Електричний імпульс ядерного вибуху. Електромагнітний імпульс: поняття, опис, захист

Можна виділити основні шляхи розробки таких виробів:

Генератори зі стиском потоку за допомогою вибухівки (explosively pumped Flux Compression Generators), або FC-генератори- пристрої одноразової дії, що працюють на хімічних ВР. Основу найбільш опрацьованого коаксиального генератора ЕМІ становить мідна труба, заповнена однорідним високоенергетичним ВР. Вона являє собою якір, навколо якого із зазором встановлений статор - секціонована низько-омна обмотка, яка, у свою чергу, змонтована в міцній трубі з діелектрика, часто зі склокомпозиту. Стартовий струмовий імпульс забезпечується конденсаторним блоком чи FC-генератором мінімальної потужності. ВР ініціюється в момент, коли стартовий струм досягає пікового значення, причому підривник розміщений так, що фронт ініціювання поширюється ВВ вздовж труби-якоря, деформуючи його конус.

Там, де якір сягає статора, відбувається коротке замикання між полюсами статорної обмотки. Коротке замикання, що розповсюджується вздовж труби, створює ефект стиснення магнітного поля: генератор виробляє імпульс наростаючого струму, пікове значення якого досягається перед остаточним руйнуванням конструкції. Час наростання струму становить сотні мікросекунд при пікових струмах замикання в десятки мегаампер та пікової потужності поля в десятки МВт. Ще в 1970-і роки в Лос-Аламоській національній лабораторії було досягнуто коефіцієнт посилення FC-генератора (ставлення вихідного струму до стартового) рівний 60, що забезпечувало створення багатокаскадного надпотужного пристрою. Проблема його компанування в БП спрощується коаксіальною конструкцією.

Хоча самі FC-генератори є потенційною технологічною базою для генерації потужних електричних імпульсів, їхня вихідна частота внаслідок фізики процесу не перевищує 1 МГц. При таких частотах багато цілей буде важко атакувати навіть з дуже високими рівнями енергії, більше того, фокусування енергії від таких пристроїв буде проблематичним.

Електромагнітний імпульс (ЕМІ) - це природне явище, викликане різким прискоренням частинок (в основному, електронів), що призводить до виникнення інтенсивного сплеску електромагнітної енергії. Повсякденними прикладами ЕМІ можуть бути такі явища: блискавка, системи запалювання двигунів внутрішнього згоряння і сонячні спалахи. Незважаючи на те, що електромагнітний імпульс здатний вивести з ладу електронні пристрої, цю технологію можна застосувати для цілеспрямованого та безпечного відключення електронних пристроїв або для безпеки персональних і конфіденційних даних.

Кроки

Створення елементарного електромагнітного випромінювача

Зберіть потрібні матеріали.Для створення найпростішого електромагнітного випромінювача вам знадобиться одноразовий фотоапарат, мідний дріт, гумові рукавички, припій, паяльник та залізний прут. Всі ці предмети можна придбати у найближчому будівельному магазині.

• Чим товстіший дріт ви візьмете для експерименту, тим потужнішим вийде підсумковий випромінювач.
• Якщо ви не зможете знайти залізний прут, можете замінити його стрижнем із неметалічного матеріалу. Однак зверніть увагу, що подібна заміна негативно позначиться на потужності імпульсу, що виробляється.
• Під час роботи з електричними деталями, здатними утримувати заряд, або при пропусканні електричного струму через об'єкт, ми настійно рекомендуємо одягати гумові рукавички, щоб уникнути можливого електричного удару.

1. Зберіть електромагнітну котушку.Електромагнітна котушка - це пристрій, який складається з двох окремих, але в той же час взаємопов'язаних деталей: провідника та сердечника. В даному випадку як осердя буде виступати залізний прут, а як провідник - мідний дріт.

   Припаяйте кінці електромагнітної котушки до конденсатора.Конденсатор зазвичай має вигляд циліндра з двома контактами, а знайти його можна на будь-якій монтажній платі. В одноразовому фотоапараті такий конденсатор відповідає за спалах. Перед відпоюванням конденсатора обов'язково витягніть батарейку з фотоапарата, інакше вас може вдарити струмом.

   Знайдіть безпечне місце для тестування електромагнітного випромінювача.Залежно від задіяних матеріалів, ефективний радіус дії вашого ЕМІ складатиме приблизно один метр у будь-якому напрямку. Як би там не було, будь-яку електроніку, яка потрапила під ЕМІ, буде знищено.

   • Не забувайте, що ЕМІ впливає на всі без винятку пристрою в радіусі поразки, починаючи від апаратів життєзабезпечення, як кардіостимулятори, і закінчуючи мобільними телефонами. Будь-які збитки, завдані цим пристроєм за допомогою ЕМІ, можуть призвести до юридичних наслідків.
   • Заземлений майданчик, подібний до пня або пластмасового столу, є ідеальною поверхнею для тестування електромагнітного випромінювача.

2. Знайдіть відповідний об'єкт для випробувань.Оскільки електромагнітне поле впливає лише на електроніку, подумайте про придбання якогось недорогого пристрою у найближчому магазині електроніки. Експеримент можна вважати успішним, якщо після активації ЕМІ електронний пристрій перестане працювати.

   • Багато магазинів канцелярських товарів торгують досить недорогими електронними калькуляторами, за допомогою яких ви можете перевірити ефективність створеного випромінювача.

3. Вставте батарею назад у камеру.Для відновлення заряду необхідно пропустити через конденсатор електрику, яка згодом забезпечить електромагнітну котушку струмом і створить електромагнітний імпульс. Помістіть об'єкт для випробувань якомога ближче до ЕМ випромінювача.

