[科普中国]-核电磁脉冲-

简介

核电磁脉冲是核爆炸瞬间产生的一种强电磁波。它与自然界的雷电十分相似，其杀伤半径随爆炸高度升高而增大。百万吨当量的核弹在几百公里的高空爆炸，地面上其他杀伤破坏效应范围很小，但核电磁脉冲的影响危害半径可达几千千米，它能消除计算机内储存的信息，使自动控制系统失灵，无线通讯器和家用电器受到干扰和损坏。它对人员杀伤作用相对较小。核爆炸时，除产生冲击波、光热辐射、放射性污染之外，还有第四种效应——核电磁脉冲效应。

在大气层外高空核爆炸时，由于没有空气，就不能产生冲击波，也不能生成热辐射，而放射性尘屑又随距离平方而减弱，电磁脉冲几乎成了唯一的核爆炸效应。

产生机理

核电磁脉冲是核爆炸时释放的X射线、γ射线与周围介质相互作用“打”出的非对称性高速康普顿电子流，由于不对称分布电荷的运动，激励出了随时间变化的电磁场。这个瞬变电磁场的向外传播时，能量被一些电子、电气系统耦合，影响了它们的正常工作或敏感元、器件被破坏。低层大气中核电磁脉冲的形成，主要是康普顿电流机制;高空核爆炸产生的核电磁脉冲，主要是康普顿电子与地磁场相互作用机制。

在100km以上的高度的大气层外产生核爆炸时，γ射线脉冲到达大气层，与空气中的分子发生冲撞而产生康普顿效应（康普顿效应是一种把电子从空气的分子中赶出来的现象。）在这个电子流动的过程中产生电磁脉冲。其作用范围随爆炸的高度而异。

即便是普通的氢弹，若采用高空爆炸方式（即爆炸高度在40km以上），以电磁脉冲形式释放的能量在这个爆炸能量中占的份额也将比大气层内的核爆炸提高几个数量级。

虽然，核电磁脉冲为瞬时现象，但它对半导体器件及微电子设备却具有极大的杀伤力——电击穿。

破坏机理核电磁脉冲影响和攻击电子设备的过程中，通过辐射耦合和传到耦合（这两种耦合往往是交杂在一起的）进行破坏和干扰电子设备，其表现形式为产生瞬态的高电压和高电流，进而损坏设备。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。

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。2

特点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。

防护核电磁脉冲的防护一般采用以下措施:屏蔽、滤波、采用电涌保护器件和时间回避法等。

屏蔽是从空域上防护 NEMP 的手段。按屏蔽体结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽(屏蔽室、屏蔽机箱、屏蔽盒等)、非完整屏蔽体屏蔽(带有孔洞、金属网、波导管及蜂密结构等)。

滤波是从频域上防护NEMP的一种常用手段。滤波器有反射滤波器和损耗滤波器两大类。反射滤波器是利用电抗组成的网络，将不需要的频率成分的能量反射掉，只让所需要的频率成分通过，按其频率特性可分为低通、高通、带通和带阻滤波器，反射滤波器有三种缺点：(1)该滤波器不能消除不需要的信号，只是简单地把信号反射到其他位置；(2)它们的插人损耗主要取决于源阻抗和负载阻抗；(3)它们包含一些电抗元件，这可能引起寄生共振，并提供插入增益而不是损耗。

对于电源线引入的脉冲干扰，一般均采用滤波方法去除干扰。采用电涌保护器件是从能域上防护NEMP的方法。该器件是一种非线性器件，它能把电压限制到安全电平。有两种电涌保护器件:开关型和非开关型。开关型器件是击穿器件，如充气电火花隙和闸流管。施加到这些器件上的电压超过击穿电压时，电阻就从极高值变成极低值，从而为浪涌电流提供一个并联路径。非开关型器件是一些电压籍位器件，如齐纳型、变阻器型、二极管型。这种器件是高度非线性的，当外加电压高于箱位电压时，会产生一个电阻突变。当运行理想时，非开关型器件可将浪涌电压限制到籍位电平。

时间回避法是从时域上防护NEMP的方法。在无法采用上述足够防护措施的地方，如空中导弹、卫星或飞机要采用时间回避方法。即利用灵敏度极高的传感器在高强度电磁场到来之前关机，将电源切断，或将信息转移到非挥发性储存器中，待电磁干扰过后再使设备重新接通电源，开机恢复工作，以免信息受到严重干扰或导致坏。