ALCUNI CASI DI ESPOSIZIONE AI CAMPI ELETTROMAGNETICI GENERATI DA BARRIERE ANTITACCHEGGIO

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1 ALCUNI CASI DI ESPOSIZIONE AI CAMPI ELETTROMAGNETICI GENERATI DA BARRIERE ANTITACCHEGGIO D.Andreuccetti, L.Bogi, R.Fossi, F.Francia, G.Giusti e G.Licitra ARPAT Dipartimento di Livorno, U.O. Fisica Ambientale, Via Marradi 116, Livorno CNR Istituto di Ricerca sulle Onde Elettromagnetiche, Via Panciatichi 64, Firenze INTRODUZIONE L'impiego di "varchi magnetici" come barriere anti-taccheggio per la prevenzione dei furti si va sempre più diffondendo nei supermercati, nei grandi magazzini ed in alcune catene di negozi specializzati. A seconda della tecnica impiegata, il funzionamento di questi sistemi richiede che nella regione di spazio da controllare sia generato un campo elettrico, magnetico od elettromagnetico, a frequenza compresa tra poche decine di hertz ed alcuni megahertz. Per mezzo di esso, il sistema è in grado di rilevare la presenza, nella zona controllata, di un apposito dispositivo applicato agli articoli in vendita, che deve essere disattivato o rimosso al momento del pagamento. È così possibile individuare e quindi anche scoraggiare i tentativi di sottrazione illecita della merce. Sebbene l'intensità dei campi prodotti, massima in prossimità della cosiddetta "antenna trasmittente", si attenui sempre rapidamente con la distanza, tuttavia la collocazione della barriera nei pressi dei registratori di cassa rende opportuna una accurata valutazione dell'esposizione subita dagli addetti e dalla clientela. Sono stati analizzati due casi atipici che potrebbero avere una certa diffusione in Toscana, in quanto adottati da una nota catena di supermercati alimentari. I due sistemi sono prodotti da aziende diverse, sono installati in punti vendita distinti e si basano su differenti principi di funzionamento, operando rispettivamente alla frequenza di 73 Hz e 8.2 MHz. Entrambi prevedono l installazione di due antenne o bobine, una trasmittente (TX) ed una ricevente (RX), poste una di fronte all'altra sui due lati del corridoio di uscita di ogni cassa. Misure dirette di campo elettrico e magnetico hanno consentito di verificare il grado di rispetto dei cosiddetti limiti derivati indicati dalle normative. Per il sistema funzionante a 73 Hz, che è risultato generare campi magnetici in alcuni punti anche notevolmente al di sopra di tali limiti, si è indagato con metodi numerici anche sul rispetto del limite primario in termini di densità di corrente indotta in un individuo che attraversi il varco uscendo dal negozio. RIFERIMENTI NORMATIVI Come è noto, in Italia sono regolamentate esclusivamente le esposizioni alla frequenza di rete (50 Hz, DPCM 23 aprile 1992) e nella banda 100 khz 300 GHz, limitatamente a quanto riguarda gli impianti fissi per telecomunicazione (DM 381/98). Sono in discussione in Parlamento leggi di applicazione più generale, ma ad oggi non si hanno su di esse informazioni sufficienti per poter costituire un riferimento autorevole. Di conseguenza, ci riferiremo ai limiti raccomandati dalle linee guida recentemente emanate dall'icnirp [1], uno degli organismi più rappresentativi a livello internazionale, che nel seguito indicheremo per comodità con la sigla "ICNIRP-98". Alle frequenze di cui ci occupiamo, queste linee guida (come la maggior parte delle regolamentazioni internazionali) considerano la densità di corrente indotta nei tessuti di un individuo esposto come il più significativo parametro da tenere in considerazione per limitare gli effetti dell'esposizione. Di conseguenza, tali norme specificano un limite primario in termini di densità di corrente. Per agevolare il compito della sorveglianza fisica, vengono indicati anche dei 1

