home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 1 / HamRadio.cdr / tech / emp / emp.txt
Text File  |  1988-03-21  |  26KB  |  465 lines
  1.     ELECTRO MAGNETIC PULSES         
  2.     ------- -------- ------         
  3.                                     
  4. Imagine a very bright flash in the sky! No one is hurt. But, your transistor
  5. radio stops playing, your car won't start, the telephone doesn't ring,
  6. lights stay off, and we find ourselves  in the stone age!                      
  7.                                        
  8. THE developement of modern high-tech    semiconductor devices have paralleled
  9. unsettled relations between the nations of the world with resulting technol-
  10. ogical advances affecting the lives of  every citizen of North America.  Com-
  11. munications have been made faster, automobiles more fuel-efficient and
  12. maintenance-free, TV sets, video-tape   recorders, and virtually every other
  13. piece of electronics equipment have been improved by the advent of the
  14. semiconductor and its high-tech advancements.  The relationship between
  15. nuclear weapons and the recent electronics advances may seem unclear, but
  16. a nuclear attack on the North American continent could make that relationship
  17. glaringly apparent.                    
  18. ALL nuclear explosions produce electromagnetic pulses (EMP's) and the ensuing
  19. induced voltages and currents produced in conductors ( wires and cables ) are
  20. comparable in strength to the strongest of lightning bolts.  EMP's may reach 3
  21. million volts and 10,000 amperes for a total of 30-billion watts of energy.
  22.  The largest commercial radio stations in the U.S. and Canada radiate 50,000
  23. watts, or approximately one-millionth that much power!  The major difference
  24. between EMP's and lightning is that EMP's are induced simultaneously over
  25. an entire wide area, while lightning occurs at a single location.          
  26.                                        
  27.   Significance of the Problem          
  28.   ------------ -- --- -------         
  29.                                       
  30. THREE ten-megaton thermonuclear weapons detonated 250 miles ( 400 kilometers )
  31. above the United States or Canada would produce EMP's strong enough to knock
  32. out the entire electrical power grid of North America including the entire
  33. civilian-telephone network, and just about every broadcast station.
  34.  Virtually every piece of unprotected electronic equipment in the country
  35. -- radios, TV sets, computers, electronic controls in homes, office build-
  36. ings, factories, cars, airplanes, and instruments in hospitals -- would be
  37. damaged, if not destroyed.  The pulses would also damage or destroy large
  38. portions of the military command's control and communication (C3) system.
  39. A chain reaction could be set in motion at nuclear power plants, due to elec-
  40. tromagnetic pulses. Although it is a point that is frequently disputed, the
  41. possibility exists that reactor core meltdowns might occur as a result of
  42. EMP's.  The meltdowns would be a by-product of electronic control system
  43. failure.  The control systems are used to monitor and control the processes at
  44. the plants. The EMP's could cause the system to fail and result in partial or
  45. complete loss of control over vital functions, causing subsequent melt-
  46. downs.  We know that those nuclear plants are designed to be fail safe,
  47. but has anyone considered the possibility of every circuit breaker in a
  48. plant failing at the same instant?    
  49.                                        
  50.                                        
  51.   Characteristics of EMP's             
  52.   --------------- -- -----             
  53.                                       
  54. AT an altitude of 250 miles, the gamma rays produced in the first few nano-
  55. seconds ( billionths-of-a-second ) of a nuclear explosion can travel hundreds
  56. of kilometers before colliding with electrons in atmospheric molecules.
