I N R S ET TECHNIQUES DE L'INRS SCIENTIFIQUES LES NOTES. Mesurage des rayonnements. électromagnétiques (RNI) présents dans l environnement de l homme

Transcription

1 AOUT 2001 LES NOTES SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES DE L'INRS Mesurage des rayonnements électromagnétiques (RNI) présents dans l environnement de l homme J.P. VAUTRIN I N R S

2 AOUT 2001 Mesurage des rayonnements électromagnétiques (RNI) présents dans l environnement de l homme J.P. VAUTRIN INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE ET DE SECURITE SIEGE SOCIAL : 30, RUE OLIVIER-NOYER, PARIS CEDEX 14 CENTRE DE LORRAINE : AVENUE DE BOURGOGNE, VANDOEUVRE CEDEX

3 AVANT-PROPOS Une partie du texte de cette Note Scientifique et Technique est publié par la revue «Les Techniques de l Ingénieur» dans le traité «Mesures et Contrôle», sous le titre «Mesurage de l exposition de l homme au champ électromagnétique».

4 Sommaire 1 Généralités concernant les rayonnements non ionisants 1 2 Définitions 4 3 Résumé des connaissances concernant les effets biologiques Mécanismes d interaction des champs Effets biologiques des champs électromagnétiques Mécanismes théoriques possibles Perspectives 10 4 Valeurs limites applicables dans les différentes situations Niveaux de référence Valeurs de fuite 15 5 Considérations générales sur le mesurage La nécessité du mesurage Que doit-on mesurer et pourquoi? Différents paramètres et configurations à valider 19 6 Métrologie et pratique du mesurage Appréciation a priori des champs Généralités concernant la métrologie RNI Solution utilisant antennes et mesureurs de champs Description de capteurs et détecteurs utilisés en RNI Mesurage dans le domaine statique Mesurage dans le domaine EBF Mesurage dans le domaine RF et Hyperfréquences L étalonnage Réflexions sur l exactitude du mesurage 41 Références bibliographiques 44 Organismes cités dans l article 46 Réglementation et Normalisation 47 Fournisseurs de matériels de mesurage appropriés aux RNI 48

5 1 1 - GENERALITES CONCERNANT LES RAYONNEMENTS NON IONISANTS (RNI) Tout système alimenté en électricité ou à plus forte raison contenant un élément rayonnant émet un rayonnement électromagnétique ou engendre un champ électrique et/ ou magnétique dans son voisinage proche voire éloigné que l on caractérisera dans cet article par le terme générique de champ électromagnétique. Deux préoccupations émergent de cette présence électromagnétique, l une concerne les systèmes électroniques, il s agit alors de compatibilité électromagnétique (CEM) [AZOULAY et MARDIGUIAN], l autre, l homme, en tant qu utilisateur, patient ou simple passant, il s agit alors de Rayonnements Non Ionisants (RNI). Dans ce dernier cas, la préoccupation relève du domaine de l hygiène et de la sécurité. Cet article dédié au mesurage des champs électromagnétiques concerne exclusivement ce dernier aspect. Même s il s agit de quantifier les mêmes grandeurs physiques, les différences d objectifs, de protocoles, d appareils de mesurage, de référentiels, de réglementation et de normalisation font que chaque préoccupation doit conserver ses contraintes et ses caractéristiques propres et se doit d être traitée séparément. Les champs électromagnétiques font partie de notre environnement physique au même titre que le bruit, la chaleur, la lumière... Par référence au spectre électromagnétique, le domaine fréquentiel considéré s étend de quelques Hz à environ 300 GHz. Toutefois, pour des raisons d exhaustivité, il sera étendu à 0 Hz afin d englober les champs statiques. On notera que la partie haute du domaine relative aux hyperfréquences côtoie le domaine des infrarouges présentant ainsi des effets similaires sur le milieu biologique. Le tableau 1 ci-après a trait aux champs statiques et plus particulièrement aux champs magnétostatiques (les champs électrostatiques ne semblant pas présenter de risques directs ne seront pas considérés) ainsi qu aux champs EBF (> 0 à 10 khz) incluant la fréquence secteur de 50Hz. Dans ce dernier cas, il ne s agit pas d ondes électromagnétiques au sens strict mais principalement de champs non rayonnants électrique et magnétique (les composantes rayonnées présentent quant à elles des intensités de champs faibles). Le tableau 2 examine les champs et les ondes du domaine radio-électromagnétique divisé en trois parties : les fréquences intermédiaires de 10 khz à 10 MHz, les radiofréquences de 10 MHz à 300 MHz et les hyperfréquences de 300 MHz à 300 GHz. Les tableaux 3 et 4 se rapportent à des rayonnements hors du domaine de la présente publication mais sont donnés à titre comparatif. Le tableau 3 décrit des RNI tels que les infrarouges, la lumière visible et les ultraviolets et le tableau 4 les rayonnements ionisants dont les effets sur les organismes vivants peuvent être dévastateurs en raison de l énergie élevée correspondante exprimée en électrons-volts. Pour ce dernier type de rayonnements, elle peut atteindre des valeurs très supérieures à 12,4 électrons-volts alors qu elle est quasiment nulle pour les rayonnements radio-électromagnétiques objet de cet article.

6 2 Nature des champs et rayonnements Champs statiques Champs à extrêmes basses fréquences Désignation Champs électriques et magnétiques Longueur d onde λ en m Fréquence f en Hz Pas de sens nulle nulle Champs EBF Très grande à >0 à 10 khz nulle Energie quantique en électrons-volts Tableau 1 - Champs statiques et extrêmes basses fréquences, objets de cette publication Nature des champs et rayonnements Champs et RNI Désignation Champs à fréquences intermédiaires Longueur d onde λ en m Fréquence f en Hz à khz à 10 MHz Energie quantique en électrons-volts Pratiquement nulle Champs et RNI Champs à radiofréquences 30 à 1 10 MHz à 300 MHz Très faible RNI Champs à hyperfréquences 1 à MHZ à 300 GHz < 1, Tableau 2 - Champs et RNI radio- électromagnétiques, objet de cette publication Nature des champs et rayonnements Désignation Longueur d onde λ en m Fréquence f en Hz Energie quantique en électrons-volts Autres RNI Infrarouges Visible Ultraviolets 10 3 à à , à 12,4 Tableau 3 - Autres RNI non décrits dans cette publication

7 3 Nature des champs et rayonnements Désignation Longueur d onde λ en m Fréquence f en Hz Energie quantique en électrons-volts Rayonnements ionisants Rayons γ et Rayons X ,4 à à à 1, Tableau 4 - Rayonnements ionisants non traités dans cette publication rappelés à titre comparatif. A titre d exemples, quelques fréquences caractéristiques et leur longueur d onde associée sont rappelées dans le tableau 5 ci-dessous pour des émissions spécifiques. Pour le 50 Hz du secteur, λ = 6000 km 1 MHz, (émetteurs, fours à induction ) λ = 300 m 27 MHz (émetteurs, presses HF ) λ = 11,1 m 900 MHz (téléphones mobiles) λ = 0,33 m 1800 MHz (téléphones mobiles) λ = 0,166 m 2450 MHz (fours à hyperfréquences) λ = 12,2 cm 10 GHz (radars) λ = 3 cm Tableau 5 - Quelques fréquences caractéristiques et leur longueur d onde associée. Il est communément admis que pour une antenne dipôle, l onde est dite formée à une distance supérieure à λ / 2π.. En fait, cette transition entre champs proches et champs éloignés est progressive et ce n est qu à 10 fois λ / 2π, soit 1,6 λ que l on peut considérer être réellement en champs éloignés. La zone comprise entre λ / 2π et 1,6 λ est une zone de transition entre les deux systèmes de propagation, [GARDIOL 1996]. L onde sera définitivement formée seulement à 480 m pour 1 MHz, à 18 m pour 27 MHz, à 52 cm pour 900 MHz à condition toutefois que les dimensions de la source d émission soient nettement plus petites que la longueur d onde (inférieures au moins à 10 fois la longueur d onde). En conséquence, pour le mesurage à faible distance des sources d émission, qui est souvent le cas des expositions professionnelles, la difficulté s accroît quand la fréquence diminue. Il est généralement plus aisé de caractériser l exposition à 2450 MHz qu à 27 MHz. Toutefois, en ce qui concerne le cas spécifique des téléphones mobiles fonctionnant à 900 MHz ou 1800 MHz, en dépit de la faible longueur d onde, la proximité de la tête de l utilisateur est telle que l on n atteint pas les conditions de champs éloignés (l oreille est à moins de 5 cm). En conséquence, il faut tenir compte de l impédance présentée par la tête pour caractériser les champs. Cela nécessite, soit le calcul, soit la modélisation. Il va de soi que le cas particulier de ces appareils n est pas l objet de cet article et qu il est nécessaire de se reporter aux nombreux articles existant sur le sujet et en particulier aux actes du colloque organisé en avril 2000 par l Académie des Sciences et celle de Médecine à Paris à ce sujet. [ACTES DU COLLOQUE AdS 2000]

8 4 Quels sont les effets des champs et ondes électromagnétiques sur la santé? C est une interrogation permanente qui n est pas prête à s éteindre si l on en juge par le grand nombre de publications scientifiques, d émissions télévisées et d articles de presse consacrés à ce thème. Cette inquiétude est d ailleurs accrue par l augmentation constante de la population concernée d une part, dans le domaine domestique avec les lignes à haute tension, les fours à micro-ondes, les plaques à induction et surtout les radiotéléphones portables et d autre part, dans le domaine professionnel avec les installations de soudage et de chauffage par induction et par effet diélectrique, les écrans de visualisation d ordinateurs, les télécommunications, les radars Les fortes expositions, très nettement supérieures aux valeurs limites d exposition recommandées, sont bien connues dans leurs mécanismes d interaction avec le milieu vivant. L hyperthermie partielle ou généralisée du corps humain, consécutive à ces expositions, doit être considérée comme un accident exceptionnel qui devrait pouvoir être éradiqué par l application stricte des normes et des valeurs limites. En revanche, ce qui fait débat, ce sont en réalité les expositions à des champs faibles dont les intensités respectent les valeurs limites des normes actuelles et pour lesquelles sont régulièrement avancés des effets divers depuis le simple désagrément jusqu à des pathologies sévères. On parle alors d effets spécifiques ou non thermiques. Quoi qu il en soit et afin d apporter des éléments fiables d appréciation aux responsables sanitaires, le premier élément de la réponse consiste à quantifier par le mesurage les grandeurs pertinentes caractérisant l exposition de l homme. L objet de cette publication est de décrire les bonnes pratiques de laboratoires propres à mesurer correctement les éléments pertinents de l exposition. Dans cette publication, l auteur rappelle tout d abord les définitions nécessaires à la compréhension de l article, puis il résume les connaissances actuelles concernant les effets biologiques introduisant ainsi les valeurs limites applicables dans les différentes situations rencontrées. Il développe ensuite la partie principale de cette publication avec des considérations sur le mesurage pour finir par un chapitre dédié à l aspect métrologique et à la pratique du mesurage pour les diverses parties du spectre radio électromagnétique. Une réflexion sur la précision du mesurage termine l article. 2 - DEFINITIONS Il s agit de définitions générales de physique appliquées au caractère spécifique des effets des champs sur l homme. Absorption spécifique (AS) : énergie absorbée par unité de masse de tissus biologiques. Il s exprime en joules par kilogramme (J / kg). Champs électromagnétiques : L expression champs électromagnétiques utilisée dans cette publication comprend tous les champs qu ils soient électriques, magnétiques ou composantes d une onde électromagnétique, sur l ensemble de la gamme de fréquences entre 0 Hz et

