В глобальной сети сейчас можно найти огромное количество информации о том, что такое электромагнитный импульс. Многие его боятся, иногда не полностью понимая, о чем идет речь. научные телевизионные передачи и статьи в желтой прессе. Не пора ли разобраться в этом вопросе?
Итак, электромагнитный импульс (ЭМИ) - это возмущение оказывающее влияние на любой материальный объект, находящийся в зоне его действия. Он воздействует не только на проводящие ток объекты, но и на диэлектрики, только немного в другой форме. Обычно понятие «электромагнитный импульс» соседствует с термином «ядерное оружие». Почему? Ответ прост: именно при ядерном взрыве ЭМИ достигает своего наибольшего значения из всех возможных. Вероятно, в некоторых экспериментальных установках также удается создать мощные возмущения поля, но они носят локальный характер, а вот при ядерном взрыве затрагиваются большие площади.
Своим появлением электромагнитный импульс обязан нескольким законам, с которыми в повседневной работе сталкивается каждый электрик. Как известно, направленное движение элементарных частиц, обладающее электрическим зарядом, неразрывно связано с Если есть проводник, по которому протекает ток, то вокруг него всегда регистрируется поле. Верно и обратное: воздействие электромагнитного поля на проводящий материал генерирует в нем ЭДС и, как следствие, ток. Обычно уточняют, что проводник формирует цепь, хотя это верно только отчасти, так как создают собственные контуры в объеме проводящего вещества. создает движение электронов, следовательно, возникает поле. Далее все просто: линии напряженности, в свою очередь, создают наведенные токи в окружающих проводниках.
Механизм данного явления следующий: благодаря мгновенному высвобождению энергии возникают потоки элементарных частиц (гамма, альфа, и пр.). Во время их прохождения сквозь воздух из молекул «выбиваются» электроны, которые ориентируются вдоль магнитных линий Земли. Возникает направленное движение (ток), генерирующее электромагнитное поле. А так как эти процессы протекают молниеносно, можно говорить об импульсе. Далее во всех проводниках, находящихся в зоне действия поля (сотни километров) индуцируется ток, а так как напряженность поля огромна, значение тока также велико. Это вызывает срабатывание систем защит, перегорание предохранителей - вплоть до возгорания и неустранимых повреждений. Действию ЭМИ подвержено все: от до ЛЭП, правда, в различной степени.
Защита от ЭМИ заключается в предотвращении индуцирующего действия поля. Этого можно добиться несколькими способами:
Удалиться от эпицентра, так как поле слабеет с увеличением расстояния;
Экранировать (с заземлением) электронное оборудование;
- «разобрать» схемы, предусмотрев зазоры с учетом большого тока.
Часто можно встретить вопрос о том, как создать электромагнитный импульс своими руками. На самом деле каждый человек сталкивается с ним ежедневно, щелкая выключателем лампочки. В момент коммутации ток кратковременно превышает номинальный в десятки раз, вокруг проводов генерируется электромагнитное поле, которое наводит в окружающих проводниках электродвижущую силу. Просто сила этого явления недостаточна, чтобы вызвать повреждение, сопоставимое с ЭМИ ядерного взрыва. Более выраженное его проявление можно получить, замеряя уровень поля вблизи дуги электросварки. В любом случае задача проста: необходимо организовать возможность мгновенного возникновения электрического тока большого действующего значения.
Ядерный взрыв сопровождается электромагнитным излучением в виде мощного короткого импульса, поражающего главным образом, электрическую и электронную аппаратуру.
Источники возникновения электромагнитного импульса (ЭМИ). По природе ЭМИ с некоторыми допущениями можно сравнить с электромагнитным полем близкой молнии, создающим помехи для радиоприемников. Длина волн колеблется от 1 до 1000 м и более. Возникает ЭМИ в основном в результате взаимодействия гамма-излучения, образующегося во время взрыва, с атомами окружающей среды.
При взаимодействии гамма-квантов с атомами среды последним сообщается импульс энергии, небольшая доля которой тратится на ионизацию атомов, а основная - на сообщение поступательного движения электронам и ионам, образовавшимся в результате ионизации. Ввиду того, что электрону сообщается значительно больше энергии, чем иону, а также из-за большой разницы в массе электроны обладают более высокой скоростью по сравнению с ионами. Можно считать, что ионы практически остаются на месте, а электроны удаляются от них со скоростями, близкими к скорости света в радиальном направлении от центра взрыва. Таким образом, в пространстве на некоторое время происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.
Вследствие того, что плотность воздуха в атмосфере уменьшается с высотой, в области, окружающей место взрыва, получается асимметрия в распределении электрического заряда (потока электронов). Асимметрия потока электронов может возникнуть также из-за несимметричности самого потока гамма-квантов ввиду различной толщины оболочки бомбы, а также наличия магнитного поля Земли и других факторов. Несимметричность электрического заряда (потока электронов) в месте взрыва в воздухе вызывает импульс тока. Он излучает электромагнитную энергию так же, как и прохождение его в излучающей антенне.
