Rob's web

Radiofrequente straling 1

Onder zendamateurs is men zich niet altijd bewust van de risico's van de radiofrequente straling. Zie hiervoor ook het artikel "Flinke jongens die Radio Zendamateurs" op pagina 297 van CQ-PA nr 10 2004.

In de maatschappij maken zich vele mensen zorgen over de toenemende radiostraling. Niet alleen zijn de laatste jaren op veel plaatsen GSM masten geplaatst, maar ook de toename van andere bronnen als WiFi, WLAN en Bluetooth en detectiepoortjes in winkels maakt dat ook de overheid wil laten onderzoeken wat de mogelijke gevaren hiervan zijn.

Het RIVM heeft daarom in opdracht van het Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer een probleemanalyse gemaakt. Een van de conclusies van dit onderzoek is, dat er nader onderzoek naar de effecters van de uitzendingen van zendamateurs moet worden gedaan.

Vanwege een mogelijke bedreiging van onze hobby zal ik aan de hand van o.a. delen uit dit rapport het onderwerp in twee delen in CQ-PA beschrijven. Dit ondanks het feit dat het vooral een theoretisch onderwerp is en dus een hoge mate van 'schriffkamer' geleerdheid heeft.

Deel 1 geeft vooral een beschrijving van de natuurkundige aspecten van de radiofrequente straling. Een gedeelte van de hier beschreven theorie zal ook behandeld zijn in de zendcursus.

Wat is radiofrequente straling?

Dit woord wordt in wetenschappelijke kring aangeduid als niet-ioniserende straling. Dit ter onderscheid van ioniserende straling, die beter bekend is als radioactieve straling.

Deze twee soorten straling hebben geen raakvlakken met elkaar en mogen dan ook absoluut niet met elkaar worden vergeleken.

Toch heb ik me tijdens de diverse cursussen op het gebied van (ioniserende) stralingshygiene vele malen afgevraagd of niet-ioniserende straling ook geen ongewenste neveneffecten heeft, welke anders zijn dan het alom bekende opwarmeffect en de daarvan bekende gevolgen.

Onder niet-ioniserende straling verstaan we in dit artikel de radiostraling met een frequentie tussen 300 Hz en 300 GHz. De frequentiekeuze is gemaakt door de opstellers van het RIVM-rapport.

Een van de bekende bronnen van onrust onder de bevolking vormt het 50 Hz elektriciteitsnet. Vooral bij diegenen die dichtbij trafostations wonen, heerst soms onrust en men geeft er blijk van klachten te hebben, welke blijkbaar veroorzaakt worden door die bronnen.

Deze klachten en de mogelijke bron van deze klachten zijn door de frequentiekeuze buiten het rapport gehouden. Deze zijn door het RIVM in andere onderzoeken betrokken en het RIVM heeft daarvoor andere rapportage gemaakt.

Veiligheidsdenken

Technici denken vaak anders dan veiligheidsdeskundigen. Dit maakt, dat beiden elkaar soms slecht begrijpen.

Op het gebied van straling is dat ook niet veel anders. Over het algemeen zal een veiligheidsdeskundige altijd uitgaan van de most worst case en hier bovenop een veiligheidsfactor leggen. Ook zal een veiligheidsdeslamdige kijken naar klachten en/of ongelukken die optreden of gebeuren en hoe ze voorkomen hadden kunnen worden. Als de klachten verholpen kunnen worden door het wegnemen van de vermoedelijke bron, dan is uit oogpunt van veiligheid het probleem opgelost. Het maakt dan in eerste instantie niet uit wat de oorzaak is. Dus ook als er wetenschappelijk geen relatie is aan te tonen tussen bron en klachten. Dat dit laatste natuurlijk weer lijdt tot frusta-tie van de beheerder van deze bron mag duidelijk zijn.

Bij het lezen van dit artikel is het verstandig u te verplaatsen in de huid van iemand die verantwoordelijk is voor de gezondheid van mensen en die de risico's voor hen zoveel mogelijk wil beperken, voor zover dit technisch en economisch haalbaar is.

Velden bij niet-ioniserende straling

Blootstelling aan niet-ioniserende straling gebeurt door velden. Het kunnen zowel elektrische, magnetische als elektromagnetische velden zijn.