9 5 300 GHz, y compris les champs statiques, susceptibles d interagir, d une façon ou d une autre, avec les organismes vivants donc avec l homme exposé à leur présence. Champ proche (zone de Fresnel) : zone proche de la structure rayonnante où l onde électromagnétique n est pas formée et ne possède pas les caractéristiques d une onde plane. L Homme exposé aux champs l est souvent dans cette zone particulièrement délicate pour le mesurage. Champ lointain (zone de Fraunhoffer) : zone éloignée de la structure rayonnante d au moins 1,6 fois la longueur d onde, dans laquelle les relations entre champ électrique E, champ magnétique H et densité de puissance surfacique S sont clairement définies et où la simple connaissance d une grandeur permet de déterminer les 2 autres. Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) et Rayonnements Non-Ionisants (RNI) : La CEM est l aptitude d un dispositif, d un appareil ou d un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement. Les RNI, quant à eux, concernent l action de ce même environnement électromagnétique sur le milieu vivant et plus particulièrement sur l homme. Ils sont l objet essentiel de cet article. Même si des points communs existent entre CEM et RNI, chacune possède ses propres spécificités et chacune doit être traitée séparément du point de vue du mesurage. Restrictions de base : valeurs limites fondamentales d exposition de l homme souvent difficiles à mesurer hors du laboratoire. Le débit d absorption spécifique et la densité de courant induit dans le corps par les champs sont les restrictions de base les plus couramment utilisées. Débit d absorption spécifique (DAS ou SAR en anglais) : débit avec lequel l énergie est absorbée par unité de masse de tissus biologiques. Il s exprime en watts par kilogramme (W / kg). Densité de courant : courant traversant une unité de surface perpendiculaire au flux de courant dans un volume conducteur comme le corps humain ou une partie de ce dernier. Elle s exprime en ampères par mètre carré (A / m²). Densité de flux magnétique ou Induction magnétique (B) : c est une grandeur vectorielle équivalente au champ magnétique dans l air et dans les milieux biologiques. Elle s exprime en teslas (T) avec la relation d équivalence suivante : 1A / m = 4 π T. Le gauss (G) bien qu unité non légale peut être encore rencontré avec 1 µt = 10 mg. Densité de puissance (S = E.H en onde plane) : quotient de la puissance rayonnée incidente (perpendiculaire à une surface de tissus biologiques par exemple) par l aire de cette surface. Elle s exprime en watts par mètre carré (W / m²) ou plus pratiquement en mw / cm² avec 1 W / m² = 0,1 mw / cm². Note : selon les publications, la même grandeur est appelée : densité de puissance (recommandation européenne), densité de puissance surfacique (norme EN ), densité du flux de puissance ou flux énergétique (norme EN 61566).

10 6 Energie quantique d une onde : Produit de la constante de Planck h (~ 6, J.s) par la fréquence en hertz. L énergie quantique est relativement faible dans le domaine spectral concerné, c est pourquoi les champs électromagnétiques de 0 Hz à 300 GHz sont souvent désignés par l expression «Rayonnements Non Ionisants ou RNI». Fréquences et longueurs d ondes : La plupart des champs varient sinusoïdalement à une fréquence f, exprimée en Hz, khz, MHz ou GHz. Dans un milieu donné, caractérisé par sa permittivité ε et sa perméabilité µ, les ondes électromagnétiques se propagent à une vitesse v, qui est égale à la vitesse de la lumière c dans le vide et aussi pratiquement dans l air. La longueur d onde λ est liée à la fréquence par la relation λ = c / f. Intensité de champ électrique (E) : valeur exprimée en volts par mètre (V / m) du champ électrique E auquel est exposé le corps humain ou une partie de ce dernier. Intensité de champ magnétique (H) : valeur exprimée en ampères par mètre (A / m) du champ magnétique H auquel est exposé le corps humain ou une partie de ce dernier. Niveaux de fuite (en hyperfréquences) : densité de puissance en n importe quel point accessible situé à une distance d au moins 0,05 m (2 pouces) d une installation à hyperfréquences. Il s exprime en W/ m² ou plus pratiquement en mw / cm². (1 W/ m² = 0,1 mw / cm²). Niveaux de référence : valeurs limites dérivées des restrictions de base et qui font l objet du mesurage pour caractériser l exposition de l homme. Les niveaux de référence sont exprimés sous la forme d un champ électrique, d un champ magnétique ou d une densité de puissance. Polarisation : orientation du plan contenant le vecteur champ électrique E et la direction de propagation de l onde. Dans le cas où ce plan est fixe, la polarisation est dite linéaire de type vertical si le vecteur E est vertical et de type horizontal si le vecteur E est horizontal. Si le plan tourne, elle est dite tournante de type elliptique ou circulaire selon la courbe décrite par l extrémité du vecteur champ électrique en fonction du temps. L utilisation de capteurs tri axiaux ou à réponse isotrope permet de s en affranchir en grande partie au moment du mesurage. Principe de précaution : Principe tel que l absence de certitudes, compte tenu des connaissances scientifiques et techniques du moment, se joignant à une grande complexité, ne doit pas retarder l action par l adoption de mesures effectives et proportionnées visant à prévenir un risque de dommage graves et irréversibles ou atténuer ou limiter ses conséquences, à un coût économiquement acceptable, mais dans la perspective d un développement durable, [KOURILSKY P., VINEY G., 2000]. Puissance transportée par une onde ou vecteur de Poynting : Les ondes planes transportent de l énergie qui se propage parallèlement au plan d onde. Le vecteur de Poynting représente la densité de puissance de l onde, c est à dire la puissance par unité de surface en W / m² ou de façon plus pratique en mw / cm².

11 7 Valeurs efficaces (RMS) : valeurs des champs d exposition répondant à l opération Avec v (t) : évolution du champ électrique ou du champ magnétique en fonction du temps et T : période du champ ou inverse de la fréquence. En RNI, il est usuel, pour les émissions continues, d afficher les champs en valeurs RMS. Toutefois, pour les sources pulsées, les champs sont souvent exprimés en valeurs crêtes, la valeur RMS étant bien souvent quasi nulle. En CEM, les valeurs crêtes, quasi crêtes et moyennes sont préférées de façon générale. 3 - RESUME DES CONNAISSANCES CONCERNANT LES EFFETS BIOLO- GIQUES Il s agit de préciser le risque sanitaire que présentent les champs électromagnétiques dans un domaine où la connaissance n est toujours pas complètement stabilisée fin du 20ème siècle [GUIDE INRS, 1995] ; aussi dans ce paragraphe, le point sera fait et les connaissances résumées en s appuyant sur les travaux du R. de SEZE [de SEZE 1999]. Les aspects suivants sont considérés : Mécanismes d interaction des champs, Effets biologiques des champs électromagnétiques, Mécanismes théoriques possibles. 3.1 Mécanismes d interaction des champs Les champs électromagnétiques du domaine des Rayonnements Non Ionisants (RNI) ne font pas intervenir des mécanismes d interaction quantique contrairement à la partie haute du spectre électromagnétique. En effet, le potentiel d ionisation minimal est de 1000 kj/ mole alors qu une exposition en radiofréquence de 4W / kg pendant 1 heure (correspondant à 10 fois la valeur limite généralement acceptée soit un DAS, Débit d Absorption Spécifique de 0, 4 W / kg) n apporte au milieu exposé qu une énergie de 1 kj / mole. Sans éteindre la discussion sur les risques éventuels de la partie basse du spectre électromagnétique, il est fondamental de réaffirmer que le type d interaction à transfert quantique d énergie ne peut théoriquement pas se produire, ce qui crée une différence essentielle avec la partie haute du spectre électromagnétique (X et γ à l origine d ionisations moléculaires). Des mécanismes d interaction, si dévastateurs pour le milieu exposé, tels que l effet Compton, la création de paires électrons-trous, l effet photoélectrique ne peuvent pas apparaître, ce qui interdit de transposer à ces champs les connaissances et la démarche propres aux rayonnements ionisants. En d autres termes, cette faiblesse d énergie équivalente permet certainement

12 8 d exclure les champs considérés du domaine des «toxiques» à forte influence sans pour autant les affranchir d effets nuisibles sur la santé. Toutefois, cela n empêche pas d autres mécanismes de se produire. La présence, dans tout milieu biologique, d ions, de substances ferromagnétiques, de cellules dotées d un comportement électrique, de milieux dotés de propriétés diélectriques entraîne et explique la création, dans ces milieux, de courants induits, d échauffements localisés ou généralisés, de différences de potentiel... Ces mécanismes sont bien connus et ont pour noms : forces de Lorentz, courants de Foucault, absorption diélectrique, effet Hall, effet Zeeman Ils peuvent être appliqués aux trois familles de champs, à savoir, les champs magnétiques statiques, les champs électriques et magnétiques EBF et les champs électromagnétiques à radiofréquences et à hyperfréquences. Les effets produits dépendent d une part, des caractéristiques du champ incident (nature électrique et/ou magnétique, fréquence, régime continu ou pulsé, modulation ) et d autre part, des caractéristiques du milieu biologique exposé (dimensions, permittivité électrique, perméabilité magnétique ) Effets biologiques des champs électromagnétiques L effet le plus connu est de type thermique, il correspond à l accumulation d énergie sous forme thermique dans les tissus (en W / kg). Pour les fréquences supérieures à 10 khz, le DAS (Débit d Absorption Spécifique ou SAR en anglais exprimé en W / kg) est la grandeur fondamentale qui permet de déterminer des valeurs limites dérivées, exprimées en intensité de champ ou en densité de puissance surfacique. La plupart des expériences ont montré l existence d effets thermiques dès que l on dépasse des DAS de 4 W / kg, soit 10 fois la valeur limite d exposition fondamentale de 0,4 W / kg. La surexposition conduit à des accidents par échauffement excessif avec perception de chaleur, déclenchement de céphalées, parfois de neuropathie des zones exposées, apparition de brûlures superficielles ou profondes. Le même mécanisme peut expliquer l augmentation de la perméabilité de la barrière hématoencéphalique, due certainement à la variation de la température cérébrale ainsi que la survenue de cataractes, possibles mais rarement rapportées car les individus exposés en ressentent rapidement la sensation de chaleur et s éloignent par réflexe d autodéfense. La stimulation auditive des hyperfréquences, connue depuis la 2 ème guerre mondiale, s explique par une élévation de température faible mais très rapide du crâne conduisant à une détection par les cellules de l oreille interne après un certain nombre de transformations. Des effets de natures différentes, non liés à un effet thermique direct sont reconnus tels que l effet magnétohydrodynamique dans l aorte expliquant les modifications de l électrocardiogramme, les perturbations du système d orientation des pigeons, des abeilles, la diminution de l activité enzymatique, le risque de fibrillation cardiaque à très forte exposition, la diminution de la concentration en mélatonine susceptible d être impliquée dans l augmentation du risque du cancer du sein en relation avec une exposition électromagnétique. En outre, des expériences ont mis en évidence que la combinaison d un champ magnétique statique et d un champ magnétique oscillant à une fréquence faible a une influence sur les systèmes biologiques, sans qu il soit encore possible d en préciser les modalités. De nombreux autres effets ont été montrés à de faibles niveaux de champs qui ne sont pas explicables par les mécanismes classiques. La bibliographie est riche en effets avérés ou non, aux niveaux sub-cellulaire et cellulaire, sur les membranes, la croissance des cellules, leur prolifération, au niveau d un organe ou d un système, sur le foie, le système nerveux, les

