近地长电缆对高空电磁脉冲晚期部分的响应

　第15卷　第12期强激光与粒子束Vol.15,No.12 2003年12月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2003　文章编号:　100124322(2003)1221237204

近地长电缆对高空电磁脉冲晚期部分的响应Ξ

余同彬,　周璧华

(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)

摘　要:　根据传输线理论,计算了高空电磁脉冲晚期部分作用下近地长电缆外导体的感应电流,给出了

电缆取不同长度、端接不同阻值负载时的电流波形。计算结果表明,当电缆长度为几十km,外导体两端接地,

其感应电流峰值可达数十A,且随电缆长度的增加而增加,但电流增幅随电缆长度的增加逐渐变慢。当接地电

路中串接较大电阻时,感应电流峰值明显降低。

关键词:　高空电磁脉冲;　传输线;　耦合

中图分类号:　TN011 文献标识码:　A

高空爆炸电磁脉冲(HEMP)对电子、电气设备及系统的干扰与损伤效应已引起人们的足够重视。在地面附近,HEMP包括前期、中期和晚期三个部分[1～3]。然而人们在研究HEMP的影响时,往往只考虑其前期部分的作用,并习惯地就将这一部分称之为HEMP。由于前期部分的电场强度峰值可达数十kV/m,脉冲的上升时间和半峰值宽度分别为几个ns和几十ns,高频成份相当丰富,对工作频率越来越高的微电子设备及系统的干扰与损伤效应日趋严重。中期部分电场波形的峰值约为100V/m,脉冲宽度为693μs。但中期部分入射电场与地面反射电场的合成场仅有很小的水平分量,因而对平行于地面电缆的耦合作用往往可以忽略。晚期部分的持续时间近103s,电场峰值不超过40mV/m,覆盖的频段主要分布在1Hz以下。值得注意的是,晚期部分的电场平行于地面的分量持续时间较长,主要频率分量为极低的频率,可对近地长电缆产生较强的耦合作用[1,4～6]。要研究HEMP对电缆的耦合,首先要分析HEMP在电缆外导体上产生的感应电流。

对于HEMP前期部分与近地电缆外导体的耦合问题,一般根据传输线理论作近似分析[7～10]或采用时域有限差分(FD TD)法之类的数值方法作时域全波分析[11]。而对HEMP晚期部分与近地电缆外导体的耦合问题,由于受机时和存储空间的限制,目前还难以采用FD TD法进行研究。对于HEMP晚期部分作用下的近地长电缆,在外导体两端接地条件下产生的感应电流,国外多采用准直流模型作近似计算[3～5]。由于这种方法未考虑直流回路中大地的损耗以及电缆与大地之间的感抗,计算得出的感应电流必将产生一定误差。V.N. Greetsai等人于1998年曾用传输线理论对HEMP晚期部分在通信电缆外导体上产生的感应电流进行过估算[7],但进一步的研究结果未见报道。本文根据传输线理论对HEMP晚期部分与近地长电缆外导体的耦合问题进行了研究,计算了近地长电缆在取不同长度和外导体端接不同阻值负载时外导体感应电流的波形,并就有关结果进行了讨论。

1　计算模型及方法

图1为HEMP来波与近地电缆方位示意图。计算HEMP作用下电缆感应电压和电流时,可采用如图2所示的分布源传输线模型[8]。模型中传输线常用波阻抗Z0及传输常数γ来描述。

图2中E z(ω)为作用于电缆上的合成电场频域符号。在离地面h高度处,E z(ω)是由入射场E i(ω)和来自地面的反射场E r(ω)迭加形成的,其值除与高度h和大地电参数有关外,还取决于来波的极化方式与入射角度,可参考文献[8]中的有关算式确定。当E z(ω)作用于图2中的传输线时,沿线电压和电流的频域表达式为[8]

U z(ω)=Z0{[K1+P(z)]e-γz-[K2+Q(z)]eγz}(1)

I z(ω)=[K1+P(z)]e-γz+[K2+Q(z)]eγz(2)

Ξ收稿日期:2003204224; 修订日期:2003207207

基金项目:国家自然科学基金资助课题(50237040)

作者简介:余同彬(19702),男,安徽人,1991年毕业于解放军通信工程学院,1996年在该学院获电磁场与微波技术专业硕士学位,2003年在解放军理工大学工程兵工程学院获博士学位,讲师。主要从事计算电磁学和电磁防护研究;E2mail:ytbyang@https://www.sodocs.net/doc/4b18903358.html,。

