Xung điện từ hạt nhân – Wikipedia

Posted on by lordneo

Ảnh hưởng của vụ nổ hạt nhân đối với thiết bị điện tử và được sử dụng làm vũ khí

Xung điện từ hạt nhân (thường được viết tắt là EMP hạt nhân, hoặc NEMP) là một vụ nổ bức xạ điện từ được tạo ra bởi vụ nổ hạt nhân. Kết quả là các điện trường và từ trường thay đổi nhanh chóng có thể kết hợp với các hệ thống điện và điện tử để tạo ra sự đột biến dòng điện và điện áp. Các đặc điểm cụ thể của một sự kiện EMP hạt nhân cụ thể khác nhau tùy theo một số yếu tố, trong đó quan trọng nhất là độ cao của vụ nổ.

Thuật ngữ "xung điện từ" thường loại trừ các phạm vi quang học (hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại) và ion hóa (như bức xạ tia X và gamma). Theo thuật ngữ quân sự, một đầu đạn hạt nhân phát nổ cách hàng chục đến hàng trăm km trên bề mặt Trái đất được gọi là thiết bị xung điện từ cao độ (HEMP). Tác động của thiết bị HEMP phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm độ cao của vụ nổ, năng lượng năng lượng, đầu ra tia gamma, tương tác với từ trường của Trái đất và che chắn điện từ của các mục tiêu.

Lịch sử [ chỉnh sửa ]

Việc một xung điện từ được tạo ra bởi vụ nổ hạt nhân đã được biết đến trong những ngày đầu thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên, tầm quan trọng của EMP và tầm quan trọng của tác dụng của nó đã không được nhận ra ngay lập tức. [1]

Trong vụ thử hạt nhân đầu tiên của Hoa Kỳ vào ngày 16 tháng 7 năm 1945, thiết bị điện tử đã được bảo vệ vì Enrico Fermi dự kiến ​​xung điện từ. Lịch sử kỹ thuật chính thức cho lần thử hạt nhân đầu tiên đó, "Tất cả các đường tín hiệu đã được che chắn hoàn toàn, trong nhiều trường hợp được bảo vệ gấp đôi. Mặc dù vậy, nhiều hồ sơ đã bị mất vì chiếc bán tải giả tại thời điểm vụ nổ làm tê liệt thiết bị ghi âm." [2] Trong quá trình thử nghiệm hạt nhân của Anh năm 1952, 19191919191919191919191919191919191919191919191919191919191919191919191919 báo cáo công khai quan sát các khía cạnh độc đáo của EMP hạt nhân độ cao đã xảy ra trong vụ thử khí cầu helium trên sàn thử nghiệm hạt nhân Yucca của loạt Hardtack I vào ngày 28 tháng 4 năm 1958. Trong thử nghiệm đó, các phép đo điện trường từ vũ khí 1,7 kiloton đã vượt quá quy mô các dụng cụ thử nghiệm và được ước tính là khoảng năm lần giới hạn dao động. Yucca EMP ban đầu hoạt động tích cực, trong khi các vụ nổ ở độ cao thấp là các xung âm. Ngoài ra, sự phân cực của tín hiệu EMP Yucca là nằm ngang, trong khi EMP hạt nhân ở độ cao thấp bị phân cực theo chiều dọc. Mặc dù có nhiều sự khác biệt này, các kết quả EMP duy nhất đã bị loại bỏ vì sự bất thường lan truyền sóng có thể xảy ra. [5]

Các thử nghiệm hạt nhân độ cao năm 1962, như đã thảo luận dưới đây, đã xác nhận kết quả duy nhất của thử nghiệm độ cao Yucca và tăng cường nhận thức về EMP hạt nhân tầm cao vượt ra ngoài nhóm các nhà khoa học quốc phòng ban đầu. Cộng đồng khoa học lớn hơn đã nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề EMP sau khi một loạt ba bài viết về EMP hạt nhân được xuất bản năm 1981 bởi William J. Broad trong Science . [1][6][7]

Starfish Prime [ chỉnh sửa ]

Vào tháng 7 năm 1962, Hoa Kỳ đã thực hiện thử nghiệm Starfish Prime, phát nổ quả bom 1,44 megaton 400 km (250 dặm; 1.300.000 ft) trên giữa Thái Bình Dương. Điều này chứng tỏ rằng ảnh hưởng của vụ nổ hạt nhân tầm cao lớn hơn nhiều so với tính toán trước đây. Starfish Prime đã tạo ra những hiệu ứng được công chúng biết đến bằng cách gây ra thiệt hại về điện ở Hawaii, cách điểm phát nổ khoảng 1.445 km (898 dặm), đánh bật khoảng 300 đèn đường, đặt nhiều báo động trộm và làm hỏng liên kết vi sóng. [8]

Starfish Prime là thành công đầu tiên trong loạt các vụ thử hạt nhân tầm cao của Hoa Kỳ vào năm 1962 được gọi là Chiến dịch Fishbowl. Các thử nghiệm sau đó đã thu thập nhiều dữ liệu hơn về hiện tượng EMP ở độ cao lớn.