13 9 systèmes immunitaire, endocrinien, cardio-vasculaire La modification du flux calcique dans le tissu cérébral de poulets, si elle était prouvée, serait lourde de conséquence et pourrait remettre en cause la base même des valeurs limites d exposition. Certaines études épidémiologiques bien conduites sur des populations importantes ont montré une augmentation de pathologies tumorales, en particulier de leucémies dans des groupes exposés de façon domestique dans la bande des EBF. Cependant, la recherche de causalité éventuelle des champs dans ces résultats présente des arguments contradictoires empêchant l émergence d une conclusion ferme. En 1979, [C. CAVELIER et J.P. VAUTRIN, 1979] écrivaient «Des recherches en pathologie expérimentale ont été menées sur les matériels biologiques les plus divers (du végétal à l animal et de l être unicellulaire au mammifère) Ces expériences ont objectivé une multitude d effets biologiques dont l unité n apparaît pas clairement. Force est d ailleurs de reconnaître que les repères paramétriques sont très souvent ou insuffisamment indiqués ou si difficiles à appréhender dans leur ensemble que les expériences sont difficilement reproductibles. Un effort de recherche très systématisé est donc nécessaire pour délimiter le problème». En 2001, un tel constat est encore valable, malgré les nombreux efforts accomplis dans la connaissance des mécanismes responsables. 22 ans plus tard, R. de SEZE constate que de nombreuses études sont «isolées», sans relation entre elles, ne permettant pas d établir une corrélation entre les résultats in vitro et in vivo, ni de comprendre la chronologie des événements entre l interaction primaire, les mécanismes de transduction, les chaînes d amplification ou de régulation biologiques Mécanismes théoriques possibles Indéniablement, un certain nombre d études ont été correctement menées et aboutissent à des effets qui ne peuvent pas être expliqués facilement à l aide des mécanismes d interaction rappelés ci-dessus. Ces effets concernent souvent des expositions à faible intensité dans le domaine des EBF avec des effets «fenêtres». Un effet fenêtre peut être illustré par le cas de la vision : un effet fenêtre fréquentiel existe car l homme ne voit que dans une plage de longueurs d ondes entre 0,4 et 0,8 µm, de même, il existe un effet fenêtre d amplitude dans la mesure où nous ne pouvons voir à faible éclairement et de même si nous sommes éblouis. C est ainsi que des mécanismes basés sur la résonance cyclotron, la résonance paramétrique électronique ont été proposés afin de remédier à la faiblesse des modèles classiques. Deux domaines sont actuellement explorés et cités comme exemples de recherches fondamentales d une part, l influence des champs magnétiques EBF sur le mouvement des ions dans les systèmes biologiques et d autre part, les effets des champs magnétiques relativement faibles sur les réactions chimiques dans des milieux diamagnétiques. Dans le domaine des champs RF, quelques expériences ont montré des effets significatifs à faible puissance, bien qu il ne puisse pas y avoir échauffement significatif du milieu. De même, des travaux ont avancé que les champs RF modulés à des fréquences EBF peuvent produire les mêmes effets que les champs EBF appliqués seuls. Des mécanismes ont été élaborés mais n ont pas été validés de façon incontestable. Quoi qu il en soit, des recherches fondamentales sont encore nécessaires pour tenter d expliquer un certain nombre d effets mettant en cause des valeurs de champs faibles et rechercher des mécanismes d interaction pertinents. Des recherches fondamentales dans ce

14 10 domaine doivent être menées. On notera toutefois que cette recherche exige des compétences pointues en physique et en biologie fondamentales Perspectives En ce qui concerne les champs statiques et EBF, il convient de rester vigilant pour les raisons suivantes : Incidence augmentée de leucémie chez l enfant (études épidémiologiques). Influence sur la sécrétion de mélatonine pouvant entraîner, entre autre, un mécanisme biologique plausible de cancérisation (expérimentation sur les rongeurs). De même, pour les champs RF, même de faible intensité, modulés à des fréquences EBF, certains travaux ont montré qu ils pourraient produire les mêmes effets que les champs EBF appliqués seuls décrits succinctement ci-dessus. En ce qui concerne les Fréquences Intermédiaires, elles correspondent à une gamme de fréquences où les mécanismes classiques, à savoir l absorption diélectrique et l induction de courants, se superposent. Il existe dans cette gamme des difficultés de mesurage, peut-être de modélisation mais également d approche épidémiologique et expérimentale. L épidémiologie ne peut pas être appliquée de façon classique en raison de la grande variété des fréquences utilisées (exposition hétérogène), ce qui conduit à de faibles populations homogènes. Cela explique aussi le faible nombre d études expérimentales réalisées à ces fréquences. Il ne semble pas que des mécanismes nouveaux soient impliqués, ni que ces fréquences intermédiaires soient à l origine de phénomènes spécifiques mais elles doivent, vu leur développement, faire l objet d études ciblées par thème en fonction de leur utilisation : portiques antivol et systèmes d identification, compatibilité avec les implants actifs et surtout tous les dispositifs industriels basés sur l induction (soudage et chauffage par exemple). A partir du constat général dressé plus haut, il serait souhaitable d une part, de mettre en place une information documentée et argumentée auprès des personnes exposées pour les informer et les rassurer, et d autre part, de poursuivre un effort de recherche modéré de vigilance concernant les aspects suivants : Consolider les effets avérés et rechercher leurs mécanismes d interaction, Vérifier la reproductibilité des travaux évoquant un risque pour la santé, Faciliter la quantification de l exposition, Détecter d éventuels symptômes ou des pathologies dans des situations d exposition, Mettre en place des études épidémiologiques, si nécessaire. 4 - VALEURS LIMITES APPLICABLES DANS LES DIFFERENTES SITUATIONS Des valeurs limites d exposition basées d une part, sur la densité de courant induit tolérable dans le corps humain aux EBF jusqu à 10 khz et d autre part, sur le DAS (Débit d Absorption Spécifique) pour les RF et les Hyperfréquences, de 10 khz à 300 GHz, ont été édictées sur le plan international et européen. Leur respect met normalement à l abri d accidents de champs. Encore faut-il, dans le domaine professionnel, respecter ces valeurs, d où la nécessité de procéder à des mesurages des champs pour s assurer que ces valeurs ne sont pas transgressées ou même tout simplement pour rassurer les opérateurs soumis à une menace «immatérielle».

15 11 Quand ces valeurs doivent être impérativement transgressées pour cause d entretien (proximité d antennes, d applicateurs, de radars ), il est indispensable de prévoir des moyens de prévention ou des procédures appropriées assurant la protection du personnel. En dessous de ces valeurs limites, c est-à-dire dire pour des valeurs de champs faibles, les résultats des diverses études expérimentales ne démontrent pas d effets clairement nocifs des champs pour la santé. 4.1 Niveaux de référence Au moment de l écriture de cet article en fin 2000, la situation n est pas totalement stabilisée concernant les valeurs limites applicables aux champs électromagnétiques sur l homme [LEVALLOIS P., GAUVIN D., LAJOIE P., SAINT-LAURENT J., 1996]. Il y a en effet floraison d organismes (ANSI, ACGIH, CEI, CENELEC, IRPA, ICNIRP, IEEE ) qui, dans le seul monde occidental, ont édité leurs propres valeurs limites sans parler des pays de l Est qui ont produit, depuis de longues années, des recommandations particulièrement sévères et de ce fait difficilement applicables. Il faut convenir que la normalisation n est pas simple dans ce domaine pour des raisons diverses : nombre important de grandeurs physiques à considérer, étendue du spectre concerné avec des effets fort différenciés en fonction de la fréquence. D autres considérations telles que la différenciation à faire entre les domaines domestique et professionnel, la prise en compte nécessaire d implants ou de prothèses, l insuffisance des connaissances sur les effets biologiques à long terme, l application du principe de précaution [KOURILSKY et VINEY, 2000] rendent la tâche malaisée. Il serait fastidieux et peu utile pour le lecteur de rapporter systématiquement toutes ces références. Par chance, dans les pays occidentaux, pour le domaine professionnel comme pour le domaine domestique, elles sont toutes fondées sur les mêmes bases et diffèrent dans le détail. En France, pour le domaine professionnel, il a été décidé de maintenir en 1999, et cela provisoirement, les dispositions concernant les travailleurs des normes françaises C et C (anciennes pré-normes européennes ENV et 2) dans l attente de l adoption d une [DIRECTIVE EUROPEENNE] spécifique aux champs électromagnétiques. Afin de ne pas compliquer inutilement cette publication, l auteur n a pas rapporté ces valeurs limites provisoires, d autant plus que leur usage n est pas aisé puisque sont considérés des cas spécifiques d exposition comme le cas des sources pulsées (radars par exemple), celui de l exposition à plusieurs sources de fréquences différentes, celui de l exposition de durée supérieure à 6 mn Les valeurs retenues par l ICNIRP [RECOMMANDATION ICNIRP, 1994] sont aussi souvent utilisées en Europe et même en France dans le domaine professionnel. Toutefois, sauf découverte scientifique radicale, remettant en cause la base des restrictions fondamentales, les valeurs limites actuelles (série des C , ICNIRP, ANSI, ACGIH ) et futures devraient s appuyer sur le même concept, aussi elles ne divergent pas et ne divergeront pas de façon notable. Cette situation confuse existant en 2001 devrait pouvoir se clarifier avec la publication de la directive citée ci-dessus. Pour le domaine domestique, la situation s est clarifiée avec la publication en juillet 1999 de la [RECOMMANDATION DU CONSEIL DES COMMUNAUTES EUROPEENNES, 1999]

16 12 relative à la limitation de l exposition du public aux champs électromagnétiques (de 0 Hz à 300 GHz). Il est à noter que d une part, les Etats membres ont toujours la faculté de prévoir un niveau de protection supérieur à celui prévu par la présente recommandation (l Italie en a usé) et d autre part, cette recommandation ne traite pas de la protection des travailleurs prise déjà en compte par diverses autres mesures communautaires (écrans de visualisation, travailleuses enceintes, protection des travailleurs contre les agents physiques). D une façon générale, dans le domaine des champs électromagnétiques, il est établi une distinction entre les restrictions de base et les niveaux de référence. Les restrictions de base sont fondées directement sur des effets avérés sur la santé et des considérations biologiques avec l application d un coefficient de sécurité (de l ordre de 50 dans le cas de la recommandation européenne) entre les valeurs seuils correspondantes à l apparition d effets aigus et les valeurs retenues. De ce fait, le législateur espère couvrir les risques d effets éventuels à long terme qui n ont d ailleurs jamais pu être établis. En fonction des fréquences considérées, les restrictions de base peuvent concerner l induction magnétique, la densité de courant, le débit d absorption spécifique et la densité de puissance. Seules l induction magnétique et la densité de puissance peuvent être aisément mesurées sur des sujets exposés in situ. Pratiquement, il est nécessaire de recourir à des niveaux de référence qui permettent de déterminer si les restrictions de base risquent d être dépassés. La plupart des niveaux de référence sont dérivés des restrictions de base au moyen de mesures et/ou de calculs. En champs continus, les grandeurs dérivées sont l intensité de champ électrique, l intensité de champ magnétique, l induction magnétique et la densité de puissance. En champs pulsés, l absorption spécifique est retenue. Les tableaux 6 et 7 rapportent les restrictions de base et les niveaux de référence retenus pour le public par le Conseil de l Union Européenne. Les restrictions de base sont l induction magnétique pour les champs statiques et la densité de courant pour les fréquences jusqu à 10 MHz. Entre 10 MHz et 10 GHz, le débit d absorption spécifique est considéré. Au-delà, entre 10 GHz et 300 GHz, la densité de puissance devient la grandeur retenue. En fait, ce sont des considérations physiologiques qui confortent cette approche : à basses fréquences, les courants induits dans le corps prédominent, alors qu en fréquences plus élevées, l absorption thermique dans les tissus prévaut. Il est à noter que la bande intermédiaire 100 khz à 10 MHz fait référence aux deux modes d interaction.