Fig.1　Coordinate for the cable and ground 图1　HEMP

与架空电缆方位图Fig.2　Transmission line model

图2　分布源传输线模型

式中

P (z )=

12Z 0∫z z 1e γv E z d v (3)Q (z )

=12Z 0∫z 2z e -γv E z d v (4)K 1=ρ1e γz 1ρ2P (z 2)e -γz 2-Q (z 1)e γz 2e γ(z 2-z 1)-ρ1ρ2e -γ(z 2-z 1)(5)

K 2=ρ2e -γz 2ρ1Q (z 1)e γz 1-P (z 2)e

-γz 1e γ(z 2-z 1)-ρ1ρ2e

-γ(z 2-z 1)(6)式中:ρ1=(Z 1-Z 0)/(Z 1+Z 0),ρ2=(Z 2-Z 0)/(Z 2+Z 0),其中Z 1,Z 2为电缆两端阻抗;z 1,z 2为电缆两端坐标。

计算时先由入射HEMP 电场的时域表达式求得其频域表达式,按大地电参数、极化方向、入射角度和电缆架高得出距地面某一高度处的电场频域表达式,根据式(1)和式(2)求得U z (ω)和I z (ω),再经傅里叶变换就可得到U z (t )和I z (t )。考虑到直接进行傅氏积分难度较大,而离散傅里叶变换能很好地近似连续变量的傅里叶变换,故本文在进行上述时域和频域间的变换时,是通过快速傅里叶变换(FF T )完成的。

2　计算结果及讨论

在计算长电缆外导体上的感应电流时,大地参数取为σ=10-4S/m ,εr =10,μr =1。按文献[8]中的数据,电缆外导体直径及厚度分别取为2cm 和0.5mm ,电导率取5.8×107S/m 。按文献[4],HEMP 晚期部分在大地中接近地面处产生的切向感应电场可表示为

E (t )=0,E 01k 1(e -a 1τ-e -b 1τ)-E 02k 2(e -a 2τ-e -b 2τ),　τ≤0τ>0

(7)式中:τ=t -1,E 01=0.04V/m ,a 1=0.02s -1,b 1=2s -1,k 1=1.058,E 02=13.26mV/m ,a 2=0.015s -1,b 2=0.02s -1,k 2=9.481。(7)式描述的波形如图3所示,其中(a )图的横坐标取常用形式,

(b )图的横坐标取对数形式。由图3可见,电场的峰值为38.6mV/m ,上升时间(10%～90%)约0.9s ,正负脉冲的半峰值宽度分别约为20,130s 。由于大地与空气分界面上电场的切向分量连续,(7)式也可用来近似表示地面以上近地切向电场,且在贴近地面处,这种近似具有较高的精度。

Fig.3　Standard late 2time HEMP waveform 图3　HEMP 后期部分电场的标准波形

8321强激光与粒子束第16卷

Fig.4　Sheath current waveform of the cable with two grounded ends 图4　

电缆外导体两端接地时感应电流波形Fig.5　Peak value of the Sheath current as a function of cable length

图5　电缆外导体感应电流峰值随电缆长度的变化曲线

对两端接地的电缆当其取不同长度时,按传输线理论计算得到外导体上感应电流的波形如图4所示。计算中电缆轴线距地面高度取为1.1cm ,电缆两端的接地电阻均取为4Ω,传输线特性阻抗和传输常数所涉及的传输线单位长度纵向阻抗Z 由以下三部分组成:电缆和地面之间磁场所决定的感抗、大地内阻抗和电缆内阻抗。在计算Z 时如果仅考虑电缆内阻抗,由传输线理论得到的结果和根据准直流模型计算的结果完全一致。然而,对近地长电缆而言,由电缆和地面之间的磁场所决定的感抗及大地内阻抗的作用是不能忽略的,计算Z Fig.6　Sheath current waveform of the cable with end 2having different serial resistance in the grounded wire (end 1is grounded )

