核电磁脉冲的原理及防护

核电磁脉冲对电子设备的破坏作用一般可分为两类：功能损坏和工作干扰。
功能损坏是指电缆的绝缘材料被击穿或者是电子设备的某些元器件受核电磁脉冲的作 用而造成永久性损伤。核电磁脉冲对半导体器件有更大的破坏性。因为只要有千分之一到百 分之几焦耳的能量就可以把晶体管烧坏。核电磁脉冲虽然是短暂的，然而它对电子设备线路 和电子元件的功能损坏却是永久的。如果电缆的绝缘材料被击穿造成短路，大量的电话、电 报等邮政通讯系统及军事通讯系统就会中断。特别是主控设备如果遭受破坏，将引起整个控 制系统的混乱。酿成严重后果。飞机、导弹、舰艇、防空武器等军事系统中的电子设备如受 到核电磁脉冲的破坏，将会造成重大的损失。
核电磁脉冲的原理及防护
一、前言 电磁脉冲武器是现代军事中一种利用核爆炸或其他方法产生的强电磁脉冲摧毁来袭导
弹或破坏雷达、通信系统和武器系统中电子设备或扰乱人的大脑神经系统、使人暂时失去知 觉的先进武器。其可使晶体二极管、晶体管、集成电路、电阻及电容、滤波器、继电器和粒 波器等电子元器件受到损坏；可以与电缆、导线和天线等耦合，把电磁脉冲的能量传递给电 子设备，引起电子设备的失效或损坏、电路开关跳闸和触发器翻转；能使根据磁通工作的存 贮器（磁心、磁鼓和磁带等）消磁或失真，破坏元器件或抹去存贮的信息和引起关闭传递假 信号。电磁脉冲还可以使飞机和导弹等的金属外壳上产生很大的感生电流，这种电流沿着收 音机和导弹的金属表面流动，并通过壳体上的隙缝或舱口耦合到壳内，使电子元器件、线路 和设备受到不同程度的干扰和破坏。
因此如果采用合理的屏蔽材料，进行合理的设计，对评比体孔缝具有有效的抑制，则核 电磁脉冲也是可以象雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波一样根据电磁原理采取必要的措 施进行防护的。
2、 SPD 对核电磁脉冲的防护
由于核电磁脉冲具有幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点，要对其进行有 效防护就需要依据其特点对其进入设备的电源、信号线路安装专用的防护装置。该装置的响 应时间必须小于 10 纳秒；工作频率应该在 0 到 150 兆赫现代军用电子设备使用的频段；尖 峰抑制电压应大于 100KV；电源线路脉冲电流泻放能力应大于 100KA；外置天线馈线线路 脉冲电流泻放能力应大于 100KA；信号传输线路脉冲电流泻放能力应大于 10KA。这样的参 数对 SPD 设备的研制提出了重大的挑战。
依据核电磁脉冲特点及军用设备使用条件，可分为设备电源、外置通讯天线馈线、信号 传输线三部分对核电磁脉冲进行防护。
（1）设备电源的防护
电源线路的波阻抗 Z 为一常量，其大小决定于单位长度导线的电感和电容，它是一个 具有阻抗的量纲，故称之为波阻抗，并用 Z 来表示即：
（式 3-2） 架空导线的L0≈1.6×10-6 H/m，C0≈7×10-12 F/m，代入（式 3-2），可得架空线的波阻 抗为 470Ω。如果将电力电缆的L0和 C0代入，可得电力电缆的波阻抗为 10～50Ω。
电磁波的能量密度包括电场分量能量密度和磁场分量能量密度，其场源总能量密度由 下式确定：
电场分量能量密度
（式 3-3）
磁场分量能3-5）
核电磁脉冲的电场强度最大可达 100KV／m，是无线电波电磁场的几百万倍，若电力电 缆的波阻抗为 10～50Ω计算，依据其电场变化，其在 10～20μs 间在电源线路脉冲电流峰 值将大于 100KA。
当核爆炸发生在 3—25 公里高度时，由于γ射线在所有方向上都是均匀发射的，因此由 电荷分离形成的电场将是径向的。从爆心向外的一切方向上都有着相同的强度。即源区成球 对称性，而且由于 射线被低空稠密大气层快速吸收，源区半径只有 2～8 公里，因而向外， 辐射的能量很小。理论上讲，在半径以外的区域，由于对称的相反方向的分量产生的作用完 全抵消，这对地面的电子设备没有什么破坏作用。实际上，由于各种情况，会不可避免地出 现源区的不对称性，因而还会有一定的康普顿电子从爆心处飞驰，产生一个净电子电流，进 而产生磁场，磁场的变化又引起电场的变化。这种电磁场的变化就形成电磁脉冲，而会对地 面的电子设备产生一定的影响。
1、 屏蔽
A、电磁屏蔽的原理
屏蔽是通过由金属制成的壳、盒、板等屏蔽体，将电磁波局限于某一区域内的一种方法。 在电子设备及电子产品中，电磁干扰（Electromagnetic Interference）能量通过传导性耦 合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性耦合需采用滤波技术，即采 用 EMI 滤波器件加以抑制；对辐射性耦合则需采用屏蔽技术加以抑制。
现代军用电子设备使用的频段在几兆赫到 100 兆赫之间，是一个接受频率低且窄的频 段。而依据核电磁脉冲的防护要求，期望得到一种响应时间应小于 10ns，电压脉冲承受峰 值大于 100KV，电流脉冲承受峰值大于 100KA，工作频率在几兆赫到 100 兆赫之间，天馈 线路 SPD 设备是很难的。
（2）外置通讯天线馈线的防护
军用天线常采用八木定向天线。其输入阻抗为 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (欧)。天线的输入阻 抗 Zin 定义为：天线输入端信号电压与信号电流之比。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗 分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取， 因此，常把其长度缩短（３～５）％，来消除其中的电抗分量。