17 13 Gamme de fréquences Induction magnétique (mt) Densité de courant (ma / m²) (valeur efficace) Moyenne DAS pour l ensemble du corps (W / kg) DAS localisé (tête tronc) (W / kg) et DAS localisé (membres) (W / kg) Densité de puissance (W / m²) 0 Hz 40 _ >0-1Hz _ 8 1-4Hz _ 8 / f Hz _ Hz 100kHz 100kHz 10MHz 10MHz 10GHz 10GHz 300GHz à à à à _ f / 500 _ f / 500 0, Tableau 6 - Restrictions de base pour le public [RECOMMANDATION DU CONSEIL DES COMMUNAUTES EUROPEENNES, 1999]. La recommandation précise l utilisation du tableau 6. On s y reportera pour toute application ; toutefois précisons quelques éléments : La valeur moyenne des densités de courant devrait être évaluée sur une section de 1 cm² perpendiculaire à la direction du courant. Toutes les valeurs moyennes de DAS doivent être mesurées sur un intervalle de temps de six minutes. La masse retenue pour évaluer le DAS moyen localisé est de 10 g de tissu contigu. Pour les expositions pulsées, dans la gamme de fréquences comprises entre 0,3 et 10 GHz, et pour l exposition de la tête, une restriction supplémentaire est recommandée en l occurrence, l absorption spécifique ne devrait pas dépasser 2 mj / kg pour 10 grammes de tissu.

18 14 Gamme de fréquences E (V / m) H (A / m) B (µt) Densité de puissance équivalente en onde plane S eq (W / m²) 0-1Hz _ 3, _ 1-8 Hz , f f 2 _ 8-25 Hz / f 5000 / f _ 0,025-0,8 khz 250 / f 4 / f 5 / f _ 0,8-3 khz 250 / f 5 6,25 _ khz ,25 _ 0,15-1 MHz 87 0,73 / f 0,92 / f _ 1-10 MHz 87 / f 1/2 0,73 / f 0,92 / f _ MHz 28 0,073 0, MHz 1,375. f 1/2 0,0037. f 1/2 0,0046. f 1/2 f/ GHz 61 0,16 0,20 10 Tableau 7 - Niveaux de référence pour le public exprimés en valeurs efficaces de champs ([RECOMMANDATION DU CONSEIL DES COMMUNAUTES EURO- PEENNES, 1999] Pour des fréquences entre 100 khz et 10 GHz, la valeur moyenne de la densité de puissance équivalente Seq (E² + H² ou E² + B²) doit être mesurée sur un intervalle de temps de 6 minutes. Aucune valeur de E n est fournie pour des fréquences < 1 Hz.

19 15 L application de ces tableaux n est certainement pas aisée mais ils rendent compte de la complexité de la réalité électromagnétique et de la nécessité de tenir compte des caractéristiques de l interaction des champs avec le corps humain. Prenons quelques exemples d exposition typique pour le public et calculons les valeurs limites à partir de la [RECOMMANDATION DU CONSEIL DES COMMUNAUTES EUROPEENNES, 1999] (tableau 8) : à 50 Hz : 5000 V / m 80 A / m 100 µt à100khz : 87 V / m 5 A / m 6,25 µt à 27 MHz : 28 V / m 0,073 A / m 0,092 µt 2 W / m² à 900 MHz : 41,25 V / m 0,111 A / m 0,1380 µt 4,5 W / m² à 2450 MHz : 61 V / m 0,16 A / m 0, 20 µt 10 W/ m² Tableau 8 - Valeurs limites dans le domaine public pour quelques fréquences caractéristiques. A titre comparatif (voir tableau 9), dans le domaine professionnel, pour les mêmes fréquences considérées ci-dessus et des sources non pulsées, l application des valeurs de référence des normes C ET C donnerait en valeurs efficaces (pour une exposition de durée supérieure ou égale à 6 mn pour les fréquences autres que le 50 Hz): à 50 Hz : V / m 1,6 mt à 100 khz : 1000 V / m 16 A / m à 27 MHz : 61,4 V / m 0,16 A / m 10 W / m² à 900 MHz : 92,1 V / m 0,244 A / m 22,5 W / m² à 2450 MHz : 137 V / m 0,364 A / m 50 W / m² Tableau 9 - Valeurs limites dans le domaine professionnel pour quelques fréquences caractéristiques en exposition continue. [Normes C et C ]. On notera que les niveaux de référence retenus pour le domaine public sont bien plus sévères que ceux retenus pour le milieu professionnel. Cela s explique logiquement par le fait que le domaine public s adresse à l ensemble de la population à protéger incluant les enfants, les personnes âgées et les malades. 4.2 Valeurs de fuite Dans le cas spécifique des installations d hyperthermie à hyperfréquences avec verrouillage hermétique, la norme [CEI , 1982] «Sécurité dans les installations électrothermiques- 6 ème partie : spécifications pour la sécurité des installations électrothermiques industrielles à hyperfréquences» recommande que la densité de puissance de fuite éventuelle soit inférieure à 5 mw / cm² en tout point distant d au moins 5 cm des parties accessibles de l appareil. Cette restriction concernant la valeur de fuite contribue naturellement à réduire l exposition des personnes situées à plus de 5 cm des parois. Cette restriction de valeur de fuite est également importante pour des considérations de CEM. Cette notion est également valable pour d autres installations à hyperfréquences (générateurs d accélérateurs linéaires et de baies d émission par exemple).

20 CONSIDERATIONS GENERALES SUR LE MESURAGE 5.1 La nécessité du mesurage Les champs électriques, magnétiques et électromagnétiques présents dans notre vie quotidienne peuvent avoir 4 origines : Naturelle : les champs électrique et magnétique terrestres sont des exemples de champs naturels. Le champ magnétique terrestre est un champ statique, sa valeur est de l ordre de 50 µt. Par temps calme, le champ électrique terrestre est de l ordre de 100 V / m (la terre est à un potentiel négatif par rapport à la haute atmosphère). C est un champ statique. Lors d un orage, des champs intenses impulsionnels sont créés. Le champ électrique peut atteindre des valeurs de plusieurs dizaines de milliers de volts par mètre. Des champs magnétiques intenses sont générés lors de la décharge orageuse. Domestique : l Homme dans son environnement domestique est couramment exposé à des champs qui ont leur origine dans le développement de l électricité sous toutes ses formes. C est ainsi que tout un chacun se trouve exposé aux champs à la fréquence 50 Hz du réseau électrique (60 Hz en Amérique), en différents sites de sa présence : en pleine campagne, à proximité des lignes de distribution d électricité, dans les villes et villages, près des postes de transformation, des lignes de distribution 220 volts, dans les transports publics utilisant l électricité. Sur son lieu d habitation, l Homme n échappe pas à l exposition car il y rencontre les câbles d alimentation 220 volts mais aussi les champs émis par tout appareil électrique, en particulier électroménager en raison de la présence, soit de moteurs (machines à laver, rasoirs, aspirateurs ), soit de dispositifs électrothermiques mettant en œuvre des courants importants (convecteurs, cuisinières électriques, couvertures électriques ) ou autres (téléviseurs, éclairages ). L Homme est aussi exposé à des champs émis par des appareils mettant en œuvre des fréquences différentes de celle du réseau d alimentation; citons, de façon non exhaustive, les inventions récentes (moins d un quart de siècle) telles que les fours à micro-ondes, les plaques de cuisson à induction, les dispositifs d alarme, les divers matériels vidéo et informatiques mais également les téléphones cellulaires dont le développement est impressionnant. Il faut de plus ajouter la présence de plus en plus fréquente d émetteurs et d antennes dans le voisinage des habitations qui complète ce panorama des expositions domestiques. (radiodiffusion, télévision, télécommandes diverses, stations de base et réémetteurs de téléphonie cellulaire ) Professionnelle : Les applications industrielles exposent l Homme dans son activité industrielle voire commerciale. Les applications industrielles peuvent être classées en 6 familles : - les électrolyseurs. Ils se rencontrent dans la production d aluminium et de chlore mais également dans l étamage de tôle et la galvanoplastie. Ils mettent en œuvre des courants continus intenses jusqu à plusieurs centaines de milliers d ampères. Des champs magnétiques statiques parfois très élevés sont présents à proximité des installations. - Les alimentations électriques des usines et ateliers. La distribution électrique s effectue par l intermédiaire de lignes et de transformateurs à courants intenses, puisqu il s agit de

21 17 l alimentation de toute une usine ou d un atelier créant des champs à prédominance magnétique. - L induction. Le chauffage par induction permet l élévation de la température des métaux par l action de champs magnétiques variables intenses (courants de Foucault). Il est présent dans les industries mécaniques, l aéronautique, l orfèvrerie - L effet diélectrique. Le chauffage par effet diélectrique permet l élévation de la température d un corps isolant par l action d un champ électrique (pertes diélectriques). Il est principalement appliqué pour le soudage de certaines matières plastiques, par exemple pour la réalisation d objets de loisirs gonflables (bateaux, piscines ) et en maroquinerie plastique (chaussures, sacs, couvertures plastifiées ). Il est également rencontré dans l industrie du bois, pour le séchage ou le formage des pièces de bois et pour la polymérisation des colles. Le champ électrique est la principale grandeur rencontrée à proximité de ces applicateurs. - Les applications micro-ondes ou hyperfréquences. Elles sont de plus en plus mises en œuvre dans de nombreuses applications industrielles pour des opérations de séchage, de cuisson et de décongélation. Elles sont aussi utilisées pour la vulcanisation du caoutchouc et de la mousse de polyuréthanne. La fréquence utilisée est généralement 2450 MHz. Il s agit principalement d un champ électromagnétique. Dans les applicateurs fermés, les ondes sont confinées à l intérieur des enceintes. Des fuites peuvent toutefois se produire au niveau des portes, hublots, joints divers. Dans le cas des applicateurs ouverts, la majeure partie de l onde doit être concentrée sur le produit mais il est difficile d empêcher sa présence au poste de travail et même à une certaine distance de la machine en raison du fait que le processus s effectue avec le produit transformé et les électrodes accessibles aisément, sans dispositifs de confinement des ondes. - Les télécommunications. Dans ce domaine, on trouve les liaisons radioélectriques les plus diverses, telles que : radiodiffusion, télévision, télécommandes, radiotéléphones, radar Les fréquences utilisées sont très variées, depuis quelques dizaines de hertz jusqu à plusieurs gigahertz. Scientifique et médicale Le domaine de la recherche utilise également nombre d appareils générateurs de champs. Citons entre autres, les dispositifs de chauffage de matériaux appliquant soit l effet diélectrique soit l induction mais aussi divers sous-systèmes d accélérateurs de particules (cyclotrons, Van de Graaff ) et recherches sur les plasmas, les semi-conducteurs etc. Le secteur médical est aussi impliqué : résonance magnétique nucléaire (RMN), imagerie par résonance magnétique (IRM), physiothérapie L Homme ne peut échapper à l environnement électromagnétique, qu il soit naturel ou qu il soit artificiel. Il est patent que les sources d émission prolifèrent et exposent l Homme moderne à un environnement que ses prédécesseurs n ont pas connu à l exception, bien sûr des champs naturels. Sans parler pour autant de pollution électromagnétique, du point de vue sanitaire, il est parfaitement légitime de se poser des questions pour l avenir en raison de l éventuelle existence d effets à long terme. Parallèlement à cette croissance exponentielle des champs, se développe une interrogation du grand public qui s inquiète de la position précautionneuse des scientifiques qui ne peuvent affirmer définitivement l innocuité de l exposition aux champs d intensité modeste rencontrée quotidiennement par l Homme. De plus, des effets spectaculaires dus aux champs peuvent accroître la suspicion à leur encontre : allumage d un tube fluorescent non connecté au secteur, à proximité d un émetteur, lévitation magnétique de couverts dans une cantine localisée à proximité d électrolyseurs, instabilité des images de téléviseurs et de moniteurs, dysfonctionnements d ordinateurs à proximité d un