Het elektrische veld wordt veroorzaakt door elektrische lading. Het elektrische veld is een vectorveld, dat wil zeggen dat het een grootte en een richting heeft. De elektrische veldsterkte E heeft de eenheid volt per meter (V/m).

Magnetische velden ontstaan door veranderende elektrische velden of door bewegende lading.

Permanent (ferro-) magnetisme bestaat als gevolg van kringstromen die beperkt blijven tot microscopisch kleine deeltjes.

Net als het elektrische veld, is het magnetische veld een vectorveld. De magnetische veldsterkte H heeft de eenheid ampere per meter (A/m). Een hiermee samenhangende grootheid is de magnetische fluxdichtheid B, met als eenheid tesla (T = V s m-2). De tesla is voor situaties waarin leden van de bevolking zich kunnen bevinden een onhandig grote eenheid, de meeste fluxdichtheden liggen in het bereik van de microtesla (µT). B en H zijn evenredig met elkaar.

Het elektromagnetische veld

Een veranderend elektrisch veld veroorzaakt altijd een magnetisch veld en vice versa. Strikt genomen zijn het elektrische en het magnetische veld daarom in wezen twee componenten van een veldverschijnsel, het elektromagnetische veld genoemd. Een elektromagnetisch veld bestaat uit energie die voor een deel als golven van de bron af getransporteerd wordt. Deze golven noemt men elektromagnetische straling.

Een mast voor de sterkte of de intensiteit van elektromagnetische straling is de grootte van de vermogensdichtheid S. Dit is het vector-uitproduct van de elektrische en de magnetische velden E en H.

S = E × H en geeft de hoeveelheid energie die per tijdseenheid door een loodrecht op de voortplantingsrichting staand oppervlak wordt getransporteerd. De eenheid van S is watt per vierkante meter (W/m2).

Aard van het veld

Elektromagnetische golven worden uitgezonden door bronnen die in grootte kunnen varieren van een fluorescerend molecuul dat ultraviolette straling uitzendt tot een antenne met een afmeting van vele kilometers voor zeer laagfrequente golven.

Op enige afstand van de bron bevindt men zich in het zogenaamde verre veld. Hier bestaat het elektromagnetische veld voornamelijk uit een stralend deel.

Tot op enkele golflengtes afstand van de bron bevindt men zich in het zogenaamde nabije veld. Hier heersen naast elektromagnetische straling ook nog andere elektrische en magnetische velden waarvan de energie bij de bron blijft 'plakken'. Deze laatste, niet stralende componenten, worden reactieve velden genoemd.

In praktische blootstellingsituaties kan het voorkomen dat de blootgestelde persoon zich in het nabije veld bevindt, bijvoorbeeld bij gebruik van een mobiele telefoon.

Het nabije veld en het verre veld

In het verre veld hebben elektromagnetische golven de vorm van een zogeheten vlakke golf, waarbij E en H loodrecht op elkaar en loodrecht op de bewegingsrichting staan.

Ook zijn het E- en het H-veld in fase, ze bereiken tegelijk de maximale en een halve periode later de minimale waarde. De richting waarin de golf beweegt, is gelijk aan de richting waarin een rechtse schroef beweegt wanner men deze over de kleinste hoek van E naar H draait.

In de verre-veldbenadering, dus bij vlakke golven, is de verhouding tussen het E- en het B-veld gelijk aan de lichtsnelheid.

In het nabije veld hangt de vorm van de velden E en H sterk af van de aard van de bron. In het nabije veld is er nog geen sprake van vlakke golven. E en H kunnen dus niet meer eenvoudig in elkaar worden omgerekend.

De verschillende componenten van het nabije veld en van het verre veld

Antennes hebben als hoofddoel het uitzenden of het ontvangen van elektromagnetische velden. Zij bestaan in de simpelste vorm uit een elektrisch circuit waardoor een sinusvormige wisselstroom vloeit. De verschillende elektrische en magnetische veldcomponenten die de antenne opwekt bestaan uit veldcomponenten die afnemen met l/r3, 1/r2 en 1/r.

