Электромагнитное излучение при ядерном взрыве и защита радиоэлектронных средств от него

             План:

1. История вопроса                                                                               3
2. Актуальность проблемы                                                                   4
3. Механизм генерации ЭМИ                                                                6
4. Возможные пути решения задачи защиты от ЭМИ                         8
5. Использование имитаторов ЭМИ для набора

экспериментальных данных                                                             17

6. Вывод                                                                                                18
7. Список использованной литературы                                              19

История вопроса

     Для того чтобы понять всю сложность проблем угрозы электромагнитного излучения (ЭМИ) и мер по защите от нее, необходимо кратко рассмотреть историю изучения этого физического явления и современное состояние знаний в этой области. То, что ядерный взрыв будет обязательно сопровождаться электромагнитным излучением, было ясно физикам-теоретикам еще до первого испытания ядерного устройства в 1945 году (см. рис.1). Во время проводившихся в конце 50-х - начале 60-х годов ядерных взрывов в атмосфере и космическом пространстве наличие ЭМИ было уже зафиксировано экспериментально. Однако количественные характеристики импульса измерялись в недостаточной степени. Во-первых, потому что отсутствовала контрольно-измерительная аппаратура, способная регистрировать чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, существующее чрезвычайно короткое время (миллионные доли секунды), во-вторых, потому что в те годы в радиоэлектронной аппаратуре использовались исключительно электровакуумные приборы, которые мало подвержены воздействию ЭМИ, что снижало интерес к его изучению. Создание полупроводниковых приборов, а затем интегральных схем, особенно устройств цифровой техники на их основе, и широкое внедрение средств в радиоэлектронную аппаратуру заставили военных специалистов по иному оценить угрозу ЭМИ. С 1970 года вопросы защиты оружия и военной техники от ЭМИ стали рассматриваться как имеющие высшую приоритетность.  

Рис.1 Фотография наземного термоядерного взрыва

Актуальность  проблемы

     Всё больше звучит предостережений о том, что в ближайшее время терроризм может вполне стать ядерным. А при ядерном взрыве, как уже говорилось, возникает электромагнитный импульс огромной мощности, выводящий из строя электронное оборудование на расстоянии десятков километров. Т.е. все современное вооружение (кроме, конечно, автоматов Калашникова) в этой зоне превращается в хлам. Правильнее будет сказать — в хлам превращается вся их высокотехнологичная электронная начинка. Теперь оставим в стороне сам ядерный взрыв, и вместо военной техники вообразим обычный многоэтажный дом, школу, больницу. Воздействие электромагнитного терроризма заключается как раз в том, что создается мощный электронный импульс, влияющий на уязвимые элементы электронной аппаратуры разнообразного назначения (от домашних компьютеров до закрытых систем связи) с целью выведения ее из строя.

     Наша  городская инфраструктура особенно уязвима: ни для кого не секрет, что ЖКХ старается экономить буквально на всем. Если в некоторых домах по нескольку месяцев, а то и лет не работает обычный лифт, то что уж говорить об экранированных электрических кабелях, резервной системы водоснабжения или других высокотехнологичных прибамбасах. Спрятать в многомиллионном городе имитатор ЭМИ запрограммированный на срабатывание в определенное время и размером с телевизор проще простого. Возможность дистанционного срабатывания исключает необходимость ручной регулировки на месте и нахождения вблизи него оператора. Радиус поражения такой «бомбы» может составлять десятки километров и, следовательно, ее размещение в непосредственной близости от главной цели не требуется.  Кроме того, многочисленные отражения и интерференции ЭМ волны от металлических каркасов и железобетонных конструкций зданий, в сложившейся обстановке, делает невозможным быстрое определение спецслужбами источника излучения (по амплитуде сигнала). Такая пауза делает возможным эвакуацию имитатора ЭМИ – возможно, единственной «ниточки» ведущей к организаторам теракта. В отличие от ядерного, химического и биологического терроризма электромагнитное воздействие не оставляет следов, не требует от террористов защиты и маскировки, может осуществляться по большому числу целей, дистанционно и с использованием мобильных средств. Последствия электромагнитного терроризма по своим масштабам могут превзойти любые другие способы запугивания общества и, возможно, приведут к полной дезорганизации систем жизнеобеспечения городского района, населенного пункта или крупного промышленного центра.