22 18 transformateur Autant d effets aisément explicables par la Compatibilité Electromagnétique (CEM) mais difficilement acceptables pour une grande partie du public ayant des difficultés à admettre que l action spectaculaire sur des systèmes électroniques de grande sensibilité ne soit pas transférable à l Homme. Et puis, n oublions pas les effets réels et avérés ceux-ci d une part, l échauffement du corps de l opérateur exposé à des champs élevés, en situation industrielle, à proximité de fours à induction ou d électrodes de presses à haute fréquence, et d autre part, le dysfonctionnement possible d implants électroniques médicaux (stimulateurs cardiaques par exemple) [GAGNY, 1993]. Toutes ces raisons doivent inciter les préventeurs et les hygiénistes à effectuer ou faire effectuer des mesures de champs chaque fois que cela est nécessaire. Ce mesurage effectué par des personnes compétentes aura les objectifs suivants : - Répondre aux inquiétudes parfois irrationnelles des personnes sur leur lieu de résidence, de travail ou autre, afin de quantifier, par le mesurage, les valeurs réelles d exposition et délivrer un rapport donnant, en toute transparence, une appréciation sur cette dernière prenant en compte l état des connaissances scientifiques sur le sujet. - Effectuer une cartographie des champs à proximité de sites, d appareils ou d installations pour lesquels on peut craindre l existence de champs élevés en termes d hygiène publique et industrielle. Le mesurage délivrera des grandeurs d exposition qui seront comparées avec les niveaux de référence reconnus. Tout dépassement excessif devra alors déclencher une action de prévention permettant de réduire ces niveaux [BARLIER A., CAIL F., CLAUZADE B., KLEIN R., SALSI S., 1995 ; VAUTRIN 1994]. Une approche de cette nature devrait éviter les démarches spéculatives basées sur la peur irraisonnée. 5.2 Que doit-on mesurer et pourquoi? - Niveaux de fuite et niveaux de référence Le niveau de fuite est la densité de puissance en n importe quel point accessible situé à une distance d au moins 0,05 m (2 pouces) d une installation de chauffage par hyperfréquences. Il s exprime en W / m² ou plus pratiquement en mw / cm². (1 W / m² = 0,1 mw / cm²). Il ne doit pas être confondu avec les niveaux de référence qui sont les valeurs limites dérivées des restrictions de base et qui font l objet du mesurage pour caractériser l exposition de l Homme. Il est toutefois très représentatif de la qualité des blindages dans le cas d applicateurs fermés ; pour cette raison, il est préconisé de procéder à son mesurage en plus de celui des niveaux d exposition de l Homme (ou niveaux de référence). Il n a de sens qu autour des installations à hyperfréquences. Il correspond à un mesurage à proximité des parois mais il peut être confondu avec le niveau d exposition lorsqu une personne observe un processus par le hublot d un tunnel de déshydratation ou la porte d un four à micro-ondes. - Grandeurs physiques à mesurer In situ, en milieu industriel ou domestique, si les restrictions de base ou valeurs limites fondamentales d exposition sont à respecter, ce sont en fait les niveaux de référence dérivées des premières qui serviront à caractériser effectivement l exposition. En effet, le mesurage des courants induits et de la densité d absorption spécifique dans le corps

23 19 humain nécessite un matériel et une méthodologie spécifique au laboratoire et de fait complètement inadaptés au mesurage sur site. Ce sont donc les grandeurs physiques dérivées qui seront relevées et comparées aux niveaux de référence rappelés au chapitre 4. Généralement, il est recommandé de mesurer les grandeurs suivantes : - La densité de flux magnétique ou Induction magnétique (B) qui est une grandeur vectorielle équivalente au champ magnétique dans l air et dans les milieux biologiques. Elle s exprime en teslas (T) avec la relation d équivalence suivante : 1A / m = 4 π T. Le gauss (G) bien qu unité non légale peut être encore rencontré avec 1 µt= 10mG. - La densité de puissance surfacique (S = E.H en onde plane) qui est le quotient de la puissance rayonnée incidente perpendiculaire à une surface (de tissus biologiques par exemple) par l aire de cette surface. Elle s exprime en watts par mètre carré (W / m²) ou plus pratiquement en mw / cm² avec 1 W / m² = 0,1 mw / cm². - L intensité de champ électrique (E) qui est la valeur exprimée en volts par mètre (V / m) du module du vecteur champ électrique E auquel est exposé le corps humain ou une partie de ce dernier. - L intensité de champ magnétique (H) qui est la valeur exprimée en ampères par mètre (A / m) du module du vecteur champ magnétique H auquel est exposé le corps humain ou une partie de ce dernier. On rappelle que, pour ces grandeurs, en exposition continue, ce sont les valeurs efficaces qui sont déterminées tandis que pour les sources pulsées (véhiculant des impulsions d une durée inférieure ou égale à 30 µs comme par exemple les radars) ce sont les valeurs crêtes Différents paramètres et configurations à considérer Le mesurage électromagnétique à des fins sanitaires est particulièrement délicat. Même si l on considère qu un ordre de grandeur est suffisant pour caractériser l exposition, il est fortement recommandé d analyser soigneusement la machine ou le site près duquel on souhaite procéder au mesurage. Les paramètres suivants sont à déterminer : - Domaine de fréquence (s) concerné et plus particulièrement : s agit-il de champs statiques, à extrêmes basses fréquences, à fréquences intermédiaires, à radiofréquences ou à hyperfréquences? - Type de l émission électromagnétique : s agit-il principalement d une exposition définie par une induction magnétique, un champ électrique, un champ magnétique ou un champ électromagnétique ou par une association de ces différentes grandeurs. - Nature de l émission électromagnétique : s agit-il d une émission continue (cas des émetteurs de télévision) ou de nature impulsionnelle (cas des radars mais dans ce cas, la durée et la fréquence de répétition des impulsions doivent être connues), ou de nature discontinue (cas des presses HF), est-elle modulée? (type de modulation, caractéristiques de la modulation ). - Présence de fréquences harmoniques en plus de la fréquence fondamentale (niveaux relatifs de ces harmoniques, rang des harmoniques à considérer).

24 20 - Distance entre l émetteur ou l antenne ou la fuite et le lieu d exposition. Le lieu de mesurage est-il dans la zone de champ proche (ou zone de Fresnel) ou dans la zone de champ lointain (ou zone de Fraunhoffer)? Dans la zone de Fresnel, l onde électromagnétique n est pas formée et ne possède pas les caractéristiques d une onde plane. L homme exposé aux champs dans les applications industrielles l est souvent dans cette zone particulièrement délicate pour le mesurage. En exposition domestique, l exposition est souvent dans la zone de Fraunhoffer où les mesures sont plus aisées car le site est éloigné d au moins 1,6 fois la longueur d onde et les relations entre champ électrique E, champ magnétique H et densité de puissance surfacique S sont clairement définies (la simple connaissance d une grandeur permet de déterminer les 2 autres). - Présence possible d autres sources émissives que l émission dont on souhaite connaître l influence sur l exposition. (nature et caractéristiques de ces autres sources, doivent-elles être considérées ou rejetées du mesurage?). - Polarisation de l onde. La polarisation de l onde à savoir l orientation du champ électrique peut altérer le mesurage lorsque l on ne considère qu une seule composante. L utilisation de capteurs isotropes met à l abri de ce type d erreur par le mesurage direct du module de champ et non d une seule de ses composantes. - Présence de matériaux absorbants ou réfléchissants dans la zone de mesurage. Cela a pour effet de créer ou de renforcer le régime d ondes stationnaires avec création de «nœuds» et de «ventres» de champs qui altèrent les mesures. Il faudra, autant que possible, prohiber cette présence au moment du mesurage par exemple celle des instruments de mesure ( par éloignement de la personne qui en est chargée, par télémesurage, par observation des mesures à distance, par l utilisation de fibres optiques ). - Dérive en fréquences des émetteurs. Dans le cas des presses à hautes fréquences, par exemple, l oscillateur peut dériver de plusieurs khz voire plusieurs MHz par rapport à la fréquence initiale de 27 MHz. La solution palliative consiste soit à faire une poursuite de fréquences pour suivre la dérive, soit à travailler à bande large afin d intégrer dans le mesurage cette dérive. - Importance du gradient de champ : Si le gradient de champ est important, c est à dire si le champ varie fortement en fonction de la distance (supérieur à son doublement sur 1 mètre), il devra être procédé à son relevé car c est une donnée intéressante surtout en ce qui concerne l induction magnétique ( l exposition des différentes parties du corps humain à des valeurs d induction différentes n est pas sans conséquences physiologiques). La connaissance préalable des paramètres décrits précédemment est indispensable avant tout mesurage effectif afin d assurer les meilleures conditions possibles de relevés des grandeurs d exposition. Le mesurage électromagnétique est fort délicat, la qualité de celui-ci requiert des expérimentateurs bien au fait des bases de l électromagnétisme et correctement formés à cette discipline.

25 METROLOGIE ET PRATIQUE DU MESURAGE Appréciation a priori des champs Avant de procéder au mesurage sur site, il est avisé d avoir une idée de la valeur des champs concernés. Rappelons tout d abord que des manifestations spectaculaires liées à la compatibilité électromagnétique sont de peu d intérêt même s ils sont bien souvent à l origine d interrogations et de sollicitations de la part d observateurs inquiets. Le mesurage consécutif aux dysfonctionnements de moniteurs d ordinateurs et d oscilloscopes en présence de champs révèle généralement des valeurs très inférieures aux niveaux de référence. En revanche, il en va tout autrement des sensations thermiques désagréables, généralisées ou localisées, ressenties à proximité de certains dispositifs tels que fours à mico-ondes ou presses à hautes fréquences (HF). L expérience nous a montré que la sensation thermique ressentie dans les membres ou à l abdomen auprès d un dispositif HF répondait à des valeurs de champs supérieures à 300 V / m. De même, une sensation de chaleur au niveau des mains, à proximité d un four à hyperfréquences correspond généralement à des densités de puissance plus élevées que 10 mw / cm². D autres éléments peuvent informer et renseigner de façon intéressante sur les champs auxquels l on s intéresse. En effet, la préoccupation électromagnétique étant toujours liée à la présence suspecte d une source identifiée (transformateur, antenne, réseau de distribution, machine HF, four à micro-ondes ), il est presque toujours possible d anticiper sur le mesurage et d avoir une connaissance approximative des champs concernés en faisant référence aux données antérieurement accumulées sur des sites et autour de machines similaires. Toutefois, cette connaissance floue ne rend pas inutile le mesurage, il l induit tout simplement et prépare son exécution. Le calcul permet d apprécier, avec une précision acceptable, les valeurs des champs existant à une distance d une antenne, par exemple de l antenne parabolique d un radar, à l aide de la formule d approximation suivante : S (densité de puissance) = P / 4 π d² avec P la puissance fournie à l antenne en watts, d la distance en mètres. Par exemple, pour P = 1000 watts et d = 1 mètre, la densité de puissance sera de 7,96 mw / cm² ce qui correspond en ondes planes à 173 V / m pour le champ électrique et 0,5 A / m pour le champ magnétique. Bien entendu, cette formule possède ses limites de validité et doit être utilisée avec circonspection. De même, dans le cas d une ligne d alimentation 50 Hz, de la bobine d un four d induction parcourue par un courant EBF ou des électrodes d une presse à hautes fréquences alimentée par une tension à fréquence HF, les lois et formules de l électromagnétisme s appliquent et permettent de calculer les valeurs de champs à une distance donnée. Par exemple, un conducteur parcouru par un courant I connu ou mesuré à la fréquence du secteur, entraîne une valeur d induction magnétique, à une distance d du conducteur, calculable à l aide de la formule bien connue de Biot-Savart : B = µo I / 2 π d avec µo perméabilité magnétique

