مقاله معرفی روش های حفاظت از ساختمان ها و تجهیزات الکترونیکی در مقابل تهدیدات EMP

بخشی از مقاله

معرفي روش هاي حفاظت از ساختمان ها و تجهيزات الکترونيکي در مقابل تهديدات EMP

چکيده
مقاله حاضر به بررسي تهديدات EMP در برابر ساختمان ها و تجهيزات الکترونيکي پرداخته است و راهکارهاي محافظت در مقابل اين تهديدات نوين را تشريح مي نمايد. در ابتدا به معرفي انواع بمب هاي الکترومغناطيسي و طرز کار آن ها پرداخته و نفوذ پذيري امواج الکترومغناطيس در ساختمان ها و تجهيزات الکترونيکي و روش هاي محافظت در برابر آن ها را مورد بحث قرار مي دهد. از جمله اين روش ها اصل جداسازي زيرسامانه ها (Segregation)، فيلترهاي EMI و اجراي قفس فارادي که شامل زمين کردن (Grounding)، پوشش کردن (shielding) و يکپارچگي اتصالات (bonding) است ، ميباشد. با توجه به ميزان اهميت ساختمان و تجهيزات الکترونيکي ميتوان بخشي از آن و يا همه آن را مورد حفاظت قرار داد.
کلمات کليدي: تهديدات EMP، بمب هاي الکترومغناطيسي ، فيلترهاي EMI، قفس فارادي
1

١. مقدمه
در دوراني که بافت و ساخت تمامي جوامع تا حدود بسيار زيادي به دستاوردهاي علمي از نوع الکترونيکي وابسته است و همه امور از تجهيزات بيمارستان ها تا شبکه هاي مخابراتي و از رايانه هاي بانک ها و مؤسسات بزرگ مالي يا نظامي تا دستگاه هاي نظارت و مراقبت ، نحوه کار ماشين ها و ادوات صنعتي همگي متکي به ساختارهاي الکترونيک هستند، کاربرد بمب هاي الکترومغناطيسي ميتواند سبب فلج شدن روند زندگي در مناطق بزرگ مسکوني شود. انفجار يک ميدان مغناطيسي بسيار نيرومند ميتواند در کسري از ثانيه آن چنان قدرت الکتريکي بالايي را در کليه مواد هادي پيرامون خود القا
2

نمايد، که به راستي تمام آن ها را مختل نموده و از کار بياندازد. با توليد پالس هاي الکترومغناطيسي با عرض کوتاه (انرژي کم ) و توان گذراي بسيار زياد و ارسال اين پالس ها به سمت تجهيزات الکترونيکي و مخابراتي خطر تخريب اين تجهيزات به صورت موقت و يا دائمي ممکن شده است . البته وقوع اين خطر در شرايطي ممکن است که تجهيزات خودي در مقابل
١
اين ميدان هاي گذراي پر قدرت محافظت نشده باشند. ولي چنانچه اصول صحيح مراقبت در برابر حملات EMP در تجهيزات رعايت شده باشد، اين خطر تا حد زيادي برطرف مي شود.
٢. معرفي بمب هاي الکترومغناطيسي
بمب هاي الکترومغناطيسي بمب هايي هستند که براي تخريب هدف ، از يک پالس شديد الکترومغناطيس بهره مي برند. در واقع بمب الکترومغناطيسي چيزي نيست جز يک شار مغناطيسي بسيار نيرومند که با گسيل امواجي با فرکانس هاي بالاتر از ده گيگاهرتز موسوم به امواج مايکروويو پرقدرت ، ميتواند هرگونه دستگاه هاي الکتريکي يا الکترونيکي واقع در محدوده عمل خود را در يک باند فوق گسترده فلج نمايد. همان گونه که در شکل (١) نشان داده شده است هسته اصلي بمب هاي الکترومغناطيسي تابش ناگهاني پالسي است با دامنه زياد و محدوده فرکانسي وسيع که در زماني محدود رخ ميدهد. طرز عمل اين پالس شبيه صاعقه است ولي به مراتب سريعتر، قويتر و کوتاه تر از آن عمل مي نمايد[١].
شکل (١) پالس EMP در حوزه زمان و فرکانس