Các thử nghiệm hạt nhân tầm cao Bluegill Triple Prime và Kingfish vào tháng 10 và tháng 11 năm 1962 trong Chiến dịch Fishbowl đã cung cấp dữ liệu đủ rõ ràng để cho phép các nhà vật lý xác định chính xác các cơ chế vật lý đằng sau các xung điện từ. [9]

Thiệt hại EMP của bài kiểm tra Starfish Prime nhanh chóng được sửa chữa do một phần là do EMP trên Hawaii tương đối yếu so với những gì có thể được tạo ra với xung mạnh hơn và một phần là do họ hàng độ chắc chắn (so với ngày nay) [ cần trích dẫn ] của cơ sở hạ tầng điện và điện tử của Hawaii vào năm 1962. [10]

Độ lớn tương đối nhỏ của Sao biển Prime EMP ở Hawaii (khoảng 5,6 kilovolt / mét) và mức độ thiệt hại tương đối nhỏ (ví dụ, chỉ một đến ba phần trăm đèn đường bị dập tắt) [11] khiến một số nhà khoa học tin rằng, trong những ngày đầu của EMP vòm, rằng vấn đề có thể không đáng kể. Các tính toán sau này [10] cho thấy rằng nếu đầu đạn Starfish Prime phát nổ trên lục địa phía bắc Hoa Kỳ, cường độ của EMP sẽ lớn hơn nhiều (22 đến 30 kV / m) vì cường độ từ trường của Trái đất mạnh hơn trên Hoa Kỳ, cũng như định hướng khác nhau của nó ở vĩ độ cao. Những tính toán này, kết hợp với sự phụ thuộc ngày càng tăng vào vi điện tử nhạy cảm với EMP, nâng cao nhận thức rằng EMP có thể là một vấn đề quan trọng. [ cần trích dẫn ]

Thử nghiệm Liên Xô 184 chỉnh sửa ]

Năm 1962, Liên Xô cũng đã thực hiện ba vụ thử hạt nhân sản xuất EMP trong không gian trên Kazakhstan, lần cuối cùng trong "các vụ thử hạt nhân của Dự án K của Liên Xô". [12] Mặc dù những vũ khí này nhỏ hơn nhiều (300 kiloton) so với thử nghiệm Starfish Prime, chúng nằm trên một khối đất rộng lớn, đông dân cư và tại một địa điểm có từ trường của Trái đất lớn hơn; thiệt hại do EMP gây ra được báo cáo là lớn hơn nhiều so với Starfish Prime. Cơn bão địa từ như xung E3 từ Thử nghiệm 184 đã gây ra sự đột biến hiện tại trong một đường dây điện ngầm dài gây ra hỏa hoạn trong nhà máy điện ở thành phố Karaganda. [ cần trích dẫn ]

Sau khi Liên Xô sụp đổ, mức độ thiệt hại này được truyền đạt không chính thức tới các nhà khoa học Hoa Kỳ. [13] Trong một vài năm, các nhà khoa học Mỹ và Nga đã hợp tác về hiện tượng HEMP. Tài trợ được bảo đảm để cho phép các nhà khoa học Nga báo cáo về một số kết quả EMP của Liên Xô trên các tạp chí khoa học quốc tế. [14] Do đó, tài liệu chính thức về một số thiệt hại EMP ở Kazakhstan tồn tại [15][16] nhưng vẫn còn thưa thớt trong khoa học mở tài liệu. [ cần trích dẫn ]

Đối với một trong các thử nghiệm của Dự án K, các nhà khoa học Liên Xô đã thiết kế một đoạn đường dây điện thoại dài 570 km (350 dặm) trong khu vực mà họ mong đợi bị ảnh hưởng bởi xung. Đường dây điện thoại được theo dõi được chia thành các đường dây phụ có chiều dài từ 40 đến 80 km (25 đến 50 mi), được phân tách bằng các bộ lặp. Mỗi đường dây phụ được bảo vệ bởi cầu chì và các bộ bảo vệ quá áp chứa đầy khí. EMP từ vụ thử hạt nhân ngày 22 tháng 10 (K-3) (còn được gọi là Thử nghiệm 184) đã thổi bay tất cả các cầu chì và bắn tất cả các thiết bị bảo vệ quá áp trong tất cả các đường dây phụ. [15] [19659003] Các báo cáo được công bố, bao gồm một bài báo của IEEE năm 1998, [15] đã tuyên bố rằng có những vấn đề đáng kể với chất cách điện gốm trên đường dây điện trên không trong các thử nghiệm. Một báo cáo kỹ thuật năm 2010 được viết cho Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã tuyên bố rằng "Cách điện đường dây điện bị hỏng, dẫn đến chập điện trên đường dây và một số đường dây tách ra khỏi cột điện và rơi xuống đất." [17]

Đặc điểm [ chỉnh sửa ]

EMP hạt nhân là một xung đa phức, thường được mô tả theo ba thành phần, theo định nghĩa của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC). [18]

Ba thành phần của EMP hạt nhân, theo định nghĩa của IEC, được gọi là "E1", "E2" và "E3". [19][18]

E1 [ chỉnh sửa ]

Xung E1 là thành phần rất nhanh của EMP hạt nhân. E1 là một trường điện từ ngắn nhưng mãnh liệt tạo ra điện áp cao trong các dây dẫn điện. E1 gây ra phần lớn thiệt hại của nó bằng cách làm cho điện áp sự cố điện bị vượt quá. E1 có thể phá hủy máy tính và thiết bị liên lạc và nó thay đổi quá nhanh (nano giây) đối với các thiết bị bảo vệ đột biến thông thường để bảo vệ hiệu quả khỏi nó. Các thiết bị bảo vệ đột biến tác động nhanh (chẳng hạn như các thiết bị sử dụng điốt TVS) sẽ chặn xung E1.

Cơ chế cho một vụ nổ EMP cao 400 km (250 dặm; 1.300.000 ft): các tia gamma đánh vào bầu khí quyển giữa độ cao 204040 km (66.000101.000 ft), đẩy các electron sau đó bị lệch sang một bên bởi Trái đất từ trường. Điều này làm cho các electron tỏa EMP trên một khu vực rộng lớn. Do độ cong và độ nghiêng xuống của từ trường Trái đất so với Hoa Kỳ, EMP tối đa xảy ra ở phía nam của vụ nổ và cực tiểu xảy ra ở phía bắc. [20]