   Дайте зарядитися конденсатору.Дозвольте батареї знову зарядити конденсатор, від'єднавши його від електромагнітної котушки, потім вже в гумових рукавичках або пластиковими щипцями знову з'єднайте. Працюючи голими руками, ви ризикуєте отримати удар струмом.

   Увімкніть конденсатор.Активація спалаху на камері звільнить накопичену в конденсаторі електроенергію, яка при проходженні через котушку створить електромагнітний імпульс.

   Створення портативного пристрою ЕМ-випромінювання

   1. Зберіть все потрібне.Створення портативного пристрою ЕМІ пройде гладкіше, якщо при собі у вас будуть всі необхідні інструменти та компоненти. Вам знадобляться такі предмети:

      Витягніть монтажну плату з камери.Усередині одноразового фотоапарата знаходиться монтажна плата, яка відповідає за його функціонал. Для початку витягніть батарейки, а потім вже й саму плату, не забувши при цьому відзначити положення конденсатора.

      • Працюючи з фотоапаратом та конденсатором у гумових рукавичках, ви тим самим убезпечите себе від можливого електричного удару.
      • Конденсатори зазвичай мають вигляд циліндра з двома контактами, прикріпленими до плати. Це одна з найважливіших деталей майбутнього устрою ЕМІ.
      • Після того, як ви витягнете батарейку, клацніть кілька разів фотоапаратом, щоб витратити накопичений заряд у конденсаторі. Через накопичений заряд вас у будь-який момент може вдарити струмом.

   2. Обмотайте мідний дріт навколо залізного осердя.Візьміть достатню кількість мідного дроту, щоб витки, що рівномірно йдуть, могли повністю покрити залізний сердечник. Також переконайтеся, щоб витки щільно прилягали один до одного, інакше це негативно позначиться на потужності ЕМІ.

      • Залишіть невелику кількість дроту на краях обмотки. Вони потрібні, щоб приєднати до котушки решту пристрою.

   3. Нанесіть ізоляцію на радіоантену.Радіоантена послужить як рукоятка, на якій будуть закріплені котушка та плата від фотоапарата. Оберніть основу антени ізолентою, щоб уберегтися від удару струмом.

      Закріпіть плату на щільному шматку картону.Картон послужить ще одним шаром ізоляції, який убереже вас від неприємного електричного розряду. Візьміть плату і закріпіть ізолентою її на картоні, але так, щоб вона не закривала доріжки електропровідного ланцюга.

      • Закріпіть плату лицьовою стороною вгору, щоб конденсатор та його провідні доріжки не контактували з картоном.
      • На картонній підкладці для друкованої плати також має бути достатньо місця для батарейного відсіку.

   4. Закріпіть електромагнітну котушку на кінці радіоантени.Оскільки для створення ЕМІ електричний струм повинен пройти через котушку, непогано додати другий шар ізоляції, помістивши невеликий шматочок картону між котушкою і антеною. Візьміть ізоленту та закріпіть котушку на шматку картону.

      Припаяйте джерело живлення.Знайдіть на платі роз'єм для батарейки та з'єднайте їх з відповідними контактами батарейного відсіку. Після цього можете закріпити всю цю справу ізолентою на вільній ділянці картонки.

      Підключіть котушку до конденсатора.Необхідно припаяти краї мідного дроту до електродів вашого конденсатора. Між конденсатором і електромагнітною котушкою також слід встановити перемикач, який керував би потоком електроенергії між цими двома компонентами.

ТЕМА: ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ Імпульс ядерного вибуху

І ЗАХИСТ ВІД НЬОГО РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ.

З Д І Р Ж А Н І Є

1. Несмертельна зброя.

11. ПОГЛЯДИ КЕРІВНИЦТВА США й НАТО НА ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕК

ТРОМАГНІТНОГО Імпульсу у військових цілях.

111. ІСТОРІЯ ПИТАННЯ ТА СУЧАСНИЙ СТАН ЗНАНЬ У

ОБЛАСТІ ЕМІ.

1У. ВИКОРИСТАННЯ ІМІТАТОРІВ ЕМІ ДЛЯ НАБОРУ ЕКСПЕРИМЕН

ТАЛЬНИХ ЗНАНЬ.

1. Несмертельна зброя.

Військово-політичне керівництво США, не відмовляючись від використання насильства як одного з головних інструментів досягнення своїх цілей, здійснює пошук нових способів ведення бойових дій та створює для них засоби, що повною мірою враховують реалії сучасності.

На початку 90-х років у США почала зароджуватися концепція, згідно з якою збройні сили країни повинні мати не лише ядерні та звичайні озброєння, а й спеціальні засоби, які забезпечують ефективну участь у локальних конфліктах без заподіяння супротивнику зайвих втрат у живій силі та матеріальних цінностях.

До цієї спеціальної зброї американські військові фахівці насамперед відносять: засоби створення електромагнітного імпульсу (ЕМІ); генератори інфразвуку; хімічні склади та біологічні рецептури, здатні змінювати структуру базових матеріалів основних елементів бойової техніки; речовини, які виводять з ладу мастило та гумові вироби, викликають загусання пального; лазери.

В даний час основні роботи з розвитку технологій зброї несмертельної дії (ОНСД) проводяться в управлінні перспективних досліджень міністерства оборони, Ліверморській та Лос-Аламоській лабораторіях міністерства енергетики, центрі розробок озброєння міністерства армії тощо. Найбільш близькі до використання на різні типи лазерів для засліплення особового складу, хімічні засоби для його знерухомлення, генератори ЕМІ, що негативно впливають на роботу електронної техніки.

ЗБРОЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ІМПУЛЬСУ.

Генератори ЕМІ (супер ЕМІ), як показують теоретичні роботи та проведені за кордоном експерименти, можна ефективно використовувати для виведення з ладу електронної та електротехнічної апаратури, для стирання інформації в банках даних та псування ЕОМ.

За допомогою ОНСД на основі генераторів ЕМІ можливе виведення з ладу ЕОМ, ключових радіо та електротехнічних засобів, систем електронного запалення та інших автомобільних агрегатів, підрив чи інактивація мінних полів. Вплив цієї зброї досить вибірково і політично цілком прийнятний, проте потрібна точна доставка його до районів вражаючої мети.

11. ПОГЛЯДИ КЕРІВНИЦТВА США та НАТО НА ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРО

МАГНІТНОГО Імпульсу у військових цілях.

Незважаючи на визнання військово-політичним керівництвом США та НАТО неможливості перемоги в ядерній війні, різні аспекти вражаючої дії ядерної зброї продовжують широко обговорюватися. Так, в одному з сценаріїв початкового періоду ядерної війни, що розглядаються іноземними фахівцями, особливе місце відводиться потенційній можливості виведення з ладу радіоелектронної техніки в результаті впливу на неї ЕМІ. Вважається, що підрив на висоті близько 400 км. лише одного боєприпасу потужністю понад 10 Мт призведе до такого порушення функціонування радіоелектронних засобів у великому районі, за якого

час їх відновлення перевищить допустимі терміни для вжиття заходів у відповідь.

За розрахунками американських експертів, оптимальною точкою підриву ядерного боєприпасу для поразки ЕМІ радіоелектронних засобів майже на всій території США була б точка в космосі з епіцентром у районі географічного центру країни, що у штаті Небраска.

Теоретичні дослідження та результати фізичних експериментів показують, що ЕМІ ядерного вибуху може призвести не тільки до виходу з ладу напівпровідникових електронних пристроїв, а й до руйнування металевих провідників кабелів наземних споруд. Крім того, можливе ураження апаратури ШСЗ, що знаходяться на низьких орбітах.

Для генерації ЕМІ ядерний боєприпас може підриватись у космічному просторі, що не призводить до виникнення ударної хвилі та випадання радіоактивних опадів. Тому в закордонній пресі висловлюються такі думки про "неядерний характер" такого бойового застосування ядерної зброї та про те, що удар з використанням ЕМІ не обов'язково призведе до загальної ядерної війни. Небезпека цих заяв очевидна,т.к. одночасно деякі зарубіжні фахівці не виключають можливість масового ураження за допомогою ЕМІ та живої сили. У всякому разі цілком очевидно, що струми і напруги, що наводяться під впливом ЕМІ в металевих елементах техніки, будуть смертельно небезпечні для особового складу.

111.ІСТОРІЯ ПИТАННЯ І СУЧАСНИЙ СТАН ЗНАНЬ В ОБЛАСТІ ЕМІ.

Для того, щоб зрозуміти всю складність проблем загрози ЕМІ та заходів щодо захисту від неї, необхідно коротко розглянути історію вивчення цього фізичного явища та сучасний стан знань у цій галузі.

Те, що ядерний вибух обов'язково супроводжуватиметься електромагнітним випромінюванням, було зрозуміло фізикам-теоретикам ще до першого випробування ядерного пристрою в 1945 році. Під час тих, хто проводився в

Наприкінці 50-х - початку 60-х років ядерних вибухів в атмосфері і космічному просторі наявність ЕМІ була зафіксована експериментально. , що існує надзвичайно короткий час (мільйонні частки секунду), по-друге, тому що в ті роки в радіоелектронній апаратурі використовувалися виключно електровакуумні прилади, які мало схильні до впливу ЕМІ, що знижувало інтерес до його вивчення.

Створення напівпровідникових приладів, а потім і інтегральних схем, особливо пристроїв цифрової техніки на їх основі, і широке впровадження коштів у радіоелектронну військову апаратуру змусили військових фахівців з іншого оцінити загрозу ЕМІ. З 1970 року питання захисту зброї та військової техніки від ЕМІ стали розглядатися міністерством оборони США як такі, що мають найвищу пріоритетність.

Механізм генерації ЕМІ ось у чому. При ядерному вибуху виникають гамма та рентгенівське випромінювання та утворюється потік нейтронів. Гамма-випромінювання, взаємодіючи з молекулами атмосферних газів, вибиває їх так звані комптонівські електрони. Якщо вибух здійснюється на висоті 20-40 км, то ці електрони захоплюються магнітним полем Землі і, обертаючись щодо силових ліній цього поля, створюють струми, що генерують ЕМІ. У цьому полі ЕМІ когерентно підсумовується до земної поверхні, тобто. магнітне поле Землі виконує роль, подібну до фазованої антеної решітки. В результаті цього різко збільшується напруженість поля, а отже, і амплітуда ЕМІ в районах на південь і на північ від епіцентру вибуху. Тривалість цього процесу з вибуху від 1 - 3 до 100 нс.

На наступній стадії, що триває приблизно від 1 мкс до 1 с, ЕМІ створюється комптонівськими електронами, вибитими з молекул багаторазово відбитим гамма-випромінюванням і за рахунок непружного зіткнення цих електронів з потоком нейтронів, що випускаються при вибуху. Інтенсивність ЕМІ при цьому виявляється приблизно на три порядки нижче, ніж на першій стадії.