Район, где гамма-излучение взаимодействует с атмосферой, называется районом источника ЭМИ. Плотная атмосфера вблизи земной поверхности ограничивает область распространения гамма-квантов (сердняя длина свободного пробега составляет сотни метров). Поэтому при наземном взрыве район источника занимает площадь всего в несколько квадратных километров и примерно совпадает с районом, где воздействуют другие поражающие факторы ядерного взрыва.
При высотном ядерном взрыве гамма-кванты могут пройти сотни километров до взаимодействия с молекулами воздуха и вследствие его разреженности проникнуть глубоко в атмосферу. Поэтому размеры района источника ЭМИ получаются большими. Так, при высотном взрыве боеприпаса мощностью 0,5-2 млн. т может образоваться район источника ЭМИ диаметром до 1600-3000 км и толщиной около 20 км, нижняя граница которого пройдет на высоте 18-20 км (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Основные варианты ЭМИ-обстановки: 1 - ЭМИ-обстановка района источника и образования полей излучения наземного и воздушного взрывов; 2 - подземная ЭМИ-обстановка на некотором расстоянии от взрыва вблизи поверхности; 3 - ЭМИ-обстановка высотного взрыва.
Большие размеры района источника при высотном взрыве порождают интенсивный ЭМИ, направленный вниз, над значительной частью земной поверхности. Поэтому очень большой район может оказаться в условиях сильного воздействия ЭМИ, где другие поражающие факторы ядерного взрыва практически не действуют.
Таким образом, при высотных ядерных взрывах объекты полиграфии, находящиеся и за пределами очага ядерного поражения, могут подвергнуться сильному воздействию ЭМИ.
Основными параметрами ЭМИ, определяющими поражающее действие, являются характер изменения напряженности электрического и магнитного полей во времени - форма импульса и максимальная напряженность поля - амплитуда импульса.
ЭМИ наземного ядерного взрыва на расстоянии до нескольких километров от центра взрыва представляет собой одиночный сигнал с крутым передним фронтом и длительностью в несколько десятков миллисекунд (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Изменение напряженности поля электромагнитного импульса: а - начальная фаза; б - основная фаза; в - длительность первого квазиполупериода.
Энергия ЭМИ распространена в широком диапазоне частот от десятков герц до нескольких мегагерц. Однако высокочастотная часть спектра содержит незначительную долю энергии импульса; основная же часть его энергии приходится на частоты до 30 кГц.
Амплитуда ЭМИ в указанной зоне может достигать очень больших значений - в воздухе тысяч вольт на метр при взрыве боеприпасов малой мощности и десятков тысяч вольт на метр при взрывах боеприпасов большой мощности. В грунте амплитуда ЭМИ может доходить соответственно до сотен и тысяч вольт на метр.
Поскольку амплитуда ЭМИ быстро уменьшается с увеличением расстояния, ЭМИ наземного ядерного взрыва поражает только на расстоянии нескольких километров от центра взрыва; на больших расстояниях оно оказывает только кратковременное отрицательное воздействие на работу радиотехнической аппаратуры.
Для низкого воздушного взрыва параметры ЭМИ в основном остаются такими же, как и для наземного взрыва, но с увеличением высоты взрыва амплитуда импульса у поверхности земли уменьшается.
При низком воздушном взрыве мощностью 1 млн.т ЭМИ с поражающими величинами напряженности полей распространяются на площади с радиусом до 32 км, 10 млн. т - до 115 км.
Амплитуда ЭМИ подземного и подводного взрывов значительно меньше амплитуды ЭМИ при взрывах в атмосфере, поэтому поражающее действие его при подземном и подводном взрывах практически не проявляется.
Поражающее действие ЭМИ обусловлено возникновением напряжений и токов в проводниках, расположенных в воздухе, земле, на оборудовании других объектов.
Поскольку амплитуда ЭМИ быстро уменьшается с увеличением расстояния, его поражающее действие - несколько километров от центра (эпицентра) взрыва крупного калибра. Так, при наземном взрыве мощностью 1 Мт вертикальная составляющая электрического поля ЭМИ на расстоянии 4 км - 3 кВ/м, на расстоянии 3 км - 6 кВ/м, и 2 км - 13 кВ/м.
ЭМИ непосредственного действия на человека не оказывает. Приемники энергии ЭМИ - проводящие электрический ток тела: все воздушные и подземные линии связи, линии управления, сигнализации (так как они имеют электрическую прочность, не превышающую 2-4 кВ напряжения постоянного тока), электропередачи, металлические мачты и опоры, воздушные и подземные антенные устройства, наземные и подземные турбопроводы, металлические крыши и другие конструкции, изготовленные из металла. В момент взрыва в них на доли секунды возникает импульс электрического тока и появляется разность потенциала относительно земли. Под действием этих напряжений может происходить: пробой изоляции кабелей, повреждение входных элементов аппаратуры, подключенной к антеннам, воздушным и подземным линиям (пробой трансформаторов связи, выход из строя разрядников, предохранителей, порча полупроводниковых приборов и т.д., а также выгорание плавких вставок, включенных в линии для защиты аппаратуры. Высокие электрические потенциалы относительно земли, возникающие на экранах, жилах кабелей, антенно-фидерных линиях и проводных линиях связи могут представлять опасность для лиц, обслуживающих аппаратуру.
