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核电磁脉冲

[拼音]:hedianci maichong

[外文]:nuclear electromagnetic pulse,NEMP

核武器爆炸时,产生一个强大的瞬变电磁场,并且像电磁波一样辐射到周围空间。这就是一般所说的核电磁脉冲,简称电磁脉冲。电磁脉冲是核爆炸瞬发γ射线与周围物质(主要是大气)发生作用产生的一种特殊辐射环境,有时称为环境电磁脉冲。由于爆炸的空间环境不同,产生的物理过程也有些差别,主要有三种机制:康普顿电流机制、电子与地磁场相互作用机制和地磁场的排斥机制。

康普顿电流机制

低空核爆炸时主要是康普顿电流机制。核爆炸产生极强的瞬时γ射线,在弹壳及空气中打出大量的电子(康普顿效应),这些电子称为康普顿电子,沿径向快速飞散,而将正离子留下,形成电荷分离,建立起突然增强的径向电场。康普顿电子在飞散过程中,从空气分子中打出大量的次级电子,使周围的空气电离。每一个初始能量约为 1兆电子伏的康普顿电子,在空气中沿着它的路径产生约30000个电子-离子对。这些次级电子被径向电场拉向爆炸中心,与正离子复合,阻止径向电场继续增大而趋向一个稳定值,称为饱和场。饱和场的强度可高达105伏/米的量级。由于周围大气的密度随高度而变化,以及核武器本身的结构不对称等原因,康普顿电流和电子回流不是球对称分布,其作用好像从爆心一个电偶极子辐射出极强的电磁脉冲。因此,从爆心向外,对于低空核爆炸,核电磁脉冲可大致分为三个区域:

(1)在爆心附近1~2公里内称为源区(半径随当量稍增大),在此区域内主要是径向场;

(2)数公里以外为辐射场区;

(3)源区和径向场之间为过渡区。径向场的初始阶段与γ通量成正比上升,随后偏离逐渐趋于饱和值。当γ源除去后,由于空气中正、负离子复合,电场又逐渐消失。但是,因离子复合速度较慢,电场下降也较慢(图1)。典型的源区径向场波形如图2a、b;辐射场电磁脉冲如图3。

地面核爆炸时,最主要的仍然是康普顿电流机制。地面的电导率远比空气中爆点附近的电导率大,这使得近地面的水平电场削弱,径向电场主要出现在与地面垂直的方向上。另外,地面的电子回流和空气中的康普顿电流形成电流环,激励出强大的方位磁场。整个电场和磁场的分布,相当于垂直地面的偶极子。因此,地面核爆炸也辐射出很强的电磁脉冲。

电子与地磁场相互作用机制

对于高空核爆炸产生的电磁脉冲,主要的是电子与地磁场相互作用机制。这时,核爆炸产生的γ射线被20~40公里高度的大气层所吸收,产生大量的康普顿电子流,分布在十分广阔的区域里。高空空气十分稀薄,康普顿电子射程与在20公里以下大气层的相比要大得多。在地磁场作用下,康普顿电子发生回旋运动,形成极强的环形电流。这时,就像磁偶极子向外辐射出很强的电磁脉冲,其横向分量较垂直分量大得多。

地磁场排斥机制

在核爆炸瞬间,中心区域是高度电离的物质。高温和高压使其快速膨胀,但由于外面的地磁场不能穿透到等离子体内,于是周围的地磁场受到压缩,产生磁流体力学波向外传播。这就是所说的地磁排斥机制。这种电磁脉冲信号的频率较低,出现时间较晚。但在高空核爆炸中由于空气稀薄,等离子体膨胀速度极快,影响范围大;而在地下核爆炸,地磁场又较密集。因此,这种机制产生的低频电磁脉冲在高空核爆炸和地下核爆炸中较之低空和地面核爆炸更为显著。

核电磁脉冲的性质

核电磁脉冲具有一系列特殊的性质,既不同于一般持续发射的电磁波,也不同于闪电的集中放电。核电磁脉冲的上升时间很陡(10-8秒),即频带很宽,几乎覆盖整个无线电频段;分布面很广,尤其在高空核爆炸时可直接作用到地球的很大一部分(数千公里范围)。雷击现象时,虽然电流较集中,但只发生在局部地区。核电磁脉冲的场强高达105伏/米量级,比一般雷达站和无线电台的辐射场强大得多。在近区,其波形与爆炸的性质及核反应过程有关。

除了核爆炸直接产生电磁脉冲辐射之外,核爆炸产生的辐射还严重破坏电离层的平衡,产生附加的电离区,使正常的电磁波传播发生衰减、折射和反射现象,造成无线电广播、通信的中断和雷达的盲区(见核爆炸电波传播效应)。

核电磁脉冲由于场强很高,分布面又广,受到人们极大的重视。在军事方面,由于现代化的武器装备越来越广泛地采用电子技术,特别是半导体器件和功能复杂的电子线路,极易遭受核电磁脉冲的干扰破坏甚至被烧毁。一些重要的民用设施,如广播、通信、反应堆、电站等的电气电子系统,都须解决对核电磁脉冲的防护和加固问题。在核试验中,各项测试项目也经常遭到电磁干扰,解决测试的电磁干扰也属于核电磁脉冲防护问题。

此外,对于远区核电磁脉冲传播和性质的研究,有助于利用核电磁脉冲作为一种侦察手段。在核试验中,也可以利用核电磁脉冲信号测量武器的某些核反应参数。

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文章名称:《核电磁脉冲》
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