E1 được tạo ra khi bức xạ gamma từ vụ nổ hạt nhân làm ion hóa (dải electron từ) các nguyên tử trong bầu khí quyển phía trên. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Compton và dòng kết quả được gọi là "dòng Compton". Các electron di chuyển theo hướng đi xuống nói chung với tốc độ tương đối tính (hơn 90% tốc độ ánh sáng). Trong trường hợp không có từ trường, điều này sẽ tạo ra một xung điện lớn, hướng tâm truyền ra ngoài từ vị trí xung bị giới hạn trong vùng nguồn (vùng mà các photon gamma bị suy giảm). Từ trường của Trái đất tạo ra một lực tác động lên dòng electron ở một góc vuông với cả trường và vectơ ban đầu của các hạt, làm lệch hướng các electron và dẫn đến bức xạ synchrotron. Do xung gamma di chuyển ra ngoài đang lan truyền với tốc độ ánh sáng, nên bức xạ synchrotron của các điện tử Compton kết hợp với nhau, dẫn đến tín hiệu điện từ bức xạ. Sự tương tác này tạo ra một xung lớn, ngắn gọn. [21]

Một số nhà vật lý đã nghiên cứu về vấn đề xác định cơ chế của xung HEMP E1. Cơ chế cuối cùng đã được xác định bởi Conrad Longmire của Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos vào năm 1963. [9]

Longmire đưa ra các giá trị số cho một trường hợp điển hình của xung E1 được tạo ra bởi vũ khí hạt nhân thế hệ thứ hai như của hoạt động Fishbowl. Các tia gamma điển hình phát ra từ vũ khí có năng lượng khoảng 2 MeV (mega-electron volt). Các tia gamma truyền khoảng một nửa năng lượng của chúng cho các electron tự do bị đẩy ra, tạo ra năng lượng khoảng 1 MeV. [21]

Trong chân không và không có từ trường, các electron sẽ di chuyển với mật độ hiện tại là hàng chục ampe trên một mét vuông. [21] Do độ nghiêng của từ trường Trái đất ở vĩ độ cao, khu vực cường độ trường cực đại là vùng hình chữ U ở phía xích đạo của tiếng nổ. Như thể hiện trong sơ đồ, đối với các vụ nổ hạt nhân ở Bắc bán cầu, khu vực hình chữ U này nằm ở phía nam của điểm phát nổ. Gần xích đạo, nơi từ trường của Trái đất gần như nằm ngang, cường độ trường E1 gần như đối xứng xung quanh vị trí nổ. [ cần trích dẫn ]

Ở cường độ từ trường địa từ điển hình của các vĩ độ trung bình, các electron ban đầu này xoắn quanh các đường sức từ có bán kính điển hình khoảng 85 mét (280 ft). Những electron ban đầu này bị dừng lại do va chạm với các phân tử không khí ở khoảng cách trung bình khoảng 170 mét (560 ft). Điều này có nghĩa là hầu hết các electron bị dừng lại do va chạm với các phân tử không khí trước khi hoàn thành một vòng xoắn hoàn toàn xung quanh các đường trường. [21]

Sự tương tác này của các electron tích điện âm với từ trường tỏa ra một xung năng lượng điện từ. Xung thường tăng đến giá trị cực đại của nó trong khoảng năm nano giây. Độ lớn của nó thường phân rã một nửa trong vòng 200 nano giây. (Theo định nghĩa của IEC, xung E1 này kết thúc 1000 nano giây sau khi nó bắt đầu.) Quá trình này xảy ra đồng thời vào khoảng 10 25 electron. [21] Hoạt động đồng thời của các điện tử làm cho xung kết quả từ mỗi electron phát ra kết hợp, thêm vào đó tạo ra một biên độ lớn, nhưng hẹp, xung bức xạ. [ cần trích dẫn ]

Va chạm thứ cấp làm cho các electron tiếp theo mất năng lượng trước khi chúng chạm tới mặt đất. Các electron được tạo ra bởi các va chạm tiếp theo này có rất ít năng lượng đến mức chúng không đóng góp đáng kể vào xung E1. [21]

Các tia gamma 2 MeV này thường tạo ra xung E1 ở gần mặt đất ở mức cao vừa phải vĩ độ đạt cực đại khoảng 50.000 volt mỗi mét. Quá trình ion hóa trong tầng bình lưu làm cho khu vực này trở thành một chất dẫn điện, một quá trình ngăn chặn việc sản xuất các tín hiệu điện từ hơn nữa và làm cho cường độ trường bão hòa ở mức khoảng 50.000 volt mỗi mét. Độ mạnh của xung E1 phụ thuộc vào số lượng và cường độ của tia gamma và vào sự nhanh chóng của vụ nổ tia gamma. Sức mạnh cũng có phần phụ thuộc vào độ cao. [ cần trích dẫn ]

Có báo cáo về vũ khí hạt nhân "siêu EMP" có thể vượt quá giới hạn 50.000 volt trên mỗi mét cơ chế không xác định. Thực tế và các chi tiết xây dựng có thể có của những vũ khí này đã được phân loại và do đó, chưa được xác nhận trong tài liệu khoa học mở [22]: 3

E2 [ chỉnh sửa ]

Thành phần E2 được tạo ra bởi các tia gamma phân tán và các gamma không đàn hồi được tạo ra bởi neutron. Thành phần E2 này là một xung "thời gian trung gian", theo định nghĩa của IEC, kéo dài từ khoảng một micro giây đến một giây sau vụ nổ. E2 có nhiều điểm tương đồng với sét, mặc dù E2 gây ra sét có thể lớn hơn đáng kể so với hạt nhân E2. Do sự tương đồng và sử dụng rộng rãi của công nghệ chống sét, nên nhìn chung, E2 được coi là dễ bảo vệ nhất. [19]

Theo Ủy ban EMP Hoa Kỳ, vấn đề chính với E2 là nó ngay lập tức đi theo E1, có thể đã làm hỏng các thiết bị thường bảo vệ chống lại E2.