На кінцевій стадії, що займає період часу після вибуху від 1 до декількох хвилин, ЕМІ генерується магнитогидродинамическим ефектом, що породжується обуреннями магнітного поля Землі струмопровідною вогненною кулею вибуху. Інтенсивність ЕМІ на цій стадії дуже мала і становить кілька десятків вольт на кілометр.

Найбільшу небезпеку для радіоелектронних засобів становить перша стадія генерування ЕМІ, на якій відповідно до закону електромагнітної індукції через надзвичайно швидке наростання амплітуди імпульсу (максимум досягається на 3 - 5 нс після вибуху) наведена напруга може досягати десятків кіловольт на метр на рівні , плавно знижуючись при віддаленні від епіцентру вибуху.

Амплітуда напруги, що наводиться ЕМІ у провідниках, пропорційна довжині провідника, що знаходиться в його полі, і залежить від його орієнтації щодо вектора напруженості електричного поля.

Так, напруженість поля ЕМІ у високовольтних лініях електропередачі може досягати 50 кВ/м, що призведе до появи в них струмів силою до 12 тис. ампер.

ЕМІ генеруються і за інших видів ядерних вибухів - повітряному та наземному. Теоретично встановлено, що у цих випадках його інтенсивність залежить від ступеня асиметричності просторових параметрів вибуху. Тому повітряний вибух з погляду генерації ЕМІ найменш ефективний. ЕМІ наземного вибуху матиме високу інтенсивність, проте вона швидко зменшується в міру віддалення від епіцентру.

1У. ВИКОРИСТАННЯ ІМІТАТОРІВ ЕМІ ДЛЯ НАБОРУ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ

Оскільки збір експериментальних даних під час проведення підземних ядерних випробувань технічно дуже складний і дорогий, рішення набору даних досягається методами і засобами фізичного моделювання.

Серед капіталістичних країн передові позиції у розробці та

практичного використання імітаторів ЕМІ ядерного вибуху займають США. Подібні імітатори є електрогенераторами зі спеціальними випромінювачами, що створюють електромагнітне поле з параметрами близькими до тих, які характерні для реального ЕМІ. У зону дії випромінювача поміщаються об'єкт, що випробовується, і прилади, що реєструють інтенсивність поля, його частотний спектр і тривалість впливу.

Один із таких імітаторів, розгорнутий на авіабазі ВПС США Кіртленд, призначений для моделювання умов впливу ЕМІ на літак та його апаратуру. Він може використовуватися для випробувань таких великих літальних апаратів як бомбардувальник В-52 або цивільний авіалайнер Боїнг-747.

В даний час створено та діє велика кількість імітаторів ЕМІ для випробувань авіаційної, космічної, корабельної та наземної техніки. Однак вони не повною мірою відтворюють реальні умови впливу ЕМІ ядерного вибуху внаслідок обмежень, що накладаються характеристиками випромінювачів, генераторів та джерел електроживлення на частотний спектр випромінювання, його потужність та швидкість наростання імпульсу. Разом з тим, і при цих обмеженнях вдається отримати досить повні та надійні дані про появу несправностей у напівпровідникових приладах, збою у їх функціонуванні тощо, а також ефективність дії різних захисних пристроїв. Крім того, такі випробування дозволили дати кількісну оцінку небезпеки різних шляхів дії ЕМІ на радіоелектронну техніку.

Теорія електромагнітного поля показує, що такими шляхами для наземної техніки є насамперед різні антенні пристрої та кабельні вводи системи електроживлення, а для авіаційної та космічної техніки - антени, а також струми, що наводяться в обшивці, та випромінювання, що проникають через скління кабін та лючки з нетокопровідних матеріалів. Струми, наведені ЕМІ в наземних і заглиблених кабелях електроживлення протяжністю сотні і тисячі кілометрів, можуть досягати тисяч ампер, а напруга в розімкнених ланцюгах таких кабелів - мільйон вольт. В антенних вводах, довжина яких не перевищує десятків метрів, струми, що наводяться ЕМІ, можуть мати силу в кілька сотень ампер. ЕМІ, що проникає безпосередньо через елементи споруд з діелектричних матеріалів (неекрановані стіни, вікна, двері тощо), може наводити у внутрішній електропроводці струми силою до десятків ампер.

Оскільки слаботочні ланцюги і радіоелектронні прилади нормально діють при напругах в кілька вольт і струмах силою до кількох десятків міліампер, то для їх абсолютно надійного захисту від ЕМІ потрібно забезпечити зниження величини струмів і напруг в кабелях до шести порядків.

У. МОЖЛИВІ ШЛЯХИ РІШЕННЯ ЗАВДАННЯ ЗАХИСТУ ВІД ЕМІ.

Ідеальним захистом від ЕМІ було б повне укриття приміщення, в якому розміщена радіоелектронна апаратура, металевим екраном.

Разом про те ясно, що фактично забезпечити такий захист часом неможливо, т.к. Для роботи апаратури часто потрібно забезпечити її електричний зв'язок із зовнішніми пристроями. Тому використовуються менш надійні засоби захисту, такі, як струмопровідні сітки або плівкові покриття для вікон, металеві стільникові конструкції для повітрозабірників і вентиляційних отворів і контактні пружинні прокладки, що розміщуються по периметру дверей і люків.