图6　一端接地、另外一端串接不同电阻而接地时

电缆外导体感应电流的波形

时应予以充分考虑。由于感抗及大地内阻抗与频率有

关,因而感应电流的波形与电场波形会有一定差异。

图5给出了电缆外导体两端接地时的感应电流峰值随

电缆长度的变化情况,从图中可以看出,感应电流峰值

随着电缆长度的增加而增加,但其增幅随长度的增加

逐渐变小。

图6为电缆一端接地、另外一端串接不同电阻而

接地时外导体感应电流的波形。当串接电阻为0Ω

时,感应电流峰值可达几十A ;当串接电阻为100Ω和

500Ω时,感应电流峰值明显降低;而当串接电阻为无

穷大时,感应电流几乎为零。可见,为避免受HEMP

晚期部分的影响,长电缆外导体应采取一端接地。3　结　论

对于外导体两端接地的近地长电缆,HEMP 晚期部分在其外导体上产生的感应电流峰值可达数十A ,且感应电流峰值随电缆长度的增加而增加。但随着电缆长度的增加,感应电流峰值的增加越来越缓慢。当接地电阻增大时,感应电流峰值明显降低。

参考文献:

[1]　IEC 610002229.Description of HEMP environment 2radiated disturbance[S].1996.

[2]　黄聪顺,周启明.高空电磁脉冲作用下地面电缆屏蔽层感应电流的数值模拟[J ].强激光与粒子束,2003,15(9):905—908.(Huang C S ,

Zhou Q M .Numerical simulation of the HEMP induced current in cable shielding.High Power L aser and Particle Beams ,2003,15(9):905—908)

[3]　孙蓓云,周辉,谢彦召.两种高空核电磁脉冲电缆耦合效应的比较[J ].强激光与粒子束,2002,14(6):901—904.(Sun B Y ,Zhou H ,Xie Y

https://www.sodocs.net/doc/4b18903358.html,parison of the cable coupling effects under two kinds of HEMP environment.High Power L aser and Particle Beams ,2002,14(6):901—904)

[4]　IEC 6100022210.Description of HEMP environment 2conducted disturbance[S].1998.

[5]　Tesche F M ,Barnes P R ,Sakis Meliopoulos A P.Magnetohydrodynamic Electromagnetic Pulse (MHD 2EMP )Interaction with Power Transmission

and Distribution Systems[R].ORNL/Sub/902828/1,Martin Marietts Energy Systems ,Inc ,Oak Ridge Natl ,1992.

[6]　Barnes P R.MHD 2EMP analysis and protection[R].Defense Nuclear Agency Report No.DNA 2TR 2922101,1993.

[7]　Greetsai V N.Response of long lines to nuclear.High 2altitude EM pulse[J ].I EEE Trans on EM C ,1998,40(3):348—354.

[8]　Vance E F.Coupling to Shielded Cables[M ].New Y ork :John Wiley &Sons Inc ,1978.

9321第1期 余同彬等:近地长电缆对高空电磁脉冲晚期部分的响应

0421强激光与粒子束第16卷

[9]　Tesche F https://www.sodocs.net/doc/4b18903358.html,parison of the transmission line and scattering models for computing the N EMP response of overhead cables[J].I EEE Trans on

EM C,1992,34(2):93—99.

[10]　余同彬,周璧华.HEMP作用下近地有限长电缆外皮感应电流研究[J].解放军理工大学学报,2002,3(1):8—12.(Yu T B,Zhou B H.

Study of the HEMP induced current in cables of finite length near the ground.Journal of PL A U niversity of Science&Technology,2002,3(1): 8—12)

[11]　陈彬,王廷永,高成,等.电磁脉冲作用下近地电缆外皮感应电流的全波分析[J].微波学报,2000,16(5):549—553.(Chen B,Wang T Y,

G ao C,et al.Full2wave analysis of the EMP induced current in cables near the ground.Journal of Microw aves,2000,16(5):549—553)

R esponse of long lines to late2time HEMP

YU Tong2bin,　ZHOU Bi2hua

(Engineering Institute of Engineering Corps,People’s L iberation A rmy U niversity of Science&Technology,

N anjing210007,China)

Abstract:　The transmission2line theory is used to calculate the late2time HEMP induced sheath current of long lines with different length and termination,which is located near or above the ground.The results show that the induced sheath current on the line with two grounded ends can reach to tens of As.As the line’s length grows,the peak value of the sheath current increases,and the increase with the length slows down.When one end of a line have high serial resistance in the grounded wire(the other end is grounded),the peak value of the sheath current decreases obviously.