     Таким образом получается, что крупные  города и промышленные центры являются лучшими мишенями для электромагнитного  терроризма, чем что-либо другое: ведь город не производит продуктов, постоянно требует и электроэнергию, и топливо, плюс непрерывная поставка воды, обслуживание водоотведения. Отсутствие электричества и топлива приведет к остановке накачивающей гидросистемы, продукты будут портиться, исчезнет водопровод. По данным канала  Discovery science (передача Future weapons) мобильные имитаторы ЭМИ обладают  достаточной мощностью для вывода из строя электростартера в современных автомобилях (не считая прочей электроники), т.о. на ходу могут остаться только самые старые модели (с ручным стартером).  К счастью, у террористов подобного рода оружия нет. Во всяком случае, пока…

      Кроме того, из материалов, опубликованных сайтом Vikki Leaks следует, что несмотря на все заверения о дружеских взаимоотношениях США все еще не доверяют ни России, ни странам СНГ, считая их потенциальными противниками. Все это делает проблему защиты от поражающих факторов ядерного взрыва, в том числе и ЭМИ, высокоприоритетной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Механизм  генерации ЭМИ

     Механизм генерации ЭМИ заключается в следующем: при ядерном взрыве возникают гамма и рентгеновское излучения, и образуется поток нейтронов. Гамма-излучение, взаимодействуя с атомами и молекулами атмосферных газов, выбивает из них так называемые комптоновские электроны. Если взрыв осуществляется на высоте 20-40 км., то эти электроны захватываются магнитным полем Земли и, вращаясь относительно силовых линий этого поля, создают токи, генерирующие ЭМИ. При этом поле ЭМИ когерентно суммируется по направлению к земной поверхности, т.е. магнитное поле Земли выполняет роль подобную фазированной антенной решетки. В результате этого резко увеличивается напряженность поля, а следовательно, и амплитуда ЭМИ в районах южнее и севернее эпицентра взрыва. Продолжительность данного процесса с момента взрыва от 1 до 100 нс.

     На  следующей стадии, длящейся примерно от 1 мкс до 1 с, ЭМИ создается комптоновскими электронами, выбитыми из молекул многократно  отраженным гамма-излучением и за счет неупругого соударения этих электронов с потоком испускаемых при взрыве нейтронов. Интенсивность ЭМИ при этом оказывается примерно на три порядка ниже, чем на первой стадии.

     На  конечной стадии, занимающей период времени  после взрыва от 1 секунды до нескольких минут, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии невелика и составляет несколько десятков вольт на километр.

     Наибольшую  опасность для радиоэлектронных средств представляет первая стадия генерирования ЭМИ, на которой в соответствии с законом электромагнитной индукции из-за чрезвычайно быстрого нарастания амплитуды импульса (максимум достигается через 3-5 нс после взрыва) наведенное напряжение может достигать десятков киловольт на метр на уровне земной поверхности, плавно снижаясь по мере удаления от эпицентра взрыва. Амплитуда напряжения, наводимого ЭМИ в проводниках, пропорциональна длине проводника, находящегося в его поле, и зависит от его ориентации относительно вектора напряженности электрического поля. Так, напряженность поля ЭМИ в высоковольтных линиях электропередачи может достигать 50 кВ/м, что приведет к появлению в них токов силой до 12 тыс. ампер.

     ЭМИ генерируются и при других видах  ядерных взрывов - воздушном и наземном. Теоретически установлено, что в этих случаях его интенсивность зависит от степени асимметричности пространственных параметров взрыва. Поэтому воздушный взрыв с точки зрения генерации ЭМИ наименее эффективен. ЭМИ наземного взрыва будет иметь высокую интенсивность, однако она быстро уменьшается по мере удаления от эпицентра.

