典型材料的高空核電磁脈沖屏蔽效能評估

袁 揚，吳胤彤，唐 煌，王季紅，陳 琳，方 磊

(陸軍防化學院，北京 102200)

0 引言

1962年,美國和蘇聯分別在太平洋約翰斯頓島和哈薩克斯坦進行了代號為海星行動和Test184的高空核爆炸試驗,這2次核試驗所產生的高空核電磁脈沖(High-altitude Nuclear Electromagnetic Pulse,HEMP)均對爆心附近上千千米內的電子電氣設備造成了不同程度的影響,例如路燈熄滅、警報刺耳、變壓器保險絲燒壞、通信中斷、雷達和無線電設備故障等,也掀開了人們對核電磁脈沖這種特殊強電磁脈沖的注意和研究[1-3]。特別是在當前“大國競爭”的世界背景下,美國在2021年的國防預算中重點投資了核威懾與國土導彈防御能力,其中核環境效應與武器系統的抗核生存能力是主要研究內容之一,可見包括HEMP在內的核爆炸毀傷效應及其防護已經成為大國競爭中不可忽略的國防建設和科學研究領域[4]。

HEMP由高空核爆炸產生,其主要特點為具有很強的瞬時場強、極短的上升沿、較寬的頻帶和較短持續時間,電磁場能量可以通過傳導耦合和輻射耦合的方式進入系統,在極短時間內可能造成大量電子器件和電子設備損壞[5-6]。近年來,針對HEMP的電子設備毀傷效應和防護技術已經成為了各個國家研究的重點。國外眾多科研機構高度重視武器裝備和電子信息系統的HEMP毀傷效應和防護機理的研究工作,針對HEMP攻擊下電路中敏感電子器件的失效模式、損傷機理和能量耦合方式等進行了廣泛研究;同時,國內也加強了HEMP領域的相關研究,例如西北核技術研究所、中國工程物理研究院等科研單位對半導體器件、集成電路器件及電子設備的HEMP毀傷效應進行了大量研究,并取得了一定成果[7]。

電磁防護材料作為電磁屏蔽技術的基礎,在整個電磁防護領域的發展中占據著重要的地位。近些年雖然各種新型電磁防護材料不斷被推出,但應用范圍最廣、性能最穩定的仍是鐵、銅、鋁、錳等典型材料,特別是在大型設備和目標的防護材料選取上[8-9]。本文通過對HEMP特性的研究和典型材料特征參數的總結,基于CST電磁仿真平臺搭建了HEMP實驗環境,重點從研究不同類型、不同尺寸、不同條件下典型材料對核電磁脈沖的電磁屏蔽效能,分析研究典型材料的核電磁脈沖防護規律,為利用典型材料提高電子設備的核電磁脈沖防護能力,以及高性能核電磁脈沖防護材料研究和制備提供重要數據支撐。

1 理論基礎

1.1 HEMP特性

HEMP是核武器在高空爆炸后,瞬時γ(或X)射線與作用范圍內的介質相互作用產生的電磁場,是核爆炸瞬時殺傷和破壞的重要因素之一。HEMP主要有以下幾個特點:場強峰值高(可達50 kV/m)、頻譜范圍寬(從極低頻直到甚高頻,覆蓋了信息化裝備的主要工作頻段)、脈沖上升極短(典型數據為10-8s)[10-12]。目前,國內外對HEMP輻射環境的描述,多是以雙指數形式作為對輻射波形的數學表達式,即:

E(t)=kE0(e-αt-e-βt),

(1)

式中:E0為峰值場強,k為修正常數,用于對波形峰值進行修正;α為早期核電磁脈沖前沿常數,β為早期核電磁脈沖波形后沿常數,k、α、β這3個常數對應不同的時域波形;tr為上升沿從峰值的10%上升到90%的時間,tf為半高寬,從波形的一個半高峰升降到另一個半高峰所用的時間。利用傅里葉變換,可得到該波形的頻域表達式:

(2)