26 22 A 6 cm du conducteur, la valeur de l induction sera de 16 mt. Avec deux conducteurs parcourus par le même courant mais en sens inverse, l induction aura pour valeur 235 µt, inférieure à celle calculée ci-dessus. Mais convenons qu il s agit de configurations théoriques, simples et que dans la réalité, il faudra utiliser un modèle plus élaboré afin de tenir compte d autres conducteurs avec des géométries diverses ou de la présence de transformateurs tout cela rendant les calculs parfois laborieux [LALIBERTE, 1997]. En définitive, le mesurage demeure la solution idéale pour caractériser l exposition réelle Généralités concernant la métrologie RNI Tout mesurage implique la mise en œuvre d une chaîne de mesurage comportant, de façon séparée ou intégrée, les deux éléments suivants (voir Figure 1) : - une unité sensible à la grandeur physique à mesurer délivrant en sortie un signal proportionnel à la grandeur physique. Cette dernière est un des niveaux de référence définis dans le tableau 7. Elle peut être le champ électrique, le champ magnétique, l induction magnétique ou la densité de puissance équivalente en onde plane. L unité sensible est composée principalement d un capteur appelé communément sonde dans les notices commerciales des fournisseurs. Pour les différentes bandes de fréquence considérées, les solutions retenues sont décrites dans le paragraphe suivant mais dès à présent, rappelons que le capteur est généralement une antenne pour le champ électrique, un cadre ou une boucle pour le champ magnétique mais d autres effets physiques sont également appliqués comme l effet Hall utilisé pour la mesure de champs et d induction magnétiques, et différents effets électro-optiques (l effet Pockels et l effet Kerr). Toutefois, ces deux derniers sont utilisés essentiellement en laboratoire et non pour des appareils de terrain. Il en est de même pour une sonde non interférente utilisant trois phototransistors modulés optiquement [ROUSSY, AGBOSSOU et DICHTEL 2000]. Ces sondes présentent un grand intérêt quand il s agit de bien connaître les valeurs exactes de champs transmis à un milieu donné (pour le traitement thermique de produits ou en électrothérapie). Elles ne sont pas adaptées au mesurage qui nous concerne dans cet article. Une sonde plongée dans un environnement électromagnétique délivre une élévation thermique ou un signal électrique (une tension, un courant, une résistance) représentative de l intensité des champs rencontrés à une fréquence identique. Une détection de ce signal est nécessaire afin de délivrer un signal électrique continu à champ constant, exploitable par l appareil de mesure. La fonction de détection, assurée par diodes ou par thermocouples est localisée dans l unité sensible avec le capteur ou avec l unité de traitement (c est le cas quand est utilisé un mesureur de champ). Dans le cas où le capteur est uni axial (une boucle ou une antenne), la valeur mesurée est dépendante de la direction de propagation et de la polarisation du champ, ce qui est un handicap sérieux dans la mesure où une seule composante du champ est mesurée. Deux solutions sont envisageables, la première consiste à orienter la sonde de façon à déceler le champ maximal (il s agit en fait de rechercher «le pire cas» correspondant à l exposition réelle en ce point) : cela n est pas toujours aisé et, de nos jours, les constructeurs mettent sur le marché des sondes dites isotropes qui dispensent l opérateur de l orientation du capteur.

27 23 Une sonde isotrope, qu elle soit électrique ou magnétique, est réalisée par l association de trois sondes uni axiales disposées pour relever les trois composantes du champ selon les axes x, y et z. Un traitement approprié permettra par la suite de calculer la valeur effective du champ. Toutefois, l isotropie parfaite n existe pas et c est certainement un des aspects de l incertitude des mesures. Un autre phénomène peut s avérer gênant en situation réelle : il s agit de la sensibilité d une boucle magnétique, destinée à mesurer le champ magnétique, aux effets du champ électrique associé. Cela se traduit par l apparition aux bornes de la boucle d une tension parasite faussant le mesurage du champ magnétique. Dans ce cas aussi, la parade existe, elle consiste à compenser ce phénomène par la construction de deux boucles imbriquées, compliquant un peu plus la réalisation et posant le problème de compensation satisfaisante sur toute la gamme des fréquences. La détermination du champ électrique doit faire l objet d un mesurage séparé à l aide d un appareillage approprié. - une unité de traitement du signal et un système d affichage permettant de délivrer à l utilisateur l information concernant les valeurs mesurées. Elle peut être accomplie par un mesureur de champ (qui est en fait un récepteur HF), un analyseur de spectre, un oscilloscope ou plus communément en mesurage RNI par un appareil spécifique à large bande, dédié expressément à cette application. L unité de traitement reçoit un signal en provenance de l unité sensible par l intermédiaire d une liaison filaire, optique ou même, dans certains cas, hertzienne afin de présenter à l afficheur un signal approprié. Le traitement contient éventuellement un détecteur (dans le cas où il n a pas été traité au niveau de la sonde), une fonction d adaptation automatique à la sonde utilisée (dans le cas où différents types de sondes peuvent être mises en œuvre), une fonction d amplification et éventuellement de filtrage (pour réduire le bruit électronique) et une fonction de calcul afin de présenter les valeurs de champs en unités électriques efficaces vraies. Certains appareils comportent en outre une fonction de mise en forme (shaping) par l intégration d un filtre correspondant à une norme d exposition donnée. Cette fonction permet l affichage d un pourcentage d exposition pour l ensemble d une gamme de fréquence. Par exemple, l utilisation de cette fonction permettra d afficher 50 % à la fréquence de 27 MHz, pour laquelle la recommandation européenne indique 28 V / m, alors que la mesure est de 14 V / m (soit 28 V / m divisé par 2), [PLACIDET 1999]. Grandeurs physiques à mesurer (E, H, B ou S) Unité sensible à la grandeur physique Liaisons Unité de traitement du signal et affichage Figure 1 - Synoptique d une chaîne de mesurage RNI

28 Solution utilisant antennes et mesureurs de champs Des mesureurs de champs ont été utilisés en mesurage RNI dans le passé (l INRS a effectué ses campagnes de mesurage dans les années 80 avec ce type d appareils). Ils le sont encore pour un mesurage spécifique à proximité de radars ou d émetteurs de télécommunication. Par contre, ils sont systématiquement utilisés en Compatibilité ElectroMagnétique, ainsi d ailleurs que les analyseurs de spectres qui permettent une bonne pré-connaissance des champs présents sur le site d exposition et évitent ainsi un travail en aveugle préjudiciable à un mesurage correct [AZOULAY et MARDIGUIAN]. Toutefois, ces appareils présentent l inconvénient du prix élevé mais aussi de la complexité relative de leur utilisation nécessitant de bonnes connaissances en électromagnétisme et en métrologie radiofréquences et hyperfréquences. S agissant d un matériel approprié à certains types de mesurage en RNI, il sera brièvement décrit ci-dessous. Dans cette solution, les capteurs utilisés sont des antennes étalonnées pour le mesurage des champs électriques et des cadres ou boucles étalonnées pour celui des champs magnétiques (voir tableau 10). Antennes et boucles magnétiques Bande de fréquence typique et grandeur mesurée Fouet Jusqu à 30 MHz E Biconique 30 à 300 MHz E Log-périodique 200 à 1000 MHz E Log-périodique 1 à 18 GHz E Biconilog 30 à 2000 MHz E Log-spirale 200 MHz à 1 GHz E Log-spirale 1 à 18 GHz E Cornet Au-dessus de 1 GHz E Parabole Au-delà de 4 GHz E Boucle Jusqu à 30 MHz H Cadre 150 khz à 30 MHz H 10 khz à 100 khz H Tableau 10 - Antennes et boucles magnétiques utilisables pour le mesurage des champs. (voir Figures 2a et Figure 2b) Les antennes étalonnées sont utilisées en Compatibilité ElectroMagnétique et en Télécommunications [BOITHIAS et AZOULAY]. Elles peuvent être utilisées en RNI, toutefois leurs dimensions les rendent peu pratiques voire inutilisables en champs proches pour lesquels l onde n est pas formée; en revanche, elles sont utilisables en champs lointains. Elles sont toutefois sensibles à la polarisation des champs ce qui nécessite une bonne connaissance des paramètres de propagation afin de les positionner correctement. Pour les champs magnétiques, des boucles ou des cadres de dimensions réduites sont utilisables afin de déterminer l amplitude du champ magnétique. En champs proches, on évitera de calculer l intensité du champ électrique à partir de cette valeur, car les relations valables en ondes planes ne s appliquent pas. Cela n est pas le cas en champs éloignés où il est commun de procéder ainsi.

29 25 Figure 2a Figure 2b Figures 2 - Différents types de capteurs de champs électriques et magnétiques (cliché CNET). Figure 2a - Antenne biconique 20 à 200 MHz et Figure 2b - Cadre pour la mesure du champ magnétique de 150 khz à 30 MHz ou 10 khz à 250 khz (clichés CNET). Les signaux électriques à la fréquence des champs incidents, délivrés par les capteurs sont injectés dans les appareils de mesures qui peuvent être un analyseur de spectre et/ ou un mesureur de champ. L analyseur peut se révéler indispensable dans des situations limites pour lesquelles il s agit de lever le doute concernant l exposition réelle ; il permet par exemple de déterminer l existence d harmoniques éventuels qui contribuent à l exposition et ne doivent être en aucune façon exclus de l analyse. De plus leurs valeurs limites peuvent être différentes de celle de la fréquence fondamentale et en conséquence, leur mesurage doit être différencié et non considéré globalement. Parfois aussi, il convient de mieux préciser ce que l on mesure et de s assurer en particulier pour des champs de faible intensité que les résultats ne sont pas en fait générés par d autres sources d émission lointaines. Cette remarque vaut principalement pour l exposition du public afin de ne pas faire porter à tort une responsabilité sur une source d émission suspecte mais innocente. Un exemple de spectre relevé à proximité d une presse HF (voir Figure 3). On remarquera qu à côté de la fondamentale à 27 MHz existent également des pics aux fréquences harmoniques de 54 MHz, 81 MHz et 108 MHz.