     Механизм  возникновения ядерного взрыва  кратко представлен на рис. 2 

               Рис.2 Механизм возникновения ядерного взрыва. 1 – баллистический обтекатель,                 2- синхронизующее устройство, 3 – взрывчатое вещество, 4 – электрический запал, 5 – оболочка из U238, 6 – ядерное взрывчатое вещество (U235, или Pu239), 7 – область цепной атомной реакции, 8 – ключевой элемент к созданию цепной реакции – одновременный подрыв взрывчатого вещества вокруг ядра из U235, или Pu239. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Возможные пути решения задачи защиты от ЭМИ

      Конечно, лучший способ защиты от ЭМИ – это  не попадать в зону поражения подобного  рода оружия. Эта задача решается административными  методами: необходимо разметить важнейшие здания, сооружения, линии связи, технику, и т.п. таким образом, чтобы в случае ядерного удара или применения имитатора ЭМИ хотя бы одна  дублирующая система осталась неповрежденной. Решение задачи защиты от ЭМИ подобным способом является наиболее эффективным, но и достаточно сложным. Т.к.  это достаточно большая тема, претендующая на отдельное исследование, в данной  работе она не будет детально рассмотрена.  

Импульсное  электрическое поле и пути защиты от него

  Работе электронных систем будет мешать импульс электрического поля. Импульсное  напряжение наиболее легко возникает в высокоомных неэкранированных, несимметричных  электрических цепях. В результате импульс тока или напряжения проникает в систему и вызывает повреждения, степень которых зависит от чувствительности составляющих систему узлов. Защищаться от них можно или путем местного экранирования, или путем использования шунтирующих цепей (типа громоотвода).  Эффективным и при этом легко осуществимым средством защиты является местное экранирование. Роль электрических экранов одновременно выполняют и магнитные экраны, если они, конечно, применяются. Однако, в отличие от магнитного поля, электрическое поле в земле существенно зависит от удельного сопротивления земли вблизи сооружения, т.к. экранирование достигается применением металлического ограждения. Американским ученым Зундом было теоретически вычислено соотношение между величинами магнитного и электрического экранирования для подземных конструкций со сплошным экраном. Полученные результаты представлены в таблице 1.   

Таб.1 соотношение между величинами магнитного и электрического экранирования для подземных конструкций со сплошным экраном 
 
 
 

Импульс магнитного поля и пути защиты от него

   Другим  эффектом ЭМИ  является импульс магнитного поля, величина которого может быть весьма значительна. Когда такой импульс проходит через узел связи или вычислительный центр некоторые виды магнитной памяти окажутся повреждены или уничтожены (стоит напомнить, что большинство современных записывающих устройств – CD-, DVD-диски, жесткие диски персональных компьютеров, модули энергонезависимой памяти, в народе называемых просто - «флэшки», и многое другое имеют именно магнитных способ записи). На сегодняшний день существует три способа магнитного экранирования:

1. шунтирование магнитного потока
2. отражение магнитного потока
3. поглощение магнитного потока

   Шунтирование  потока практически применимо только для небольших устройств, которые  могут быть полностью заключены  в магнитный экран достаточной  толщины, обеспечивающий малое сопротивление  магнитному потоку по сравнению с  сопротивлением пути, через защищаемое устройство. Экран не должен насыщаться при  ожидаемых уровнях потока. Тонкий хорошо проводящий экран (например, медная или, для особо ценных устройств, позолоченная экранирующая пластинка, толщиной в 0,25мм) внутри которого заключено защищаемое устройство, функционирует прежде всего за счет отражения. Этот процесс наглядно можно представить следующим образом: внешнее поле беспрепятственно пронизывает экран, при этом в экране индуцируется электрические токи, магнитное поле которых нейтрализует первичное поле. Т.к. индукция является функцией от частоты переменного тока, то эффективность экранирования таким способом понижается как с уменьшением частоты, так и с увеличением сопротивления экрана (именно поэтому для экранирования применяют хорошо проводящие материалы). Толстый проводящий экран вокруг защищаемого устройства обеспечивает экранирование одновременно как за счет отражения, так и за счет поглощения.