1986年頒布的美軍標準MIL-STD-461對早期HEMP的上升時間與脈沖寬度進行了定義[13]。其中規定脈沖上升時間tr≈5 ns,脈寬td≈30 ns,下降時間tf≈550 ns,這個波形最早由美國貝爾實驗室提出,因此稱為貝爾實驗室標準。1999年再次修正發布了MIL-STD-461E,其中采用了IEC61000-2-9中定義的早期HEMP波形,規定式(1)中早期HEMP波形的電場峰值K0=50 kV/m,雙指數α1=4×107s-1、β1=6×108s-1,修正常數k=1.3,具體波形如圖1所示[14-15]。

圖1 早期HEMP波形標準圖Fig.1 Early HEMP waveform standard diagram

1.2 電磁屏蔽及其效能評估方法

屏蔽指的是用導電或導磁材料,或用既導電又導磁的材料制成屏蔽體,從而將電磁能量限制在一定的空間范圍內,使得電磁能量從屏蔽體的一面傳輸到另一面時受到很大的削弱,是當前應對電磁脈沖(特別是HEMP)對電子電氣設備毀傷最有效的措施之一[16-17]。

屏蔽體在電磁屏蔽方面的效能評估通常用屏蔽效能來表征。屏蔽效能表征的方法,用電磁場中添加屏蔽體前后,同一個參考點的電磁場強度之比,表達式如下:

(3)

式中:SE為屏蔽效能,E0為無屏蔽體電場磁場強度,E1為屏蔽體內電場磁場強度。對于屏蔽材料或屏蔽體來說,SE小于30 dB為差;30～60 dB為中等,可用于一般工業或商業用電子設備;60～90 dB為良好,可用于航空航天及軍用儀器設備的屏蔽;90 dB以上為優,用于要求苛刻的高精度、高敏感度產品。根據實用需要,對于大多數電子產品的屏蔽體,在30～1 000 MHz,其屏蔽效能至少達到35 dB以上,則認為是有效屏蔽[18-19]。

2 試驗驗證

2.1 HEMP信號模擬

在當前對HEMP特性的研究中,美軍標準IEC中規定的早期核電磁脈沖波形是公認較為權威的HEMP標準。本文首先結合早期HEMP雙指數表達式,規定式(1)中早期HEMP波形中的參數為:E0=5×104V/m,k=1.30,α=4×107s-1,β=6×108s-1;然后將確定參數的式(1)在Matlab中生成早期HEMP波形數據,并將數據導出為ASCII TXT文件形式;最后將數據文件導入CST,調整參數并設置為默認輸入信號。CST環境下的HEMP仿真波形如圖2所示。

(a)時域波形

由圖2(b)可以看出,HEMP的頻譜很寬,頻率從幾赫茲到百兆赫茲,這就使得HEMP在單一頻率的能量較小。同時結合HEMP頻域表達式(式(2))計算得出,HEMP的能量主要集中在300 MHz以下(占據了總能量的99%以上,如表1所示),從而在仿真過程可以通過略去能量較小的部分,達到節約時間的目的,所以將HEMP波形仿真的輸入頻率預置為0～300 MHz。

表1 HEMP頻譜能量分布

2.2 典型材料的核電磁脈沖防護仿真

為了簡化受照目標的建模流程,本文使用CST軟件自帶的建模工具建立了一個空心的立方腔體作為HEMP的輻照目標,并在受照腔體的一個面上開設一條矩形縫隙,以模擬實際設備外殼在HEMP環境下的后門耦合效應。其中空心腔體的尺寸、厚度和材料以及矩形縫隙的尺寸均可按需求設置和更改。受照腔體的建模如圖3所示。

HEMP的發射源一般在距離地面80 km以上的高空,當這種從遠場發出的電磁脈沖傳播到近場時,可通過將HEMP近似為平面波形式的方法來簡化HEMP輻照的分析過程。所以設置平面波極化方向為線性極化,波矢量方向沿z負方向,電場極化方向為垂直極化即平行于矩形縫隙短邊。