30 26 Figure 3 - Spectre relevé à proximité d une presse HF. L autre appareil permettant le traitement de l information est le mesureur de champ. Il est décrit dans le détail dans l article des Techniques de l Ingénieur «mesures en compatibilité électromagnétique» [AZOULAY et MARDIGUIAN]. Invitant le lecteur à se reporter à cet article, nous rappellerons seulement ci-dessous les caractéristiques essentielles de cet appareil : C est en fait un récepteur accordable permettant de couvrir une large bande de fréquence. C est un appareil complexe constitué d un ou plusieurs étages radiofréquences, d un ou plusieurs étages à fréquence intermédiaire, d une série de filtres d analyse ou de résolution commutables en fréquence intermédiaire, de détecteurs spécialisés et de filtres post-détection avant traitement à basse fréquence ainsi que d un dispositif d affichage des valeurs mesurées. 4 modes de détection sont disponibles pour caractériser les champs : - le détecteur de crête, - le détecteur de quasi crête, - le détecteur de valeur moyenne ; - le détecteur quadratique ( dans le cas des RNI concernant des sources non pulsées, cette fonction doit être utilisée afin de délivrer la valeur efficace vraie RMS comme stipulée dans les normes appropriées). Ces fonctions sont utilisées en parfaite connaissance de cause en compatibilité électromagnétique (CEM), toutefois, en RNI, elles peuvent désarçonner l opérateur par l abondance des réglages auxquels il faut d ailleurs ajouter ceux de la bande passante (bande étroite ou bande large), de la poursuite de fréquence, de la mémorisation des pics d impulsions. En outre, il est nécessaire de prendre en compte d une part, l adaptation de l impédance de l antenne à celle de l entrée du mesureur de champ (nécessitant parfois une correction) et d autre part, le facteur d antenne (fonction de la fréquence et fourni par le constructeur). Pour le non initié, les erreurs de manipulations sont probables et, sauf nécessité d un mesurage spécifique, comme à proximité d un radar à impulsion par exemple, nous recommandons, en RNI, d utiliser un appareillage spécialisé, moins sophistiqué, capable

31 27 d assurer une bonne réplication des mesures par des opérateurs divers, compétents, certes, mais pas toujours connaisseurs avisés des subtilités de l électromagnétisme et de son mesurage. 6.4 Description de capteurs et détecteurs utilisés en RNI En fait, la tendance, en mesurage RNI, est plutôt orientée vers l utilisation d appareils spécifiques, simples d'emploi nécessitant peu de réglages, légers et robustes [PLACIDET 1999] et [PROJET DE PUBLICATION CEI]. Ces appareils utilisent des capteurs spéciaux mieux adaptés au mesurage de l exposition que les antennes et cadres relatés ci-dessus. Le lecteur est invité à se reporter à l article de [EUMURIAN G., PAMPALONE F] dans lequel sont décrits des capteurs spéciaux destinés à la CEM, aux tests de durcissement à l IEM (Impulsion Electromagnétique d origine Nucléaire), à la foudre, aux décharges électrostatiques et à la caractérisation des phénomènes micro-ondes. Nous décrirons ci-dessous des sondes ou capteurs mono axiaux, c est-à-dire réceptifs à une composante spatiale du champ électrique. Il va de soi, qu afin de s affranchir de la polarisation du champ et de rendre la sonde isotrope, la plupart des appareils commercialisés mettent en œuvre des capteurs tri-axiaux sensibles aux trois composantes du champ afin de permettre ultérieurement le calcul du champ vrai d exposition. - Les sondes de champs magnétiques : Les sondes à effet Hall : l effet Hall quantique a été mis en évidence par Klaus von Klizing après la deuxième guerre mondiale. Lorsqu un courant passe selon un axe X dans un semi-conducteur tel que l arséniure d indium, soumis à un champ magnétique orthogonal selon l axe Y, une tension dite de Hall apparaît dans la direction perpendiculaire à ces deux axes, à savoir l axe Z (voir Figure 4). B I U Figure 4 - Sonde à effet Hall Les sondes à effet Hall permettent le mesurage des champs et des inductions statiques mais aussi alternatifs jusqu à environ 100 khz, bien que dans ce dernier cas, les boucles magnétiques leur sont souvent préférées. Toutefois, la tension de Hall varie dans le temps et avec la température ce qui nécessite des recalibrations fréquentes. Ils permettent le mesurage de champ dans une gamme de niveaux s échelonnant de 100 µt à 10 T.

32 28 Les boucles et les cadres : Ils sont systématiquement utilisés en EBF, en radiofréquences et hyperfréquences. Le principe repose sur l immersion, dans un champ magnétique, d une bobine de forme variée (ronde, carrée, trapézoïdale ), fait de n spires entraînant l apparition d une tension alternative proportionnelle e à l intensité du champ magnétique B, de fréquence identique à celle du champ. Dans le cas d une boucle (voir Figure 5 ), de surface A, avec un nombre de spires n, soumise à une induction magnétique alternative, d intensité B et de fréquence f, entraînant une tension collectée aux bornes de la boucle égale à e, la valeur de B peut être calculée à partir de la formule suivante : B = e / A. n. 2 π. f La valeur de B ainsi calculée dépend, d une part, des caractéristiques de la bobine et, d autre part, de la fréquence. Le problème de l homogénéité du champ magnétique dans la zone d exposition peut se poser en cas de valeur élevée du gradient de champ (c est-à-dire la variation du champ en fonction de la distance). Dans ce cas, la mesure sera affectée par les dimensions du capteur faisant qu avec une boucle de surface réduite, la mesure sera ponctuelle correspondant précisément à la valeur du champ à l emplacement du capteur alors qu avec une boucle de grande surface, le résultat sera en fait une sorte de moyennage des champs dans la zone de sensibilité de la boucle. Ces deux mesures sont correctes mais correspondent à des paramètres différents. Comme l écrit Lambert Laliberté [LALIBERTE 1997]: «pour un mesurage de champs magnétiques avec une sonde du type boucle, il faut toujours spécifier, dans le rapport technique, la surface de la boucle utilisée afin de permettre l interprétation et la reproductibilité des mesures». D ailleurs, certaines normes fixent la valeur de la surface de boucle ; une valeur égale ou inférieure à 100 cm² est recommandée par la CEI, [PROJET DE PUBLICATION du TC 85/WG 11]. D autres types de capteurs sont parfois utilisés tels que les magnétomètres à noyau saturable, les capteurs à résonance magnétique nucléaire RMN), les magnétomètres à dispositifs quantiques supraconducteurs (SQUID) mais il s agit de moyens peu utilisés en RNI in situ et réservés à des mesurages très précis ou de faible intensité en recherche et en laboratoire.

33 29 Câble de sortie Figure 5 - Sonde de champ magnétique à bobine - Les sondes de champs électriques Le [PROJET DE PUBLICATION du TC 85/WG 11] recense trois types de capteurs de champs électriques : a) les capteurs d espace libre de type capacitif, b) les capteurs de paroi de type capacitif, c) les capteurs électro-optiques, liste à laquelle nous ajouterons les capteurs réalisés à partir d un dipôle électrique, qui sont en fait une forme particulière de capteurs d espace libre. Les capteurs d espace libre de type capacitif déterminent le champ électrique par la mesure de la charge ou du courant induit entre les électrodes d une sonde isolée électriquement, quand elle est introduite dans un champ électrique. Les formes géométriques des électrodes rencontrées sur le marché sont variées mais les plus communes sont rectangulaires ou circulaires mais elles peuvent être cubiques (voir Figure 6) ou sphériques. Soumises à un champ pur, sinusoïdal de pulsation ω, la tension récupérée aux bornes d une résistance de charge de valeur faible est de la forme : U = k ω εo E avec k constante dépendant des caractéristiques géométriques de la sonde. Si la résistance de charge présente une valeur élevée, la tension sera proportionnelle à la dérivée du champ de / dt, grandeur qui ne présente toutefois pas d intérêt en mesurage RNI in situ. Les capteurs de type capacitif sont caractérisés par un rendement augmentant linéairement avec la fréquence jusqu à une fréquence de coupure haute, déterminée par les dimensions des électrodes (100 MHz typique). Les capteurs d espace libre nécessitent d être alimentés par piles ou batteries, c est à dire une source d alimentation «flottante» isolée électriquement de la terre.

34 30 Figure 6 - Exemple de capteur d espace libre cubique (Cliché Narda Safety Test Solutions) Les capteurs de paroi Il est parfois nécessaire de mesurer le champ électrique à proximité du sol ou près de surfaces conductrices qui sont au potentiel de la terre. Les capteurs d espace libre décrits ci-dessus ne sont guère appropriés. Dans ce cas, on utilise des capteurs dits de paroi. Dans le projet de publication de la CEI [PROJET DE PUBLICATION du TC 85/WG 11], il est décrit deux modèles, l un utilise un conducteur plat unique ayant une section centrale isolée qui lui sert de surface sensible. L autre est composé de deux plaques parallèles séparées par une mince feuille d isolant, la plaque supérieure agissant comme la surface sensible. Les capteurs de parois peuvent être alimentés par piles ou à partir du secteur. Il existe aussi un capteur constitué d une demi-sphère disposée au-dessus d un plan de masse passant par son centre géométrique [EUMURIAN G., PAMPALONE F]. Les capteurs électro-optiques Ces capteurs utilisent généralement un effet électro-optique connu sous le nom d effet Pockels. Des cristaux dépourvus de centre de symétrie deviennent biréfringents sous l action d un champ électrique. C est le cas du KDP (dihydrogeno phosphate de potassium) et de l ADP (dihydrogeno phosphate d ammonium). Si l on dispose sur les faces du cristal, des électrodes semi-transparentes de façon à ce que le champ appliqué soit parallèle au faisceau lumineux incident, la biréfringence induite est directement proportionnelle au champ appliqué. Cette modification optique est convertie en signal représentatif de l intensité du champ par l intermédiaire d un système composé d une source de lumière cohérente, d un modulateur optique et d un récepteur optique. Le signal modulé ainsi obtenu est transmis à une photodiode par l intermédiaire d une fibre optique et converti en signal électrique représentatif du champ électrique (voir Figure 7).

35 31 Figure 7 - Capteur à effet Pockels On notera que le capteur Pockels est de faible encombrement et permet des mesures au plus près des surfaces conductrices. Il peut donc être utilisé comme capteur de paroi. Toutefois, il est moins sensible que les capteurs capacitifs. L effet Faraday (rotation du plan de polarisation d une onde lumineuse plane traversant un matériau soumis à un champ magnétique) est aussi mis en œuvre pour la mesurage de certains champs magnétiques. Les dipôles sont des antennes élémentaires dont la longueur est choisie très petite par rapport à la longueur d onde minimale du champ à mesurer. La tension collectée aux bornes du dipôle est approximativement égale au produit du champ au centre du dipôle par la longueur de celui-ci. Des dipôles résistifs associés à des thermocouples forment des sondes de captation et de détection de champs électriques couramment utilisées en RNI (voir Figure 8). Figure 8 - Dipôle électrique (cliché Narda Safety Test Solutions).