Наибольшую опасность ЭМИ представляет для аппаратуры, не оборудованной специальной защитой, даже если она находится в особо прочных сооружениях, способных выдерживать большие механические нагрузки от действия ударной волны ядерного взрыва. ЭМИ для такой аппаратуры является главным поражающим фактором.
Линии электропередач и их оборудование, рассчитанные на напряжение в десятки, сотни кВт, являются устойчивыми к воздействию электромагнитного импульса.
Необходимо также учитывать одновременность воздействия импульса мгновенного гамма-излучения и ЭМИ: под действием первого - увеличивается проводимость материалов, а под действием второго - наводятся дополнительные электрические токи. Кроме того, следует учитывать их одновременное воздействие на все системы, находящиеся в районе взрыва.
На кабельных и воздушных линиях, попавших в зону мощных импульсов электромагнитного излучения, возникают (наводятся) высокие электрические напряжения. Наведенное напряжение может вызывать повреждения входных цепей аппаратуры на довольно удаленных участках этих линий.
В зависимости от характера воздействия ЭМИ на линии связи и подключенную к ним аппаратуру рекомендуются следующие способы защиты: применение двухпроводных симметричных линий связи, хорошо изолированных между собой и от земли; исключение применения однопроводных наружных линий связи; экранирование подземных кабелей медной, алюминиевой, свинцовой облочкой; электромагнитное экранирование блоков и узлов аппаратуры; использование различного рода защитных входных устройств и грозозащитных средств.
В иностранной печати подчеркивается, что отсутствие экспериментальных данных сильно затрудняет расчет поражающих факторов ЭМИ и определение мер по защите от него. В значительной степени этому будет способствовать математическое моделирование процессов генерации ЭМИ на ЭВМ. На рис. 3 представлен результат такого моделирования в виде трехмерного изображения ядерного взрыва в космическом пространстве. Путем такого моделирования, а также на основании теоретических расчетов зарубежные специалисты установили, что величина напряженности наводимой ЭМИ (50 кВ/м), может считаться максимально возможной. Это обстоятельство стало одним из критериев при проектировании средств защиты от ЭМИ. Другими критериями являются длительность переднего фронта ЭМИ (3-5 нс) и полная его длительность (примерно 1 мкс), вследствие чего время переходных процессов в средствах защиты от ЭМИ не должно превышать нескольких наносекунд, а их прочность на пробой должна быть такой, чтобы выдерживать напряжение в десятки киловольт в течение нескольких микросекунд. С учетом этих критериев в США был разработан военный стандарт MILSTD-2169, который представляет собой номограммы для расчета уровней ЭМИ в зависимости от высоты взрыва, его мощности и дальности защищаемого объекта от эпицентра взрыва. Для практического использования стандарта необходимо знать устойчивость различных приборов, устройств и схем к воздействию ЭМИ определенной интенсивности, а также эффективность средств защиты. Поскольку сбор таких данных при проведении подземных ядерных испытаний технически весьма сложен и дорогостоящ, то решение проблемы набора экспериментальных данных достигается методами и средствами физического моделирования.
Среди капиталистических стран передовые позиции в разработке и практическом использовании имитаторов ЭМИ ядерного взрыва занимают США.
Подобные имитаторы представляют собой электрогенераторы со специальными излучателями, создающими электромагнитное поле с параметрами, близкими к тем, которые характерны для реального ЭМИ. В зону действия излучателя помещаются испытываемый объект и приборы, регистрирующие интенсивность поля, его частотный спектр и длительность воздействия.
Один из таких имитаторов, развернутый на авиабазе ВВС США Киртленд (штат Нью-Мексико), показан на рис. 4. Предназначенный для моделирования условии воздействия ЭМИ на самолет и его аппаратуру в полете, он может использоваться для испытаний таких крупных летательных аппаратов, как
бомбардировщик В-52 или гражданский авиалайнер Боинг 747.
В настоящее время создано и действует большое количество имитаторов ЭМИ для испытаний авиационной, космической, корабельной и наземной военной техники. Однако считается, что все они не в полной мере воссоздают реальные условия воздействия ЭМИ ядерного взрыва вследствие ограничений, накладываемых характеристиками излучателей, генераторов и источников электропитания на частотный спектр излучения, его мощность и скорость нарастания импульса. Вместе с тем в зарубежной прессе отмечается, что и при этих ограничениях удается получить достаточно полные и надежные данные о появлении неисправностей в полупроводниковых приборах, сбоя в их функционировании и т. п., а также об эффективности действия различных защитных устройств. Кроме того, такие испытания позволили дать количественную оценку опасности различных путей воздействия ЭМИ на радиоэлектронную технику.