Báo cáo điều hành của Ủy ban EMP năm 2004 tuyên bố: "Nói chung, sẽ không có vấn đề gì đối với các hệ thống cơ sở hạ tầng quan trọng vì chúng có các biện pháp bảo vệ hiện có để chống sét đánh thường xuyên. Nguy cơ đáng kể nhất là do hiệp đồng, bởi vì thành phần E2 theo sau một phần nhỏ của giây sau sự xúc phạm của thành phần thứ nhất, có khả năng làm suy yếu hoặc phá hủy nhiều tính năng bảo vệ và kiểm soát. Năng lượng liên quan đến thành phần thứ hai do đó có thể được phép truyền vào và làm hỏng hệ thống. "[23]

E3 [ chỉnh sửa ]

Thành phần E3 khác với E1 và E2. E3 là xung chậm hơn nhiều, kéo dài hàng chục đến hàng trăm giây. Nó được gây ra bởi sự biến dạng tạm thời của vụ nổ hạt nhân của từ trường Trái đất. Thành phần E3 có những điểm tương đồng với một cơn bão địa từ gây ra bởi một ngọn lửa mặt trời. [24][25] Giống như một cơn bão địa từ, E3 có thể tạo ra dòng điện cảm ứng địa từ trong các dây dẫn điện dài, làm hỏng các thành phần như máy biến áp đường dây điện. [26] ]

Do sự giống nhau giữa các cơn bão địa từ do năng lượng mặt trời và hạt nhân E3, nên nó đã trở nên phổ biến khi gọi các cơn bão địa từ do năng lượng mặt trời gọi là "Solar EMP". [27] "Solar EMP", không bao gồm E1 hoặc E2 các thành phần. [28]

Thế hệ [ chỉnh sửa ]

Các yếu tố kiểm soát hiệu quả của vũ khí bao gồm độ cao, năng suất, chi tiết xây dựng, khoảng cách mục tiêu, tính năng địa lý can thiệp và cường độ địa phương của từ trường Trái đất.

Độ cao vũ khí [ chỉnh sửa ]

EMP cực đại trên mặt đất thay đổi như thế nào với năng suất vũ khí và độ cao nổ. Năng suất ở đây là đầu ra tia gamma nhanh chóng được đo bằng kiloton. Con số này thay đổi từ 0.115 cường0,5% tổng sản lượng vũ khí, tùy thuộc vào thiết kế vũ khí. Thử nghiệm tổng năng suất 1,4 Mt năm 1962 của Starfish Prime có sản lượng gamma là 0,1%, do đó là 1,4 kt tia gamma kịp thời. ( màu xanh lam Đường cong 'tiền ion hóa' áp dụng cho một số loại vũ khí nhiệt hạch, trong đó tia gamma và tia X từ giai đoạn phân hạch sơ cấp làm ion hóa bầu khí quyển và làm cho nó dẫn điện trước xung chính từ nhiệt hạch giai đoạn tiền ion hóa trong một số tình huống có thể rút ngắn một phần của EMP cuối cùng, bằng cách cho phép dòng điện dẫn ngay lập tức chống lại dòng điện tử Compton.) [29][30]

Theo một đoạn trích trên internet do Liên đoàn các nhà khoa học Mỹ công bố [19659083] Một vụ nổ hạt nhân tầm cao tạo ra một luồng tia gamma ngay lập tức từ các phản ứng hạt nhân trong thiết bị. Các photon này lần lượt tạo ra các electron tự do năng lượng cao bằng cách tán xạ Compton ở độ cao giữa (khoảng) 20 đến 40 km. Những electron này sau đó bị giữ lại trong từ trường của Trái đất, tạo ra dòng điện dao động. Dòng điện này nói chung không đối xứng và làm phát sinh trường điện từ bức xạ tăng nhanh gọi là xung điện từ (EMP). Do các electron bị mắc kẹt về cơ bản đồng thời, một nguồn điện từ rất lớn phát ra kết hợp .

Xung có thể dễ dàng vượt qua các khu vực có kích thước lục địa và bức xạ này có thể ảnh hưởng đến các hệ thống trên đất liền, trên biển và trên không. … Một thiết bị lớn nổ tại 400-500 km (250-312 dặm) trên Kansas sẽ ảnh hưởng đến tất cả các lục địa Mỹ Tín hiệu từ một sự kiện như vậy kéo dài đến đường chân trời thị giác khi nhìn từ điểm nổ . [19659085] Do đó, để thiết bị bị ảnh hưởng, vũ khí cần phải ở trên đường chân trời trực quan. [31]

Độ cao được chỉ ra ở trên lớn hơn so với Trạm vũ trụ quốc tế và nhiều vệ tinh trên quỹ đạo Trái đất thấp . Vũ khí lớn có thể có tác động mạnh mẽ đến các hoạt động và liên lạc vệ tinh như xảy ra trong Chiến dịch Fishbowl. Các tác động gây hại trên các vệ tinh quay quanh thường là do các yếu tố khác ngoài EMP. Trong vụ thử hạt nhân Starfish Prime, phần lớn thiệt hại là các tấm pin mặt trời của vệ tinh trong khi truyền qua các vành đai bức xạ được tạo ra bởi vụ nổ. [32]

Đối với các vụ nổ trong khí quyển, tình hình phức tạp hơn. Trong phạm vi lắng đọng tia gamma, các định luật đơn giản không còn tồn tại khi không khí bị ion hóa và có các hiệu ứng EMP khác, như điện trường xuyên tâm do sự phân tách các electron Compton khỏi các phân tử không khí, cùng với các hiện tượng phức tạp khác. Đối với vụ nổ bề mặt, sự hấp thụ tia gamma bằng không khí sẽ giới hạn phạm vi lắng đọng tia gamma trong khoảng 16 km (10 mi), trong khi đối với vụ nổ trong không khí mật độ thấp ở độ cao cao, phạm vi lắng đọng sẽ lớn hơn nhiều . [ cần trích dẫn ]

Năng suất vũ khí [ chỉnh sửa ]