2 limiti derivati in termini di intensità di campo elettrico e di campo magnetico imperturbati, rispettando i quali dovrebbe essere automaticamente garantito il rispetto del limite primario. È ammesso comunque che si deroghi dai limiti derivati se è possibile dimostrare il rispetto del limite primario. STRUMENTI E METODI Non avendo le ditte costruttrici fatto preventivamente pervenire alcuna documentazione da cui si potesse evincere la frequenza di funzionamento degli apparati, per poter procedere a misure quantitative è stato necessario effettuare una analisi preliminare in frequenza nell intervallo da 0 a 1000 MHz. A questo fine sono stati utilizzati sensori di campo magnetico CHASE MFP9150 (9 khz 30 MHz), MFP9151 (30 MHz 1000 MHz) e di campo elettrico EFP9152 (9 khz 1000 MHz) collegati ad un analizzatore di spettro Advantest mod. R3261B (100 Hz 3.6 GHz) e una semplice sonda di campo magnetico autocostruita, collegata ad un oscilloscopio HP 54601A (0 100 MHz). Le frequenze a cui sono stati evidenziati contributi significativi alle intensità dei campi sono risultate in ottimo accordo con quelle indicate nella documentazione successivamente resasi disponibile. A queste frequenze sono state quindi eseguite misure specifiche e dettagliate mediante l impiego di idonea strumentazione a rivelazione diretta: sensori di campo magnetico Enertech EMDEX II ( Hz), Holaday HI-3002 ( MHz) e sensori di campo elettrico Holaday HI-3003 ( MHz). Si sono individuate alcune posizioni di misura ritenute significative all interno e all esterno delle barriere, in modo da caratterizzarne quanto più possibile l emissione. I punti prescelti sono indicati graficamente nelle figure 1 (relativa al sistema a 73 Hz) e 2 (relativa a quello a 8.2 MHz ). Nota: Tutti i punti contrassegnati dalle lettere A, B e C risultano su un piano parallelo alle barriere ed equidistante dalle stesse, mentre i punti contrassegnati dalle lettere D, E ed F risultano su un piano distante circa 10 cm dalla barriera trasmittente. Inoltre, i punti contrassegnati dalla sigla _1, _2 e _3 risultano rispettivamente ad una altezza da terra di 10, 80 e 120 cm. Figura 1: schema delle barriere a 73 Hz e dei punti dove sono state effettuate le misure. RISULTATI Sistema a 73 Hz I rilievi hanno mostrato che questo sistema produce sostanzialmente solo un campo magnetico alla frequenza nominale. In tabella 1 sono riassunti i più significativi livelli riscontrati in prossimità dei punti di misura selezionati (cfr. figura 1). Essi devono essere confrontati con il valore limite specificato dalle linee guida ICNIRP-98, che a questa 2

3 frequenza è di 68.5 µt, ricordando che i valori rilevati non devono in questo caso essere mediati in rapporto al tempo di esposizione. Si è verificato che il sistema non produce contributi apprezzabili a frequenze diverse dalla fondamentale. Punto di misura Campo magnetico (µt) A2 139 ± 28 A3 148 ± 30 B2 142 ± 28 B3 160 ± 32 C2 134 ± 27 C3 145 ± 29 D2 265 ± 53 D3 315 ± 63 E2 403 ± 81 E3 455 ± 91 F2 288 ± 58 F3 275 ± 55 Tabella 1: livelli di campo magnetico rilevati in prossimità del sistema a 73 Hz con il sensore isotropo Enertech EMDEX II. Figura 2: schema delle barriere a 8.2 MHz e dei punti dove sono state effettuate le misure. Sistema a 8.2 MHz Anche per questo sistema, le misure hanno evidenziato una prevalenza del campo magnetico. Il valore massimo rilevato per l'intensità del campo elettrico alla frequenza nominale è di circa 3 V/m (punto 3 di figura 2), da mediare su 6 minuti, a fronte di un valore limite ICNIRP-98 di 30.4 V/m. In tabella 2 sono riassunti i più significativi livelli di campo magnetico (ed i rispettivi valori medi su 6 minuti) riscontrati in prossimità della bobina TX. In questo caso, il valore limite ICNIRP-98 è di 0.11 µt. Il sistema non produce contributi apprezzabili a frequenze diverse dalla fondamentale. 3