為了模擬真實環境,將受照腔體的包圍邊界設置為開放邊界,并為開放邊界添加臨界空間。同時為了能獲取更多樣本數據進行對比分析,在受照空腔內部不同位置分別設置了電場探針。最終搭建完成的仿真環境如圖4所示。

(a)HEMP平面波和腔體

3 仿真結果分析

3.1 不同典型金屬的HEMP屏蔽效能分析

3.1.1 不同磁導率金屬材料的HEMP屏蔽效能

本節選擇電子儀器設備最常用的高電導率金屬材料銀、錫,以及高磁導率金屬材料鐵、鎳和鐵鎳合金分別作為HEMP輻照腔體的構成材料,在前文搭建的HEMP模擬環境下進行仿真,得到的不同金屬材料腔體內中心處的場強結果如圖5所示。

(a)鐵、銀、錫腔體中心處的時域場強對比(μr=1)

從圖5(a)可以看出,在HEMP輻照環境下,在由相對磁導率為1(相對于銅的磁導率)的金屬(鐵、銀、錫)構成的腔體中心的電場強度區別很小;與之相對,圖5(b)中相對磁導率不同的2種金屬材料(銀、鎳)所構成的腔體中心的電場強度就有明顯差別。為了進一步驗證相對磁導率對腔體金屬材料HEMP屏蔽效能的影響,本文在CST軟件中以鐵鎳合金為模板,通過修改鐵鎳合金的相對磁導率,進行了不同相對磁導率的鐵鎳合金材料對HEMP屏蔽效能的仿真試驗,結果如圖5(c)所示?？梢园l現,即便是同種金屬材料(合金),當其相對磁導率不同時,由其構成的腔體中心的電場強度會有較為明顯的變化,結合圖5(c)的仿真實驗數據和電磁屏蔽效能的計算公式(式(3)),得到的HEMP屏蔽效能如表2所示。

表2 不同磁導率金屬材料的HEMP屏蔽效能

結合CST仿真數據和屏蔽效能計算結果,可以看出對于同樣尺寸、同種環境下的典型金屬材料屏蔽體而言,由于其普遍具有較高的電導率,所以電導率對HEMP屏蔽效能的影響較小;相應的,典型金屬材料相對磁導率的變化對其HEMP屏蔽效能的影響較大,金屬材料的相對磁導率越高,由其制備的屏蔽體的HEMP屏蔽效能越好。

3.1.2 不同尺寸金屬腔體中心的HEMP屏蔽效能

在研究了相同尺寸不同金屬材料腔體的HEMP屏蔽效果之后,下面以典型金屬鐵為材料,研究腔體屏蔽效能與尺寸的關系,其CST軟件仿真實驗數據如圖6所示。

圖6 厘米級和米級金屬鐵腔體中心處的時域場強對比Fig.6 Comparison of time domain field intensity at the center of iron cavities with different sizes

本文主要對厘米級(厚度0.3 cm,邊長6 cm,縫隙大小2 cm×0.5 cm)和米級(厚度0.3 m,邊長6 m,縫隙大小2 m×0.5 m)這2種尺寸的鐵腔體進行了HEMP仿真實驗。從圖6可以看出,在腔體材料同為金屬鐵的前提下,雖然米級鐵腔體的腔體壁更厚、HEMP衰減能力更強,但由于2種腔體的尺寸比例相同,這就使得米級鐵腔體的縫隙尺寸也隨之增加,通過腔體縫隙泄露的HEMP輻射也更多,在腔體壁厚度和縫隙尺寸這2種因素的綜合影響下,最終導致厘米級鐵腔體與米級鐵腔體相比,內部相同位置的HEMP屏蔽效能明顯更好。

由實驗可知表面縫隙對腔體HEMP屏蔽效能的削弱很大。為了進一步研究表面縫隙對腔體HEMP屏蔽效能的影響,下面在固定腔體材料為金屬鐵、腔體邊長和厚度不變的前提下,進行了具有不同表面縫隙尺寸的腔體的HEMP屏蔽效能仿真實驗,其結果如圖7所示。