Năng suất vũ khí hạt nhân điển hình được sử dụng trong kế hoạch chiến tranh lạnh cho các cuộc tấn công EMP đã ở trong phạm vi từ 1 đến 10 megatons [33] Đây là khoảng 50 đến 500 lần kích thước của bom Hiroshima và Nagasaki. Các nhà vật lý đã làm chứng tại các phiên điều trần của Quốc hội Hoa Kỳ rằng vũ khí có năng suất từ ​​10 kiloton trở xuống có thể tạo ra một EMP lớn. [34]

EMP ở khoảng cách cố định từ vụ nổ tăng nhiều nhất là hình vuông gốc của năng suất (xem hình minh họa bên phải). Điều này có nghĩa là mặc dù vũ khí 10 kiloton chỉ có 0,7% năng lượng giải phóng năng lượng của thử nghiệm Starfish Prime 1,44 megaton, EMP sẽ mạnh hơn ít nhất 8%. Do thành phần E1 của EMP hạt nhân phụ thuộc vào sản lượng tia gamma kịp thời, chỉ chiếm 0,1% năng suất trong Starfish Prime nhưng có thể là 0,5% năng suất trong vũ khí phân hạch hạt nhân tinh khiết năng suất thấp, một quả bom 10 kiloton có thể dễ dàng là 5 x 8 % = 40% mạnh như Starfish Prime 1,44 megaton khi sản xuất EMP. [35]

Tổng năng lượng tia gamma nhanh chóng trong vụ nổ phân hạch là 3,5% năng suất, nhưng trong 10 kiloton kích nổ chất nổ kích hoạt xung quanh lõi bom sẽ hấp thụ khoảng 85% các tia gamma kịp thời, do đó, sản lượng chỉ đạt khoảng 0,5% sản lượng. Trong Starfish Prime nhiệt hạch, năng suất phân hạch nhỏ hơn 100% và vỏ ngoài dày hơn hấp thụ khoảng 95% tia gamma kịp thời từ máy nghiền xung quanh giai đoạn hợp hạch. Vũ khí nhiệt hạch cũng kém hiệu quả hơn trong việc sản xuất EMP bởi vì giai đoạn đầu tiên có thể tiền ion hóa không khí [35] trở nên dẫn điện và do đó nhanh chóng rút ngắn dòng Compton được tạo ra bởi giai đoạn nhiệt hạch. Do đó, vũ khí phân hạch tinh khiết nhỏ với vỏ mỏng có hiệu quả cao hơn trong việc gây ra EMP so với hầu hết các loại bom megaton. [ cần trích dẫn ]

Tuy nhiên, phân tích này chỉ áp dụng cho nhanh Thành phần E1 và E2 của EMP hạt nhân. Thành phần E3 giống như cơn bão địa từ của hạt nhân EMP tỷ lệ chặt chẽ hơn với tổng năng suất của vũ khí. [36]

Khoảng cách mục tiêu [ chỉnh sửa ]

Trong EMP hạt nhân tất cả các thành phần của xung điện từ được tạo ra bên ngoài vũ khí. [31]

Đối với các vụ nổ hạt nhân ở độ cao lớn, phần lớn EMP được tạo ra từ vụ nổ (nơi bức xạ gamma từ vụ nổ chạm vào Khí quyển tầng cao). Trường điện từ EMP này có độ đồng đều đáng kể trên khu vực rộng lớn bị ảnh hưởng.

Theo văn bản tham khảo tiêu chuẩn về hiệu ứng vũ khí hạt nhân do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ công bố, "Trường điện cực đại (và biên độ của nó) trên bề mặt Trái đất từ vụ nổ độ cao sẽ phụ thuộc vào năng suất vụ nổ, chiều cao của vụ nổ, vị trí của người quan sát và hướng đối với trường địa từ. Tuy nhiên, theo nguyên tắc chung, cường độ trường có thể được dự kiến hàng chục kilovolt trên mét trên hầu hết khu vực nhận được bức xạ EMP. "

Văn bản cũng nói rằng," … trên hầu hết các khu vực bị ảnh hưởng bởi EMP, cường độ điện trường trên mặt đất sẽ vượt quá 0,5 E max . Đối với sản lượng dưới vài trăm kiloton, điều này không nhất thiết là đúng bởi vì cường độ trường tại tiếp tuyến của Trái đất có thể thấp hơn 0,5 E max . "

( E max đề cập đến cường độ điện trường tối đa trong khu vực bị ảnh hưởng.)

Nói cách khác, cường độ điện trường trong toàn bộ khu vực bị ảnh hưởng bởi EMP sẽ khá đồng đều cho các vũ khí có đầu ra tia gamma lớn. Đối với vũ khí nhỏ hơn, điện trường có thể giảm với tốc độ nhanh hơn khi khoảng cách tăng.

Hiệu ứng [ chỉnh sửa ]

EMP tràn đầy năng lượng có thể tạm thời làm hỏng hoặc làm hỏng vĩnh viễn thiết bị điện tử bằng cách tạo ra cao điện áp và dòng điện cao; các thành phần bán dẫn đặc biệt có nguy cơ. Các tác động của thiệt hại có thể bao gồm từ không thể nhận ra đối với mắt, đến các thiết bị thổi theo nghĩa đen. Cáp, ngay cả khi ngắn, có thể đóng vai trò là ăng-ten để truyền năng lượng xung đến thiết bị. [38]

Ống chân không so với thiết bị điện tử trạng thái rắn [ chỉnh sửa ]

Ống chân không (van) cũ hơn thiết bị thường dễ bị tổn thương hơn với EMP hạt nhân so với thiết bị trạng thái rắn, dễ bị hư hại hơn nhiều bởi điện áp lớn, ngắn và dòng điện tăng. Máy bay quân sự thời Chiến tranh Lạnh của Liên Xô thường có hệ thống điện tử hàng không dựa trên ống chân không vì khả năng ở trạng thái rắn bị hạn chế và thiết bị ống chân không được cho là có khả năng sống sót cao hơn. [1]

mạch ống chân không có thể bị hỏng bởi EMP. Thiết bị ống chân không đã bị hỏng trong cuộc thử nghiệm năm 1962. [16] Đài phát thanh hai chiều PRC-77 VHF trạng thái rắn đã sống sót qua thử nghiệm EMP mở rộng. [39] PRC-25 trước đó, gần như giống hệt giai đoạn khuếch đại cuối cùng của ống chân không, đã được thử nghiệm trong các trình giả lập EMP, nhưng không được chứng nhận vẫn duy trì đầy đủ chức năng. [ cần trích dẫn ]

