Elektromagnetisk puls -Electromagnetic pulse

En elektromagnetisk puls ( EMP ), også en forbigående elektromagnetisk forstyrrelse ( TED ), er et kort utbrudd av elektromagnetisk energi. Opprinnelsen til en EMP kan være naturlig eller kunstig, og kan oppstå som et elektromagnetisk felt , som et elektrisk felt , som et magnetisk felt eller som en ledet elektrisk strøm . Den elektromagnetiske interferensen forårsaket av en EMP kan forstyrre kommunikasjonen og skade elektronisk utstyr. En EMP som et lynnedslag kan fysisk skade gjenstander som bygninger og fly. Håndtering av EMP-effekter er en gren av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) engineering.

Den første registrerte skaden fra en elektromagnetisk puls kom med solstormen i august 1859, eller Carrington Event .

I moderne krigføring er våpen som leverer en høyenergi-EMP-puls designet for å forstyrre kommunikasjonsutstyr, datamaskinene som trengs for å betjene moderne krigsfly, eller til og med sette hele det elektriske nettverket til et målland ut av drift.

Generelle egenskaper

En elektromagnetisk puls er en kort bølge av elektromagnetisk energi. Den korte varigheten betyr at den vil bli spredt over en rekke frekvenser. Pulser er vanligvis preget av:

• Måten for energioverføring (utstrålt, elektrisk, magnetisk eller ledet).
• Området eller spekteret av frekvenser som er tilstede.
• Pulsbølgeform: form, varighet og amplitude.

Frekvensspekteret og pulsbølgeformen henger sammen via Fourier-transformasjonen som beskriver hvordan komponentbølgeformer kan summeres til det observerte frekvensspekteret.

Typer energi

EMP-energi kan overføres i en av fire former:

• Elektrisk felt
• Magnetfelt
• Elektromagnetisk stråling
• Elektrisk ledning

I følge Maxwells ligninger vil en puls av elektrisk energi alltid være ledsaget av en puls av magnetisk energi. I en typisk puls vil enten den elektriske eller magnetiske formen dominere.

Generelt virker stråling bare over lange avstander, med magnetiske og elektriske felt som virker over korte avstander. Det er noen få unntak, for eksempel en solar magnetisk fakkel .

Frekvensområder

En puls av elektromagnetisk energi omfatter typisk mange frekvenser fra veldig lav til en øvre grense avhengig av kilden. Rekkevidden definert som EMP, noen ganger referert til som "DC til dagslys", ekskluderer de høyeste frekvensene som omfatter de optiske (infrarøde, synlige, ultrafiolette) og ioniserende (X- og gammastrålene) områdene.

Noen typer EMP-hendelser kan etterlate et optisk spor, som lyn og gnister, men disse er bivirkninger av strømmen gjennom luften og er ikke en del av selve EMP.

Pulsbølgeformer

Bølgeformen til en puls beskriver hvordan dens øyeblikkelige amplitude (feltstyrke eller strøm) endres over tid. Ekte pulser har en tendens til å være ganske kompliserte, så forenklede modeller brukes ofte. En slik modell er typisk beskrevet enten i et diagram eller som en matematisk ligning.

Rektangulær puls

Dobbel eksponentiell puls

Dempet sinusbølgepuls

De fleste elektromagnetiske pulser har en veldig skarp forkant, og bygger seg raskt opp til sitt maksimale nivå. Den klassiske modellen er en dobbel-eksponentiell kurve som klatrer bratt, raskt når en topp og deretter forfaller saktere. Imidlertid tilnærmer pulser fra en kontrollert svitsjekrets ofte formen til en rektangulær eller "kvadratisk" puls.

EMP-hendelser induserer vanligvis et tilsvarende signal i det omkringliggende miljøet eller materialet. Kobling skjer vanligvis sterkest over et relativt smalt frekvensbånd, noe som fører til en karakteristisk dempet sinusbølge . Visuelt er det vist som en høyfrekvent sinusbølge som vokser og avtar innenfor den lengre levetiden til den doble eksponentielle kurven. En dempet sinusbølge har typisk mye lavere energi og en smalere frekvensspredning enn den opprinnelige pulsen, på grunn av overføringskarakteristikken til koblingsmodusen. I praksis injiserer EMP-testutstyr ofte disse dempede sinusbølgene direkte i stedet for å forsøke å gjenskape trusselpulsene med høy energi.

