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电磁脉冲

时间:2013-10-24来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

电磁脉冲

石鑫华机器视觉网:电磁脉冲(英文:Electromagnetic Pulse,缩写:EMP)是一种物理现象,有以下两种意思:
  1. 由爆炸(特别是核爆炸)、闪电、太阳黑子、导管效应或者电器火花等状况下产生的电磁辐射、或者由于康普顿散射或光子散射产生与光电子产生的剧烈变化的交变电磁场,作用于电子材料、爆破设备或周围媒介的电磁冲击波,即为电磁脉冲。核爆所产生之γ射线会以光速由爆点向四周辐射,和空气中的氧、氮原子相撞击,而产生带负电之电子,产生极强之电磁场(俗称电磁脉冲)。这个电磁场可能会对用电设备或电子设备发生耦合,并产生具破坏性的电流和浪涌。参见电磁脉冲弹以了解对电器破坏效果的细节。电磁脉冲在冲击范围以外几乎不会被察觉,除非这个设备是核武器或是专门用于产生电磁冲击波的武器。
  2. 一个宽带率、高强度而短暂的电磁能喷发。
由一个核爆炸或一个小行星撞击产生的电磁脉冲,其能量的大部分频率宽度介于3赫兹到30千赫兹之间。

实际情况

电磁脉冲的最长时间通常只会持续一秒钟。任何没有受到保护的电器和任何连接到电线的东西,如电力系统、电子设备、微芯片等都将会受到电磁脉冲的影响而导致无法修复的损坏,而且电磁脉冲会造成大气层电荷密度的剧烈改变,使超高频以下的各种波段产生干扰,而使通讯暂时阻断。使用真空管(电子管) 的老式设备则不容易受到电磁脉冲的攻击;冷战时期苏联和美国的飞行器有很多航空电子设备仍使用真空管。也有一些网站探讨相关的方法来防止家中或企业中的电器被电磁脉冲波所攻击。
此效应最早是由空投的核爆被发现的。而在广岛和长崎丢掷原子弹的飞机未受到因电磁脉冲影响而造成电子系统的损伤,是因为当核爆炸的高度在10公里以下时,因伽马射线而从空气粒子中喷出电子迅速被其周围的空气粒子阻挡而停止,所以这些电子不会被地球的磁场影响(在高空的核武器试爆中,地球磁场造成的偏转会让电磁脉冲变得可见)。事实证明低空核爆只会造成有限的电磁效应。
如果当时载运轰炸广岛或长崎的原子弹的 B-29,在炸弹于都市上空爆炸时飞行在强烈的核辐射区域之内,那么他们将会遭受(辐形)电磁脉冲作用导致的光致电荷分离(Photoinduced charge separation)。但这只有在他们待在核爆的暴风半径内,并且是个爆炸高度低于10公里的核爆时才会发生。
在1962年的核弹测试期间,负责摄影的KC-135飞机遭受了电磁脉冲影响,来自300公里外的41万吨级 Bluegill Triple Prime 和41万吨王鱼(Kingfish)核弹引爆(两者的引爆高度分别是48和95公里)。但是该架飞机的重要电子仪器不如今日的复杂,因此它得以顺利的返回了基地。
一般而言电磁脉冲对生物体没有任何影响,但在电磁脉冲发生时靠近电力及电器设备等足以大量聚集电磁脉冲波物品的生物体可能因瞬间超高电压而灼伤、休克甚至造成死亡。
电磁脉冲是一种突发的、宽带电磁辐射的高强度脉冲。所在电磁频段取决于EMP源。核武器高空爆炸产生一种强电磁脉冲。由于爆炸持续相当长一段时间,所以它含有强的低频分量(<100MHz)。常规EMP装置是用炸药驱动的高功率微波技术来制造的,它产生一个次强、超短(纳秒)脉冲,主要微波频段为100MHz-100GHz。EMP作用范围取决于源的强度,正像电磁冲击波从源发出以连续递减强度的方式传播一样。
伽玛辐射通过裂变弹或聚变弹与大气的相互作用来产生。通过它撞击大气中的电子建立一个正、负电荷的大区域。这些电荷的运动产生电磁脉冲。脉冲进入该区间所有未屏蔽的电路,造成从电路故障、存贮数据丢失、直到过热与熔化的破坏。
用小型脉冲功率源(吉瓦量级)、电能变换器和高功率微波器件(例如,虚阴极振荡器)加以配套来产生军用电磁脉冲。常规电磁脉冲装置的优点是触发时间极短、输出能量集中在较高的微波频率上(>100MHz)。因为现代电子设备主要工作于这些微波频段,所以常规电磁脉冲关闭电子设备极为有效、潜力很大。爆炸泵激的电磁脉冲装置(例如虚阴极振荡器)还有另一个优点:可将其设计成使它们的电磁脉冲聚束在一个特定的方向。甚至,常规装置产生的聚束电磁脉冲效应有一个致命半径,量级约为几百米到几千米,取决于功率源的强度和大气吸收,特别是当频率大于20GHz时。
美国空军菲利普实验室已制造出小型等离子螺旋管(toroids)。它有约10千焦耳的能量。等离子螺旋管对准固态靶,在靶表面上迅速感应加热,产生极大的机械与热冲击以及X光脉冲。这个X光脉冲也能用来产生电磁脉冲。尽管理论上预测螺旋管产生的高能等离子会因大气而迅速耗散,但是,可能有一种好方法将高能等离子送到近区靶,不包括空气中的长路径。
 