Điện tử đang hoạt động so với không hoạt động [ chỉnh sửa ] ] 19659045] Thiết bị đang chạy tại thời điểm EMP dễ bị tổn thương hơn. Ngay cả một xung năng lượng thấp cũng có quyền truy cập vào nguồn năng lượng và tất cả các bộ phận của hệ thống được chiếu sáng bởi xung. Ví dụ, một đường dẫn có dòng điện cao có thể được tạo ra trên toàn bộ nguồn điện, đốt cháy một số thiết bị dọc theo đường dẫn đó. Những tác động như vậy rất khó dự đoán và yêu cầu thử nghiệm để đánh giá các lỗ hổng tiềm ẩn. [38]

Trên máy bay [ chỉnh sửa ]

Nhiều vụ nổ hạt nhân đã xảy ra khi sử dụng bom trên không. Máy bay B-29 cung cấp vũ khí hạt nhân tại Hiroshima và Nagasaki đã không bị mất điện do thiệt hại về điện, bởi vì các electron (bị đẩy ra từ không khí bởi tia gamma) bị dừng lại nhanh chóng trong không khí bình thường trong các vụ nổ dưới khoảng 10 km (33.000 ft), do đó chúng không bị lệch đáng kể bởi từ trường của Trái đất.

Nếu máy bay mang bom Hiroshima và Nagasaki nằm trong vùng bức xạ hạt nhân dữ dội khi bom phát nổ trên các thành phố đó, thì chúng sẽ phải chịu tác động từ sự phân tách điện tích (xuyên tâm) EMP. Nhưng điều này chỉ xảy ra trong bán kính vụ nổ nghiêm trọng đối với các vụ nổ dưới độ cao khoảng 10 km. [ cần trích dẫn ]

Trong Chiến dịch Fishbowl, sự phá vỡ EMP đã bị ảnh hưởng trên một chiếc máy ảnh KC-135 máy bay bay 300 km (190 dặm) từ vụ nổ 410 kt (1.700 TJ) ở độ cao nổ 48 và 95 km (157.000 và 312.000 ft). [35] Các thiết bị điện tử quan trọng ít tinh vi hơn ngày nay và máy bay đã có thể hạ cánh an toàn . [ cần trích dẫn ]

Trên xe ô tô [ chỉnh sửa ]

EMP có thể sẽ không ảnh hưởng đến hầu hết các xe ô tô, mặc dù sử dụng nhiều xe hơi hiện đại điện tử, bởi vì các mạch điện tử và hệ thống cáp của ô tô dường như quá ngắn để bị ảnh hưởng. Ngoài ra, khung kim loại của ô tô cung cấp một số bảo vệ. Tuy nhiên, ngay cả một tỷ lệ nhỏ ô tô bị hỏng do sự cố điện tử cũng sẽ gây ra ùn tắc giao thông tạm thời. [38]

Trên các thiết bị điện tử nhỏ [ chỉnh sửa ]

EMP có hiệu ứng nhỏ hơn ngắn hơn chiều dài của một dây dẫn điện; mặc dù các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến lỗ hổng của thiết bị điện tử, do đó, không có độ dài cắt nào quyết định liệu một số thiết bị có tồn tại hay không. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử nhỏ, chẳng hạn như đồng hồ đeo tay và điện thoại di động, rất có thể sẽ chịu được EMP. [38]

Trên người và động vật [ chỉnh sửa ]

Mặc dù điện áp có thể tích tụ trong các dây dẫn điện sau Một EMP, nó thường sẽ không chảy vào cơ thể người hoặc động vật, và do đó liên lạc là an toàn. [38]

Kịch bản tấn công sau Chiến tranh Lạnh [ chỉnh sửa ]

Ủy ban EMP Hoa Kỳ được thành lập bởi Quốc hội Hoa Kỳ vào năm 2001. Ủy ban này được chính thức gọi là Ủy ban đánh giá mối đe dọa đối với Hoa Kỳ từ cuộc tấn công xung điện từ (EMP). [41]

Ủy ban đã tập hợp lại các nhà khoa học và công nghệ đáng chú ý để biên soạn một số báo cáo. Năm 2008, Ủy ban đã công bố "Báo cáo cơ sở hạ tầng quan trọng quốc gia". [36] Báo cáo này mô tả các hậu quả có thể xảy ra của EMP hạt nhân đối với cơ sở hạ tầng dân sự. Mặc dù báo cáo này bao trùm Hoa Kỳ, hầu hết các thông tin có thể áp dụng cho các nước công nghiệp khác. Báo cáo năm 2008 là một báo cáo tiếp theo cho một báo cáo tổng quát hơn do ủy ban ban hành năm 2004. [25] [19]

Trong lời khai bằng văn bản gửi cho Thượng viện Hoa Kỳ năm 2005 , một nhân viên của Ủy ban EMP báo cáo:

Ủy ban EMP Hoa Kỳ xác định rằng các biện pháp bảo vệ được biết đến từ lâu gần như hoàn toàn vắng bóng trong cơ sở hạ tầng dân sự của Hoa Kỳ và phần lớn các dịch vụ quân sự của Hoa Kỳ ít được bảo vệ chống lại EMP hơn trong Chiến tranh Lạnh. In public statements, the Commission recommended making electronic equipment and electrical components resistant to EMP – and maintaining spare parts inventories that would enable prompt repairs.[25][36][42] The United States EMP Commission did not look at other nations.[citation needed]

In 2011 the Defense Science Board published a report about the ongoing efforts to defend critical military and civilian systems against EMP and other nuclear weapons effects.[43]

The United States military services developed, and in some cases published, hypothetical EMP attack scenarios.[44]

In 2016 the Los Alamos Laboratory started phase 0 of a multi-year study (through to phase 3) to investigate EMP's which prepared the strategy to be followed for the rest of the study.[45]

In 2017 the US department of energy published the "DOE Electromagnetic Pulse Resilience Action Plan"[46]Edwin Boston published a dissertation on the topic[47] and the EMP Commission published "Assessing the threat from electromagnetic pulse (EMP)"[48]. The EMP commission was closed in summer 2017[49]. They found that earlier reports had underestimated the effects of an EMP attack on the national infrastructure and highlighted issues with communications from the DoD due to the classified nature of the material and recommended that the DHS instead of going to the DOE for guidance and direction should directly cooperate with the more knowledgeable parts of the DOE. Several reports are in process of being released to the general public.[50].