I et pulstog, for eksempel fra en digital klokkekrets, gjentas bølgeformen med jevne mellomrom. En enkelt fullstendig pulssyklus er tilstrekkelig til å karakterisere et slikt regelmessig, repeterende tog.

Typer

En EMP oppstår der kilden sender ut en kortvarig energipuls. Energien er vanligvis bredbånd av natur, selv om den ofte eksiterer en relativt smalbåndsdempet sinusbølgerespons i det omkringliggende miljøet. Noen typer genereres som repeterende og vanlige pulstog .

Ulike typer EMP oppstår fra naturlige, menneskeskapte og våpeneffekter.

Typer naturlige EMP-hendelser inkluderer:

• Lynelektromagnetisk puls (LEMP). Utladningen er typisk en innledende stor strømflyt, minst mega-ampere, etterfulgt av et tog av pulser med avtagende energi.
• Elektrostatisk utladning (ESD), som et resultat av at to ladede objekter kommer i nærheten eller til og med kommer i kontakt.
• Meteorisk EMP. Utladning av elektromagnetisk energi som følge av enten sammenstøtet av en meteoroid med et romfartøy eller eksplosiv oppløsning av en meteoroid som passerer gjennom jordens atmosfære.
• Coronal mass ejection (CME), noen ganger referert til som en solenergi-EMP. Et utbrudd av plasma og medfølgende magnetfelt, kastet ut fra solkoronaen og sluppet ut i solvinden .

Typer (sivile) menneskeskapte EMP-arrangementer inkluderer:

• Byttehandling av elektriske kretser, enten isolert eller repeterende (som et pulstog).
• Elektriske motorer kan lage et pulstog når de interne elektriske kontaktene oppretter og bryter tilkoblinger når ankeret roterer.
• Tenningssystemer for bensinmotorer kan skape et pulstog når tennpluggene aktiveres eller avfyres.
• Kontinuerlige byttehandlinger av digitale elektroniske kretser.
• Overspenning i kraftledningen . Disse kan være opptil flere kilovolt, nok til å skade elektronisk utstyr som ikke er tilstrekkelig beskyttet.

Typer militær EMP inkluderer:

• Kjernefysisk elektromagnetisk puls (NEMP), som et resultat av en kjernefysisk eksplosjon. En variant av dette er kjernefysiske EMP (HEMP), som produserer en sekundær puls på grunn av partikkelinteraksjoner med jordens atmosfære og magnetfelt.
• Ikke-nukleære elektromagnetiske puls (NNEMP) våpen.

Lyn

Lyn er uvanlig ved at det typisk har en foreløpig "leder"-utladning av lavenergi som bygger seg opp til hovedpulsen, som igjen kan følges med intervaller av flere mindre utbrudd.

Elektrostatisk utladning (ESD)

ESD-hendelser er preget av høye spenninger på mange kV, men små strømmer forårsaker noen ganger synlige gnister. ESD blir behandlet som et lite, lokalisert fenomen, selv om et lyn teknisk sett er en veldig stor ESD-hendelse. ESD kan også være menneskeskapt, som i sjokket mottatt fra en Van de Graaff-generator .

En ESD-hendelse kan skade elektroniske kretser ved å injisere en høyspenningspuls, i tillegg til å gi folk et ubehagelig sjokk. En slik ESD-hendelse kan også skape gnister, som igjen kan antenne branner eller drivstoffdampeksplosjoner. Av denne grunn, før du fyller drivstoff på et fly eller eksponerer drivstoffdamp for luften, kobles drivstoffdysen først til flyet for å slippe ut statisk elektrisitet på en sikker måte.

Bytte pulser

Byttehandlingen til en elektrisk krets skaper en skarp endring i strømmen av elektrisitet. Denne skarpe endringen er en form for EMP.