K ey w ords:　Nuclear electromagnetic pulse;　Transmission line;　Coupling

电磁脉冲武器前世今生

电磁脉冲武器前世今生：中国防护技术早起步2009年07月12日09:16中青在线-青年参考【大中小】【打印】0位网友发表评论“变形金刚”不是它的对手 特约记者辛颖 随着科幻大片《变形金刚2》以惊人的“抢钱”速度席卷中国电影院线，“电磁脉冲武器”这个名词也跟着“火”了起来。影片中，不仅出现了电磁脉冲干扰及破坏通信线路的场景，连霸天虎的首领“威震天”也曾身陷磁场中不得脱身。可见，即便是威力无比的“变形金刚”，在电磁攻击面前同样十分脆弱。那么，什么是电磁脉冲武器？它的诞生过程与发展前景如何？ 1.绰号“信息设备终结者” 电磁脉冲是一种瞬变电磁现象，泛指雷击产生的电磁脉冲、开关产生的电磁脉冲或高空核爆及电磁脉冲炸弹产生的电磁脉冲。它具有涵盖面积大、持续时间短、能量与频率范围宽的特性，能在极短时间内，以电磁波的形式将强大能量传至远处。 电磁脉冲武器则是一种利用强电磁脉冲摧毁来袭导弹、电子设备甚至扰乱人的大脑神经系统、使人暂时失去知觉的武器，有时也称为电磁脉冲产生器。电磁脉冲武器通常由初级能源、能量转换装置、射频脉冲产生器和发射天线等几部分组成。 电磁脉冲可以与电缆、导线和天线等耦合，把能量传递给电子设备，致使其失效或损坏；还能使磁性存贮器(磁心、磁鼓和磁带等)消磁或失真，抹去存贮的信息。此外，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，这种电流通过壳体上的隙缝或舱口耦合到壳内，可使电子元器件、线路和设备受到不同程度的影响。 美国进行的试验表明，核电磁脉冲能破坏50公里以外没有防护措施的B-1轰炸机。由此看来，高能电磁脉冲确实是不折不扣的“信息设备终结者”。不过，人们真正认识它，并将其制成武器却是出于偶然。 2.诞生于核爆“蘑菇云”中 提到“蘑菇云”，人们自然会联想到原子弹。见过原子弹爆炸的人很少，但是，几乎人人都见过“第二原子弹”爆炸，那就是自然界的雷电和静电现象。 1961年10月，苏联在北极圈新地岛上空35公里处进行氢弹试验。猛烈的核爆炸不仅毁灭了爆心附近的一切，还对数千公里范围内的电子系统产生强烈冲击。苏军的防空雷达被烧坏，无法探测空中目标；上千公里长的通信线路中断，部队1个多小时处于无法指挥的状态。 次年，美国在太平洋的约翰斯顿岛上空进行核试验后，距该岛1400公里之遥的夏威夷檀香山陷入一片混乱。防盗报警器响个不停，街灯熄灭，动力设备上的继电器一个个被烧毁……

电磁兼容 安装和减缓导则 高空核电磁脉冲(HEMP)的防护概念(标准

I C S33.100.01 L06 中华人民共和国国家标准化指导性技术文件 G B/Z30556.3 2017/I E C/T R61000-5-3:1999 电磁兼容安装和减缓导则 高空核电磁脉冲(H E M P)的防护概念 E l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y I n s t a l l a t i o na n dm i t i g a t i o n g u i d e l i n e s H E M P p r o t e c t i o n c o n c e p t s (I E C/T R61000-5-3:1999,E l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y(E M C) P a r t5-3:I n s t a l l a t i o na n dm i t i g a t i o n g u i d e l i n e s H E M P p r o t e c t i o n c o n c e p t s,I D T) 2017-09-29发布2018-04-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

目 次 前言Ⅲ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义2 4 概述2 5 防护原理2 5.1 概述2 5.2 分区3 5.3 辐射骚扰的防护3 5.4 传导骚扰的防护4 5.5 布线和安装导则4 5.6 H E M P 和雷电防护原理之间的关系6 6 元件选择8 6.1 电路元件的选择8 6.2 抑制辐射骚扰防护装置的选择8 6.3 抑制传导骚扰防护装置的选择8 7 防护概念13 7.1 总体考虑13 7.2 拓扑考虑13 7.3 防护概念的定义14 8 H E M P 和雷电电磁脉冲(L E M P ) 传导骚扰防护措施的比较15 8.1 概述15 8.2 峰值电流i 16 8.3 d i /d t 的最大值16 8.4 d u /d t 的最大值16 8.5 i ?d t 的积分16 8.6 i 2?d t 的积分16 8.7 半峰值时间17 8.8 H E M P 和L E M P 防护比较的结论17 附录A (资料性附录) 早期H E M P 和雷电辐射环境18 附录B (资料性附录) 初级线圈为三角形的配电变压器的使用布置26 附录C (资料性附录) 防护措施的传输特性27