Теория электромагнитного поля показывает, что такими путями для наземной техники являются прежде всего различные антенные устройства и кабельные вводы системы электропитания, а для авиационной и космической техники - антенны, а также токи, наводимые в обшивке, и излучения, проникающие через остекление кабин и лючки из не токопроводящих материалов. Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено, что токи, наводимые ЭМИ в наземных и заглубленных кабелях электропитания протяженностью в сотни и тысячи километров, могут достигать тысяч ампер, а напряжения, возникающие в разомкнутых цепях таких кабелей, - миллионов вольт. В антенных вводах, длина которых не превышает десятков метров, наводимые ЭМИ токи могут иметь силу в несколько сотен ампер. ЭМИ, проникающий непосредственно через элементы сооружений из диэлектрических материалов (не экранированные стены, окна, двери и т.п.), может наводить во внутренней электропроводке токи силой в десятки ампер. Токи, наводимые в обшивке самолета и выпускаемой антенне сверхдлинноволновой связи, могут составлять до 1000А, что приводит к возникновению токов во внутренней бортовой сети силой 1 - 10 А. Поскольку слаботочные цепи и радиоэлектронные приборы нормально действуют при напряжениях в несколько вольт и токах силой до нескольких десятков миллиампер, то в иностранной прессе утверждается, что для их абсолютно надежной защиты от ЭМИ требуется обеспечить снижение величины токов и напряжений, наводимых в кабелях электропитания, до шести порядков. Идеальной защитой от ЭМИ явилось бы полное укрытие помещения или кожуха, в котором размещается радиоэлектронная аппаратура, металлическим экраном. Вместе с тем ясно, что практически обеспечить такую защиту в ряде случаев невозможно, так как 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. По взглядам зарубежных специалистов, радикальным решением данной проблемы мог бы стать переход от электрических сетей связи к практически не подверженным воздействию ЭМИ волоконно-оптическим. Однако замена полупроводниковых приборов во всем спектре выполняемых ими функций электронно-оптическими устройствами
возможна только в отдаленном будущем. Поэтому в настоящее время в качестве средств защиты кабельных вводов наиболее широко используются фильтры, в том числе волноводные, а также искровые разрядники, металлоокисные варисторы и высокоскоростные зенеровские диоды. Все эти средства имеют как преимущества, так и недостатки. Так, емкостно-индуктивные фильтры считаются достаточно эффективной защитой от ЭМИ малой интенсивности, а волноводные 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 и оплетке кабеля.
Сравнительно недавно были созданы металлоокисные варисторы, представляющие собой полупроводниковые приборы, резко повышающие свою проводимость при высоком напряжении. Однако полагают, что при применении таких приборов в качестве средства 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 (режим короткого замыкания) при превышении приложенного к ним напряжения определенной пороговой величины. Скорость такого процесса в современных зенеровских диодах составляет около 10E-9с, а теоретический предел может достигать даже 10E-12с. Кроме того, в отличие от варисторов характеристики зенеровского диода после многократных воздействий высоких напряжений и переключений режимов не ухудшаются. Как отмечает зарубежная печать, 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. Подобный разъем был создан фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф корпорейшн» для УР «Феникс» класса «воздух-воздух» (рис.5). На разрезе разъема хорошо видны крепление зенеровского диода непосредственно на токопроводящем контакте и конструктивные элементы разъема, формирующие частотный фильтр (каждый контакт проходит внутри ферритового кольца, выполняющего роль катушки индуктивности, с обеих сторон которого размещены «вафельные» конденсаторы емкостей фильтра). Такая конструкция способствует получению очень малых значений емкости и индуктивности, что необходимо для обеспечения защиты от импульсов, которые имеют незначительную длительность и, следовательно, мощную высокочастотную составляющую.
Полагают, что использование разъемов подобной конструкции позволит решить проблему ограничения массогабаритных характеристик устройства защиты. Насколько важно это обстоятельство, можно судить по следующему примеру, приведенному в западной печати. При применении обычных радиодеталей для создания устройства защиты четырех стандартных разъемов, каждый из которых имеет по 128 контактов (что считается типичным для современных средств вычислительной техники), потребовалась бы схема в составе 1024 конденсаторов, 512 катушек индуктивности и 512 диодов.
Приводится также пример практического использования новых разъемов авиационной радиоэлектронной аппаратуре. Промышленной фирмой было предложено модифицировать армейский вертолет для ВМС. В процессе испытаний выявилась невозможность осуществления его поездки на авианосец вследствие вывода в этой ситуации из строя бортовой аппаратуры мощными излучениями радиоэлектронных средств корабля. После замены в вертолетной аппаратуре ряда разъемов новыми, снабженными устройствами защиты от ЭМИ, проблема оказалась в значительной степени решенной.
Сложность решения задачи защиты от ЭМИ и высокая стоимость разработанных для этой цели средств и методов заставили американское командование пойти на первых порах по пути их выборочного применения в особо важных системах оружия и военной техники. Первыми целенаправленными работами в данном на правлении были программы защиты от ЭМИ ракетных систем «Минитмен», «Посейдон» и «Поларис».
По заявлению американских экспертов, эти системы имеют практически абсолютную защиту. В нестратегических системах оружия проблема решается
путем обеспечения надежной защиты, наиболее важных для их функционирования или подверженных воздействию ЭМИ устройств и элементов.
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.
Современное состояние проблемы ЭМИ оценивается западной прессой следующим обрезом. Достаточно хорошо исследованы теоретически и подтверждены экспериментально механизмы генерации ЭМИ и параметры его поражающего действия. Разработаны стандарты защищенности аппаратуры и известны эффективные средства защиты. Однако для достижения достаточной уверенности в надежности защиты систем и средств от ЭМИ необходимо провести испытания с помощью имитатора. В частности, их уже проходят самолеты, ракеты, ИСЗ, отдельные средства корабельной техники, аппаратура систем связи и управления. Полагают, что возможности по испытаниям корабельной техники будут значительно расширены после завершения строительства специально размещенного на опытовом судне имитатора «Импресс-2». Что касается полномасштабных испытаний систем связи и управления, то эта задача, по оценкам зарубежных специалистов, вряд ли будет решена в обозримом будущем.