图 1 两类基本源在空间所产生的叠加场
电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽 的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。 因此，接地良好及选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。屏蔽的原理 是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流，因而选择钢、铁、 坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。
当核爆炸发生在地面或靠近地面时。源区与地面接触而呈现明显的不对称形状，因而形 成了较强的辐射电磁场，大约在 15 公里范围内都具有破坏作用，这个作用距离约等于核爆 炸时产生的其他作用的最大距离。当核爆炸在 30 公里以上空气稀薄的高空发生时，由于γ 射线衰减较慢，因而能透过的距离较长；以致核电磁脉冲的破坏作用可达数千公里。
最为关键，成为屏蔽设计中应重点考虑的首要因素。
根据孔耦合理论，决定孔缝泄漏量的因素主要有两个：孔缝面积和孔缝最大线度尺寸。 两者皆大，则泄漏最为严重；面积小而最大线度尺寸大则电磁泄漏仍然较大。
上面的孔缝主要分为四类：
（1）机箱（机柜）接缝：该类缝虽然面积不大，但其最大线度尺寸即缝长却非常大，由于 维修、开启等限制，致使该类缝成为电子设备中屏蔽难度最大的一类孔缝，采用导电衬垫等 特殊屏蔽材料可以有效地抑制电磁泄漏。该类孔缝屏蔽设计的关键在于：合理地选择导电衬 垫材料并进行适当的变形控制。
由于辐射源分为近区的电场源、磁场源和远区的平面波，因此屏蔽体的屏蔽性能依据辐 射源的不同，在材料选择、结构形状和对孔缝泄漏控制等方面都有所不同。在设计中要达到 所需的屏蔽性能，则需首先确定辐射源，明确频率范围，再根据各个频段的典型泄漏结构， 确定控制要素，进而选择恰当的屏蔽材料，设计屏蔽壳体。
预防核电磁脉冲的方法是用高导电率和高导磁率的金属材料把电子设备屏蔽起来，并设 有良好的接地线，同时在所有穿过屏蔽的导线、水管以及门窗通气孔等处施加防护措施。这 样，核电磁脉冲就很难到达设备内部的敏感元件处。
（3）频谱宽。核电磁脉冲的频率范围宽（频率从几赫到 100 兆赫），几乎包含了现代军用 电子设备所使用的频段，因此对军用电子设备的影响较大。
（4）作用范围广。低空核爆炸产生的电磁脉冲源区场虽然只有几公里的范围，但辐射出 来的电磁脉冲信号可以传到很远的地方。高空核爆炸产生的电磁脉冲作用范围更广。
随着电子技术的发展。各种武器系统越来越普遍地应用半导体器件和集成电路。所以核 电磁脉冲对现代兵器有着不可低估的破坏作用。核爆炸产生的电磁脉冲能通过天线、电缆连 接处、金属管道等进入电子设备的内部，产生感应电流，使电子设备遭到严重的破坏。
因此在对电源线路进行保护时，依据现有的习惯上的 SPD 测试波形，其 SPD 需要注重 三个参数：1、其响应时间应小于 10ns 。2、其 1.2/50μs 电压脉冲承受峰值应大于 100KV。 3、其 8/20μs 电流脉冲承受峰值应大于 100KA。这样的参数对 SPD 设备的要求是极为苛刻 的，只有极少数的 SPD 设备可以达到。
蔽效能 ：
（式 3-1）
由上式可以看出，屏蔽体的屏蔽效能是由各个泄漏耦合结构中产生最大泄漏耦合的结构 所决定的，即由屏蔽最薄弱的环节所决定的。因此进行屏蔽设计时，明确不同频段的泄漏耦 合结构，确定最大泄漏耦合要素是其首要的设计原则。
在三类屏蔽中，磁屏蔽和电磁屏蔽的难度较大。尤其是电磁屏蔽设计中的孔缝泄漏抑制
辐射干扰源大致分为两类：类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源和类似于变压 器绕组的闭合载流导线辐射源。由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际 的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成(图 1)。因此通过对电偶 极子和磁偶极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的 场特性，从而为屏蔽 分类提供良好的理论依据。
核电磁脉冲与我们熟悉的雷电、无线电波、雷达波相比，虽然都是电场和磁场交替变化 而产生电磁波，但核电磁脉冲具有以下几个特点：
（1）幅度大。核电磁脉冲的电场强度在几公里范围内可达 1～10 万伏／米，是无线电波 电磁场的几百万倍。是大功率雷达波的上千倍。
（2）作用时间短。核电磁脉冲的电场变化迅速，在 0.01～0.03 微秒的时间内即可上升到 最大值，从发生到结束也只有几十微秒的时间，比闪电快 50 倍。
（2）通风孔：该类孔面积和最大线度尺寸较大，通风孔设计的关键在于通风部件的选择与 装配结构的设观察孔与显示孔在满足通风性能的条件下，应尽可能选用屏效较高的屏蔽通风 部件。
（3）观察孔与显示孔：该类型孔面积和最大线度尺寸较大，其设计的关键在于屏蔽透光材 料的选择与装配结构的设计。