电磁脉冲

核驱动电磁脉冲原理 电磁脉冲的频率 一次核爆炸所释放出来的能量中，约有百万分之一为电磁脉冲。他所包括 的频率从几百赫兹到几百兆赫。 电磁脉冲的强度 核爆电磁脉冲产生的电磁场强度在50000V/m这一数量级上，以下是核爆EMP 的强度和雷达与通讯设备电磁场强度的比较： 电磁源强度（V/m） 电磁脉冲 50000 雷达 200 通信设备 10 电磁脉冲的性质 电磁脉冲的波形很特殊，它上升急遽，形成一个比闪电波形还要陡峭的 前沿；旗下降虽不像上升那样陡，但仍然比闪电陡。因此他幅度大、持 续时间短。电磁脉冲的性质像核武器其它效应一样与武器当量、距离及 炸高有关。关于炸高，需考虑两种不同的情况，其一是大气层内的爆炸 ，一般经常是当量在几百千顿以下的武器。这类核武器的最佳炸高较低 或常用于地面爆炸，其目的主要是通过其非常明显的、强烈的作用使目 标遭到破坏。这种爆炸被称为内大气层爆炸，亦即在大气层里爆炸，所 产生的电磁脉冲影响范围相当狭小。 第二种电磁脉冲影响力要比第一种大的多了，他由外大气层核爆产生， 爆炸高度能达到100km以上，当量也在百万吨的范围以上。这种爆炸被 称为外大气层爆炸，其产生的电磁脉冲所覆盖的面积可达几千平方公里 ，对通信和预警系统造成的威胁最大。 1.内大气层电磁脉冲 内大气层电磁脉冲一般是在核爆的百分之几秒的瞬间，由γ射线的光子 与大气分子进行碰撞而产生的。第一阶段是γ射线光子与大气分子进行 碰撞时，碰撞出的电子以接近光速的速度远离爆心，留下带正电的空气 分子。电贺的分离在近距离范围内产生了一个每米几十万伏特的强电场 和一个每米几千安培的伴生磁场。电场的强度与方向取决于几种因素， 若大气与辐射是均匀的，则电子与正离子的分布也同样是均匀的，因而 将不会有脉冲发生。然而地面、空气密度梯度的存在以及光子非均匀的 辐射等综合不平衡性，导致最终产生出一个与电场方向垂直的脉冲。

电磁脉冲

电磁脉冲 电磁脉冲对我们来说并不陌生，它经常出现于科幻小说和动画片中。在很长一段时间内，人们对电磁脉冲的认识仍然停留在感性层面，但随着人们对这种现象的认识增加，电磁脉冲的轮廓逐渐清晰了起来。电磁脉冲是一个瞬时产生的强大能量场，对能量波非常敏感，能够在较远的距离上破坏无数的电力系统和高技术微型电路。人们可以通过两种途径产生电磁脉冲：高空核爆炸和微波的散射。其中，通过高空核爆炸产生巨大的电磁脉冲效应的现象就是高空电磁脉冲现象。值得一提的是，所有的核武器在高空爆炸后都能够产生电磁脉冲效应，不过有些型号的核武器是专门用来产生电磁脉冲效应的。2004年，美国国会研究服务处的科雷·威尔森指出，直接针对美国的高空电磁脉冲攻击需要一枚当量为100万吨的核弹头，敌方也可以通过引爆一枚专门引发电磁脉冲效应的核弹头来实现目标。 高空电磁脉冲是通过核武器在远离地表的地方爆炸形成的。核爆炸会产生伽玛射线，并与大气层产生相互作用，从而在瞬间制造出剧烈的电磁能量场。这种能量场具有放射性，不过对人体是无害的，它能使电脑的电路过载，并产生比闪电攻击还要快的破坏性效果。高空核爆炸能先后产生3种能量，它们均能对电子设备产生不同程度的影响。第一种能量波是初始能量冲击波，能持续1微秒的时间，它与强烈的静电类似，能在核爆炸时让所有受到影响的电子设备过载。第二种能量与闪电攻击类似，如果遭到攻击的一方拥有很好的防雷措施，那么这种能量单独发生作用时对重要基础设施产生的破坏作用就会很有限，但由于第一种能量可以摧毁许多保护措施，所以第二种能量也能对电子设备产生大范围的破坏。第三种能量是持续时间很长的磁流体动力信号，它能持续1微秒到许多秒的时间，这个最后的脉冲效应或地磁信号主要对依靠长波工作的电子设备产生破坏。 其中，第三种电磁脉冲有两个组成部分，人们一般把它们称为“冲击波”和“震荡波”。“冲击波”来自不断膨胀的和传播电磁波的发光体造成的地球磁场线扰动。“震荡波”来自核武器爆炸位置下方一小块大气层的升温和电离作用，如果能够发挥导体的作用，它也能扰乱地球的磁场。这两种电磁脉冲都可以被称为磁流体动力信号，因为它们的效果由发光体的膨胀决定，所以其传播速度会非常“慢”。随着发光体的膨胀，小范围的电磁脉冲效应通过远程输电线路不断膨胀后立即消失，产生后期磁流体动力高峰，它可以使与电力网和电信基础设施相关的设施崩溃。这种后期效应会与先前的高空电磁脉冲效应产生累加效果，与电力网和电信基础设施相关的设施将会受到综合性的扰乱。

