אלי רכט
רקע
הדוא”מ הינו תוצר לוואי של פיצוץ גרעיני המתבטא בקרינת פולס רב עוצמה המכסה שטח נרחב. האינטראקציה בין השדה הגבוה לאלמנטים של מערכת אלקטרונית כלשהי עלולה לגרום נזק למערכת, וכן שיבוש תמידי או שיבוש זמני בפעולת המערכת, הגורמים לירידה משמעותית בביצועיה.
מאמר זה עוסק בדוא”מ עילי (HEMP -High Altitude EMP), כלומר, פולס אלקטרומגנטי הנוצר כתוצאה מאירוע גרעיני מחוץ לאטמוספירה בגבהים של כ-30 עד 500 ק”מ. באירוע כזה אין כל השפעה של הפיצוץ הגרעיני (אין כל הדף, גל טרמי או נשורת רדיואקטיבית) האפקט היחיד המתבטא בפיצוץ הוא הדוא”מ. אפקט זה אינו גורם נזק לרקמות אנושיות ולפיכך יש הרואים אירוע כזה כפיצוץ לגיטימי.
המאמר אינו עוסק בהיבטים הביטחוניים, הכלכליים, הפוליטיים או האסטרטגיים הקשורים לנושא דוא”מ עילי. היבטים אלה הינם כבדי משקל והנדון בהם רצוי שיתקיים בפורומים המתאימים.
המאמר יתרכז במנגנון היווצרות הדוא”מ העילי, השלכותיו הטכניות על תשתיות אזרחיות כגון מרכזי בקרת חשמל ומים – תחנות כוח, מרכזים פיננסיים – בנקים ובורסה, שדות תעופה – מטוסים ולמעשה כל מערכת אזרחית שפעילותה המרכזית מושתתת על מערכות אלקטרוניות.
רקע היסטורי
אפקט הדוא”מ מוכר החל מהתקופה בה החלו האמריקאים לפתח נשק גרעיני. למעשה אפקט הדוא”מ היה מוכר גם כתוצאה של פיצוץ גרעיני אך את עיקר משמעותו כתוצר לוואי של אירוע גרעיני חזה אנריקו פרמיי בשנות ה-40. למרות זאת, בניסויים הגרעיניים הראשונים אובחנו שיבושים ונזקים למכשור האלקטרוני והחשמלי הנלווה לניסוי.
בתקופת המלחמה הקרה עסקו מדענים רבים ממזרח וממערב במחקר אינטנסיבי של האפקט. בשנות השישים המוקדמות – לפני החתימה על האמנה האוסרת ניסויים גרעיניים מחוץ לאטמוספירה ומעל פני הקרקע, אובחנו אפקטים דרמטיים של הפיצוץ הגרעיני, בייחוד כתוצאה מאירועים גרעיניים שהתרחשו מחוץ לאטמוספירה. ההפרעות המרשימות ביותר אובחנו בניסוי STARFISH באוגוסט 1962. הניסוי בוצע בגובה של 400 ק”מ מעל איי ג’ונסטון באוקיינוס השקט. ההשפעה של אפקט הדוא”מ אובחנה באיי הוואי המרוחקים כ-800 מייל מאיי ג’ונסטון (Ground Zero). בחלק מאיי הוואי ניזוקה תאורת הרחוב, מערכות אזעקה החלו לפעול, שערים חשמליים נפתחו ונסגרו ורשתות טלפוניה קרסו. חשוב לציין שמרבית הנזקים נרשמו בציוד המורכב מרכיבי המצב המוצק. מערכות מבוססות שפופרות ריק אובחנו כחסינות יחסית. כפי שנראה בהמשך, מערכות מודרניות המאופיינות בקצבים מהירים, רוחבי סרט גבוהים ורמות סף הרס אנרגטי נמוכות בסדרי גודל מאלה של שנות השישים פגיעות הרבה יותר.
