời, tầng ion.
Nguồn phát xạ nhân tạo chủ yếu là các hệ thống truyền thông, thiết bị y tế, thiết bị phục vụ nghiên cứu khoa học. Trong dải RF, nguồn phát là các hệ thống phát thanh quảng bá điều chế biên độ (AM) hoặc điều chế tần số (FM), các hệ thống vô tuyến truyền hình quảng bá VHF và UHF, hệ thống điện thoại di động, các hệ thống Ra đa và các hệ thống thông tin vệ tinh… 6 Luận văn thạc sĩ Ngành Vật Lý Kỹ Thuật Bảng 1.1: Các dải tần số phân chia trong viễn thông [31] Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Ứng dụng tiêu biểu Sóng mặt đất: Suy hao Rađa đường dài, Tần số rất thấp ban ngày và ban đêm thông tin dưới nước 3 - 30 kHz (VLF) thấp. Mức tạp nhiễu khí quyển cao Tương tự VLF, kém tin Rađa đường dài, vô Tần số thấp cậy. Hấp thụ vào ban tuyến hàng hải 30 - 200 kHz (LF) ngày Sóng mặt đất và sóng Vô tuyến và định vị Tần số trung trời.
Suy hao ban đêm hang hải, cứu hộ và 0.3 - 3 MHz bình (MF) thấp, ban ngày cao. Tạp quảng bá AM nhiễu khí quyển Phản xạ tầng điện ly, Vô tuyễn nghiệp dư, thay đổi theo thời gian phát sóng quốc tế, Tần số cao trong ngày, mùa và tần thông tin quân sự 3 - 30 MHz (HF) số tạp nhiễu 30MHz hàng hải, hàng không điện thoại, điện báo, FAX Lan truyền theo tầm Truyền hình VHF, Tần số rất cao nhìn thẳng (LOS), có sự phát thanh AM, 30 - 300 MHz (VHF) tán xạ do sự đảo nhiệt thông tin đạo hàng độ, tạp nhiễu vũ trụ AM Lan truyền theo tầm Truyền hình UHF, Tần số cực cao nhìn thẳng (LOS), tạp thông tin đạo hàng, 0.3 - 3 GHz (UHF) âm vũ trụ ra đa, thông tin Vi ba, y tế. 7 Luận văn thạc sĩ Ngành Vật Lý Kỹ Thuật Lan truyền (LOS), Suy Thông tin vệ tinh, Tần số siêu cao hạo khí quyển do Ôxy thông tin Vi ba, y tế 3 - 30 GHz (SHF) và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22,2 GHz Lan truyền (LOS), hấp Thông tin vệ tinh, 30 - 300 GHz Tần số siêu cao thụ hơi nước tại 183 thông tin Ra đa, thử GHz, Hấp thụ Ôxy tại nghiệm 60 GHz và 119 GHz 1011 - 1014 Hz UVIS Lan truyền LOS Thông tin quang 1.3 Tương tác giữa BXĐT và cơ thể sống 1.1 Tương tác của BXĐT cao tần với cơ thể sống BXĐT cao tần và siêu cao tần được phát ra từ các đài truyền hình và phát thanh, các trạm cơ sở của mạng điện thoại di động (BTS), Rađa, máy tivi, máy tính, điện thoại di động và nhiều dụng cụ điện khác. Bức xạ HF có một đặc điểm y sinh học rất quan trọng mà các dải BXĐT khác không có đó là: Năng lượng photon hν của bức xạ HF nằm xung quanh 10-4 eV, tương thích với phần lớn những khoảng biến đổi năng lượng riêng E2 - E1 của tâm chức năng trong cơ thể sống.
Chính vì lẽ đó mà cơ thể sống phản ứng rất nhạy và rất tinh tế với bức xạ HF ngay cả ở những cường độ yếu. Bức xạ HF cũng gây ra hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng phi nhiệt đối với cơ thể sống. Ta biết rằng sóng điện từ (gồm điện trường và từ trường) sẽ thay đổi chiều tuần hoàn theo thời gian khi bị chiếu bức xạ điện từ lên các tổ chức sinh vật, sẽ có nhiệt do dòng dẫn và dòng xoáy sinh ra trong tổ chức, ngoài ra các phân tử chất phân cực (chủ yếu là nước) trong tổ chức chiụ tác dụng của lực điện trường gây ra lực ma sát liên tục với các phân tử lân cận sinh ra nhiệt năng. 8 Luận văn thạc sĩ Ngành Vật Lý Kỹ Thuật Bảng 1.2 Một số tham số sinh học [5] Mô Tỷ phần thể Hằng số tương Độ dẫn tại 0,1 Độ dẫn của vi tích của nước đối vi sóng GHz (Sm-1) sóng ngoại được ngoại suy suy (Sm-1) Não (chất xám) 0.300 Theo tính toán của Nhiệt động học bức xạ, khi công suất Viba tác dụng khoảng 80mW/kg thì hiệu ứng nhiệt sẽ làm nóng mô cơ thể lên 1 0C.
Từ đó liều hấp thụ riêng (Specific Absorption Rate – SAR) 80 mW/kg thể trọng có thể coi là giới hạn hiệu ứng nhiệt đối với cơ thể.2 Hiệu ứng phi nhiệt Hiện đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu về sức khỏe HF được công bố bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau từ Vật lý Sinh học cho đến Y học dịch tễ. Ở các nước, ngay cả tổ chức chuyên ngành điện tử viễn thông cũng đã khẳng định bức xạ HF mạnh nhất trực tiếp tác động lên con người chính là từ các trạm BTS và các máy điện thoại di động cầm tay, thiết bị Wi-Fi. Tiêu điểm chú ý là nguy cơ bức xạ HF có thể gây các u não (brain tumors) hoặc thúc đẩy ung thư não (brain cancer) hoặc nhiều hiệu ứng khác trên hệ thần kinh trung ương, ngay cả với công suất HF phơi nhiễm rất yếu. Đây chắc chắn không phải do hiệu ứng nhiệt HF, bởi vì liều phơi nhiễm khoảng một vài mW/kg thể trọng chỉ có thể làm nóng cơ thể lên 0,010C, mà là một hiệu ứng mới khác, phức tạp hơn nhiều.
Đó là hiệu ứng phi nhiệt HF, nó liên quan đến các biến dị cấu trúc phức tạp xảy ra chủ yếu trên các hệ điện tử phân tử và các tâm chức năng thuộc hệ thần kinh trung ương và não bộ đã được đề cập nhiều trong các tài liệu nghiên cứu về vật lý y sinh.