微波对人眼的危害及其防护的物理分析*

刘淑娥

(江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏 徐州 221116)

在大学近代物理实验中有关于微波技术的实验，笔者在最近的几年内每一学期都接触到这类实验，而且由于实验室仪器少，每学期要上20～30课时的微波实验．尽管在做实验前也听说微波对人体有一定的危害，但是由于缺乏这方面的相关知识，在实验过程中一直没有进行个人防护．接触微波实验3年左右发现自己的眼睛看东西有点模糊，并且经常出现干涩．由于排除了其他因素，笔者很想知道眼睛出现的问题和微波实验的关系．如果能从理论上得到微波对眼睛伤害的机理，在以后的实验中就可以做到防范于未然，对同行也是一种保护和关爱．

最近笔者查阅资料，发现最早报道微波对眼睛伤害的是1952年Hirsh的报告，一名32岁的雷达技术员无防护地在1 500 MHz～3 000 MHz，功率密度100 mW/cm2微波辐射的条件下工作1年以后发现双眼患有白内障[1]．有很多资料提到微波对眼睛的伤害[1～3]，但是至今没有看到微波对眼睛的危害的深入研究．

1 微波

微波(Microwave)一般指波长为1 m～1 mm

(相当于频率从300 MHz到300 GHz)范围的电磁波[2]．微波与生物体相互作用所产生的生物效应，称为微波生物效应．以温度为判据，可以把它分为微波生物热效应和非热效应．生物体吸收了微波的能量后，体温升高，从而使生物体的各种生物功能产生变化，这种现象称为微波生物热效应；在微波辐射的作用下，生物体内的温度保持不变(或没有明显的温升)，却可以产生明显的生物效应，使生物体内发生各种生理、生化和功能的变化，这种现象称为微波的非热效应[4]．

2 人眼睛的结构

人眼的直径大约24 mm，从眼前到眼底可分为角膜、水样液、虹膜、晶状体、玻璃体、视网膜、色素上皮、脉络膜和巩膜几个部分[5]，可见光由角膜进入眼睛，强度几乎不变地通过水样液等透明层到达视网膜，触发光化过程，引起神经冲动，导致视觉．微波的脉冲连续照射人的眼睛，会对人的眼睛造成一定影响．

3 人眼睛的光学原理

3.1 反射

光射到人眼角膜时，一部分将被反射，折射进入角膜的一部分将被吸收和散射．已知正入射光由空气进入角膜，入射角在0°～40°时反射比约为2%，只有入射角大到80°时，反射比才很大．由于角膜、水样液、晶状体和玻璃体折射率差不多，它们之间界面的反射比很小．眼底的反射比一般小于5%，而且泪层有消反作用，所以，反射在眼睛光学中不重要，对于微波同样如此[3]．

3.2 折射

通常把人眼看作是一块凸透镜，物光通过此透镜后，于视网膜成清晰像．实际上，折射发生在4个球面组成的角膜和晶状体上，若已知眼球各个部分的尺寸和折射率，就可以根据物像关系计算出其折光度．角膜是凸透镜，其折光度为+41.33；晶状体可以作为双透镜，折光度为 +16. 28．整个眼的折光度为+57.81．由此可见折光主要发生在角膜[3]．

3.3 吸收

眼睛各部分的吸收主要和波长有关：眼睛光学系统对于0.4～1.4 μm波段的可见光及近红外光辐射透过率较高,特别是在可见光波段范围内透过率达到95%以上[6]，即入射光辐射绝大部分可透过眼睛光学系统聚焦在视网膜上，因此这一波段的光辐射主要损伤视网膜，对于0.4～1.4μm波段范围之外的微波，眼睛光学系统透过率较低，入射光辐射大部分不能通过眼睛光学系统达到视网膜，所以一般不至于损伤视网膜[7]．眼底前诸介质没有吸收，微波主要由角膜吸收，其主要吸收体可能是尿苷酸或DNA．