מנגנון היווצרות דוא”מ עילי
ניתן לפוצץ מתקן גרעיני על ידי שיגורו של טיל או באמצעות לווין. הפיצוץ מלווה, בין השאר, בקרינה רבת עוצמה של קרני גמא ופוטונים המתפשטים ממוקד הפיצוץ באופן רדיאלי. שטף קרני הגמא המופנה לכיוון כדור הארץ מתפשט במהירות הקרובה למהירות האור עד שהקרניים באות באינטראקציה עם אטומי מולקולת האוויר בחלקה העליון של האטמוספירה. לפוטון הפוגע באטום יש מספיק אנרגיה להקפיץ אלקטרון מתוך מבנה האטום ולהשאיר אחריו אטום בעל מטען חיובי. תופעה זו ידועה בשם אפקט קומפטון. האלקטרונים החופשיים ממשיכים במסלולם ויוצרים “ענן” ענק בצורת U עד אשר הם באים באינטראקציה עם קווי השדה הגיאומגנטי של כדור הארץ. כתוצאה מכך, מקבלים האלקטרונים “ספין” של תנועה סיבובית המלווה כמובן בתאוצת האלקטרון כתוצאה מהפעלת הכוח המגנטי עליו. אלקטרון התאוצה מקרין שדה אלקטרומגנטי (מכסוול…). לכן כמות אדירה של מקורות קרינה פולטת שדה אלקטרומגנטי מוקרן על המקורות הנמצאים באותה פאזה ולכן רמת הקרינה מכל אלקטרון מתווספת ומוקרנת כלפי כדור הארץ בעוצמה רבה ותוך כיסוי שטח נרחב. איורים 3א’ ו-3ב’ מתארים את התופעה.
טווח כיסוי הקרינה תלוי בעוצמת הפצצה, בגובה הפיצוץ מעל כדור הארץ, בעוצמת קווי השדה הגיאומגנטי מעל אזור הפיצוץ ובהרכב הפצצה. איור 4 מדגים טווח דוא”מ בפיצוץ בגובה 480 ק”מ מעל נברסקה. ניתן להבחין גם בפילוג עוצמת הדוא”מ על פני השטח המוקרן.
איור 5 מתאר את טווח הכיסוי כתלות בגובה הפיצוץ עבור עוצמת פיצוץ של 2 מגטון מעל נברסקה (אזור בו השדה הגיאומגנטי חזק יחסית).
למעשה ניתן לחלק את השדה המוקרן לשלושה חלקים: E2, E1 ו-E3 כמתואר באיור 6. אנו נתייחס בהמשך ל-E1 המהווה את האיום המשמעותי ביותר.
איורים 7א’ ו-7ב’ מתארים את עוצמת הדוא”מ העילי כתלות בזמן. איור 7ג’ מתאר את הפילוג הספקטראלי (עוצמה כתלות בתדר) של שדה הדוא”מ.
איור 8 מתאר השוואה בין ספקטרום הדוא”מ לספקטרום הברק וקרינת HPM
() ניתן להבחין שהדוא”מ הינו בעל תכולת אנרגיה משמעותית בתדרים 10kHz – 100MHz, עובדה הגורמת לקליטה יעילה של ההפרעה מדוא”מ על מבנים מוליכים במימדים שונים.
אינטראקציה בין
דוא”מ לציוד אלקטרוני
איור 9 מתאר את תהליך האינטראקציה והשלכות אפקט דוא”מ על ציוד אלקטרוני. שדה בעוצמה של עשרות kV/m פוגע במוליכי המערכת ובתיבות המערכת. הכבלים החיצוניים (ממשקים חיצוניים) הינם אנטנות יעילות, כאשר נוגע בהם שדה פולסים משתנה בזמן הוא משרה בכבלים פולסים חשמליים של זרם ומתח. כמו כן, כאשר השדה נוגע במעטפות השונות של ציוד המערכת הוא משרה בתוכה טרנזיאנטים משמעותיים של הפרעות חשמליות מאחר שהוא חודר דרך מפתחים (אופטיים, איוורור וכו’).
טבלה 1 מתארת את רמות המתחים והזרמים המושרים בכבלי הזנת חשמל וכן באנטנות וידאו ותקשורת. הטרנזיאנטים המושרים בקווים ארוכים יהיו בעלי פולס מסוג אקספוננט כפול (DE) היינו, גל “דמוי משולש” כאשר החלקים העולים והיורדים שלו הינם בעלי צורה אקספוננציאלית. הטרנזיאנטים המושרים בקווים קצרים יחסית הינה בעלי סינוס מתרסן (DS).
איור 10 מתאר את טרנזיאנט הזרם עבור כבל ארוך (מספר ק”מ) הטמון באדמה כפונקציה של העומק בו נמצא הכבל.
עקרונות הגנה והקשחה כנגד דוא”מ (EMP HARDENING AND PROTECTION)
איור 11 מתאר את האמצעים האסטרטגיים – אקטיביים למניעת אירוע גרעיני בגובה רב. האמצעים כוללים טילים נגד טילים ליירוט טילי אויב בליסטיים, הפרעה אלקטרונית למכלולי האלקטרוניקה והניווט של הטיל, ועוד.
איור 12א’ מתאר מבנה הגנה מוקשח. אמצעי ההגנה כוללים:
א. סיכוך המבנה. אנו נתמקד במאמר זה באמצעים לסיכוך מבנה קיים.
