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