两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较

第14卷　第6期强激光与粒子束Vol.14,No.6 2002年11月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Nov.,2002　 文章编号:　100124322(2002)0620901204 两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较Ξ 孙蓓云,　周　辉,　谢彦召 (西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘　要:　有关高空核爆电磁脉冲(HE MP)的标准,我国推荐的1976HE MP和IEC推荐的1996HE MP的早 期波形是不同的。针对两种HE MP标准,采用传输线方程计算了不同长度电缆受HE MP影响的情况,结果表明 电缆的1976HE MP早期耦合效应较1996HE MP早期耦合效应要严重的多。 关键词:　高空核爆电磁脉冲(HE MP);　电缆;　耦合效应 中图分类号:　O441.1 文献标识码:　A 由高空核爆炸产生的电磁脉冲(HE MP)可分为三个部分:早期(0≤t<1μs),中期(1μs≤t<1s)和晚期(t≥1s)[1]。HE MP对电子系统有破坏作用,对其效应及抗辐射加固设计研究历来受到关注,并开展了电缆的电磁脉冲模拟试验[2,3]。有关核电磁脉冲环境的公开标准近年来不断改变,其趋势是HE MP的早期波形前沿变快,脉宽变窄,也就是说脉冲波形的高频成分加强的同时,低频成分却大大地削弱了。因此不同的核电磁脉冲波形对同种研究对象,如车辆、电缆等会有不同的电磁耦合效果。研究地面系统的电缆在不同标准下的核电磁脉冲响应,对于电子系统的抗HE MP加固设计具有一定的参考价值。 1　两种不同的HEMP辐射环境 1.1　入射的平面波 HE MP的早期波形采用双指数波,其时域和频域表达式分别为(1)式和(2)式。 E inc(t)=k E0(e-at-e-bt)(1) E inc(ω)=k E0(b-a)Π[(a+jω)(b+jω)](2) 在1976年出版的“E MP Radiation and Protective T echniques”中取a=1.5×106Πs,b=2.6×108Πs,k=1104,E0 =50kVΠm,对应这种描述,波形的前沿(10%～90%)t r=7.8ns,脉冲半宽度τ1/2=483ns,这是我国推荐的HE MP 早期波形。1996年IEC制定的核电磁脉冲标准中规定a=4×107Πs,b=6×108Πs,k=1.3,E0=50kVΠm,波形的前沿t =2.5ns,脉冲半宽度τ1/2=23ns[4]。图1给出归一化的1976HE MP和1996HE MP的早期波形及频谱。 r Fig.1　W aveform and frequency spectrum of tw o kinds of HE MP 图1　两种HE MP早期时域波形及频谱 1.2　地面附近的电场 有关的高空核爆电磁脉冲标准中,给出的脉冲波形及幅值均是针对自由空间的情况,而在进行实际的电磁脉冲效应研究时,效应物多处在地2空分界面附近,由于地面作用,其所处的电磁脉冲环境远异于自由空间中的 Ξ收稿日期:2002205210; 修订日期:2002208205 基金项目:国防科技基础研究基金资助课题 作者简介:孙蓓云(19662),女,硕士,从事电磁脉冲方面的研究工作;西安市69213信箱。

第04章核辐射失效及抗核加固..