Enkle elektriske kilder inkluderer induktive belastninger som releer, solenoider og børstekontakter i elektriske motorer. Disse sender vanligvis en puls ned alle elektriske tilkoblinger som er tilstede, i tillegg til å utstråle en energipuls. Amplituden er vanligvis liten og signalet kan behandles som "støy" eller "interferens". Utkobling eller "åpning" av en krets forårsaker en brå endring i strømmen som flyter. Dette kan igjen forårsake en stor puls i det elektriske feltet over de åpne kontaktene, og forårsake lysbuer og skade. Det er ofte nødvendig å inkorporere designfunksjoner for å begrense slike effekter.

Elektroniske enheter som vakuumrør eller ventiler, transistorer og dioder kan også slå seg på og av veldig raskt, noe som forårsaker lignende problemer. Engangspulser kan være forårsaket av solid-state-brytere og andre enheter som bare brukes av og til. Imidlertid kan de mange millioner transistorene i en moderne datamaskin bytte gjentatte ganger ved frekvenser over 1 GHz, og forårsake interferens som ser ut til å være kontinuerlig.

Kjernefysisk elektromagnetisk puls (NEMP)

En kjernefysisk elektromagnetisk puls er den brå pulsen av elektromagnetisk stråling som følge av en kjernefysisk eksplosjon . De resulterende raskt skiftende elektriske feltene og magnetiske feltene kan kobles sammen med elektriske/elektroniske systemer for å produsere skadelige strøm- og spenningsstøt .

Den intense gammastrålingen som sendes ut kan også ionisere den omkringliggende luften, og skape en sekundær EMP ettersom luftatomene først mister elektronene sine og deretter gjenvinner dem.

NEMP- våpen er designet for å maksimere slike EMP-effekter som den primære skademekanismen, og noen er i stand til å ødelegge mottakelig elektronisk utstyr over et stort område.

Et elektromagnetisk pulsvåpen (HEMP) i høy høyde er et NEMP-stridshode designet for å detoneres langt over jordens overflate. Eksplosjonen frigjør en eksplosjon av gammastråler inn i midtstratosfæren , som ioniseres som en sekundær effekt og de resulterende energiske frie elektronene samhandler med jordens magnetfelt for å produsere en mye sterkere EMP enn det som normalt produseres i den tettere luften i lavere høyder.

Ikke-nukleær elektromagnetisk puls (NNEMP)

Ikke-nukleær elektromagnetisk puls (NNEMP) er en våpengenerert elektromagnetisk puls uten bruk av kjernefysisk teknologi. Enheter som kan oppnå dette målet inkluderer en stor lavinduktans kondensatorbank utladet i en enkeltsløyfeantenne, en mikrobølgegenerator og en eksplosivt pumpet flukskompresjonsgenerator . For å oppnå frekvenskarakteristikkene til pulsen som er nødvendig for optimal kobling til målet, legges bølgeformende kretser eller mikrobølgegeneratorer til mellom pulskilden og antennen . Virkatorer er vakuumrør som er spesielt egnet for mikrobølgekonvertering av høyenergipulser.

NNEMP-generatorer kan bæres som en nyttelast av bomber, kryssermissiler (som CHAMP- missilet) og droner , med reduserte mekaniske, termiske og ioniserende strålingseffekter, men uten konsekvensene av å utplassere atomvåpen.

Rekkevidden til NNEMP-våpen er mye mindre enn kjernefysisk EMP. Nesten alle NNEMP-enheter som brukes som våpen krever kjemiske eksplosiver som sin første energikilde, og produserer bare 10–6 ⁽ en milliondel) energien til kjernefysiske eksplosiver med tilsvarende vekt. Den elektromagnetiske pulsen fra NNEMP-våpen må komme innenfra våpenet, mens atomvåpen genererer EMP som en sekundær effekt. Disse fakta begrenser rekkevidden til NNEMP-våpen, men tillater finere måldiskriminering. Effekten av små e-bomber har vist seg å være tilstrekkelig for visse terror- eller militæroperasjoner. Eksempler på slike operasjoner inkluderer ødeleggelse av elektroniske kontrollsystemer som er kritiske for driften av mange bakkekjøretøyer og fly.