Protecting infrastructure[edit]

The problem of protecting civilian infrastructure from electromagnetic pulse has been intensively studied throughout the European Union, and in particular by the United Kingdom.[51][52]

As of 2017, several power utility companies in the United States have been involved in a three-year research program on the impact of HEMP to the United States power grid led by an industry non-profit organization, Electric Power Research Institute (EPRI).[53][54]

In fiction and popular culture[edit]

Especially since the 1980s, Nuclear EMP weapons have gained a significant presence in fiction and popular culture.

The popular media often depict EMP effects incorrectly, causing misunderstandings among the public and even professionals, and official efforts have been made in the United States to set the record straight.[38] The United States Space Command commissioned science educator Bill Nye to produce a video called "Hollywood vs. EMP" so that inaccurate Hollywood fiction would not confuse those who must deal with real EMP events.[55] The video is not available to the general public.

See also[edit]

References[edit]

  1. ^ a b c Broad, William J. "Nuclear Pulse (I): Awakening to the Chaos Factor", Science. 29 May 1981 212: 1009–1012
  2. ^ Bainbridge, K.T., (Report LA-6300-H), Los Alamos Scientific Laboratory. May 1976. p. 53 Trinity
  3. ^ Baum, Carl E., IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Tập 49, No. 2. pp. 211–218. May 2007. Reminiscences of High-Power Electromagnetics
  4. ^ Baum, Carl E., Proceedings of the IEEEVol. 80, No. 6, pp. 789–817. June 1992 "From the Electromagnetic Pulse to High-Power Electromagnetics"
  5. ^ Defense Atomic Support Agency. 23 September 1959. "Operation Hardtack Preliminary Report. Technical Summary of Military Effects. Report ADA369152". pp. 346–350.
  6. ^ Broad, William J. "Nuclear Pulse (II): Ensuring Delivery of the Doomsday Signal", Science. 5 June 1981 212: 1116–1120
  7. ^ Broad, William J. "Nuclear Pulse (III): Playing a Wild Card", Science. 12 June 1981 212: 1248–1251
  8. ^ Vittitoe, Charles N., Did High-Altitude EMP Cause the Hawaiian Streetlight Incident? Sandia National Laboratories. June 1989.
  9. ^ a b Longmire, Conrad L., NBC ReportFall/Winter, 2004. pp. 47–51. U.S. Army Nuclear and Chemical Agency "Fifty Odd Years of EMP"
  10. ^ a b Theoretical Notes – Note 353, March 1985, "EMP on Honolulu from the Starfish Event" Conrad L. Longmire – Mission Research Corporation
  11. ^ Rabinowitz, Mario (1987) "Effect of the Fast Nuclear Electromagnetic Pulse on the Electric Power Grid Nationwide: A Different View". IEEE Trans. Power Delivery, PWRD-2, 1199–1222 arXiv:physics/0307127
  12. ^ Zak, Anatoly "The K Project: Soviet Nuclear Tests in Space", The Nonproliferation ReviewVolume 13, Issue, 1 March 2006, pp. 143–150
  13. ^ Subject: US-Russian meeting – HEMP effects on national power grid & telecommunications From: Howard Seguine, 17 Feb. 1995 Memorandum for Record
  14. ^ Pfeffer, Robert and Shaeffer, D. Lynn. Combating WMD Journal, (2009) Issue 3. pp. 33–38. "A Russian Assessment of Several USSR and US HEMP Tests"
  15. ^ a b c Greetsai, Vasily N., et al. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. 40, No. 4, November 1998, "Response of Long Lines to Nuclear High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)"
  16. ^ a b Loborev, Vladimir M. "Up to Date State of the NEMP Problems and Topical Research Directions", Electromagnetic Environments and Consequences: Proceedings of the EUROEM 94 International Symposium, Bordeaux, France, 30 May – 3 June 1994, pp. 15–21
  17. ^ Metatech Corporation (January 2010). The Early-Time (E1) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid." Section 3 – E1 HEMP History (PDF). Report Meta-R-320. Oak Ridge National Laboratory.
  18. ^ a b Electromagnetic compatibility (EMC), Part 2: Environment, Section 9: Description of HEMP environment – Radiated disturbance. Basic EMC publication, IEC 61000-2-9
  19. ^ a b c "Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack" Volume 1: Executive Report 2004
  20. ^ U.S. Army White Sands Missile Range, Nuclear Environment Survivability. Report ADA278230. p. D-7. 15 April 1994.
  21. ^ a b c d e f Longmire, Conrad L. LLNL-9323905, Lawrence Livermore National Laboratory. June 1986 "Justification and Verification of High-Altitude EMP Theory, Part 1" (Retrieved 2010-15-12)
  22. ^ a b March 8, 2005 "Statement, Dr. Peter Vincent Pry, EMP Commission Staff, before the United States Senate Subcommittee on Terrorism, Technology and Homeland Security"
  23. ^ Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Volume 1. Executive Report. 2004. p. 6.
  24. ^ High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP): A Threat to Our Way of Life, 09.07, By William A. Radasky, Ph.D., P.E. – IEEE
  25. ^ a b c Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack
  26. ^ Report Meta-R-321: "The Late-Time (E3) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid" January 2010. Written by Metatech Corporation for Oak Ridge National Laboratory.