第四章核辐射失效及抗核加固 1*核辐射环境 由于核武器技术/空间技术和核动力的发展，大量的电子设备和系统必然要处于在核武器爆炸和其它核环境下工作。核辐射环境对于电子系统来说是目前存在的最恶劣环境。核武器爆炸时，除了产生大火球和蘑菇云外，还会产生具有巨大破坏作用的冲击波/光热辐射/放射性沉降物/核辐射和核电磁脉冲等。其中，核辐射和核电磁脉冲对电子和电力系统/电子元器件的破坏作用最为严重。 电子元器件所受的辐射损伤可以分为永久损伤/半永久损伤和瞬时损伤等几种情况。永久损伤就是在辐射源去除后，元器件仍丧失工作性能不能恢复性能效应；半永久损伤是辐射源去除后，在不太长的时间内元器件可逐渐地自行恢复性能；瞬时损伤效应是指在辐射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢复。 人造地球卫星和宇宙飞船在空间飞行时，将受到空间各种高能粒子的轰击。空间辐射的主要来源是天然辐射带和高空核爆炸造成的人工辐射带。天然辐射带又称为范艾伦辐射带，它是由于地球附近存在着大量的带电粒子，在地磁场作用下它们始终在地磁场的“捕获区”内运动而构成。天然辐射带象一条很宽很厚的带子围绕在地球周围，其主要成分是质子和电子。它又分内辐射和外辐射两部分。内带位于160----800Km的高度间，由能量小于500MeV的质子和和能量小于1MeV的低能电子组成。外带位于800----3200Km的高度间，主要是由能量为0.4KeV到1.6KeV的电子组成。范艾伦带的电子和质子构成了空间飞行器的主要威胁，飞行器外表面的太阳能电池和内部的晶体管/集成电路等将受到损伤。中/低轨道的卫星主要是受内辐射带中质子和电子的影响；高轨道卫星则主要是受到外辐射带中的电子和太阳质子事件粒子的影响。 高空核爆炸产生的大量的高能粒子，在地磁场的作用下沿磁力线来回运动，并逐渐扩散而形成一个围绕地球的辐射带，它称之为人工辐射带。人工辐射带由高能电子组成，它的强度比天然辐射带强得多，对卫星和飞船的电子设备/仪器仪表和电子元器件等都有较大的破坏作用。 核反应堆和同位素电池等也会在其周围产生一定程度的核辐射。我们把这种环境称为核动力环境。核反应堆周围的核辐射主要是中子和γ射线；其中中子引起的损伤比较严重。 2*核辐照效应极其机理 核武器爆炸时产生的中子和γ射线和核电磁脉冲，以及空间辐射中的电子/质子和高能粒子，虽然都能造成电子器件和电子系统的损伤，但它们对不同器件的损伤机理却不相同。 中子在半导体内产生位移效应，引起半导体器件的永久损伤；γ射线在半导体器件的表面钝化层内产生电离效应，引起半永久损伤；瞬时γ辐射在反偏的半导体PN结中产生瞬时光电流；核爆炸时产生的核电磁脉冲会在电子系统内部和外部产生很强的感应电流，它们将引起电子系统的瞬时干扰和永久损伤。空间辐射中的高能电子能引起电离效应；质子能引起位移效应。高能质子/高能中子还能引起单粒子效应。 一．位移效应 中子不带电，它具有很强的穿透能力，可以足够地靠近被照射材料原子的原子核。当中子与原子核发生弹性碰撞时，晶格原子在碰撞中获得能量后离开了它原来的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，因而形成了一个空位---间隙原子对。通常将它们称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷。这种现象称为位移效应。硅晶格原子的位移阈值约为15eV。中子弹性碰撞产生的高能晶格原子又能使更多的晶格原子位移，从而在晶体内形成了局部损伤区---缺陷群。由于位移效应破坏了半导体晶格的