   Поглощение  представляет собой потери энергии при прохождении волны сквозь толщу материала и обычно составляет 8,68 дб на каждую эквивалентную глубину проникновения. Для трех наиболее распространенных материалов формула затухания поля за счет потерь, в децибелах, записана в таблице 2. 
 
 
 

                 Таб. 2 формулы коэффициента затухания в различных средах 
 

где t – толщина материала в милах (1 мил – тысячная доля дюйма = 0,00254 м), а                    f - частота в Гц. 
 

     Экранирование может быть и многослойным (композитным): например внешняя часть экранирующего контура покрыта тонким слоем меди – для обеспечения высокого уровня отражения, а внутренняя – относительно толстым стальным листом – для наилучшего поглощения. Возможно также экранирование с применением катушек из высокопроводящих материалов с большим числом витков вокруг всего сооружения. В таком способе экранирования применяется эффект отражения.

     Третий  способ экранирования имеет наибольший интерес т.к. является наиболее практичным для экранирования сооружений, сделанных  из железобетона. Он заключается в  том, что стержни арматуры таких сооружений могут быть соединены электрически в виде замкнутых витков, что при определенных условиях обеспечивает приемлемую степень экранирования. Такую возможность не следует упускать на ранних стадиях проектирования спецсооружений. Еще одной разновидностью данного метода является использование медной сетки на внешней стороне здания. Для наилучшего экранирования стыков между листами или отдельными стержнями сопротивление должно быть малым, по сравнением с полным сопротивлением витка, образуемого стержнем или полоской листов. В том случае, когда сварка арматурной решетки не обеспечивает отвечающей предъявляемым  требованиям степени экранирования, предпочтение следует отдать применению стального листа.

       При размещении металлического  экрана на внешней стороне здания не следует упускать из вида вопросы защиты от коррозии. Применением тонкого покрытия из меди можно снять ряд трудностей. Медная лента в рулонах шириной 1,5 метра удобна в обращении, легко паяется. Возможно также применения электролитического осаждения  меди, которое столь же эффективно, но гораздо дешевле, чем применение рулонной меди.

     Применяя  последние разработки в области  науки и техники можно существенно повысить уровень экранирования оборудования. Например, применяя недавно открытый материал ГРАФЕН, обладающий минимальным сопротивлением и, следовательно, высочайшей проводимостью, можно существенно увеличить экранирующую способность. Кроме того, нанеся всего несколько слоев такого материала, можно добиться экранного эффекта, сопоставимого с несколькими миллиметрами стали, а значит существенно уменьшить вес всего оборудования. 

     Еще одна возможность добиться высокой  степени экранирования при минимальных  затратах заключается в том, чтобы  вместо экранирования сплошным слоем меди сделать экран в виде ячеек или сот, хотя такая конструкция и более сложна. Как правило, отверстия в экранах ухудшают его свойства. Однако, если длина волны велика по сравнению с размерами экранируемого объекта, обычные отверстия не сильно влияют на возможность экранирования. Когда роль экрана выполняют арматурные стержни, они не должны в электрическом отношении обрываться около отверстий, а должны быть соединены между собой по периметру отверстия для создания вокруг него замкнутого электрического контура. Формулы для расчета коэффициента экранирования и графики применительно к большим конструкциям для частот свыше 100 кГц были получены Зундом и проверены путем измерений с четырьмя типами экранов, образующих куб со сторонами 2,4х2,4х2,4 м. Результаты измерений представлены на графике 1. Испытываемая конструкция помещалась в центре витка с током, размеры которого в      10 раз превышали эквивалентный диаметр испытываемой конструкции.