بمب هاي الکترومغناطيسي از يک منبع تغذيه جهت تامين انرژي لازم براي توليد ميدان الکترومغناطيسي بسيار قوي استفاده مي کنند. به طوري که اين ميدان قادر است چندين هزار ولت برق را به تجهيزات و مدارات داخلي اهداف مورد نظر القا کند و بدين وسيله موجب تخريب آن ها شود.
٣. انواع بمب هاي الکترومغناطيسي و طرز کار آن ها
در ديدگاه کلي بمب هاي الکترومغناطيسي به دو دسته هسته اي و غير هسته اي تقسيم بندي ميشوند. چندين راه مختلف براي توليد پالس هاي الکترومغناطيسي وجود دارد که يکي از اين روش ها، انفجاري است که از طريق سلاح هاي هسته اي رخ ميدهد و بر اساس پديده کامپتون ميباشد. هنگاميکه سلاح هسته اي منفجر ميشود انرژي قوي الکترومغناطيسي آزاد ميشود و در حين برهم کنشهايي با اتم هاي موجود در اتمسفر زمين ، آن ها را يونيزه مي کند. سپس الکترونهاي ناشي از اين پديده يونيزاسيون توسط ميدان مغناطيسي قوي زمين گرفتار ميشوند، بنابراين جريان الکتريکي نوساني ايجاد ميگردد که باعث تشکيل ميدان مغناطيسي و در نتيجه پالس هاي الکترومغناطيسي ميشود. فناوري اساسي که توليد پالس هاي الکترومغناطيسي در سلاح ها توسط آن ها صورت ميگيرد، غالبا عبارتند از: مولدهاي فشرده سازي شار FCG , ژنراتورهاي
magnet-Hydrodynamic و دسته اي از وسايل پر قدرت مايکروويو HPM٢ که در راس آن ها نوسان ساز با کاتد مجازي يا ويرکتور٣ قرار دارد[٢].
٣-١. ژنراتورهاي فشرده سازي شار مغناطيسي(FCG)
رايج ترين روش براي توليد بمب هاي الکترومغناطيسي استفاده از ژنراتورهاي فشرده سازي (FCG) ميباشد. . اين سلاح در واقع سيستمي براي تبديل انرژي شيميايي به انرژي الکترومغناطيسي را در خود دارد که در شکل ٢ مراحل انفجار يک بمب الکترومغناطيس از نوع FCG را به ترتيب نشان داده است . FCG وسيله اي است که قادر به توليد انرژي الکتريکي در حد ده ها مگاژول در زماني حدود چند ده تا چند صد ميکروثانيه ميباشد که ميتواند توان بيشينه اي در محدوده چند تراوات تا ده ها تراوات داشته باشد. جريان هايي که توسط يک FCG ممکن است توليد شود، ميتواند تا هزاران برابر اثرات انرژي صاعقه هاي عادي باشد[١] .
شکل (٢) مراحل انفجار يک FCG

٣-٢. مولدهاي هيدروديناميکي مغناطيسي يا مگنتو هيدروديناميک (MHD)
اصول کلي ژنراتورهاي MHD بر اين اساس است که جريان گاز پلاسما از ميان ميدان مغناطيسي قوي عبور داده مي شود و يون هاي مثبت و منفي بر روي الکترود که در بالا و پايين جريان گاز پلاسما قرار دارند، تجمع مي نمايند و در حقيقت يک ژنراتور جريان مستقيم را بوجود ميآورند، قدرت الکتريکي اين ژنراتور جريان مستقيم را با اينورترهاي الکترونيک قدرت ، بصورت برق جريان متناوب ، مناسب با شبکه در مي آورند[٢].
٣-٣. منابع مايکروويو نيرومند(HPM)
اين سلاح ها به نام هاي RF و سلاح هاي پهناي باند وسيع (UWB) نيز معروف ميباشند. باند فرکانسي MHZ١٠ تا
GHZ١٠٠ و توان بالاي MW١٠٠ تا GW١٠٠ از ويژگيهاي آن ها محسوب ميشود[٢] .
٤. نفوذ پذيري امواج الکترومغناطيس در ساختمان
تجهيزاتي که پالس هاي الکترومغناطيسي آن ها را تهديد ميکنند، به ترتيب اولويت شامل : سيسيتم کنترل و مانيتورينگ تجهيزات مخابراتي ، سيستم ابزار دقيق ، تابلوهاي کنترل در واحدهاي صنعتي و کليه تجهيزات الکترونيکي در واحدهاي اداري و خانگي هستند. نفوذ پالس به اين تجهيزات ميتواند از طريق بدنه يا ديوار، آنتن ها، روزنه يا شکاف و کابل ورودي .خروجي ساختمان باشد. نفوذ کلي پالس الکترومغناطيسي به ساختمان در شکل (٣) نشان داده شده است . راه هاي نفوذ پالس الکترومغناطيس در مدل ارائه شده عبارتند از: ديوار، درب ، پنجره ، کانال هاي تهويه ، آنتن ، زمين و کابل ها[٣].
شکل (٣) نفوذ کلي پالس الکترومغناطيسي به ساختمان