36 32 - Les détecteurs Les signaux en provenance des capteurs sont des signaux alternatifs à la fréquence des champs mesurés. Il est nécessaire de procéder à leur détection afin de permettre leur affichage. Deux types de détecteurs principaux sont mis en œuvre: soit la détection par diode, soit la détection par thermocouple. L utilisation de bolomètres mettant en œuvre des thermistances est envisageable mais peu recommandé en raison de leur dérive thermique. Dans le cas de la détection par diode, souvent une diode Schottky en raison de sa fréquence de coupure élevée, la caractéristique courant-tension de celle-ci est mise à contribution, soit le domaine quadratique pour des signaux faibles, soit le domaine linéaire pour des signaux élevés nécessitant alors une correction interne afin de présenter les résultats en termes de valeurs efficaces vraies (RMS). Toutefois, cette correction n est valable que pour des champs simples (non modulés, à fréquence unique ). Dans le cas complexe de présence de plusieurs sources d émission ou de signaux de grande amplitude, fortement modulés, une correction spécifique des valeurs affichées est indispensable. On peut citer notamment les installations radars et d émetteurs de télécommunications pour lesquels l erreur peut atteindre jusqu à 5 db ce qui nécessite des facteurs de correction prenant en compte le taux de modulation, la fréquence de modulation, la durée du cycle Moyennant la précaution précédente, la détection par diode présente de nombreux avantages tels qu un seuil de destruction élevé, un temps de réaction court et une dynamique d utilisation élevée (60 db). Dans la détection par thermocouple, il est procédé à la combinaison de thermocouples en série, ces thermocouples se comportant pour le champ électrique comme des dipôles, c est à dire des capteurs de champs électriques. Un champ électrique tangentiel à l axe d une ligne de thermocouples induit un courant entraînant une dissipation de chaleur par effet joule dans ceux-ci créant de ce fait une élévation de température d une jonction chaude (à grande résistivité) par rapport à la jonction froide (à faible résistivité) de chaque thermocouple. Une tension est ainsi collectée aux bornes de chaque thermocouple qui ajoutée l une à l autre par l agencement en série donne une tension proportionnelle au carré de la composante du champ électrique concerné. D une façon générale, la détection par thermocouple délivre une valeur efficace vraie du champ, indépendante de la forme du signal. Ce type de détection est bien adapté au mesurage de champs spécifiques (pulsés, modulés,..). Toutefois, ils présentent une sensibilité relativement faible et une dynamique de 30 db typiquement. En RNI, le type de détecteur utilisé doit être transparent pour l opérateur effectuant un mesurage ordinaire. La calibration pratiquée antérieurement à l utilisation permet de s affranchir sensiblement des caractéristiques de la détection mais aussi du type de capteur mis en œuvre. Toutefois, comme cela a été rapporté au sujet de la détection par diode, dès qu il s agit des mesures un peu particulières, avec des champs modulés, pulsés, avec présence d harmoniques, la crédibilité des mesures relevées nécessite une excellente connaissance des sources d émissions ainsi que de la métrologie utilisée et impose un raffinement des moyens de mesurage, par exemple en utilisant mesureurs de champs et analyseurs de spectre communément employés en Compatibilité ElectroMagnétique (CEM).

37 Mesurage dans le domaine statique En fait, c est essentiellement le mesurage du champ magnétique qui doit être considéré ; celui du champ électrique ne semble pas présenter d intérêt du point de vue de l hygiène et ne sera donc pas décrit dans cet article. La présence de champs magnétiques intenses est consécutive aux applications industrielles de l électrolyse utilisée pour la production de chlore à partir du chlorure de sodium mais aussi pour le raffinage de l aluminium, du cuivre, du baryum, du béryllium. Les cellules de production de chlore fonctionnent typiquement sous 4,45 V avec des intensités de l ordre de A. Les cuves d électrolyse d aluminium présentent des tensions normalement faibles (4,1 V) avec des intensités qui dépassent aujourd hui A. Ces courants inhabituels créent des champs magnétiques statiques, très élevés au voisinage des cuves et des conducteurs, à décroissance rapide avec la distance d (en 1 / d) mais avec des gradients de champs élevés. Beaucoup de ces unités de production sont aujourd hui automatisés mais la présence de personnes n étant pas totalement exclue en raison d opérations d entretien et de maintenance il est nécessaire de procéder au mesurage. Un mesurage précis peut être effectué avec des magnétomètres à noyau saturable, ceux avec dispositifs quantiques supraconducteurs (SQUID), les capteurs à Résonance Magnétique Nucléaire mais le plus adapté et le plus commun est sans conteste le capteur à effet HALL en raison de ses faibles dimensions et de sa grande dynamique (100 µt à 10 T). On veillera toutefois à orienter la sonde pour obtenir la valeur maximale en un point donné. On s assurera de l absence de dérive du zéro et périodiquement, on procèdera à son étalonnage à l aide d aimants étalons disponibles aujourd hui de 0,005 T à 2 T. Les faibles dimensions de la sonde permettent d ailleurs un mesurage ponctuel du champ facilitant de ce fait le relevé d une cartographie des champs ainsi que le calcul des gradients. En effet, certaines normes considèrent comme importante cette grandeur du point de vue de la caractérisation de l exposition en plus de l intensité du champ. 6.6 Mesurage dans le domaine EBF Pour le mesurage des champs dans la bande de 0 Hz 30 khz, le lecteur peut se reporter à l article très documenté de [BOWMAN J.D., KELSH M.A., KAUNE W.T 1998] ainsi qu à celui de [LALIBERTE L. 1997]. Le domaine EBF est relatif aux fréquences supérieures à 0 Hz jusqu à 10 khz et inclut donc la fréquence secteur de 50 Hz ainsi que celles des premières harmoniques : 100 Hz, 150 Hz En fait, dans cette bande de fréquence, le mesurage d exposition due à une distribution 220 V concernera prioritairement le champ magnétique à 50 Hz. En effet, il y a prédominance du champ magnétique. Le champ électrique, quant à lui, présente un intérêt moindre, en raison de la relative facilité à respecter ses valeurs limites avec une alimentation en 220 V et aussi par le fait que ses effets sur l organisme sont moins suspects que ceux du champ magnétique. En outre, ce dernier peut être important puisque son intensité est directement liée à la valeur des courants circulant dans les conducteurs d alimentation. Il sera donc utile de relever ce

38 34 courant au moment du mesurage et de pratiquer un mesurage en conditions extrêmes, c est-àdire quand la consommation électrique est la plus importante. Sous les lignes à hautes tensions et près des postes de transformation, les courants et les tensions intenses entraînent la présence de forts champs électriques et magnétiques qu il convient de mesurer. Les champs électriques de fortes intensités, au-dessus de 5 kv/ m peuvent provoquer des risques indirects du fait des réactions humaines associées aux arcs de décharge et aux courants au contact de pièces conductrices non reliées à la terre. Il faut aussi considérer les risques complémentaires liés aux dangers d incendie et d explosion résultant de la présence de matériaux combustibles qui peuvent s enflammer sous l effet d étincelles ou d arcs engendrés par des appareils électriques non protégés. Sous une ligne électrique de 400 kv, le champ électrique atteint typiquement entre 7 et 10 kv / m, au-dessus du sol. Pour le mesurage du champ électrique, on utilisera des appareils autonomes (alimentés sur batterie) mettant en œuvre des capteurs d espace libre en forme de deux demi sphères ou deux plaques en vis à vis (voir Figure 9). La mesure du champ électrique pouvant être influencée par la présence de l opérateur, la sonde devra donc être déportée à l aide d une perche et l affichage dissocié de la captation. [DIPLACIDO J., SHIH CH., WARE BJ., 1978] ont calculé l influence de la distance de l opérateur par rapport au capteur, sous une ligne électrique de 500 kv, à différentes hauteurs de mesurage. On retiendra que lorsque l opérateur est à moins de 1 mètre, la perturbation est supérieure à 10 %. Il faudrait se tenir à plus de 3 mètres pour que cette perturbation soit acceptable! Si l on doit mesurer le champ à proximité du sol ou près de surfaces conductrices au potentiel de la terre, des capteurs de parois peuvent être utilisés. Figure 9 - Mesurage du champ électrique à proximité d un poste de transformation (Cliché Narda Safety Test Solution)

39 35 Pour le mesurage du champ magnétique, on utilisera des appareils du commerce mettant en œuvre des capteurs de champ à bobine(s) ou à effet Hall ou autres. Il est possible d utiliser des capteurs mono-axiaux (à orienter dans le champ) mais on leur préfèrera des capteurs tri axiaux, plus commodes d utilisation. (voir Figure 10) Figure 10 - Mesurage du champ magnétique devant un transformateur (Cliché Narda Safety Test Solutions). On notera que la présence de l opérateur a une influence négligeable sur les mesures (la perméabilité de l homme est égale à la perméabilité du vide µo). En conséquence, il n est pas nécessaire de déporter l affichage. Par contre des objets ferreux et des grandes structures métalliques même non ferreuses perturbent le champ magnétique et donc son mesurage. En outre, si le champ est complexe et présente des harmoniques, on devra en tenir compte, soit en utilisant un appareil adapté, soit en travaillant à bande étroite afin de mesurer séparément chaque raie du spectre. Lorsque des capteurs à bobines sont utilisés, une surface de bobine de 100 cm² sera préférée afin de se conformer aux spécifications des normes. Mais des boucles de petites dimensions seront parfois mises en œuvre pour une détermination ponctuelle du champ. En toutes circonstances, la surface de boucle utilisée doit être consignée dans le rapport de mesures. La figure 11 montre le mesurage de l induction magnétique à proximité d un four à induction (voir Figure 11).

40 36 Figure 11 - Mesurage du champ magnétique à proximité d un four d induction. (Cliché Narda Safety Test Solutions). 6.7 Mesurage dans le domaine RF et Hyperfréquences La plupart des appareils mettent en œuvre des capteurs isotropes qui offrent la possibilité d afficher les 3 composantes spatiales et le champ résultant (voir Figure 12). Figure 12 - Appareil de mesure à capteur isotrope (Cliché EM Test)

41 37 Le mesurage dans ce domaine requiert de considérer deux paramètres principaux : - la distance entre la source émissive et la zone de mesurage, afin de déterminer si l on se trouve dans la zone de Fraunhoffer ou celle de Fresnel. - la nature de la source émissive, à savoir : est-elle de nature à prédominance magnétique (exemple d un four d induction ou d une boucle d émission) ou plutôt électrique (exemple d une presse à effet diélectrique ou d une antenne)? A grande distance de la source donc en zone de Fraunhoffer, c est-à-dire au-delà de 1,6 fois la longueur d onde, les composantes réactives de champs sont quasiment nulles et il ne subsiste généralement que les composantes rayonnées quelle que soit la nature de l émission. Les conditions d onde plane s appliquent et les formules de simplification basées sur l impédance du vide Zo = 377 Ω sont opérantes avec une précision acceptable. Le mesurage d une grandeur permet facilement de passer aux deux autres suivant le tableau 11 ci-dessous avec les relations suivantes : E = H. Zo et S = E. H = Zo. H² Avec E en V / m, H en A / m et S en W / m² E (V / m) H (A / m ) S (W / m²) S (W / cm ²) 1 0,0027 0,0027 0, ,77 0,01 0,0377 0, ,0265 0,265 0, ,42 0, ,1 37,70 0,1 3,77 0,377 61,40 0, ,265 26,53 2, ,2 0, , , , , Tableau 11 - Correspondances entre E, H et S en ondes planes (en conditions de champs lointains).

42 38 A faible distance de la source, le mesurage doit considérer toutes les grandeurs (E, H et S) car les formules de simplification précédentes sont inappropriées. Si la source est de nature électrique (par exemple une presse HF), le champ électrique sera prédominant entraînant une impédance d onde élevée et variable dans le temps au point de mesurage [LALIBERTE, 1998]. Au contraire, si la source est de nature magnétique (par exemple un four d induction), le champ magnétique sera prééminent et l impédance d onde faible et instable. Dans ces deux cas, il est impératif de mesurer séparément le champ électrique et le champ magnétique pour une meilleure détermination de l exposition. Les figures ci-dessous (Figures 13, 14, 15 et 16) illustrent le mesurage autour de sites particuliers. Figure 13 - Mesurage de l induction magnétique à proximité d une électroéroseuse. (Cliché Narda Safety test Solutions) Figure 14 - Mesurage de l induction magnétique à proximité d une soudeuse. (Cliché Narda Safety Test Solutions)

43 39 Figure 15 - Mesurage du champ électrique sur un pylône de télécommunication (Cliché Narda Safety Test Solutions). Figure 16 - Mesurage du champ électrique dans la proximité immédiate d un radar de navigation d un navire militaire. (Cliché Narda Safety Test Solutions).