     Измерение коэффициента экранирования производились  путем сравнения поля внутри экрана с полем внутри витка при отсутствии экрана. Подобные измерения с использованием радиостанции, работавшей на частоте 13 кГц, подтвердили, что такая методика испытания дает те же самые результаты, что и испытания в поле удаленного источника (соотношения расстояния до источника к размерам объекта – 10:1). 
 
 
 
 
 

     0                          0,1                  0,5                  1,0               10                50      Частота, кГц

Граф. 1 График затухания экранирования ЭМП в экране размером 2,4 х 2,4 х 2,4 м, изготовленном: из арматурных стержней со сварными узлами диаметром 25мм при расстоянии 41 см между центрами стержней (1); стальных ячеек размером 13 х 13 мм с диаметром провода   2 мм и пропаянными узлами (2); медных ячеек размером 13 х 13 мм при диаметре провода 1,5 мм с пропаянными узлами (3); медного листа толщиной 0,25 мм с точечной сваркой через 15 см (4)        
 

Проникновение токов в кабели и пути защиты от них

   Магистральные подземные кабели связи должны быть рассчитаны на определенный уровень механического действия, определяемый вероятностью повреждения  кабеля близким взрывом. Исходя из этой величины и принимая во внимание соотношение между током ЭМИ в грунте и избыточным давлением во фронте ударной волны, можно оценить токи, которые возникнут в оболочке подземного кабеля. Также, кроме ядерного взрыва, подземные кабели должны быть рассчитаны и на более вероятные повреждения – близкие удары молний, которые вызывают много схожих эффект:

1. Механическое повреждение оболочки кабеля. Т.о., ЭМИ проникает в кабель не в одной точке, а сквозь поверхность больших размеров.
2. Ток, протекающий по кабелю, образует перепад напряжения между оболочкой и жилами, которое примерно равно I*R – падению напряжения вдоль оболочки.
3. Напряжение, возникающее т.о., если оно достаточно велико, может пробить изоляцию кабеля.    

   ЭМИ не вызывает повреждения оболочки кабеля, но тем не менее в системах высокой  надежности (например, правительственные  линии связи) возможность таких  повреждений  должна  учитываться. Чаще всего разрыв оболочки наблюдается в кабелях, содержащих коаксиальные пары с воздушным диэлектриком. Вероятность и степень такого поражения можно уменьшить, если в земле с каждой стороны кабеля и над ним проложить экранирующие провода или тросы. Для защиты оболочки от проникновения влаги на нее надеваются сплошной пластмассовый чехол. Применение экранирующих тросов и улучшение изоляции между жилами и оболочкой способствует снижению величины напряжения и, следовательно, потенциально возможных повреждений.

   Как и линии связи, линии электропередач, должны быть рассчитаны на сохранение работоспособности после ядерного взрыва. В этом случае для выработки  требований по защите от ЭМИ необходимо исходить из предельно допустимого  избыточного давления во фронте ударной волны.    

Другие  способы защиты радиоэлектронного  оборудования

     Применяя  ламповые электронные приборы как главные детали РЭО, можно достичь его относительной невосприимчивости к ЭМ составляющей ЯВ, однако ряд негативных характеристик, таких как высокая стоимость,  большие размеры, большая потребляемая мощность и меньшее быстродействие ставят крест на этой идее. Идеальной защитой от ЭМИ явилось бы полное укрытие помещения, в котором размещена радиоэлектронная аппаратура, металлическим экраном. Вместе с тем ясно, что практически обеспечить такую защиту в ряде случаев невозможно, т.к. для работы аппаратуры часто требуется обеспечить ее электрическую связь с внешними устройствами. Поэтому используются менее надежные средства защиты, такие, как токопроводящие сетки или пленочные покрытия для окон, сотовые металлические конструкции для воздухозаборников и вентиляционных отверстий и контактные пружинные прокладки, размещаемые по периметру дверей и люков.