武器应用

现在,电磁脉冲武器主要被分为核爆电磁脉冲武器与非核电磁脉冲武器两种。空间核爆炸的几次试验已揭示出:核电磁脉冲效应的大小,炸弹当量的影响比核空爆高度的影响要小。在高度60英里处产生100千吨空爆时,造成电磁脉冲破坏区可以遍及半个美国。在高度300英里处同样当量的爆炸,则EMP破坏区可以遍及整个美国另加上墨西哥与加拿大的大部分地区。由一种(纯理论)微当量核装置产生的伽玛脉冲用来产生可控制的EMP效应。
被电磁脉冲打击的电器件经受从外沿上的暂时电子破坏直到近中心的过压摧毁。现代半导体器件,特别是基于MOS技术的那些器件(例如商用计算机)由于瞬变高压而最易损坏。地面长线路(例如电传输线)充当电磁脉冲的巨大天线。因此,电源传输网络与通讯网络是极易损坏的。它们很可能被电磁脉冲所摧毁。任何含半导体的电子设备包括机载平台的系统都可能被电磁脉冲关闭或烧毁,除非该系统采用笨重而昂贵的电磁屏蔽、良好设计的滤波器和仔细接地等措施来加以完全保护。核武器空爆产生的电磁脉冲是一种极有效的区域武器。毫无疑问,它将破坏城市基础设施。

更灵活类型的EMP武器系统既可用微当量核武器(当量低于2千吨)、常规爆炸驱动的电磁脉冲装置,又可用等离子技术来产生EMP。微当量核武器或常规电磁脉冲装置可作为炸弹可能装到航天飞机(TAV)上]或作为导弹弹头投到目标近处。但是,电磁脉冲对电、电子设备的破坏效应是不可预见的,这些电磁脉冲打击力量最好用来对付依靠复杂电子设备的敌方平台与设施,特别是敌方的指挥、控制与通讯系统(战略目标)和敌方的空防系统(作战目标)。配备EMP弹头的导弹也是战斗中获取空中优势的有效武器,因为现代高性能的战斗机紧紧依靠复杂而易损的电子设备。
核爆产生的电磁脉冲效应的主要麻烦是它会破坏有效范围的所有电子设备。脉冲以无方向性的方式传送并覆盖行星区,它可能破坏友军的设备,也可能对敌军造成影响。使用核驱动EMP武器的另一个障碍是世界都厌恶核武器,特别是轨道上的核武器。一旦核弹在太空爆炸,它所产生的带电微粒容易被地球的范爱伦辐射带俘获。凡经过辐射带附近的卫星都会受到强烈的辐射照射,从而瓦解或摧毁屏蔽薄弱的卫星。带电粒子会在辐射带中停留很长一段时间,敌友都同样不能利用该空域。

大众文化

和电磁脉冲有关的场景常出现在小说及电影中,一些能够产生强大的电磁波武器经常用以进行攻击,不过效果通常为了戏剧效果常被夸大。一个有名的例子是美国电视连续剧《24小时反恐任务》第八季的第12集中,恐怖分子利用以电磁脉冲原理制成的炸弹,破坏了美国反恐局的设备及运作机制。
在美商艺电的《极品飞车:超热力追缉》中也有出现类似武器。
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