劉淑娥

(江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇 徐州 221116)

在大學近代物理實驗中有關于微波技術的實驗，筆者在最近的幾年內(nèi)每一學期都接觸到這類實驗，而且由于實驗室儀器少，每學期要上20～30課時的微波實驗．盡管在做實驗前也聽說微波對人體有一定的危害，但是由于缺乏這方面的相關知識，在實驗過程中一直沒有進行個人防護．接觸微波實驗3年左右發(fā)現(xiàn)自己的眼睛看東西有點模糊，并且經(jīng)常出現(xiàn)干澀．由于排除了其他因素，筆者很想知道眼睛出現(xiàn)的問題和微波實驗的關系．如果能從理論上得到微波對眼睛傷害的機理，在以后的實驗中就可以做到防范于未然，對同行也是一種保護和關愛．

最近筆者查閱資料，發(fā)現(xiàn)最早報道微波對眼睛傷害的是1952年Hirsh的報告，一名32歲的雷達技術員無防護地在1 500 MHz～3 000 MHz，功率密度100 mW/cm2微波輻射的條件下工作1年以后發(fā)現(xiàn)雙眼患有白內(nèi)障[1]．有很多資料提到微波對眼睛的傷害[1～3]，但是至今沒有看到微波對眼睛的危害的深入研究．

1 微波

微波(Microwave)一般指波長為1 m～1 mm

(相當于頻率從300 MHz到300 GHz)范圍的電磁波[2]．微波與生物體相互作用所產(chǎn)生的生物效應，稱為微波生物效應．以溫度為判據(jù)，可以把它分為微波生物熱效應和非熱效應．生物體吸收了微波的能量后，體溫升高，從而使生物體的各種生物功能產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱為微波生物熱效應；在微波輻射的作用下，生物體內(nèi)的溫度保持不變(或沒有明顯的溫升)，卻可以產(chǎn)生明顯的生物效應，使生物體內(nèi)發(fā)生各種生理、生化和功能的變化，這種現(xiàn)象稱為微波的非熱效應[4]．

2 人眼睛的結構

人眼的直徑大約24 mm，從眼前到眼底可分為角膜、水樣液、虹膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、色素上皮、脈絡膜和鞏膜幾個部分[5]，可見光由角膜進入眼睛，強度幾乎不變地通過水樣液等透明層到達視網(wǎng)膜，觸發(fā)光化過程，引起神經(jīng)沖動，導致視覺．微波的脈沖連續(xù)照射人的眼睛，會對人的眼睛造成一定影響．

3 人眼睛的光學原理

3.1 反射

光射到人眼角膜時，一部分將被反射，折射進入角膜的一部分將被吸收和散射．已知正入射光由空氣進入角膜，入射角在0°～40°時反射比約為2%，只有入射角大到80°時，反射比才很大．由于角膜、水樣液、晶狀體和玻璃體折射率差不多，它們之間界面的反射比很?。鄣椎姆瓷浔纫话阈∮?%，而且淚層有消反作用，所以，反射在眼睛光學中不重要，對于微波同樣如此[3]．

3.2 折射

通常把人眼看作是一塊凸透鏡，物光通過此透鏡后，于視網(wǎng)膜成清晰像．實際上，折射發(fā)生在4個球面組成的角膜和晶狀體上，若已知眼球各個部分的尺寸和折射率，就可以根據(jù)物像關系計算出其折光度．角膜是凸透鏡，其折光度為+41.33；晶狀體可以作為雙透鏡，折光度為 +16. 28．整個眼的折光度為+57.81．由此可見折光主要發(fā)生在角膜[3]．