(a)具有不同縫隙尺寸的受照鐵腔體示意(上行:同寬

由圖7(b)和圖(c)可以看出,在受照腔體同金屬材料、同尺寸的前提下,表面縫隙的尺寸對其HEMP屏蔽效能具有很明顯的影響,結合圖7(b)和圖(c)的仿真實驗數據和電磁屏蔽效能的計算公式(式(3)),得到的HEMP屏蔽效能如表3和表4所示。

表3 鐵腔體表面縫隙寬度不變(0.5 cm)長度變化的屏蔽效能

表4 鐵腔體表面縫隙長度不變(2 cm)寬度變化的屏蔽效能

表5 非金屬腔體的HEMP屏蔽效能

結合表3和表4的數據可以看出,金屬腔體及其表面縫隙的尺寸對其HEMP屏蔽效能具有較為明顯的影響,其規律主要有以下3個方面:

① 金屬腔體的尺寸對其HEMP屏蔽效能的影響弱于金屬腔體的表面縫隙;

② 一般情況下,表面縫隙面積越大的金屬腔體,其HEMP屏蔽效能越差;

③ 在表面縫隙面積相同的情況下,縫隙某邊的長(或寬)越大,金屬腔體的HEMP屏蔽效能越差。

3.2 不同典型非金屬材料的HEMP屏蔽效能分析

隨著材料科學的迅速發展,高分子聚合物、半導體和礦石等非金屬材料也逐漸成為構建電子儀器設備的重要組成部分,為了更好地對比分析典型材料的HEMP屏蔽效能規律,本節選擇PC塑料、云母、硅和鈦酸鋇4種典型非金屬材料(并選擇金屬鐵作為對照)作為受照腔體的組成材料,同尺寸下4種非金屬腔體中心處的時域場強如圖8所示。

(a)PC塑料、云母、硅(相對介電常數3、6、12)腔體中心處的時域場強對比

從圖8可以看出,在非金屬材料的相對介電常數較小且相差不多(PC塑料、云母和硅)的情況下,其腔體中心處的場強與無腔體防護時的場強變化很小;隨著非金屬材料相對介電常數的增大(鈦酸鋇),所構建腔體中心的時域場強也越來越小。結合圖8的仿真實驗數據和電磁屏蔽效能的計算公式(式(3)),得到的HEMP屏蔽效能如表4所示。

從表4可以看出,對于同尺寸的非金屬材料腔體,其HEMP屏蔽效能與材料的相對介電常數直接相關,相對介電常數越大,腔體的HEMP屏蔽效能越高,但即便是相對介電常數較高的半導體材料,其所構成的腔體的HEMP屏蔽效能仍遠低于金屬腔體。

4 結束語

針對HEMP峰值場強高、頻率范圍廣和對電子儀器設備威脅大的特點,本文在CST軟件環境下對由多種典型材料構成的不同腔體進行了HEMP輻照仿真實驗。實驗發現,典型非金屬材料腔體的HEMP屏蔽效能與材料本身的相對介電常數直接相關,相同尺寸下相對介電常數越大的腔體其HEMP屏蔽效能越高,但與典型金屬材料相比仍小得多;由于典型金屬材料的相對導電率普遍很高,相同尺寸的典型金屬材料腔體的HEMP屏蔽效能除了與材料的相對磁導率成正相關關系之外,更與腔體表面的縫隙尺寸有直接關系,表面縫隙的面積越大腔體的HEMP屏蔽效能越低,而當表面縫隙面積相同時縫隙的邊長(或寬)越大腔體的HEMP屏蔽效能越低。所以在利用典型材料進行電子儀器設備的HEMP防護時,應該盡量選擇相對磁導率高的金屬材料,同時盡量避免屏蔽外殼上的縫隙,對于無法避免的縫隙要盡可能減小其面積和邊長(或寬),就能盡可能提高防護外殼的HEMP防護效能,這為研究典型材料的HEMP屏蔽效能規律提供了仿真數據支撐,并為提高電子儀器設備的HEMP防護性能提出了建設性的意見,具有較高的實踐意義。