斑竹制造：浅议核电磁脉冲的防护

通天雷神

[这个贴子最后由通天雷神在 2004/04/23 11:07am 第 3 次编辑] 浅议核电磁脉冲的防护 ——广州雷迅电子有限公司 平帅 摘 要 本文通过对核电磁脉冲特性和破坏机理的分析，针对其幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点，认为采用钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和合理的屏蔽体机构对其进行屏蔽，而后对设备电源、信号线路安装专用高性能电涌保护器（SPD）是可以对核电磁脉冲（NEMP）进行有效防护的。 关键词 核电磁脉冲(NEMP) 屏蔽 电涌保护器(SPD) 1 前 言 电磁脉冲武器是现代军事中一种利用核爆炸或其它方法产生的强电磁脉冲，去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，引起关闭传、递假信号。1962年7月，美国在太平洋约翰斯顿岛上空400公里处，爆炸了一颗140万吨梯恩梯当量的氢弹。爆后，在远离爆心14000公里的夏威夷瓦胡岛上，300多条大小马路上的路灯突然全部熄灭，数百具防盗报警器同时响了起来。人们经过近20年的研究。才彻底揭开了上述奇怪现象的奥秘，原来使路灯失明和使防盗报警器报警的“作案者”就是核电磁脉冲。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。因此对电磁脉冲武器进行有效的防护对我国现代军事发展有着重要的意义。 2 核电磁脉冲的破坏机理和特性 核爆炸除了产生人们所熟悉的冲击波、光辐射、早期核辐射和放射性污染效应以外，还产生电磁脉冲效应。这种电磁脉冲对人体没有伤害作用，但是它能使兵器电子元件遭受严重损坏。对此，一开始人们对它的破坏性重视不够。直到60年代初期，美、苏相继在高空进行核试验时，才对它有了真正的认识。 所谓电磁脉冲就是瞬间变化的电场和磁场。形象地说，电磁脉冲犹如雷雨时闪电所产生的电磁信号。核爆炸时产生的强电磁脉冲称为核电磁脉冲。核电磁脉冲的物理成因是核爆炸时释放的γ射线，它以光速与空气分子相碰时，能量很高的γ射线将电子从空气分子中分离出来，并使电子迅速向外扩散。 根据相对论中的动量守恒与能量守恒定律。带正电的母体粒子（空气分子）的运动速度较小，运动方向也发生了改变。在物理学中，这种正、负电荷的分离属于康普顿效应。由于这种正、负电荷的分离是大规模发生的，所以在爆心周围形成了一个电离化的区域。这个区域称为源区，在源区内产生的强烈电场称为源场。带负电的电子质量较小，它们以近似光速的速度飞离爆心；而那些失去电子的母体粒子比电子质量大、速度小，因而仍然聚集在爆心周围。正、负电荷的急剧分离，致使爆心处为正电荷，远处为负电荷。所以源场的场强方向由爆心向外。 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的大气层快速吸收，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。 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它作用的最大距离。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。 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。 （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。有人估计，如果在美国内布拉斯加州太空320公里处爆炸一颗5000万吨级的核弹头，将产生50000伏／米的场强，辐射出来的电磁脉冲会使全美国变成一片“漆黑”。 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，使电子设备遭到严重的破坏。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。工作干扰是指核电磁脉冲虽然没有使系统或器件受到破坏，但引进的附加信号使某些器件的工作状态改变，导致电子设备的功能紊乱，发出错误信号，或消除和改变贮存器中的内容。例如，一次百万吨级核弹空中爆炸后，处于待命状态的导弹，由于弹上计算机内存贮的信息被清洗，便不能再按指令发射了。因此，有些军事专家把核电磁脉冲称为“兵器电子元件的克星”、“电子对抗的终极手段”。 3 核电磁脉冲的防护 核电磁脉冲对电子设备的破坏是电磁作用的结果，与我们所熟悉的雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波在本质上是相一致的。因此核电磁脉冲，可以根据电磁原理采取必要的措施进行防护。 3.1 屏 蔽 （1）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。 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。 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。 (待续)

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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。 （2）电磁屏蔽中需要注意的问题 电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。 屏蔽体的泄漏耦合结构与所需抑制的电磁波频率密切相关，三类屏蔽所涉及的频率范围及控制要素如表1所示： 表1 泄漏耦合结构与控制要素 实际屏蔽体上同时存在多个泄漏耦合结构（n个），设机箱接缝、通风孔、屏蔽体壁板等各泄漏耦合结构的单独屏蔽效能（如只考虑接缝）为SEi（i=1,2,…，n），则屏蔽体总的屏蔽效能： 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。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。 （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计。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。 （4）连接器与机箱接缝：这类缝的面积与最大线度尺寸均不大，但由于在高频时导致连接器与机箱的接触阻抗急剧增大，从而使得屏蔽电缆的共模传导发射变大，往往导致整个设备的辐射发射出现超标，为此应采用导电橡胶等连接器导电衬垫。 因此如果采用合理的屏蔽材料，进行合理的设计，对屏蔽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。