Согласно сообщениям иностранной печати, мощный ЭМИ можно создать не только в результате ядерного взрыва. В настоящее время в некоторых западных странах ведутся работы по генерации импульсов электромагнитного излучения магнитогидродинамическими устройствами, а также высоковольтными разрядами. Поэтому вопросы защищенности радиоэлектронной аппаратуры от воздействия ЭМИ будут оставаться в центре внимания научно-технических специалистов стран НАТО при любом исходе переговоров о ядерном разоружении.
Введение.
Для того, чтобы понять всю сложность проблем угрозы 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. Во время проводившихся в конце 50-х - начале 60-х годов ядерных взрывов в атмосфере и космическом пространстве наличие ЭМИ было 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 секунду), 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 и интегральных схем, особенно устройств цифровой техники на их основе, и широкое внедрение средств в радиоэлектронную военную аппаратуру заставили военных специалистов по иному оценить угрозу ЭМИ.
Описание физика ЭМИ.
Механизм генерации ЭМИ заключается в следующем. При ядерном взрыве возникают гамма и рентгеновское излучения и образуется поток нейтронов. Гамма-излучение, взаимодействуя с 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 решетке. 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 - 3 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 с до нескольких минут, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии весьма мала 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 на 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. Кроме временного нарушения функционирования (функционального подавления) РЭС, допускающего последующее восстановление их работоспособности, ЭМИ оружие может осуществлять физическое разрушение (функциональное поражение) полупроводниковых элементов РЭС, в том числе находящихся в выключенном состоянии.
Следует отметить также возможность поражающего действия мощного излучения ЭМИ оружия на электротехнические и электро энергетические системы вооружения и военной техники (ВВТ), электронные системы зажигания двигателей внутреннего сгорания (рис.1). Токи, возбуждаемые электромагнитным полем в цепях электро или радиовзрывателей, установленных на боеприпасах, могут достигать уровней, достаточных для их срабатывания. Потоки высокой энергии в состоянии инициировать детонацию взрывчатых веществ (ВВ) боеголовок ракет, бомб и артиллерийских снарядов, а также неконтактный подрыв мин в радиусе 50–60 м от точки подрыва ЭМИ боеприпаса средних калибров (100–120 мм).
Рис.1.Принудительная остановка автомобиля с электронной системой зажигания.
В отношении поражающего действия ЭМИ оружия на личный состав, как правило, речь идет об эффектах временного нарушения адекватной сенсомоторики человека, возникновения ошибочных действий в его поведении и даже потери трудоспособности. Существенно, что негативные проявления воздействия мощных сверхкоротких СВЧ-импульсов не обязательно связаны с тепловым разрушением живых клеток биологических объектов. Поражающим фактором зачастую является высокая напряженность наведенного на мембранах клеток электрического поля, сравнимая с естественной квазистатической напряженностью собственного электрического поля внутриклеточных зарядов В опытах на животных установлено, что уже при плотности импульсно-модулированного СВЧ облучения на поверхности биологических тканей в 1, 5 мВт/см2 имеет место достоверное изменение электрических потенциалов мозга. Активность нервных клеток изменяется под действием одиночного СВЧ импульса продолжительностью от 0, 1 до 100 мс, если плотность энергии в нем достигает 100 мДж/см2. Последствия подобного влияния на человека пока мало изучены, однако известно, что облучение импульсами СВЧ иногда порождает звуковые галлюцинации, а при усилении мощности возможна даже потеря сознания.
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 ассимметричности 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.
Поскольку сбор экспериментальных данных при проведении подземных ядерных испытаний технически весьма сложен и дорогостоящ, то решение набора данных достигается методами и средствами физического моделирования.
Источники ЭМИ (оружие не летального воздействия). ЭМИ оружие может быть создано как в виде стационарных и мобильных электронных комплексов направленного излучения, так и в виде электромагнитных боеприпасов (ЭМБ), доставляемых к цели с помощью артиллерийских снарядов, мин, управляемых ракет(рис.2), авиабомб и т. п.
Стационарный генератор позволяет воспроизводить ЭМИ с горизонтальной поляризацией электрического поля. Он включает в себя высоковольтный генератор электрических импульсов (4 МВ), симметричную вибраторную излучающую антенну на двух мачтах и открытую бетонированную испытательную площадку. Установка обеспечивает формирование над испытательной площадкой (на высотах З и 10 м) ЭМИ с напряженностью поля, равной соответственно 35 и 50 кВ/м.
Мобильный (Транспортабельный) генератор НРDII предназначен для моделирования горизонтально поляризованного ЭМИ. Он включает в себя смонтированные на платформе трейлера высоковольтный генератор импульсов и симметричную вибраторную антенну, а также размещенную в отдельном фургоне аппаратуру сбора и обработки данных.