Konseptet med den eksplosivt pumpede flukskompresjonsgeneratoren for å generere en ikke-kjernefysisk elektromagnetisk puls ble unnfanget så tidlig som i 1951 av Andrei Sakharov i Sovjetunionen, men nasjoner holdt arbeidet med ikke-kjernefysisk EMP klassifisert inntil lignende ideer dukket opp i andre nasjoner.

Elektromagnetisk forming

De store kreftene som genereres av elektromagnetiske pulser kan brukes til å forme eller forme gjenstander som en del av deres produksjonsprosess.

Effekter

Mindre EMP-hendelser, og spesielt pulstog, forårsaker lave nivåer av elektrisk støy eller interferens som kan påvirke driften av følsomme enheter. For eksempel var et vanlig problem på midten av det tjuende århundre forstyrrelser fra tenningssystemene til bensinmotorer, noe som fikk radioapparater til å knitre og TV-apparater til å vise striper på skjermen. Det ble innført lover for å få bilprodusenter til å montere interferensdempere.

Ved et høyt spenningsnivå kan en EMP indusere en gnist, for eksempel fra en elektrostatisk utladning ved drivstoff til et bensindrevet kjøretøy. Slike gnister har vært kjent for å forårsake drivstoff-lufteksplosjoner, og det må tas forholdsregler for å forhindre dem.

En stor og energisk EMP kan indusere høye strømmer og spenninger i offerenheten, midlertidig forstyrre funksjonen eller til og med permanent skade den.

En kraftig EMP kan også direkte påvirke magnetiske materialer og ødelegge dataene som er lagret på medier som magnetbånd og datamaskinharddisker . Harddisker er vanligvis skjermet av tungmetallhus. Noen tjenesteleverandører av IT-ressurser og datamaskinresirkuleringstjenester bruker en kontrollert EMP for å tørke slike magnetiske medier.

En veldig stor EMP-hendelse som et lynnedslag er også i stand til å skade gjenstander som trær, bygninger og fly direkte, enten gjennom varmeeffekter eller forstyrrende effekter av det veldig store magnetfeltet som genereres av strømmen. En indirekte effekt kan være elektriske branner forårsaket av oppvarming. De fleste konstruerte strukturer og systemer krever en form for beskyttelse mot lyn for å bli designet i.

De skadelige effektene av høyenergi-EMP har ført til introduksjonen av EMP-våpen, fra taktiske missiler med liten effektradius til atombomber designet for maksimal EMP-effekt over et stort område.

Kontroll

EMP-simulator HAGII-C tester et Boeing E-4- fly.

EMPRESS I (antenner langs strandlinjen) med USS  Estocin  (FFG-15) fortøyd i forgrunnen for testing.

Som enhver elektromagnetisk interferens er trusselen fra EMP underlagt kontrolltiltak. Dette gjelder enten trusselen er naturlig eller menneskeskapt.

Derfor fokuserer de fleste kontrolltiltak på utstyrets mottakelighet for EMP-effekter, og herding eller beskyttelse mot skade. Menneskeskapte kilder, andre enn våpen, er også underlagt kontrolltiltak for å begrense mengden pulsenergi som sendes ut.

Disiplinen med å sikre korrekt utstyrsdrift i nærvær av EMP og andre RF-trusler er kjent som elektromagnetisk kompatibilitet (EMC).

Testsimulering

For å teste effekten av EMP på konstruerte systemer og utstyr, kan en EMP-simulator brukes.

Indusert pulssimulering

Induserte pulser har mye lavere energi enn trusselpulser og er derfor mer praktiske å lage, men de er mindre forutsigbare. En vanlig testteknikk er å bruke en strømklemme i revers, for å injisere en rekke dempede sinusbølgesignaler i en kabel koblet til utstyret som testes. Den dempede sinusbølgegeneratoren er i stand til å reprodusere rekkevidden av induserte signaler som sannsynligvis vil oppstå.