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[这个贴子最后由通天雷神在 2004/03/09 00:12am 第 3 次编辑]

3.2  SPD对核电磁脉冲的防护

早在80年代，就有人开始设计和制造一种装置，通过线路设计和采用特殊元件，使其能承受强电磁脉冲，或者当其感受到核电磁脉冲时，靠此装置切断设备通路的方法，用以阻止核电磁脉冲的输入，来对核电磁脉冲进行防护。90年代后，由于SPD设备的不断更新和新元件的开发研制，这种技术逐渐走向成熟。

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：

http://www.lightning.com.cn/uploadFiles/uploadFilesMD/ps3-2_040308113622.GIF       （3-2）

架空导线的L0≈1.6×10-6 H/m，C0≈7×10-12 F/m，代入（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（3-3）
http://www.lightning.com.cn/uploadFiles/uploadFilesMD/ps3-3_040308113709.GIF  

磁场分量能量密度（3-4）
http://www.lightning.com.cn/uploadFiles/uploadFilesMD/ps3-4_040308113748.GIF
 
场源总能量密度 （3-5）
http://www.lightning.com.cn/uploadFiles/uploadFilesMD/ps3-5_040308113945.GIF    

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。若以电力电缆的波阻抗为10～50Ω计算，依据其电场变化，其在10～20μs间的电源线路脉冲电流峰值将大于100kA。

因此，在对电源线路进行保护时，依据习惯上的SPD测试波形，其SPD需要注重3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。

（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 (Ω)。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。

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100兆赫之间的天馈线路SPD设备是很难的。

（3）信号传输线的防护

对于具有屏蔽层的，且屏蔽层良好接地的信号传输线路，其受核电磁脉冲的破坏要小于电源和外置通讯天线馈线线路，其对尖峰电压抑制能力大于20kV，脉冲电流泻放能力大于10kA。但因受工作频率的限制，其响应时间应小于1ns。这个要求使许多使用MOV、TVS、GDT元件的SPD产品的保护能力变得不可靠，只有使用响应皮秒级的SIDACtor元件的SPD产品才具有可靠的保护能力。并且对于SPD产品本身，其内部电路也应具备尖峰电压抑制和脉冲电流泻放两套分立的电路。这样品质的SPD产品，在目前国内的防雷产品中也只有极少数。

综上所述，屏蔽与接地是防护核电磁脉冲的基础，在此基础上使用SPD设备是可以有效的对核电磁脉冲武器进行电磁防护的。

2  结  论

核电磁脉冲并不是想象中的那么可怕，是无坚不摧、无孔不入的。只要了解了它的破坏机理，针对其幅度大、作用时间短、频谱宽、作用范围广的特点，可采用钢、铁、坡莫合金等高磁导率材料和合理的屏蔽体机构，对其进行屏蔽。对设备电源、信号线路安装专用的高性能SPD，核电磁脉冲也可以象雷电电磁脉冲、无线电干扰波、雷达波一样，根据电磁原理是可以采取必要的措施进行防护的。

参考文献

1  白同云、吕晓德编著．电磁兼容设计［M］．北京邮电大学出版社，2001．

2  王庆斌、刘萍、尤利文等．电磁干扰与电磁兼容技术［M］．机械工业出版社，1999．

3  军用通信设备及系统安全要求（GJB663--89）．

4  核电磁脉冲对兵器电子元件的破坏．物理探索［J］．

注：拙论发表于2004年第一期《防雷技术》，经ASP和余乃纵老先生校审，特表示感谢。感谢webfair安排的作业。文中如有不恰当的观点望网友指正。感谢万分。

通天雷神

请关注斑竹的另几篇论文。谢谢！

wangj

好文章!
有个问题想请教雷神
文章中“只有使用响应皮秒级的SIDACtor元件的SPD产品才具有可靠的保护能力”，那TVS不是同样也行吗？

通天雷神

1、TVS的响应速度是皮秒级吗？应该是纳秒才对。

2、TVS的极间电容太大，在超高频系统难以使用。

3、TVS的电压尖峰抑制特性没有SIDACtor元件好。

wangj

[这个贴子最后由wangj在 2004/04/22 11:09am 第 1 次编辑]

谢谢!
对2、3两点我表示赞同，但第1点我还有疑问，2003.5防雷技术杂志上有一篇，山东莱芜钢铁集团公司的文章特别强调TVS的响应时间是皮秒级。我有点晕!!

通天雷神

你说周志敏啊。呵呵。

wangj

真是，雷神确实佩服，但你还没有回答我呢？

通天雷神

我没有办法回答你。因为我没有见过皮秒级的TVS。我不知道有没有这样的东西。

但是，一般我们可以见到的TVS的确是纳秒级的。

你以为皮秒的东西是很简单的吗？光一个皮秒才跑0.3mm......费米能级的电子一个皮秒才运动0.15mm......