近地九芯电缆高空电磁脉冲耦合模拟试验

第16卷　第1期强激光与粒子束Vol.16,No.1 2004年1月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Jan.,2004　文章编号:100124322(2004)0120063205 近地九芯电缆高空电磁脉冲耦合模拟试验Ξ周启明,　罗学金,　许献国,　邓建红,　曹占峰,　王自元,　李小伟,　杨　蓉 (中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900) 摘　要:　几个单位联合进行了三轮近地电缆高空电磁脉冲耦合模拟试验。试验得到九芯电缆屏蔽层感 应电流(皮电流)、芯线感应电压(芯电压)、芯线感应电流(芯电流)以及环境场之间的关系;分析了皮电流波形 随外皮接地状态的变化,芯电压随负载电阻的变化;基于皮电流振荡频率与电磁波传播速度的关系,提出了屏 蔽层-大地“传输线”等效相对介电常数概念,给出了等效相对介电常数随电缆高度变化的拟合式;皮电流计算 与测量结果在波形、振荡周期、衰减规律等方面有较好的一致性。 关键词:　辐射波模拟器;　高空电磁脉冲;　近地电缆;　耦合;　等效相对介电常数 中图分类号:O441.5 文献标识码:A 在遭遇高空核爆电磁脉冲(HEMP)袭击时,各种缆线是耦合HEMP能量的重要途径。因此,研究HEMP 对近地电缆的耦合,对于电子设备和系统的抗HEMP加固具有十分重要的意义。本文主要从规律性研究的角度,介绍几个单位在水平极化辐射波模拟器上联合进行的近地面多芯长电缆耦合试验[1]及其结果,分析皮电流和芯电压、芯电流的波形特点和规律,并与皮电流的理论计算结果[2]进行对比。 1　模拟试验方法 1.1　大型水平极化辐射波模拟器 水平极化辐射波EMP模拟器由高压脉冲源、辐射天线和控制系统三部分组成。辐射天线由双锥天线和双锥天线两边的笼形圆柱水平振子天线组成。EMP的高频部分由双锥天线辐射产生,低频部分由圆柱形水平振子长天线提供。Marx发生器和主开关位于双锥天线的顶部。天线的两边分别充正、负高电压。当正、负电压差达到某一额定值时,主开关自击穿导通。导通瞬间,天线两边各形成一个与充电电压极性相反的阶跃脉冲电压波并沿天线传播,由此而形成的天线瞬态电流,在天线周围产生一个向外辐射的EMP场,其电场极化方向近似平行于地面。 为了模拟HEMP,辐射场的上升时间应小于10ns;在天线两侧距天线地面投影点50m处的场强,威慑级辐射波模拟器应达到20～50kV/m,响应级的也应达到2～5kV/m。试验在响应级辐射波模拟器DMF2600上进行,其直流高压电源输出幅度为±600kV;笼形水平振子天线的总长度200m,天线中心的高度约为13m,天线笼的最大直径为3m。 1.2　试验布局与测量系统 试验布局如图1所示。在距离模拟器地面投影点20～30m处平行于天线布放电缆(第一轮为25m,第二轮为30m,第三轮为20m),铺设高度为0.5m,3.5m或铺于地面。电缆两端附近设有接地坑,接地电阻约10Ω。电缆两端屏蔽层(简称外皮)接屏蔽盒,构成完整的屏蔽拓扑面。屏蔽盒内放置监测芯电压和芯电流的探头以及与之相连的光发射机,经电/光转换后的信号由光缆传输。几个卡式Rogowski线圈分别套在电缆的中点和两端以测量皮电流分布,并就近将信号送入光发射机。所有光接收机均放置在距辐射波模拟器较远的屏蔽测试车内,将光缆传来的光信号进行光电转换并放大,然后由示波器记录。试验中所有测量信号都采用模拟量光纤系统传输。其优点一是对电缆内、外的测量探头实现电磁隔离,保持屏蔽的完整性;二是光纤传输系统自身抗电磁干扰能力强,且不对环境场造成扰动。 九芯电缆是一个带屏蔽的多芯电缆,8根芯线呈螺旋形绕在中间的小同轴电缆上。试验时,相邻两根芯线组成一对,4对芯线接4个不同的负载。电缆外皮有两端接地、单端接地和悬空不接地三种技术状态。同时测 Ξ收稿日期:2003206202;　修订日期:2003208206 基金项目:国防科技基础研究基金资助课题 作者简介:周启明(1944—),男,研究员,主要从事电磁脉冲效应、模拟与加固技术研究;绵阳市919信箱522分箱。