4 Posizione di misura Induzione magnetica (µt) Induzione magnetica media su 6 minuti (µt) Top bobina TX ± In prossimità bobina TX h=116 cm 0.32 ± Distanza bobina TX > 20 cm < 0.06 (risoluzione minima) Tabella 2: livelli di campo magnetico rilevati in prossimità del sistema a 8.2 MHz con il sensore isotropo Holaday HI-3002; la media è stata effettuata ipotizzando un tempo di transito di 4 secondi e un valore di campo per il tempo rimanente pari a quello misurato a distanza > 20 cm (0.06 µt). VALUTAZIONE DELLA DENSITÀ DI CORRENTE INDOTTA L'esistenza di punti intorno al sistema a 73 Hz in cui vengono ampiamente superati i valori limite derivati ICNIRP-98 ci ha indotto a verificare se almeno sussista il rispetto del limite primario in termini di densità di corrente indotta (limite che a questa frequenza è di 2 ma/m 2 ), nel qual caso - come si è detto - è ammesso derogare dai limiti derivati. Per la verifica, si è fatto riferimento ad una situazione di esposizione standard in cui un individuo, transitando nel corridoio di uscita da una cassa, venga a trovarsi con la propria sezione sagittale mediana in posizione parallela ed equidistante alle due bobine TX e RX del varco, cioè giacente sul piano in cui si trovano i punti di misura An, Bn e Cn. La valutazione è stata effettuata impiegando un metodo generale sviluppato all'iroe per determinare la distribuzione della densità di corrente indotta in una qualunque sezione di un individuo umano esposto ad un campo magnetico variabile nel tempo. Il metodo è basato sull'uso del Visible Human Project (VHP) [2] come sorgente di immagini delle sezioni anatomiche, sul riconoscimento manuale dei tessuti presenti nella sezione prescelta e sul modello parametrico di C.Gabriel [3] per la determinazione della conducibilità elettrica dei tessuti identificati, alla frequenza di interesse. Attualmente, l'applicabilità del metodo è limitata dalle seguenti condizioni, che si possono considerare verificate nel caso in esame: - geometria bidimensionale: il campo magnetico impresso deve essere polarizzato linearmente e le correnti indotte, di conseguenza, giacere in un piano perpendicolare alla direzione del campo; - approssimazione quasistatica: la dipendenza dal tempo deve essere di tipo sinusoidale e di frequenza tanto bassa che: (1) le correnti di spostamento indotte nei tessuti siano piccole rispetto alle correnti di conduzione, (2) le dimensioni dell'oggetto esposto siano piccole rispetto alla lunghezza d'onda del campo e (3) la perturbazione al campo magnetico originata dalle correnti indotte sia trascurabile. Per l'applicazione del metodo, è necessario valutare l'intensità del campo magnetico in ogni punto della sezione considerata dell'organismo esposto. Poiché la ditta costruttrice dell'apparato non ha fornito dati sufficienti a calcolare questa intensità partendo dai dati elettrici e geometrici reali delle bobine generatrici, è stato necessario procedere ad una ricostruzione semiempirica, basata sulla conoscenza sperimentale del campo nei nove punti di misura situati sul piano della sezione prescelta, facendo ipotesi il più possibile realistiche sulla conformazione delle bobine trasmittenti. Il modello digitale della sezione sagittale mediana è stato costruito partendo da una immagine tratta, come si è detto, dall'archivio VHP (sezione sagittale n.900 a media risoluzione, figura 3). L'immagine è stata inserita in un dominio di calcolo rettangolare (cm 47 x cm 170) e quindi suddivisa in un grigliato di 59 x 213 celle quadrate, con una risoluzione di 125 celle per 4

5 metro. Ad ogni cella è stato assegnato un tipo di tessuto, selezionato da una tavolozza di 50 tessuti differenti, per confronto con un atlante di anatomia umana. Grazie al modello parametrico messo a punto da C.Gabriel e colleghi, è stato infine possibile associare ad ogni cella il valore di conducibilità del tessuto che la costituisce, alla frequenza di lavoro del varco. In questo modo, è stata realizzata la mappa di conducibilità mostrata in figura 4. In questa figura, come nella precedente e nella successiva, il rettangolo marcato rappresenta il profilo della struttura contenente la bobina TX, che appoggia su uno zoccolo a sua volta posto sul pavimento. Figura 3 (a sinistra): sezione sagittale mediana. Figura 4 (al centro): mappa della conducibilità. Figura 5 (a destra): mappa della densità di corrente indotta. 