В основу ЭМБ положены методы преобразования химической энергии взрыва, горения и электрической энергии постоянного тока в энергию электромагнитного поля высокой мощности. Решение проблемы создания ЭМИ боеприпасов связано, прежде всего, с наличием компактных источников излучения, которые могли бы располагаться в отсеках боевой части управляемых ракет, а также в артиллерийских снарядах.
Наиболее компактными на сегодня источниками энергии для ЭМБ считаются спиральные взрывомагнитные генераторы (ВМГ), или генераторы с взрывным сжатием магнитного поля, имеющие наилучшие показатели удельной плотности энергии по массе (100 кДж/кг) и объему (10 кДж/см3), а также взрывные магнитодинамические генераторы (ВМДГ). В ВМГ с помощью взрывчатого вещества происходит преобразование энергии взрыва
в энергию магнитного поля с эффективностью до 10%, а при оптимальном выборе параметров ВМГ – даже до 20%. Такой тип устройств способен генерировать импульсы энергией в десятки мега джоулей и длительностью до 100 мкс. Пиковая мощность излучения может достигать 10 ТВт. ВМГ могут применяться автономно или как один из каскадов для накачки генераторов СВЧ диапазона. Ограниченная спектральная полоса излучения ВМГ (до нескольких мегагерц) делает их влияние на РЭС довольно избирательным.
Рис.2. Конструкция (а) и принцип (б) боевого применения типового ЭМБ.
Вследствие этого возникает проблема создания компактных антенных систем, согласованных с параметрами генерируемого ЭМИ. В ВМДГ взрывчатка или ракетное топливо применяются для образования плазменного потока, быстрое перемещение которого в магнитном поле приводит к возникновению сверхмощных токов сопутствующим электромагнитным излучением.
Основное преимущество ВМДГ многоразовость применения, поскольку картриджи со взрывчаткой или ракетным топливом могут закладываться в генератор многократно. Однако его удельные массогабаритные характеристики в 50 раз ниже, чем у ВМГ, и вдобавок технология ВМДГ еще не достаточно отработана, чтобы в ближайшей перспективе делать ставку на эти источники энергии.
Электричество прочно вошло в нашу жизнь и стало ее неотъемлемой частью. Но технический прогресс связан с увеличением уровня электромагнитного излучения (ЭМИ), оказывающего неблагоприятное влияние на все живые организмы. Электромагнитное излучение — это колебание электрических и магнитных полей, которое распространяется в пространстве со скоростью света . Человек его не видит и не чувствует, поэтому не в состоянии оценить, как оно воздействует на здоровье. А между тем врачи всего мира бьют тревогу о том, что ЭМИ действует на организм подобно радиации. Разберемся, как же влияют электромагнитные волны на человека, существуют ли способы защиты от неблагоприятного воздействия.
Источники электромагнитного излучения
В течение всей жизни на человека воздействуют электромагнитные поля (ЭМП). Если влияние электромагнитного излучения от естественных источников (Солнца, магнитного и электрического поля Земли) люди не способны изменить, то уменьшить воздействие от искусственных источников им под силу.
- трансформаторов;
- сотовых телефонов;
- медицинского оборудования;
- компьютеров;
- антенн;
- лифтов;
- бытовой техники;
- линии электропередач.
Энергия, исходящая от источников, различается по частоте и длине волны – это основные характеристики ЭМП. Учеными обнаружены и исследованы электромагнитные волны всех возможных диапазонов, которые применяются в науке или технике. Спектр электромагнитного излучения образуется из совокупности всех волн.
Спектральный диапазон излучения ЭМП
Свет, который воспринимается человеческим глазом, является частью спектра электромагнитного излучения, но лишь незначительной. При его изучении были открыты и другие волны. К электромагнитным волнам относятся:
- Рентгеновские и гамма-лучи – высокочастотное электромагнитное излучение (3 – 300 МГц).
- Инфракрасное излучение, видимый человеческим глазом свет, а также ультрафиолет – среднечастотное излучение (0,3 — 3 МГц).
- Радиоизлучение и микроволны – низкочастотные излучения (3 – 300 кГц).
Все электромагнитные волны используются человеком и оказывают воздействие как на живые организмы, так и на окружающую среду. Биологическая активность волн возрастает с уменьшением их длины.
Излучение, исходящее от низкочастотных и среднечастотных источников – неионизирующее. Это значит, что вред для здоровья при допустимом уровне воздействия ЭМИ минимален
.
Сильное биологическое воздействие на организм человека оказывает медицинское оборудование – источники высокочастотного облучения и ионизирующего электромагнитного излучения: рентгеновские аппараты и аппараты компьютерной томографии. МРТ и УЗИ неопасны для организма, потому что при диагностике не используются рентгеновские лучи.
Полный спектр электромагнитного излучения по длине волны подразделяется на диапазоны:
- радиоволны (100 км – 1 мм) – используются в области телерадиовещания, в радиолокации;
- микроволны (300 – 1 мм) – применяются в промышленности и в быту: спутниковая и сотовая связь, микроволновые печи;
- инфракрасное излучение (2000 мкм – 740 нм) находят широкое применение в криминалистике, физиотерапии, для сушки изделий или продуктов;
- оптическое излучение– 740 — 400 нм — видимый человеком свет;
- ультрафиолетовое излучение (400 – 10 нм) получило широкое распространение в медицине и в промышленности: бактерицидные и кварцевые лампы;
- рентгеновские лучи (0,1 – 1,01 нм) широко применяются в медицинской диагностике;
- гамма-излучения (меньше 0,01 нм) используются при лечении онкологических заболеваний.