3.3 吸收

眼睛各部分的吸收主要和波長有關：眼睛光學系統(tǒng)對于0.4～1.4 μm波段的可見光及近紅外光輻射透過率較高,特別是在可見光波段范圍內(nèi)透過率達到95%以上[6]，即入射光輻射絕大部分可透過眼睛光學系統(tǒng)聚焦在視網(wǎng)膜上，因此這一波段的光輻射主要損傷視網(wǎng)膜，對于0.4～1.4μm波段范圍之外的微波，眼睛光學系統(tǒng)透過率較低，入射光輻射大部分不能通過眼睛光學系統(tǒng)達到視網(wǎng)膜，所以一般不至于損傷視網(wǎng)膜[7]．眼底前諸介質(zhì)沒有吸收，微波主要由角膜吸收，其主要吸收體可能是尿苷酸或DNA．

3.4 散射

1957年據(jù)Maurice的分析：若每一膠原纖維獨立工作，將散射入射光的90%，角膜將是不透明的．他得出組織透明的條件是：纖維平行、一樣粗，并構成有規(guī)則的網(wǎng)絡．1967年Benedak研究認為網(wǎng)絡的規(guī)則性在理論上不是必要條件，實際上鯊魚角膜中的鮑曼氏膜中的膠原纖維的分布是全然無規(guī)則的，鯊魚的眼是透明的．Benedak認為人眼諸膠原蛋白纖維的間距短于可見光的波長，從而使相鄰纖維散射光的相位密切相關，這會很大程度上減弱散射光強，所以正常人眼是透明的[3]．對于微波來說，波長比可見光波長大，所以微波波長與人眼諸膠原蛋白纖維的間距相比要大的多，微波在此期間傳播可認為是透明的．

總結以上人眼的光學，可知微波從眼前到眼底經(jīng)過角膜、水樣液、虹膜、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜、色素上皮、脈絡膜和鞏膜傳播的過程中，對眼睛的主要作用是眼睛對微波的吸收．

4 微波對眼睛的效應

微波對眼睛的效應是一個復雜的過程，既要考慮到微波的頻率，又要考慮微波在介質(zhì)分界面上的反射、折射及照射時間等．以下只是研究單一平面波對眼睛的輻射，另一方面只考慮垂直入射的情形，不考慮反射．下面以微波和常人的眼睛近距離輻射，用理論推導微波進入眼睛的貫穿深度．

假設微波的電矢量E依賴于x和t，由E和x構成的平面波可寫為[8]

(1)

E=E0exp(iωt-γx)

(2)

上式中E0是常量．

(3)

γ一般是復數(shù)，還可以寫成

γ=α+iβ

(4)

所以式(2)為

E=E0exp(-αx)·exp[i(ωt-βx)]

(5)

電場E=E0exp(iωt)在電介質(zhì)中引起的電流密度為

(6)

(7)

將此式代入式(3)得

(8)

和 |γ|2=α2+β2=

(9)

(10)

微波在生物組織中的貫穿深度可以定義為衰減常數(shù)的倒數(shù)，即

(11)

(12)

式(12)中的λ0是微波在空氣中的波長，εr是電介質(zhì)的相對介電常數(shù)．若已知眼睛和微波頻率有關的相對介電常數(shù)εr和電導率σ，就可以求出微波在眼睛中的貫穿深度[9]．由于人眼結構比較復雜，并且損傷后不知道是否能恢復到原來的狀態(tài)，至今也沒有這方面的實驗數(shù)據(jù)．現(xiàn)在把眼睛看作一個高水容量生物組織，計算微波在眼睛里傳播時的貫穿深度．