Fig. 1
Een voorbeeld van het verloop van de vermogensdichtheid (W/m2) in het reactieve nabije veld, het stralende nabije veld en het verre veld.

De figuur laat het grillige verloop van de vermogensdichtheid S van de velden zien voor een 2 m lange 900 MHz antenne. Het is een voorbeeld overgenomen uit een Europese norm voor de berekening van elektromagnetische velden. De doorgetrokken lijn is de sterkte van de totale vermogensdichtheid zoals die in het verre veld heerst, en is geextrapoleerd naar het nabije veld. De gestippelde lijn is de totale vermogensdichtheid van alle reactieve en stralende velden. De gestreepte onderste lijn is enkel de vermogensdichtheid van het stralende veld. Het linker deel geeft het reactieve nabije veld aan, waar de gestippelde lijn sterker is dan het geextrapoleerde zuivere stralingsveld zou kunnen zijn. Als grens tussen de twee nabije veldsoorten is in de Europese norm r = X/4 gekozen. Dat is het punt waar de verhouding in vermogensdichtheid van het stralingsveld en het reactieve veld samen tot het stralingsveld gelijk is aan 1,1.

Over de precieze grenzen tussen deze drie veldgebieden is in de literatuur geen overeenstemming.

Fig. 2

De figuur geeft een overzicht van de begrenzingen zoals gedefinieerd volgens de Federal Communications Commission (FCC), de Europese norm, de Gezondheidsraad en het klassieke tekstboek van Jackson.

Er worden twee situaties onderscheiden: de eerste is waarin de dominante afmeting D van de bron groter is dan de dominant uitgezonden golflengte λ, de tweede waarin de golflengte groter is dan de afmeting van de bron.

De grens tussen het nabije en het verre veld is volgens alle bronnen gebaseerd op de afstand vanaf waar het totale elektromagnetische veld afneemt met 1/r, en daarnaast het karakter van vlakke golven heeft. Dat is volgens de definitie van de Gezondheidsraad voor D < λ op een afstand (veel) groter dan λ het geval.

Voor D > λ is dat het geval als het golffront lokaal als vlakke golf to beschouwen is. De figuur hieronder laat zien dat er van een lokale vlakke golf sprake is, als op een afstand r loodrecht op het midden van D het verschil in looppad δ tussen de top en het midden van D minder bedraagt dan een zestiende golflengte.

Fig. 3
De grens van het verre veld gedefinieerd als afstand waarop een golffront als vlak beschouwd kan worden volgens de desbetreffende Europese norm en de FCC.

Modulatie van elektromagnetische golven

Tot slot is er nog een belangrijke eigenschap van elektromagnetische golven: de golfvorm. Naast continue golven opgebouwd uit harmonische (sinusvormige) golven met verschillende frequenties, zijn er ook gepulste golven.

De golfvorm kan van belang zijn voor het mogelijke effect op biologische systemen.

De veldsterkte van antennes

Zendantennes kunnen hun vermogen in alle richtingen uitzenden. De radiofrequente golven worden opgewekt bij de zendmast en vormen daarna een steeds groter wordende bol daaromheen.

Bij een antenne die het vermogen isotroop uitzendt, dat wil zeggen in alle richtingen even sterk, verdeelt het uitgezonden vermogen zich gelijkelijk over het oppervlak van een bol met de antenne in het middelpunt. De vermogensdichtheid op een bepaald punt hangt hierbij alleen af van de afstand van dat punt tot het centrum.

Over het algemeen bundelen zendantennes op de een of andere manier de uitgezonden elektromagnetische straling. Zendantennes voor radio en televisie zijn doorgaans zo gevormd dat ze hun vermogen in een horizontaal vlak uitzenden, met andere woorden, binnen een kleine verticale hoek. In sommige gevallen wordt de bundel een weinig omhoog gericht. Zo'n bundelende antenne veroorzaakt op dezelfde afstand r in de bundel een grotere vermogensdichtheid dan een isotroop uitzendende antenne met hetzelfde vermogen P. Men beschrij ft dit met behulp van de antenneversterking of gain G. Men rekent dan met het 'equivalent isotroop uitgestraalde vermogen' (EIRP) (Engels: Equivalent Isotropically Radiated Power), dat G maal het werkelijke vermogen is.