ב. הגנות פתחים באמצעות גלבו מתחת לקטעון (W.B.C.)
ג. מדכאי ומסנני טרנזיאנטים על כבלים חיצוניים
קיימים מספר אמצעים לסיכוך מבנה קיים. אחד האמצעים שביצועיו שופרו בשנים האחרונות הוא יריעת בד מוליך.
בעיקרון, יריעות כאלה ניתן להצמיד אל קירות המבנה כולל רצפה ותקרה כאשר הממשק בין היריעות מתחבר באמצעות פרופילים מתכתיים במגע מתכתי אל היריעה המוליכה (ראה איור 12ב’). ניתן להצמיד ליריעה זו פאנלים מתכתיים שדרכם נכנסים או יוצאים הכבלים החיצוניים. על הפאנלים מרכיבים את אמצעי ההגנה שיפורטו להלן. אזורים קריטיים במבנה ניתן להפריד באמצעות קירות גבס שאליהם יחוברו הבדים המוליכים.
איור 12ג’ מתאר את רמות הניחות כפונקציה של התדר עבור מבנה מוגן דוא”מ. באמצעות בד מוליך ניתן להשיג ניחות מבנה (Architecture Shielding) של נוספים ניתן להשיג על ידי מיגון הציוד האזרחי בתוך המבנה ובייחוד את הציוד ברמה התעשייתית (Industrial Grade). ניחות זה יחשוף את הכרטיסים האלקטרוניים והחיווט הפנימי לרמה של 5v/m וזו רמה שציוד אופייני חסין כנגדה באופן אינהרנטי.
באיור 13 נראים פתחי אוורור בצורת גלבו מתחת לקטעון (W.B.C.). איור 13 מתאר את אופן ההתקנה של התקן כזה. W.B.C. מהווה מסנן גל מתחת לקטעון כלומר הוא מנחית את השדה האלקטרומגנטי ומאפשר זרימת אוויר דרכו. באיור 11 מצוינות ב-X כל נקודות הכניסה (Point of Entry – POE) של כבלים חיצוניים למבנה. על נקודות אלה יש להגן באמצעות סינון או מדכאי טרנזיאנטים או שילוב ביניהם.
בין מדכאי הטרנזיאנטים נזכיר את ההתקנים הבאים:
א. מרווחי ניצוץ (Spark Gaps)
ב. וריסטורים
ג. טרנסזורבים
ד. Silicon Avalanche Diode – SADS
ה. מסנני (Low Pass Filter) ו-Feed Through.
הגנות מהסוג הנ”ל (או שילוב שלהן) דומות להגנות מפני טרנזיאנטי ברק אלא שהן בעלות זמן תגובה מהיר יותר. כמובן, יש להקפיד שהתקני ההגנה לא יפגעו ב-TBD היעודי העובר בקווים.
איור 14 מתאר הגנות שונות בנקודות הכניסה למבנה (POE).
סיכום
מאמר זה נועד להגביר את המודעות לאפקט הדוא”מ. המאמר מציין את רמות האיום על הציוד האלקטרוני וכן את עקרונות וטכניקות ההקשחה השונים. להערכת המחבר, הגברת המודעות לנושא והבנה שהקשחה סבירה של תשתיות חיוניות יאפשרו התמודדות רציונאלית ומעשית עם האיום.
Mr. Eli Recht has 33 years of experience in defense E3 (Eelectromagnetic
Environmetal Effects)
projects. Between 1978 and 1983, he was EMC engineer in ELTA/IAI. He was involved in EMC design of RPV, electronic countermeasure, radar, military computers and communication systems. Much of the work was done for LAVI aircraft avionics.
Between 1983 and 1985, he was EMC engineer in TADIRAN communication system where he was involved in EMC and EMP design and validation of major tactical communication radio systems.
Between 1985 and 1988, he was EMC engineer in MBT/IAI space division where he was the EMC engineer of major space program in ISRAEL, from the conceptual phase to system integration and tests.
Since 1986 he is also independent EMC consultant in many commercial projects in communication medical electronics and military electronic, Head of EMC group in EL-OP LTD, Chief EMC engineer in laser range finders and designators, thermal imagers, space and observation systems, fire control systems and avionics.
Eli served 4 years as chief emc consultant for Israeli air force and for national infrastructure projects.
Mr. Eli Recht is a Member of the IEEE and the present Secretary of the Israeli IEEE EMC Chapter. He is the outer of many EMC papers and articles and speaker in many national and international conferences.eli is narte emc certified engineer.