Trusselpulssimulering

Noen ganger simuleres selve trusselpulsen på en repeterbar måte. Pulsen kan reproduseres ved lav energi for å karakterisere offerets respons før dempet sinusbølgeinjeksjon, eller ved høy energi for å gjenskape de faktiske trusselforholdene.

En småskala ESD-simulator kan være håndholdt.

Simulatorer i benk- eller romstørrelse kommer i en rekke design, avhengig av typen og trusselnivået som skal genereres.

På den øverste enden av skalaen er store utendørs testanlegg med høyenergi-EMP-simulatorer bygget av flere land. De største anleggene er i stand til å teste hele kjøretøy inkludert skip og fly for deres mottakelighet for EMP. Nesten alle disse store EMP-simulatorene brukte en spesialisert versjon av en Marx-generator .

Eksempler inkluderer den enorme trestrukturerte ATLAS-I- simulatoren (også kjent som TRESTLE) ved Sandia National Labs , New Mexico, som en gang var verdens største EMP-simulator. Papirer om denne og andre store EMP-simulatorer brukt av USA under siste del av den kalde krigen , sammen med mer generell informasjon om elektromagnetiske pulser, er nå under behandling av SUMMA Foundation, som er vert ved University of New Mexico . Den amerikanske marinen har også et stort anlegg kalt Electro Magnetic Pulse Radiation Environmental Simulator for Ships I (EMPRESS I).

Sikkerhet

EMP-signaler på høyt nivå kan utgjøre en trussel mot menneskers sikkerhet. Under slike omstendigheter bør direkte kontakt med en strømførende elektrisk leder unngås. Der dette skjer, for eksempel ved berøring av en Van de Graaff-generator eller annen høyt ladet gjenstand, må man passe på å frigjøre gjenstanden og deretter utlade kroppen gjennom en høy motstand, for å unngå risikoen for en skadelig sjokkpuls når man tråkker borte.

Svært høye elektriske feltstyrker kan føre til nedbrytning av luften og en potensielt dødelig lysbuestrøm som ligner på lyn, men elektriske feltstyrker på opptil 200 kV/m anses som sikre.

I følge forskning fra Edd Gent fant en 2019-rapport fra Electric Power Research Institute , som er finansiert av energiselskaper, at et stort EMP-angrep sannsynligvis ville forårsake regionale strømbrudd , men ikke en landsdekkende nettsvikt, og at gjenopprettingstidene ville være lik de andre storstilte strømbrudd. Det er ikke kjent hvor lenge disse elektriske strømbruddene vil vare, eller hvor store skader som vil oppstå over hele landet. Det er mulig at nabolandene til USA også kan bli berørt av et slikt angrep, avhengig av målområdet og menneskene.

I følge en artikkel fra Naureen Malik, med Nord-Koreas stadig mer vellykkede missil- og stridshodetester i tankene, flyttet kongressen til å fornye finansieringen for kommisjonen for å vurdere trusselen mot USA fra elektromagnetisk pulsangrep som en del av National Defense Authorization Act . For øyeblikket mangler USA forberedelser mot et EMP-angrep.

I følge forskning fra Yoshida Reiji, i en artikkel fra 2016 for den Tokyo -baserte ideelle organisasjonen Center for Information and Security Trade Control, advarte Onizuka at et EMP-angrep i stor høyde også ville skade eller ødelegge Japans kraft-, kommunikasjons- og transportsystemer som deaktivere banker, sykehus og atomkraftverk .

I populærkulturen

I 1981 spredte en rekke artikler om elektromagnetisk puls i populærpressen kunnskap om EMP-fenomenet til populærkulturen . EMP har senere blitt brukt i et bredt spekter av skjønnlitteratur og andre aspekter av populærkulturen.

De populære mediene viser ofte EMP-effekter feil, noe som forårsaker misforståelser blant publikum og til og med fagfolk. Offisielle forsøk har blitt gjort i USA for å rette opp disse misoppfatningene.

Se også

Referanser

Sitater

Kilder

Eksterne linker

• TRESTLE: Landmark of the Cold War , en kort dokumentarfilm på nettstedet SUMMA Foundation