3.4 散射

1957年据Maurice的分析：若每一胶原纤维独立工作，将散射入射光的90%，角膜将是不透明的．他得出组织透明的条件是：纤维平行、一样粗，并构成有规则的网络．1967年Benedak研究认为网络的规则性在理论上不是必要条件，实际上鲨鱼角膜中的鲍曼氏膜中的胶原纤维的分布是全然无规则的，鲨鱼的眼是透明的．Benedak认为人眼诸胶原蛋白纤维的间距短于可见光的波长，从而使相邻纤维散射光的相位密切相关，这会很大程度上减弱散射光强，所以正常人眼是透明的[3]．对于微波来说，波长比可见光波长大，所以微波波长与人眼诸胶原蛋白纤维的间距相比要大的多，微波在此期间传播可认为是透明的．

总结以上人眼的光学，可知微波从眼前到眼底经过角膜、水样液、虹膜、晶状体、玻璃体、视网膜、色素上皮、脉络膜和巩膜传播的过程中，对眼睛的主要作用是眼睛对微波的吸收．

4 微波对眼睛的效应

微波对眼睛的效应是一个复杂的过程，既要考虑到微波的频率，又要考虑微波在介质分界面上的反射、折射及照射时间等．以下只是研究单一平面波对眼睛的辐射，另一方面只考虑垂直入射的情形，不考虑反射．下面以微波和常人的眼睛近距离辐射，用理论推导微波进入眼睛的贯穿深度．

假设微波的电矢量E依赖于x和t，由E和x构成的平面波可写为[8]

(1)

E=E0exp(iωt-γx)

(2)

上式中E0是常量．

(3)

γ一般是复数，还可以写成

γ=α+iβ

(4)

所以式(2)为

E=E0exp(-αx)·exp[i(ωt-βx)]

(5)

电场E=E0exp(iωt)在电介质中引起的电流密度为

(6)

(7)

将此式代入式(3)得

(8)

和 |γ|2=α2+β2=

(9)

(10)

微波在生物组织中的贯穿深度可以定义为衰减常数的倒数，即

(11)

(12)

式(12)中的λ0是微波在空气中的波长，εr是电介质的相对介电常数．若已知眼睛和微波频率有关的相对介电常数εr和电导率σ，就可以求出微波在眼睛中的贯穿深度[9]．由于人眼结构比较复杂，并且损伤后不知道是否能恢复到原来的状态，至今也没有这方面的实验数据．现在把眼睛看作一个高水容量生物组织，计算微波在眼睛里传播时的贯穿深度．

表1 贯穿深度随频率的变化

由表1可以看出随着频率的增大，生物体组织的电导率增大，贯穿深度减小．人眼是含水量较大的组织，贯穿深度可能比上表中频率相对应的贯穿深度还要稍小些．人眼的直径大约24 mm，从上表可得出对小于10 GHz的微波，可以认为人眼睛是一个曲面，大于10 GHz的微波可以认为人眼睛是一个平面．大于10 GHz的微波几乎是直线辐射的，它的波长、强度决定了微波的被吸收、反射、折射、透射的情况．若被完全反射，则对眼睛无太大影响，只有当微波辐射贯穿到眼睛并被吸收时，才产生生物效应[10]．从式(12)可以看出贯穿深度与频率有关，随着频率的增大，波长变短，贯穿深度也减小．一般来说，微波频率在20 GHz～30 GHz以上，则被表皮吸收；1 GHz～3 GHz微波可被浅表层吸收；1 GHz以下的微波可贯穿到组织深层被吸收[11]，眼睛吸收微波并产生生物效应，是微波对眼睛损伤的原因之一．

人眼睛在外电磁场的作用下，内部将产生感应电磁场．由于人眼各个组织均为有耗介质，因此人眼电磁场将会产生电流，人眼就会吸收和耗散电磁能量．生物剂量学中常用SAR表征这一物理过程．SAR的意义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率，单位为W/kg．SAR可分为局部SAR和平均SAR．局部SAR可表示为

(13)