  27. ^ "EMPACT America, Inc. – Solar EMP". Web.archive.org. 2011-07-26. Archived from the original on July 26, 2011. Retrieved 2013-05-21.
  28. ^ "E3 – ProtecTgrid". ProtecTgrid. Retrieved 2017-02-16.
  29. ^ Louis W. Seiler, Jr. A Calculational Model for High Altitude EMP. Air Force Institute of Technology. Report ADA009208. pp. 33, 36. March 1975
  30. ^ Glasstone, Samuel and Dolan, Philip J., 'The Effects of Nuclear Weapons. Chapter 11. 1977. United States Department of Defense.
  31. ^ a b c Federation of American Scientists. "Nuclear Weapon EMP Effects"
  32. ^ Hess, Wilmot N. (September 1964). "The Effects of High Altitude Explosions" (PDF). National Aeronautics and Space Administration. NASA TN D-2402. Retrieved 2015-05-13.
  33. ^ U.S. Congressional hearing Transcript H.S.N.C No. 105–18, p. 39
  34. ^ U.S. Congressional hearing Transcript H.A.S.C. No. 106–31, p. 48
  35. ^ a b c Glasstone, Samuel (March 29, 2006). "EMP radiation from nuclear space bursts in 1962". Subsequent tests with lower yield devices [410ktKingfish at 95 km altitude, 410 kt Bluegill at 48 km altitude, and 7 kt Checkmate at 147 km] produced electronic upsets on an instrumentation aircraft [presumably the KC-135 that filmed the tests from above the clouds?] that was approximately 300 kilometers away from the detonations.
  36. ^ a b c EMP Commission Critical National Infrastructures Report
  37. ^ a b c d e f Report Meta-R-320: "The Early-Time (E1) High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) and Its Impact on the U.S. Power Grid" January 2010. Written by Metatech Corporation for Oak Ridge National Laboratory. Appendix: E1 HEMP Myths
  38. ^ Seregelyi, J.S, et al. Report ADA266412 "EMP Hardening Investigation of the PRC-77 Radio Set" Retrieved 2009-25-11
  39. ^ Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack
  40. ^ Ross, Lenard H., Jr. and Mihelic, F. Matthew, "Healthcare Vulnerabilities to Electromagnetic Pulse" American Journal of Disaster Medicine, Vol. 3, No. 6, pp. 321–325. November/December 2008.
  41. ^ "Survivability of Systems and Assets to Electromagnetic Pulse (EMP)"
  42. ^ Miller, Colin R., Major, USAF "Electromagnetic Pulse Threats in 2010" Air War College, Air University, United States Air Force, November 2005
  43. ^ Rivera, M.K., Backhaus, S.N., Woodroffe, J.R., Henderson, M.G., Bos, R.J., Nelson, E.M. and Kelic, A., 2016. EMP/GMD Phase 0 Report, A Review of EMP Hazard Environments and Impacts (No. LA-UR-16-28380). Los Alamos National Laboratory (LANL).
  44. ^ DOE and partners "DOE Electromagnetic Pulse Resilience Action Plan" DOE, January, 2017
  45. ^ Boston Jr, E.J., 2017. Critical Infrastructure Protection: EMP Impacts on the US Electric Grid (Doctoral dissertation, Utica College).
  46. ^ Assessing the threat from electromagnetic pulse (EMP), the EMP Commission. 2017
  47. ^ Peter Vincent Pry, Report to the commission to assess the threat to the united states from electromagnetic pulse (EMP) attack life without electricity: storm-induced blackouts and implications for emp attack
  48. ^ William Graham, "Trump's actions have been critical to defending the US against an EMP attack", the Hill, May 2018
  49. ^ House of Commons Defence Committee, Developing Threats: Electro-Magnetic Pulses (EMP) Tenth Report of Session 2010–12.
  50. ^ Extreme Electromagnetics – The Triple Threat to Infrastructure14 January 2013 (Proceedings of a seminar)
  51. ^ "America's utilities prepare for a nuclear threat to the grid". The Economist. Retrieved 2017-09-21.
  52. ^ "Hearing of the U.S. Senate Energy and Natural Resources Committee". www.energy.senate.gov. May 4, 2017. Archived from the original on 2017-05-06. Retrieved Sep 20, 2017.
  53. ^ 2009 Telly Award Winners, (Manitou Motion Picture Company, Ltd.)

Sources[edit]

  •  This article incorporates public domain material from the General Services Administration document "Federal Standard 1037C" (in support of MIL-STD-188).
  • Vladimir Gurevich "Cyber and Electromagnetic Threats in Modern Relay Protection" – CRC Press (Taylor & Francis Group), Boca Raton – New York – London, 2014, 222 p.
  • Vladimir Gurevich "Protection of Substation Critical Equipment Against Intentional Electromagnetic Threats" – Wiley, London, 2016, 300 p.

Further reading[edit]

  • COMMISSION TO ASSESS THE THREAT TO THE UNITED STATES FROM ELECTROMAGNETIC PULSE (EMP) ATTACK (July 2017). "Assessing the Threat From EMP Attack – Executive Report" (PDF). www.dtic.mil.
  • ISBN 978-1-59-248389-1 A 21st Century Complete Guide to Electromagnetic Pulse (EMP) Attack Threats, Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic … High-Altitude Nuclear Weapon EMP Attacks (CD-ROM)
  • ISBN 978-0-16-056127-6 Threat posed by electromagnetic pulse (EMP) to U.S. military systems and civil infrastructure: Hearing before the Military Research and Development Subcommittee – first session, hearing held July 16, 1997 (Unknown Binding)
  • ISBN 978-0-471-01403-4 Electromagnetic Pulse Radiation and Protective Techniques
  • ISBN 978-0-16-080927-9 Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack

External links[edit]