表1 貫穿深度隨頻率的變化

由表1可以看出隨著頻率的增大，生物體組織的電導率增大，貫穿深度減?。搜凼呛枯^大的組織，貫穿深度可能比上表中頻率相對應的貫穿深度還要稍小些．人眼的直徑大約24 mm，從上表可得出對小于10 GHz的微波，可以認為人眼睛是一個曲面，大于10 GHz的微波可以認為人眼睛是一個平面．大于10 GHz的微波幾乎是直線輻射的，它的波長、強度決定了微波的被吸收、反射、折射、透射的情況．若被完全反射，則對眼睛無太大影響，只有當微波輻射貫穿到眼睛并被吸收時，才產(chǎn)生生物效應[10]．從式(12)可以看出貫穿深度與頻率有關，隨著頻率的增大，波長變短，貫穿深度也減小．一般來說，微波頻率在20 GHz～30 GHz以上，則被表皮吸收；1 GHz～3 GHz微波可被淺表層吸收；1 GHz以下的微波可貫穿到組織深層被吸收[11]，眼睛吸收微波并產(chǎn)生生物效應，是微波對眼睛損傷的原因之一．

人眼睛在外電磁場的作用下，內(nèi)部將產(chǎn)生感應電磁場．由于人眼各個組織均為有耗介質(zhì)，因此人眼電磁場將會產(chǎn)生電流，人眼就會吸收和耗散電磁能量．生物劑量學中常用SAR表征這一物理過程．SAR的意義為單位質(zhì)量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率，單位為W/kg．SAR可分為局部SAR和平均SAR．局部SAR可表示為

(13)

從輻射的效果來說，處于微波場中的人眼睛，它有很好的微波吸收特性，可使溫度升高，把吸收的微波變成熱能．如果微波功率增加到一定的閾值，眼睛就會被損害．

另外，由于眼睛的生物非熱效應的共振自適應性[12]，在其自適應能力范圍之內(nèi)，外界的影響能被眼睛的生物結構控制，眼睛內(nèi)的細胞按原來的方式生存，若外界影響超過其自適應能力的閾值時，破壞了生物膜的原有結構，將使細胞失去原有的功能從而不能恢復[13,14]．高強度的微波輻射甚至可使人眼晶狀體蛋白質(zhì)凝固，輕者混濁，嚴重者可形成白內(nèi)障，還可能傷害角膜、虹膜和前房，導致視網(wǎng)膜脫落，視力減退乃至完全喪失[15]．

第三，人眼睛各層的含水量不同，如水樣液和玻璃體的含水量都在99%以上，晶狀體的含水量是65%．微波在眼睛中行進時，從角膜到水樣液是從含水量低的組織到含水量高的組織．行進在水樣液的表面將發(fā)生反射，此時反射波與入射波反相，相互干涉而形成駐波，界面處的強度最小．從水樣液到虹膜是從含水量高的組織到含水量低的組織，微波在界面也將發(fā)生反射，不過此時反射波和入射波同相，界面處的強度最大．駐波的形成可能是對眼睛損傷的另一個原因．

由以上的理論分析可知，在教學中使用微波儀器或使用與微波有關的家用電器時，微波對眼睛的危害不容忽視，要加強防護．防護的措施可采取封閉好相關的儀器，以免微波泄露；在更換微波配件時最好是關掉信號源，把螺絲擰緊．做完實驗及時把實驗室的窗戶打開通風．另外，排課時注意相鄰兩次實驗的間隔要長一些，以免引起由于時間過于密集，而使眼睛的損傷在受到下次照射前，尚沒得到完全修復，造成損傷累積效應．在做實驗的過程中最好是戴一副能防微波的眼鏡；在室內(nèi)種植一些植物，如長春藤、君子蘭、蘆薈、仙人掌、仙人球等，這些措施能有效地抗輻射并能凈化空氣[16]．

5 結論

微波對人眼睛傷害的主要原因可以概括為：眼睛對微波的吸收產(chǎn)生的生物熱效應和生物非熱效應及微波在人眼睛里行進時形成的駐波，另外與微波對人眼睛輻射時間、輻射強度及輻射相隔的時間長短密不可分．微波輻射如果超過眼睛自適應能力的閾值可能導致視疲勞、眼睛不適、眼干等現(xiàn)象，嚴重時可導致視力下降、視網(wǎng)膜脫落．所以，在使用與微波有關的儀器設備時應做好相關的防護工作．

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