Складнішою технічною проблемою вважається захист від проникнення ЕМІ в апаратуру через різні кабельні вводи. Радикальним вирішенням цієї проблеми міг би стати перехід від електричних мереж зв'язку до практично не схильним до впливу ЕМІ волоконно-оптичним. Однак заміна напівпровідникових приладів у всьому спектрі виконуваних ними функцій електронно-оптичними пристроями можлива лише у віддаленому майбутньому. Тому в даний час як засоби захисту кабельних вводів найбільш широко використовуються фільтри, у тому числі волоконні, а також іскрові розрядники, металоокисні варистори і високошвидкісні зенерівські діоди.

Всі ці кошти мають як переваги, і недоліки. Так, ємнісно-індуктивні фільтри досить ефективні для захисту від ЕМІ малої інтенсивності, а волоконні фільтри захищають у відносно вузькому діапазоні надвисоких частот. літака, кожусі апаратури та обплетення кабелю.

Металоокисні варистори, являють собою напівпровідникові прилади, що різко підвищують свою провідність при високій напрузі.

Однак, при застосуванні цих приладів як засоби захисту від ЕМІ слід враховувати їх недостатньо високу швидкодію та погіршення характеристик при неодноразовому впливі навантажень. Ці недоліки відсутні у високошвидкісних зенерівських діодів, дія яких заснована на різкій лавиноподібній зміні опору відносно високого значення практично до нуля при перевищенні напруги, що додається до них, певної порогової величини. Крім того, на відміну від варисторів, характеристики зенерівських діодів після багаторазових впливів високих напруг і перемикань режимів не погіршуються.

Найбільш раціональним підходом до проектування засобів захисту від ЕМІ кабельних вводів є створення таких роз'ємів у конструкції

яких передбачені спеціальні заходи, що забезпечують формування елементів фільтрів та встановлення вбудованих зенерівських діодів. Подібне рішення сприяє отриманню дуже малих значень ємності та індуктивності, що необхідне забезпечення захисту від імпульсів, які мають незначну тривалість і, отже, потужну високочастотну складову. Використання роз'ємів подібної конструкції дозволить вирішити проблему організації масо-габаритних характеристик пристрою захисту.

Складність вирішення завдання захисту від ЕМІ та висока вартість розроблених для цих цілей засобів та методів змушують піти на перших парах шляхом їх вибіркового застосування в особливо важливих системах зброї та військової техніки. Першими цілеспрямованими роботами у цьому напрямі були програми захисту від ЕМІ стратегічної зброї. Такий же шлях обраний і для захисту систем управління та зв'язку, що мають велику протяжність. Однак основним методом вирішення цієї проблеми зарубіжні фахівці вважають створення так званих розподілених мереж зв'язку (типу "Гвен"), перші елементи яких вже розгорнуті на континентальній частині США.

Сучасний стан проблеми ЕМІ можна оцінити так. Досить добре досліджено теоретично та підтверджено експериментально механізми генерації ЕМІ та параметри його вражаючої дії. Розроблено стандарти захищеності апаратури та відомі ефективні засоби захисту. Однак для досягнення достатньої впевненості у надійності захисту систем та засобів від ЕМІ необхідно провести випробування за допомогою імітатора. Що стосується повномасштабних випробувань систем зв'язку та управління, то це завдання навряд чи буде вирішено в найближчому майбутньому.

Потужний ЕМІ можна створити не лише внаслідок ядерного вибуху.

Сучасні досягнення в галузі неядерних генераторів ЕМІ дозволяють зробити їх досить компактними для використання зі звичайними та високоточними засобами доставки.

В даний час у деяких західних країнах ведуться роботи з генерації імпульсів електромагнітного випромінювання магнітодинамічних пристроїв, а також високовольтними розрядами. Тому питання захищеності від впливу ЕМІ залишатимуться в центрі уваги фахівців за будь-якого результату переговорів про ядерне роззброєння.

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення якоїсь теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть репетиторські послуги з цікавої для вас тематики.
Надішліть заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Вступ.

Для того, щоб зрозуміти всю складність проблем загрози ЕМІ та заходів щодо захисту від неї, необхідно коротко розглянути історію вивчення цього фізичного явища та сучасний стан знань у цій галузі.

Те, що ядерний вибух обов'язково супроводжуватиметься електромагнітним випромінюванням, було зрозуміло фізикам-теоретикам ще до першого випробування ядерного пристрою в 1945 році. Під час ядерних вибухів, що проводилися наприкінці 50-х - початку 60-х років, в атмосфері та космічному просторі наявність ЕМІ була зафіксована експериментально.

Однак кількісні характеристики імпульсу вимірювалися недостатньо, по-перше, тому що була відсутня контрольно-вимірювальна апаратура, здатна реєструвати надзвичайно потужне електромагнітне випромінювання, що існує надзвичайно короткий час (мільйонні частки секунду), по-друге, тому що в ті роки в радіоелектронній апаратурі використовувалися виключно електровакуумні прилади, які мало схильні до впливу ЕМІ, що знижувало інтерес до його вивчення. Створення напівпровідникових приладів, а потім і інтегральних схем, особливо пристроїв цифрової техніки на їх основі, і широке впровадження коштів у радіоелектронну військову апаратуру змусили військових фахівців по-іншому оцінити загрозу ЕМІ.

Опис фізика ЕМІ.

Механізм генерації ЕМІ ось у чому. При ядерному вибуху виникають гамма та рентгенівське випромінювання та утворюється потік нейтронів. Гамма-випромінювання, взаємодіючи з молекулами атмосферних газів, вибиває їх так звані комптонівські електрони. Якщо вибух здійснюється на висоті 20-40 км, то ці електрони захоплюються магнітним полем Землі і, обертаючись щодо силових ліній цього поля, створюють струми, що генерують ЕМІ. У цьому полі ЕМІ когерентно підсумовується до земної поверхні, тобто. магнітне поле Землі виконує роль, подібну до фазованих антенних грат. В результаті цього різко збільшується напруженість поля, а отже, і амплітуда ЕМІ в районах на південь і на північ від епіцентру вибуху. Тривалість цього процесу з вибуху від 1 - 3 до 100 нс.