Het EIRP is het vermogen dat nodig zou zijn als de zender zijn straling isotroop zou uitzenden en toch dezelfde vermogensdichtheid bij de ontvanger zou teweegbrengen als in de hoofdbundel. Bij een bundelende antenne is het EIRP dus groter dan het feitelijke vermogen.

Merk op dat ook bij bundeling geldt dat de vermogensdichtheid kwadratisch afneemt met de afstand tot de bron. Een andere maat voor het vermogen is het effectief uitgestraalde vermogen' (ERP) (Engels: Effective Radiated Power). Dit geeft de versterking van het vermogen in de hoofdstraalrichting ten opzichte van een ideale (verliesvrije) halve-golflengte dipoolantenne.

Blootstelling aan radiofrequente velden

Met de term 'blootstelling' van een persoon aan elektromagnetische velden wordt bier bedoeld dat een per-soon zich in een elektromagnetisch veld bevindt. Het kiezen van een zinvolle maat voor de hoeveelheid geabsorbeerde elektromagnetische straling, de dosis, hangt af van de nadelige effecten en de verbanden tussen de dosis en het effect die worden bestudeerd. Daarvoor is een analyse nodig die aangeeft welke eigenschappen van het elektromagnetische veld dat heerst in het biologische systeem van belang zijn. Vervolgens kan dan bepaald worden boven welke drempelwaarden van de dosis of in welke dosisintervallen deze eigenschappen het schadelijke effect veroorzaken.

De grootte van de dosis is dus niet gebaseerd op de waarde van een eigenschap van het veld, bijvoorbeeld alleen de veldsterkte, maar is een combinatie van eigenschappen, zoals een bepaalde veldsterkte van een elektromagnetisch gepulst veld in een frequentie-interval gedurende een bepaalde tijd.

Eigenschappen van het uitgezonden veld die van belang zouden kunnen zijn als veroorzaker van het schadelijke effect zijn:

Voorbeeld van een blootstellingsmaat: SAR

Een voorbeeld van een blootstellingsmaat is de in de wetenschappelijke literatuur veelgebruikte Specific Absorption Rate (SAR). De SAR is de geabsorbeerde stralingsenergie per massa-eenheid en per tijdseenheid. Deze blootstellingsmaat is bruikbaar voor korte termijn effecten van elektromagnetische velden ten gevolge van opwarming.

Bij een blootstelling aan velden met frequenties tussen de 10 MHz en enkele GHz met een SAR van net onder 4 W/kg gedurende 30 minuten kan de lichaamstemperatuur oplopen met net iets minder dan een graad Celsius. Dat laatste blijkt uit een studie met vrijwilligers in een MRI-scanner.

De frequentie-athankelijkheid van de SAR voor een volwassen persoon is weergegeven in bovenstaande figuur. Hierbij is ervan uitgegaan dat het lichaam zich bevindt in het verre veld en dat de lengte-as van het lichaam parallel staat aan de richting van het elektrische veld, hetgeen een maxima-le vermogensopname tot gevolg heeft.

Fig. 4
De Specific Absorption Rate (SAR) by een volwassen persoon als functie van de frequentie bij een vermogensdichtheid van 10 W/m2.

In het frequentiegebied tussen 100 kHz en enkele honderden MHz, het resonantiegebied, hangt de absorptie sterk af van de frequentie en bereikt een maximum wanner de golflengte tweemaal de lichaamslengte is.

Bij een volwassene komt dit overeen met een frequentie van 70 a 80 MHz. Maken de voeten elektrisch contact met de aarde, dan is de resonantiefrequentie half zo groot. Naarmate de blootgestelde persoon kleiner is, is de resonantiefrequentie hoger.

In het frequentiegebied tussen 300 MHz en 300 GHz is de rechtstreekse absorptie van energie uit een elektromagnetisch veld in weefsels het gevolg van de trillingen van vrije geladen deeltjes en van de relaxatie van elektrische dipolen.