Границы между диапазонами спектра считаются весьма условными .
Уровень электромагнитного излучения
Исходящее электромагнитное излучение от искусственных источников ЭМП бывает низкоуровневым и высокоуровневым. Уровень мощности источника влияет на степень напряженности электромагнитного излучения .
К источникам высокого уровня относят:
- высоковольтные ЛЭП;
- электротранспорт;
- вышки теле- и радиовещания, спутниковой и сотовой связи;
- трансформаторы;
- электрические подъемные установки (лифты, фуникулеры).
К низкоуровневым источникам относят все виды бытовой техники, устройства с ЭЛТ дисплеем и внутридомовая проводка, розетки и выключатели.
Для определения уровня ЭМИ используется специальный прибор – флюксметр . Он фиксирует значение показателя напряженности электрического поля, в соответствии с которым предпринимаются меры защиты, если нормы будут превышены.
Предельно допустимый уровень облучения населения – значение напряженности ЭМИ, при котором не происходит вредного влияния на организм человека.
Для подсчета дозы излучения в зависимости от источника, расстояния до него и размера существуют специальные таблицы и формулы. Безопасная доза электромагнитного излучения в 0,2 – 0,3 мкТл.
Как влияет электромагнитное излучение на живые организмы
Многочисленные исследования ученых привели к выводу, что воздействие электромагнитных полей на организм человека и животных отрицательно , его последствием являются нарушения работы внутренних органов и развитие различных заболеваний.
Влияние электромагнитных волн на человека зависит от многих факторов:
- интенсивности (уровня) поля;
- их длины и частоты;
- временного отрезка воздействия;
- состояния здоровья человека.
Источники с высоким уровнем ЭМП оказывают более сильное влияние на здоровье человека. Глубина проникновения в организм зависит от длины волны: длинноволновые поля действуют на внутренние органы, головной и спинной мозг, короткие волны – только на кожу и приводят к тепловому эффекту.
ЭМП увеличивают риск для здоровья детского и ослабленного организма, а также людей, подверженных аллергическим заболеваниям.
Побочные электромагнитные излучения и наводки при постоянном воздействии нарушают деятельность всех систем организма и могут привести к возникновению радиоволновой болезни, симптомы которой наблюдают у себя многие:
- хроническая усталость;
- состояние апатии;
- обострение хронических заболеваний;
- постоянные головные боли;
- нарушения сна и внимания;
- частые депрессии.
Если учесть, что среднестатистический городской житель в течение всей своей жизни подвергается постоянному влиянию электромагнитного поля, то радиоволновую болезнь можно диагностировать почти у каждого горожанина и объяснить возникающие симптомы именно ее развитием. Если не предпринять мер защиты от вредного ЭМП, то возрастает риск развития хронических недугов (сердечной аритмии, сахарного диабета) и постоянных вирусных респираторных заболеваний.
После кратковременного воздействия электромагнитных волн здоровый организм способен полностью восстановиться и устранить изменения, произошедшие во время нахождения в зоне повышенного ЭМИ.
При длительном действии электромагнитных лучей нарушается биоэнергетическое равновесие организма, изменения накапливаются и приобретают стабильный характер.
Какой вред ЭМИ наносят организму человека
Вред для здоровья от источников ионизирующего излучения доказан давно, и не найдется, наверное, человека, который бы не знал о негативных последствиях воздействия рентгеновских или гамма-лучей. Влияние на здоровье человека ЭМП от неионизирующих источников еще слабо изучено, но ученые всего мира уже доказали его негативное воздействие.
Основные виды антропогенного электромагнитного излучения:
- высоковольтные линии электропередачи;
- микроволновое и радиоизлучение беспроводных устройств связи и бытовых приборов.
Электромагнитные поля и излучения представляют угрозу почти для всех систем организма человека
. Под их влиянием:
- ухудшается проходимость нервных сигналов от мозга к другим органам, что отражается на деятельности всего организма: нарушается мозговая координация, притупляются рефлексы;
- обнаруживаются негативные изменения в психическом состоянии: нарушение памяти и внимания, в тяжелых случаях появление суицидальных мыслей, бреда, галлюцинаций;
- происходит неблагоприятное воздействие на кровеносную систему: ЭМИ может спровоцировать слипание телец крови, что приведет к закупорке сосудов, аритмии, повышению артериального давления;
- происходит снижение проницаемости клеточных мембран, из-за чего организм испытывает кислородное голодание и недостаточное поступление питательных веществ;
- нарушается выработка гормонов, поскольку под влиянием электромагнитных полей происходит постоянная стимуляция гипофиза, щитовидной железы и надпочечников;
- снижается иммунитет (частые ОРВИ, ангины), а иммунные клетки начинают атаковать свои же клетки (возникновение аллергических реакций) в связи с падением уровня лимфоцитов.