从辐射的效果来说，处于微波场中的人眼睛，它有很好的微波吸收特性，可使温度升高，把吸收的微波变成热能．如果微波功率增加到一定的阈值，眼睛就会被损害．

另外，由于眼睛的生物非热效应的共振自适应性[12]，在其自适应能力范围之内，外界的影响能被眼睛的生物结构控制，眼睛内的细胞按原来的方式生存，若外界影响超过其自适应能力的阈值时，破坏了生物膜的原有结构，将使细胞失去原有的功能从而不能恢复[13,14]．高强度的微波辐射甚至可使人眼晶状体蛋白质凝固，轻者混浊，严重者可形成白内障，还可能伤害角膜、虹膜和前房，导致视网膜脱落，视力减退乃至完全丧失[15]．

第三，人眼睛各层的含水量不同，如水样液和玻璃体的含水量都在99%以上，晶状体的含水量是65%．微波在眼睛中行进时，从角膜到水样液是从含水量低的组织到含水量高的组织．行进在水样液的表面将发生反射，此时反射波与入射波反相，相互干涉而形成驻波，界面处的强度最小．从水样液到虹膜是从含水量高的组织到含水量低的组织，微波在界面也将发生反射，不过此时反射波和入射波同相，界面处的强度最大．驻波的形成可能是对眼睛损伤的另一个原因．

由以上的理论分析可知，在教学中使用微波仪器或使用与微波有关的家用电器时，微波对眼睛的危害不容忽视，要加强防护．防护的措施可采取封闭好相关的仪器，以免微波泄露；在更换微波配件时最好是关掉信号源，把螺丝拧紧．做完实验及时把实验室的窗户打开通风．另外，排课时注意相邻两次实验的间隔要长一些，以免引起由于时间过于密集，而使眼睛的损伤在受到下次照射前，尚没得到完全修复，造成损伤累积效应．在做实验的过程中最好是戴一副能防微波的眼镜；在室内种植一些植物，如长春藤、君子兰、芦荟、仙人掌、仙人球等，这些措施能有效地抗辐射并能净化空气[16]．

5 结论

微波对人眼睛伤害的主要原因可以概括为：眼睛对微波的吸收产生的生物热效应和生物非热效应及微波在人眼睛里行进时形成的驻波，另外与微波对人眼睛辐射时间、辐射强度及辐射相隔的时间长短密不可分．微波辐射如果超过眼睛自适应能力的阈值可能导致视疲劳、眼睛不适、眼干等现象，严重时可导致视力下降、视网膜脱落．所以，在使用与微波有关的仪器设备时应做好相关的防护工作．

参考文献

1 孟超,高燕，等.城市电磁辐射污染的产生与危害.安全,2005(5):29～33

2 王魁香,韩炜，等.新编近代物理实验.北京：科学出版社，2007.103～104

3 刘普和主编.物理因子的生物效应，北京：科学出版社，1992.258～269

4 刘银春,尤华明.微波生物非热效应的量子理论及其机理.微波学报,2005,21(4):67～68

5 陆文秀 .准分子激光屈光性角膜手术学.北京:科学技术文献出版社,2000.100～101

6 冯苏英,张永艳，等.激光对人眼的危害和防护.激光杂志,1999,20(2):8～10

7 高卫.激光对人眼干扰损伤效果评估准则初探.激光杂志,2007,28(2):78～79

8 沙湘月,伍瑞新.电磁场理论与微波技术.南京:南京大学出版社,2004.46～47

9 毕岗主编.电磁场与微波.杭州:浙江大学出版社,2006.116～117

10 陶松垒,陶钧炳,等.手提无线电话电磁波的危害及防护.浙江劳动保护，1998(12):34～35

11 陶松垒,陶钧炳.手机微波防护器的研究与测试.微波学报,2002,18(2):95

12 刘银春,尤华明.微波生物非热效应的量子理论及其机理.微波学报,2005，21(4):70

13 刘银春,郑汉富,等.电磁辐射灭菌牛奶保鲜及其营养成分的研究.福建林学院学报,2000,20(3):245～247

14 周蔚红,张钧.电磁脉灭菌研究.微波学报,2000,16(3):318～321

15 黄德娟,黄德超,等.辐射对人体的危害及生物学防护.中国辐射卫生,2007,16(3):378

16 邬志星.净化空气的家养花草.上海：上海文化出版社，2005