1 H s 1 ( )+ ( x σ x y σ dove σ è la conducibilità, ƒ la frequenza, Bi = Bi zˆ la bobina TX e H s = H s zˆ il Come algoritmo per il calcolo della densità di corrente indotta, si è utilizzato l'approccio Current Vector Potential (CVP) [4]. Esso è particolarmente adatto a trattare problemi quasistatici bidimensionali, nel qual caso porta a formulare la seguente equazione scalare: )= 2 π f densità di flusso magnetico impresso dalla campo magnetico secondario (incognito) generato dalla corrente indotta nei tessuti. Le derivate che compaiono nell'equazione (1) vengono espresse con la formulazione alle differenze finite ed il sistema algebrico che ne deriva viene risolto iterativamente usando la tecnica SOR (Successive Over-Relaxation). Il metodo è risultato piuttosto veloce: la convergenza all'1% di accuratezza sul valore delle incognite H s ha richiesto 476 iterazioni ed è stata raggiunta in circa 16 secondi su di un personal computer con frequenza di clock a 300 MHz. H y s j B i (1) 5

6 Una volta che si è calcolato il valore del campo magnetico secondario in ogni cella del modello, la corrente indotta J in essa può essere determinata valutando numericamente il rotore: H s J = x = x - H s H ˆ s yˆ y x I risultati ottenuti sono mostrati in figura 5, dove l'intensità della densità di corrente indotta è codificata in una scala a colori. Il valore massimo viene raggiunto nella regione intestinale e vale circa 2 ma/m 2, un valore perfettamente allineato al limite primario indicato nelle linee guida ICNIRP. CONCLUSIONI Nell intervallo di frequenza di interesse per questo lavoro, le linee guida ICNIRP affermano che la densità di corrente indotta nei tessuti è la grandezza fisica primaria da tenere in considerazione per garantire un esposizione priva di conseguenze. Tuttavia, la misura diretta di questa grandezza è impraticabile, per cui le linee guida indicano anche valori massimi ammissibili di campo elettrico e di campo magnetico esterno (limiti derivati), rispettando i quali è garantito il rispetto del limite primario. Le linee guida ammettono per altro deroghe ai limiti derivati qualora sia possibile dimostrare il rispetto del limite primario. Come si è visto, i valori misurati intorno al sistema a 8.2 MHz sono largamente al di sotto dei limiti derivati, tanto più se si considera che le misure devono essere mediate su intervalli di 6 minuti. L unico punto che merita una attenzione particolare, perché in esso è ipotizzabile che il valore mediato coincida in pratica con quello misurato, è rappresentato dalla posizione occupata dall addetto alla cassa. Intorno al sistema a 73 Hz, invece, si sono rilevati valori di induzione magnetica (che a questa frequenza NON devono essere mediati) oltre 6 volte maggiori del limite derivato. Per verificare se il limite primario sia comunque rispettato, si è utilizzato un metodo numerico per il calcolo della densità di corrente indotta nella sezione sagittale mediana di un individuo che attraversa il varco, dalla cui applicazione è risultato che il massimo valore raggiunto da tale grandezza è dello stesso ordine di grandezza del limite stesso. Questo apparato, pertanto, merita qualche attenzione: potrebbe essere opportuno, per esempio, predisporre un apposita segnaletica per limitare lo stazionamento della clientela nello spazio tra le barriere. BIBLIOGRAFIA 1. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields [up to 300 GHz]", Health Physics, Vol.74, N.4 (April 1998), pages National Library of Medicine (USA): "The Visible Human Project", 3. S.Gabriel, R.W.Lau and C.Gabriel: "The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues", Physics in Medicine & Biology, Vol.41 (1996), pages K.R.Davey, C.H.Cheng and C.M.Epstein: "Prediction of magnetically induced electric fields in biological tissue", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.BME-38, No.5 (May 1991), pages