- увеличивается риск возникновения онкологических заболеваний — имеются данные, что интенсивное воздействие некоторых частот электромагнитного спектра может иметь канцерогенное действие;
- происходит угнетение половой функции у мужчин (снижение потенции) и женщин (сбои менструального цикла, бесплодие).
Особо пагубное воздействие электромагнитное излучение оказывает на плод в утробе матери.
Постоянное превышение допустимой дозы ЭМИ во время беременности приводит негативному влиянию на мать и к патологиям развития ребенка на разных сроках, особенно в первом триместре:
- формированию пороков различных органов;
- замедленному развитию важнейших систем организма;
- мертворождению;
- преждевременным родам.
В одном из исследований воздействия электромагнитных волн на беременных женщин была установлена высокая вероятность мертворождения и самопроизвольного аборта при увеличении максимально допустимого уровня ЭМИ. У тех участников эксперимента, которые носили постоянно электромагнитный излучатель, риск выкидыша был вдвое больше. Если ребенок и рождается, у него высока вероятность патологий развития, поскольку ЭМИ воздействую на структуру ДНК, повреждая ее.
Вывод неутешителен – влияние электромагнитного излучения на организм человека отрицательно и негативно отражается на деятельности почти всех его систем. Чтобы избежать его разрушительного воздействия на здоровье, необходимо позаботиться о безопасности жизнедеятельности (БЖД) и методах защиты от электромагнитного излучения.
Способы защиты от влияния электромагнитных полей
Электричество пронизывает все уголки нашей жизни: от простой лампы накаливания до сложных промышленных установок. Современный человек уже не представляет, как он будет обходиться без бытовых приборов, средств связи и телекоммуникаций. Полностью отказаться от использования электрического тока и благ цивилизации большинству из нас не представляется возможным, но выполнение некоторых рекомендаций позволит минимизировать разрушительные последствия для здоровья от вредного воздействия ЭМП.
На предприятиях, где человек вынужден постоянно сталкиваться с действием высокоуровневых ЭМИ, обязаны устанавливать защитные экраны и строго соблюдать все санитарно-эпидемиологические требования и правила БЖД.
Важно знать, что уровень напряженности ЭМП снижается при удалении от него на некоторое расстояние. Так, чтобы уберечься от вредного влияния высоковольтных линий на здоровье человека, нужно отойти на безопасное расстояние от ЛЭП или других высокоуровневых источников на 25 метров.
Ни в коем случае не строить жилые здания ближе чем в 30 метрах от источников с высоким уровнем электромагнитного излучения
и не позволять детям играть вблизи с трансформаторными будками или вышками.
Для того чтобы электрическая техника облегчала жизнь человека, а не укорачивала ее, необходимо придерживаться следующих советов и правил.
- Выяснить степень опасности, которая исходит от различных источников электромагнитного излучения дома и на работе с помощью специального дозиметра.
- В соответствии с показателями расставить электробытовые приборы таким образом, чтобы они находились как можно дальше от зоны отдыха и обеденного стола (минимум 2 метра).
- Расстояние от ЭЛТ монитора или телевизора должно составлять не менее 30 см.
- Из спальни и детской комнаты по возможности удалить все электроприборы.
- Электронные часы с будильником ставить не ближе 10 см от подушки.
- Не находиться рядом с работающей СВЧ-печью, микроволновкой или обогревателем.
- Сотовые телефоны не рекомендуется подносить к голове ближе, чем 2,5 см. Неплохо разговаривать через громкую связь, а телефон держать как можно дальше от себя.
- Не стоит постоянно носить средства сотовой связи в карманах – в сумочке или барсетке им самое место.
- Всегда выключать неиспользуемые электрические устройства, поскольку даже в спящем режиме от них исходит определенная доза излучения.
- Вредно использовать фен перед сном: ЭМИ замедляет выработку мелатонина и нарушает циклы сна. Не стоит пользоваться и компьютером или планшетом менее чем за 2 часа до отхода ко сну.
- В розетках для подключения электроприборов необходимо проверить наличие заземления.
Следует знать, что стальной корпус электроприборов хорошо экранирует исходящее от них излучение, а электромагнитные волны способны проникать и через стены: электроприборы, находящиеся в соседней комнате или у соседей, также могут оказывать влияние на организм.
Все рекомендации необходимо усиленно соблюдать будущим мамочкам, если они хотят выносить и родить здорового малыша. Чрезмерное увлечение компьютером или разговорами по сотовому телефону во время беременности несут угрозу здоровью еще не родившемуся ребенку.
Технический прогресс значительно облегчил людям жизнь и подарил множество самой разнообразной техники и электроники, медицинские приборы, помогающие нам быть здоровыми, электротранспорт и лифты. Но негативное влияние на человека электромагнитного излучения от электрических приборов и устройств, ЛЭП и вышек связи не может не беспокоить специалистов и ученых.
Многочисленные исследования приводят к неутешительным выводам, что без применения мер защиты от ЭМП здоровью человека грозит опасность. Поэтому, если нет возможности или желания избавиться от всех благ цивилизации и переехать жить в лес, необходимо обезопасить себя и своих близких от вредного влияния ЭМИ, следуя несложным правилам БЖД по работе с электроприборами и выполнять рекомендации, данные выше.