5

٥. مکانيزم هاي مختلف تزويج امواج الکترومغناطيسي به سيستم هاي الکترونيکي
براي تحليل اين که يک ميدان مغناطيسي گذراي پر قدرت چگونه روي سيستم ها اثرگذار مي باشد بايد پاسخ سيستم ها و مدارات سيستم را نسبت به تابش امواج خارجي بدانيم . رابطه ساختاري بين عوامل خارجي و اثرات داخلي اغلب تابع انتقال ناميده مي شود. تابش ميدان خارجي با سه روش مختلف به تجهيزات الکترونيکي وارد ميشود.
٥-١. انتشار از روي پوشش
ميدان هاي حاصل از EMP از ديواره هاي هادي غير ايده آل قفسه هاي پوشش به دليل اثر پوستي عبور مي کند. دليل اين مساله دامنه بسيار بالاي اين ميدان ها و قدرت نفوذ آن ها خصوصا در فرکانس هاي پايين ميباشد که معمولا حين ساخت قفسه ها وقوع چنين دامنه هايي پيش بيني نشده اند. عبور سيگنال از ديواره هاي قفسه پوشش معمولا يک پديده پايين گذر به حساب ميآيد چرا که با افزايش فرکانس عمق پوستي کم ميشود و عبور سيگنال هاي مختلف از پوشش کاهش مييابد.
بنابراين انتشار از روي پوشش بيشتر شامل ميدان هاي مغناطيسي فرکانس پايين ميباشد[٤].
٥-٢. انتشار از طريق روزنه ها
هر پوششي ناچار داراي درها، پنجره ها، حفره ها، درزها و... ميباشد که ميتواند منشا ورود ميدان هاي EMP به داخل پوشش گردد. با توجه به اين که معمولا قفسه هاي پوشش براي محدوده فرکانسي خاصي طراحي مي شوند، نشت از روزنه در فرکانس هاي خارج از محدوده فرکانسي طراحي شده ، بسيار زياد ميباشد . از طرفي چون حملات EMP باند پهن محدوده وسيعي از فرکانس را آلوده ميکند لذا بايد در مورد روزنه ها براي حفاظت در برابر حملات EMP تجديد نظر کرد[٤].
٥-٣. انتشار از طريق آنتن هاي ارادي و غير ارادي
چون اساسا آنتن ها محل ورود انرژي الکترومغناطيسي به سيستم هستند نمي توانيم آن ها را با قفسه ها پوشش دهيم و برعکس علاقمنديم که آن ها کاملا در معرض دريافت امواج قرار بگيرند . براي حفاظت آنتن هاي ارادي در برابر امواج با دامنه بسيار بزرگ از محدودکنندهاي ولتاژ و متوقف کنندها استفاده ميشود. اين ابزارها در واقع مقاومت هاي متغير با ولتاژي
6

هستند که در حالت عادي امپدانس بسيار بالايي دارند و در صورت بالارفتن دامنه سيگنال ورودي اتصال کوتاه ميشوند و هنگامي که به صورت موازي با تجهيزات بعد از آنتن قرار بگيرند در صورت مواجهه با حمله EMP به سرعت انرژيهاي وارد شده به آنتن را به زمين منتقل مي کنند و از ورود آن ها به تجهيزات جلوگيري مي کنند. از اين ادوات ميتوان ديودهاي پين , لامپ هاي تخليه گازي و محدودکننده پلاسما و... را نام برد . نسل جديد اين ابزارها که مصالحه اي بين سرعت و توان برقرار کرده است ، محدود کننده هاي پلاسما مي باشند[٤].
آنتن هاي غير ارادي گسترده وسيعي دارند و برخلاف آنتن هاي ارادي ناشناس ميباشند و مقابله با آن ها انرژي و دقت بيشتري را طلب مي کند. آنتن هاي غير ارادي شامل : لوله ها، خطوط توزيع توان ، کابل هاي اطلاعات و کلا تمام هدايت کننده هاي الکتريکي ميباشند که اگر به داخل قفسه پوشش وارد شوند، ميتوانند انرژي الکترومغناطيسي قابل توجهي را با خود همراه کرده و به داخل قفسه پوشش ببرند [٥].
٥-٤. انتشار ازطريق کابل ها
اغلب کابل ها مهم ترين عامل انتشار امواج مزاحم به داخل بسته بنديهاي حفاظتي ميباشند. بهترين راه براي اجتناب از انتشار هدايتي توسط کابل ها استفاده از تکنيک هايي نظير: مبدل هاي ايزولاسيون ، فيبرهاي نوري، ارتباطات بيسيم ، ارتباطات مادون قرمز و ... ميباشد.
٦. حفاظت از تجهيزات در برابرEMP
با توجه به انواع مختلف EMP براي حفاظت يک سيستم بزرگ که پر از المان هاي حساس به EMP مي باشد ابتدا بايد تمام المان هايي که ممکن است به EMP حساس باشند شناسايي شوند. اين المان ها شامل : سيستم هاي توليد و توزيع توان ، سيستم هاي پردازش و انتقال داده ، سيستم هاي فرستنده وگيرنده و حتي سيستم هايي نظير تاسيسات ساختماني که جهت بهينه سازي فعاليت نيروي انساني برقرار شده اند.
٦-١. اصل جداسازي زير سامانه ها