На наступній стадії, що триває приблизно від 1 мкс до 1 с, ЕМІ створюється комптонівськими електронами, вибитими з молекул багаторазово відбитим гамма-випромінюванням і за рахунок непружного зіткнення цих електронів з потоком нейтронів, що випускаються при вибуху. Інтенсивність ЕМІ при цьому виявляється приблизно на три порядки нижче, ніж на першій стадії.

На кінцевій стадії, що займає період часу після вибуху від 1 до декількох хвилин, ЕМІ генерується магнитогидродинамическим ефектом, що породжується обуреннями магнітного поля Землі струмопровідною вогненною кулею вибуху. Інтенсивність ЕМІ на цій стадії дуже мала і становить кілька десятків вольт на кілометр.

Найбільшу небезпеку для радіоелектронних засобів становить перша стадія генерування ЕМІ, на якій відповідно до закону електромагнітної індукції через надзвичайно швидке наростання амплітуди імпульсу (максимум досягається на 3 - 5 нс після вибуху) наведена напруга може досягати десятків кіловольт на метр на рівні , плавно знижуючись при віддаленні від епіцентру вибуху. Крім тимчасового порушення функціонування (функціонального придушення) РЕМ, що допускає подальше відновлення їх працездатності, ЕМІ зброя може здійснювати фізичну руйнацію (функціональну поразку) напівпровідникових елементів РЕМ, у тому числі у вимкненому стані.

Слід зазначити також можливість вражаючої дії потужного випромінювання зброї ЕМІ на електротехнічні та електроенергетичні системи озброєння та військової техніки (ВВТ), електронні системи запалювання двигунів внутрішнього згоряння (рис.1). Струми, що збуджуються електромагнітним полем у ланцюгах електро або радіопідривників, встановлених на боєприпасах, можуть досягати рівнів, достатніх для їхнього спрацьовування. Потоки високої енергії можуть ініціювати детонацію вибухових речовин (ВВ) боєголовок ракет, бомб і артилерійських снарядів, і навіть неконтактний підрив мін у радіусі 50–60 м від точки підриву ЕМІ боєприпасу середніх калібрів (100–120 мм).

Рис.1.Примусова зупинка автомобіля з електронною системою запалювання.

Щодо вражаючої дії ЕМІ зброї на особовий склад, як правило, йдеться про ефекти тимчасового порушення адекватної сенсомоторики людини, виникнення помилкових дій у її поведінці та навіть втрати працездатності. Істотно, що негативні прояви впливу потужних надкоротких НВЧ імпульсів не обов'язково пов'язані з тепловим руйнуванням живих клітин біологічних об'єктів. Вражаючим фактором найчастіше є висока напруженість наведеного на мембранах клітин електричного поля, порівняна з природною квазістатичною напруженістю власного електричного поля внутрішньоклітинних зарядів. місце є достовірною зміною електричних потенціалів мозку. Активність нервових клітин змінюється під дією одиночного НВЧ імпульсу тривалістю від 0, 1 до 100 мс, якщо густина енергії в ньому досягає 100 мДж/см2. Наслідки такого впливу на людину поки що мало вивчені, проте відомо, що опромінення імпульсами НВЧ іноді породжує звукові галюцинації, а при посиленні потужності можлива навіть непритомність.

Амплітуда напруги, що наводиться ЕМІ у провідниках, пропорційна довжині провідника, що знаходиться в його полі, і залежить від його орієнтації щодо вектора напруженості електричного поля.

Так, напруженість поля ЕМІ у високовольтних лініях електропередачі може досягати 50 кВ/м, що призведе до появи в них струмів силою до 12 тис. ампер.

ЕМІ генеруються і за інших видів ядерних вибухів - повітряному та наземному. Теоретично встановлено, що у цих випадках його інтенсивність залежить від ступеня асиметричності просторових параметрів вибуху. Тому повітряний вибух з погляду генерації ЕМІ найменш ефективний. ЕМІ наземного вибуху матиме високу інтенсивність, проте вона швидко зменшується в міру віддалення від епіцентру.

Оскільки збір експериментальних даних під час проведення підземних ядерних випробувань технічно дуже складний і дорогий, рішення набору даних досягається методами і засобами фізичного моделювання.

Джерела ЕМІ (зброя не летального впливу). ЕМІ зброя може бути створена як у вигляді стаціонарних та мобільних електронних комплексів спрямованого випромінювання, так і у вигляді електромагнітних боєприпасів (ЕМБ), що доставляють до мети за допомогою артилерійських снарядів, мін, керованих ракет (рис.2), авіабомб тощо.

Стаціонарний генератор дозволяє відтворювати ЕМІ з горизонтальною поляризацією електричного поля. Він включає високовольтний генератор електричних імпульсів (4 МВ), симетричну вібраторну випромінюючу антену на двох щоглах і відкритий бетонований випробувальний майданчик. Установка забезпечує формування над випробувальним майданчиком (на висотах З і 10 м) ЕМІ з напруженістю поля, що дорівнює відповідно 35 і 50 кВ/м.