De energieopname in het nabije veld is anders dan in het verre veld. Afhankelijk van de soort bron kan het zijn dat vooral het magnetische veld sterk is in het nabije veld en de SAR bepaalt, zoals bijvoorbeeld is gevonden voor mobiele telefoons door Mochizuki e.a.

Ook is de SAR in het nabije veld afhankelijk van de positie ten opzichte van de bron: een klein afstandsverschil tussen bron en weefsel kan al een andere lokale SAR verdeling opleveren. Dit laatste vanwege de eerder opgemerkte grillige ruimtelijke verdeling van de veldsterkte en de vermogensdichtheid in het nabije veld.

Andere factoren die van belang zijn bij het bepalen van de SAR zijn de stand van de bron, de polarisatie, en de invalshoek. De elektromagnetische energie is immers in het nabije veld niet homogeen in de ruimte verdeeld.

Absorptie, reflectie en afscherming Het interne elektromagnetische veld in het lichaam, waarop de SAR is gebaseerd, is niet gelijk aan het externe veld in de open ruimte. Door absorptie en reflectie van het veld zullen de E- en H-componenten van het veld in het lichaam minder energie hebben dan daarbuiten.

De interne velden hangen of van:

Conclusies - hiaten in kennis

Omdat niet goed bekend is welke gezondheidseffecten radiofrequente velden opwekken en welk mechanisme een rol speelt, is het bepalen van de juiste blootstellingsmaat lastig. De blootstellingsmaat voor effecten ten gevolge van opwarming, SAR, is de meest gebruikte mast. Voor effecten met een niet-thermische oorzaak zoals (veronderstelde) cognitieve storingen is wellicht een andere blootstellingsmaat nodig. Ook in het nabije veld is mogelijk een andere blootstellingsmaat nodig, omdat in het geval van reactieve velden het soort veld van belang kan zijn.

Voor het berekenen van de SAR in het menselijk lichaam is kennis van de sterkte van het interne elektrische veld nodig. Om het veld te berekenen zijn de dielelctrische parameters van het weefsel nodig. De tot dusver door verschillende groepen gemeten waarden voor de diverse weefsels verschillen voor vijftig procent van de gevallen met meer dan een factor twee. Dit maakt, in combinatie met de numerieke modelafwijkingen, een berekening van de lokale SAR in het lichaam onmogelijk. Ook een modellering van mogelijke oorzaakgevolgketens van processen die tot mogelijke effecten leiden is hierdoor niet goed uit te voeren.

Het berekenen van de effecten door reactieve velden in het nabije veld, zoals de SAR distributie in en de zeer lokale opwarming van het hoofd is van belang. Bij het gebruik van een mobiele telefoon bevindt het hoofd van de beller zich immers in dit veld en maakt deel uit van het antennesysteem. Deze berekeningen zijn nodig om vast te stellen of de lokale SAR van organen in het hoofd boven aanbevolen waarden uitkomen.

Met de komst van zenders die digitaal gemoduleerde en gepulste signalen verspreiden zoals GSM is het van belang de specifieke effecten met betrekking tot energie overdracht en eventuele lokale opwarming te onderzoeken.

Afscherming tegen een radiofrequent veld kan in het algemeen geschieden door middel van een kooi van een goed geleidend materiaal met mazen kleiner dan de golflengte van de elektromagnetische golf.

Dit is echter in de praktijk geen optie voor afscherming van velden veroorzaakt door mobiele telefoons.

Het afschermen van de antenne heeft tot gevolg dat de telefoon met meer vermogen gaat zenden of helemaal geen contact meer kan maken met het basisstation.

Hoewel de SAR niet boven de aanbevolen waarden uitkomt, hebben gebruikers van mobiele telefoons uit onzekerheid over gevreesde effecten als kanker hiervoor belangstelling. De commercieel verkochte schildj es blijken de SAR niet of nauwelijks te verminderen.

Einde deel 1

Dit is het eerste artikel van deze reeks. De bier besproken termen komen voornamelijk uit het RIVM rapport. Alle daarin opgenomen verwijzingen zijn bier vanwege de leesbaarheid achterwege gelaten.

In deel 2 van dit artikel zal o.a. ingegaan worden op de gezondheidseffecten van radiofrequente straling.

Bron

Johan Schepers PA3AIN.