     Более сложной технической проблемой считается защита от проникновения ЭМИ в аппаратуру через различные кабельные вводы. Радикальным решением данной проблемы мог бы стать переход от электрических сетей связи к практически не подверженным воздействию ЭМИ оптоволоконным. Однако замена полупроводниковых приборов во всем спектре выполняемых ими функций электронно-оптическими устройствами возможно только в отдаленном будущем. Поэтому в настоящее время в качестве средств защиты кабельных вводов наиболее широко используются фильтры, в том числе волоконные, а также искровые разрядники, металлоокисные варисторы и высокоскоростные зенеровские диоды. Все эти средства имеют как преимущества, так и недостатки. Так, емкостно-индуктивные фильтры достаточно эффективны для защиты от ЭМИ малой интенсивности, а волоконные фильтры защищают в относительно узком диапазоне сверхвысоких частот. Искровые разрядники обладают значительной инерционностью и в основном пригодны для защиты от перегрузок, возникающих под воздействием напряжений и токов, наводимых в обшивке самолета, кожухе аппаратуры или оплетке кабеля.

     Металлоокисные  варисторы, представляют собой полупроводниковые  приборы, резко повышающие свою проводимость при высоком напряжении. Однако, при применении этих приборов в качестве средств защиты от ЭМИ следует учитывать их недостаточно высокое быстродействие и ухудшение характеристик при неоднократном воздействии нагрузок. Эти недостатки отсутствуют у высокоскоростных зенеровских диодов, действие которых основано на резком лавинообразном изменении сопротивления от относительно высокого значения практически до нуля при превышении приложенного к ним напряжения определенной пороговой величины. Кроме того, в отличие от варисторов характеристики зенеровских диодов после многократных воздействий высоких напряжений и переключений режимов не ухудшаются.

     Наиболее  рациональным подходом к проектированию средств защиты от ЭМИ кабельных  вводов является создание таких разъемов, в конструкции которых предусмотрены  специальные меры, обеспечивающие формирование элементов фильтров и установку встроенных зенеровских диодов. Подобное решение способствует получению очень малых значений емкости и индуктивности, что необходимо для обеспечения защиты от импульсов, которые имеют незначительную длительность и, следовательно, мощную высокочастотную составляющую. Использование разъемов подобной конструкции позволит решить проблему ограничения массогабаритных характеристик устройства защиты.

     Сложность решения задачи защиты от ЭМИ и  высокая стоимость разработанных  для этих целей средств и методов заставляют пойти на первых парах по пути их выборочного применения в особо важных системах оружия и военной техники. Первыми целенаправленными работами в данном направлении были программы защиты от ЭМИ стратегического оружия. Такой же путь избран и для защиты имеющих большую протяженность систем управления и связи. Однако основным методом решения данной проблемы зарубежные специалисты считают создание так называемых распределенных сетей связи (типа "Гвен"), первые элементы которых уже развернуты на континентальной части США.

Другие  защитные мероприятия

      В том случае, когда экранирование  железобетонного сооружения достигается  применением листового электропроводящего материала, то сваривать арматурные стержни с целью экранирования  не требуется. Однако, для устранения разностей потенциалов внутри стен любые подсоединения к экрану, по которым могут протекать большие токи, должны выполняться путем одновременного подключения как к листу, так и к арматурным стержням. Внутренние соединения между листом и стержнями целесообразно делать во всех местах, где это удобно в конструкторском отношении. Любое подсоединение к тонкому листу должно иметь площадь контакта, способную обеспечить протекания такого же тока, что и подключаемый соединительный провод.

      Все вводимые в здание трубы, трубопроводы, волноводы, и.п., которые могут быть непосредственно подключены к экрану сооружения, должны быть подключены к нему в точке ввода независимо от того, изолирована или не изолирована линия в другом месте. Если же нет технических возможностей подключить входящую линию непосредственно к экрану, то его можно подключить через мощный искровой разрядник.