Мобільний (Транспортабельний) генератор НРDII призначений для моделювання горизонтально поляризованого ЕМІ. Він включає змонтовані на платформі трейлера високовольтний генератор імпульсів і симетричну вібраторну антену, а також розміщену в окремому фургоні апаратуру збору та обробки даних.

В основу ЕМБ покладено методи перетворення хімічної енергії вибуху, горіння та електричної енергії постійного струму на енергію електромагнітного поля високої потужності. Вирішення проблеми створення ЕМІ боєприпасів пов'язане, перш за все, з наявністю компактних джерел випромінювання, які могли б розташовуватись у відсіках бойової частини керованих ракет, а також у артилерійських снарядах.

Найбільш компактними на сьогодні джерелами енергії для ЕМБ вважаються спіральні вибухомагнітні генератори (ВМГ), або генератори з вибуховим стисненням магнітного поля, що мають найкращі показники питомої щільності енергії за масою (100 кДж/кг) та обсягом (10 кДж/см3), а також вибухові магнітодинамічні генератори (ВМДГ) У ВМГ за допомогою вибухової речовини відбувається перетворення енергії вибуху

в енергію магнітного поля з ефективністю до 10%, а за оптимального вибору параметрів ВМГ – навіть до 20%. Такий тип пристроїв здатний генерувати імпульси енергією в десятки мега джоулів та тривалістю до 100 мкс. Пікова потужність випромінювання може досягати 10 ТВт. ВМГ можуть застосовуватися автономно або як один з каскадів для накачування генераторів НВЧ діапазону. Обмежена спектральна смуга випромінювання ВМГ (до кількох мегагерц) робить їх впливом геть РЕМ досить вибірковим.

Рис.2. Конструкція (а) та принцип (б) бойового застосування типового ЕМБ.

Внаслідок цього виникає проблема створення компактних антенних систем, узгоджених з параметрами ЕМІ, що генерується. У ВМДГ вибухівка або ракетне паливо застосовують для утворення плазмового потоку, швидке переміщення якого в магнітному полі призводить до виникнення надпотужних струмів супутнім електромагнітним випромінюванням.

Основна перевага ВМДГ багаторазова застосування, оскільки картриджі з вибухівкою або ракетним паливом можуть закладатися в генератор багаторазово. Однак його питомі масогабаритні характеристики в 50 разів нижчі, ніж у ВМГ, до того ж технологія ВМДГ ще мало відпрацьована, щоб у найближчій перспективі робити ставку на ці джерела енергії.

Ядерний вибух супроводжується електромагнітним випромінюванням у вигляді потужного короткого імпульсу, що вражає головним чином електричну та електронну апаратуру.

Джерела виникнення електромагнітного імпульсу (ЕМІ). За природою ЕМІ з деякими припущеннями можна порівняти з електромагнітним полем близької блискавки, що створює перешкоди для радіоприймачів. Довжина хвиль коливається від 1 до 1000 м-коду і більше. Виникає ЕМІ в основному в результаті взаємодії гамма-випромінювання, що утворюється під час вибуху, з атомами довкілля.

При взаємодії гамма-квантів з атомами середовища останнім повідомляється імпульс енергії, невелика частка якої витрачається на іонізацію атомів, а основна - повідомлення поступального руху електронів і іонів, що утворилися в результаті іонізації. Зважаючи на те, що електрону повідомляється значно більше енергії, ніж іону, а також через велику різницю в масі електрони мають більш високу швидкість порівняно з іонами. Можна вважати, що іони практично залишаються на місці, а електрони віддаляються від них зі швидкостями, близькими до швидкості світла в радіальному напрямку від центру вибуху. Таким чином, у просторі на деякий час відбувається поділ позитивних та негативних зарядів.

Внаслідок того, що щільність повітря в атмосфері зменшується з висотою, в області навколишнього місця вибуху виходить асиметрія в розподілі електричного заряду (потоку електронів). Асиметрія потоку електронів може виникнути також через несиметричність самого потоку гамма-квантів через різну товщину оболонки бомби, а також наявність магнітного поля Землі та інших факторів. Несиметричність електричного заряду (потоку електронів) у місці вибуху повітря викликає імпульс струму. Він випромінює електромагнітну енергію так само, як і проходження його у випромінюючій антені.

Район, де гамма-випромінювання взаємодіє з атмосферою, називається районом джерела ЕМІ. Щільна атмосфера поблизу земної поверхні обмежує область поширення гамма-квантів (серденька довжина вільного пробігу становить сотні метрів). Тому при наземному вибуху район джерела займає площу всього кілька квадратних кілометрів і приблизно збігається з районом, де впливають інші вражаючі чинники ядерного вибуху.

При висотному ядерному вибуху гамма-кванти можуть пройти сотні кілометрів до взаємодії з молекулами повітря і через його розрідженість проникнути глибоко в атмосферу. Тому розміри району джерела ЕМІ виходять більшими. Так, при висотному вибуху боєприпасу потужністю 0,5-2 млн т може утворитися район джерела ЕМІ діаметром до 1600-3000 км і товщиною близько 20 км, нижня межа якого пройде на висоті 18-20 км (рис. 1.4).

Мал. 1.4. Основні варіанти ЕМІ-обстановки: 1 - ЕМІ-обстановка району джерела та утворення полів випромінювання наземного та повітряного вибухів; 2 - підземна ЕМІ-обстановка на деякій відстані від вибуху поблизу поверхні; 3 – ЕМІ-обстановка висотного вибуху.

Великі розміри району джерела при висотному вибуху породжують інтенсивний ЕМІ, спрямований вниз над значною частиною земної поверхні. Тому дуже великий район може опинитися в умовах сильного впливу ЕМІ, де інші фактори ядерного вибуху, що вражають, практично не діють.

Таким чином, при висотних ядерних вибухах об'єкти поліграфії, які знаходяться і за межами вогнища ядерної поразки, можуть зазнати сильного впливу ЕМІ.

Основними параметрами ЕМІ, що визначають вражаючу дію, є характер зміни напруженості електричного та магнітного полів у часі – форма імпульсу та максимальна напруженість поля – амплітуда імпульсу.

ЕМІ наземного ядерного вибуху на відстані до кількох кілометрів від центру вибуху є одиночним сигналом з крутим переднім фронтом і тривалістю в кілька десятків мілісекунд (рис. 1.5).

Мал. 1.5. Зміна напруженості поля електромагнітного імпульсу: а – початкова фаза; б – основна фаза; в - тривалість першого квазінапівперіоду.

Енергія ЕМІ поширена широкому діапазоні частот від десятків герц до кількох мегагерц. Однак, високочастотна частина спектру містить незначну частку енергії імпульсу; основна частина його енергії посідає частоти до 30 кГц.

Амплітуда ЕМІ у зазначеній зоні може досягати дуже великих значень - у повітрі тисяч вольт на метр під час вибуху боєприпасів малої потужності та десятків тисяч вольт на метр під час вибухів боєприпасів великої потужності. У ґрунті амплітуда ЕМІ може доходити відповідно до сотень та тисяч вольт на метр.

Оскільки амплітуда ЕМІ швидко зменшується із збільшенням відстані, ЕМІ наземного ядерного вибуху вражає лише на відстані кількох кілометрів від центру вибуху; на великих відстанях воно має лише короткочасний негативний вплив на роботу радіотехнічної апаратури.

Для низького повітряного вибуху параметри ЕМІ в основному залишаються такими ж, як і для наземного вибуху, але зі збільшенням висоти вибуху амплітуда імпульсу поверхні землі зменшується.

За низького повітряного вибуху потужністю 1 млн.т ЕМІ з вражаючими величинами напруженості полів поширюються на площі з радіусом до 32 км, 10 млн. т - до 115 км.

Амплітуда ЕМІ підземного та підводного вибухів значно менше амплітуди ЕМІ при вибухах в атмосфері, тому вражаюча дія його при підземному та підводному вибухах практично не виявляється.

Вражаюча дія ЕМІ обумовлена ​​виникненням напруги та струмів у провідниках, розташованих у повітрі, землі, на обладнанні інших об'єктів.

Оскільки амплітуда ЕМІ швидко зменшується із збільшенням відстані, його вражаюча дія – кілька кілометрів від центру (епіцентру) вибуху великого калібру. Так, при наземному вибуху потужністю 1 Мт вертикальна складова електричного поля ЕМІ на відстані 4 км – 3 кВ/м, на відстані 3 км – 6 кВ/м, та 2 км – 13 кВ/м.

ЕМІ безпосередньо на людини не надає. Приймачі енергії ЕМІ - провідні електричний струм тіла: всі повітряні та підземні лінії зв'язку, лінії управління, сигналізації (оскільки вони мають електричну міцність, що не перевищує 2-4 кВ напруги постійного струму), електропередачі, металеві щогли та опори, повітряні та підземні антенні пристрої, наземні та підземні турбопроводи, металеві дахи та інші конструкції, виготовлені з металу. У момент вибуху в них на секунди виникає імпульс електричного струму і з'являється різниця потенціалу щодо землі. Під дією цих напруг може відбуватися: пробій ізоляції кабелів, пошкодження вхідних елементів апаратури, підключеної до антени, повітряних та підземних ліній (пробою трансформаторів зв'язку, вихід з ладу розрядників, запобіжників, псування напівпровідникових приладів і т.д., а також вигоряння плавких вставок Високі електричні потенціали щодо землі, що виникають на екранах, жилах кабелів, антенно-фідерних лініях і провідних лініях зв'язку можуть становити небезпеку для осіб, які обслуговують апаратуру.

Найбільшу небезпеку ЕМІ становить для апаратури, не обладнаної спеціальним захистом, навіть якщо вона знаходиться в особливо міцних спорудах, здатних витримувати великі механічні навантаження від ударної хвилі ядерного вибуху. ЕМІ для такої апаратури є головним фактором, що вражає.

Лінії електропередач та їх обладнання, розраховані на напругу десятки, сотні кВт, є стійкими до впливу електромагнітного імпульсу.

Необхідно також враховувати одночасність впливу імпульсу миттєвого гамма-випромінювання та ЕМІ: під дією першого – збільшується провідність матеріалів, а під дією другого – наводяться додаткові електричні струми. Крім того, слід враховувати їхній одночасний вплив на всі системи, що знаходяться в районі вибуху.

На кабельних і повітряних лініях, що потрапили в зону потужних імпульсів електромагнітного випромінювання, виникають (наводяться) високі електричні напруги. Наведена напруга може викликати ушкодження вхідних ланцюгів апаратури на досить віддалених ділянках цих ліній.

Залежно від характеру впливу ЕМІ на лінії зв'язку та підключену до них апаратуру рекомендуються такі способи захисту: застосування двопровідних симетричних ліній зв'язку, добре ізольованих між собою та від землі; виключення застосування однопровідних зовнішніх ліній зв'язку; екранування підземних кабелів мідною, алюмінієвою, свинцевою хмарою; електромагнітне екранування блоків та вузлів апаратури; використання різноманітних захисних вхідних пристроїв та грозозахисних засобів.