  57.  That kind of collision may take place in a region 2,000 miles in diameter and
  58. 6-miles thick.  Electrons are accelerated by those collisions, a phen-
  59. omenon referred to as the Compton effect; and upon reaching the earth's
  60. magnetic field, they set up electromagnetic pulses that radiate downward
  61. toward earth (Fig.1).  Due to the extremely large area of collision, vast
  62. amounts of ground area are exposed to electromagnetic fields with strengths
  63. up to 50,000-volts per meter.  The ground area exposed to electromagnetic
  64. pulses could cover the entire continental United States and most of
  65. Canada by one nuclear blast; if not, certainly large regions such as New
  66. England would be electrically and electronically devastated.             
  67.                                        
  68.                                        
  69. FIG. 1 -- Electrons set into motion by gamma rays from a nuclear explosion in
  70. space will produce enormous electromotive pulses (EMP's) when the negative
  71. charges enter the Earth's magnetic-field. It is estimated that the ideal
  72. height for such an explosion should be 250 miles above the Earth's surface.
  73.                                       
  74.                                      
  75. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  76. :                                     :
  77. :               O - Nuclear Explosion :
  78. :                                     :
  79. :             /  /                    :
  80. :            /  /   - Gamma Rays      :
  81. :   ---------------------------       :
  82. :  <  Earth's Magnetic Field   >      :
  83. :   ---------------------------       :
  84. :   *******   *******   *******       :
  85. :    *****     *****     *****        :
  86. :     ***  EMP  ***  EMP  ***         :
  87. :    *****     *****     *****        :
  88. :   *******   *******   *******       :
  89. : ===============================     :
  90. :            EARTH                    :
  91. :                                     :
  92. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  93.                                        
  94.                                        
  95.   Vulnerability                        
  96.   -------------                        
  97.                                        
  98. THE effects that electromagnetic pulses would have on a mass of circuitry are
  99. difficult to predict because the interactions are complex.  But, the more
  100. complex the components, the easier they are to damage.  Power lines are one
  101. avenue for EMP damage, and a company making a shielded tubing to go over
  102. power and signal carrying conductors obviously had EMP in mind when they
  103. invented their "Zippertubing". That covering acts as a partial shield
  104. to EMP's.                             
  105. FOR each component, damage would come from the internal pickup of the circuit
  106. itself, as well as surges fed to it by all other attached conductors (power
  107. lines, other circuits,and metal parts). ANOTHER concern is that generators and
  108. motors with their numerous internal windings of copper wire could be
  109. rendered useless in an EMP attack; and with subsequent inoperative water
  110. pumping stations, desert population-centers could persih.  In the dead of
  111. winter, motors in heating units would be destroyed and the chilling freeze in
  112. the northern portions of the North American continent would bring those
  113. areas to a standstill.  Food and fuel shipments would halt because fusible
  114. links and electronic ignitions would be destroyed in cars and trucks.  It's 
  115. difficult to conceive a family anywhere on the continent not suffering extreme
  116. hardships.                             
  117. THE more complex the electronics components, the more vulnerable they 
  118. are to electromagnetic pulses. Hardness describes the vulnerability of an
  119. electrical device and it is best for old-style vacuum tubes, less for semi-
  120. conductors, and even less for microcircuitry.  It would take 100 times 
  121. more EMP energy to damage the tubes than integrated circuits.  Computers
  122. may be upset through memory erasure with 100 times less energy than
  123. required to damage integrated circuits; refer to Fig. 3.  Aircraft in the air
  124. and parked on open surfaces would be disabled, because electronics controls
  125. the crafts' flight instruments and control surfaces.                      
  126.                                        
  127. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  128. :(-8)(-6)(-4)(-2) (1) (2) (4) (6) (8) :
  129. :::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::
  130. :                          ######     :
  131. :                                     :
  132. :         $$$$$$$$                    :
  133. :                                     :
  134. :      %%%%%%%                        :
  135. :                                     :
  136. :    &&&&&&&                          :
  137. :                                     :
  138. :::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::!:::
  139. :(-8)(-6)(-4)(-2) (1) (2) (4) (6) (8) :
  140. :( Powers of TEN)        <Fig. 3>     :
  141. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  142. :  RANGE OF THRESHOLD ENERGY, JOULES  :
  143. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  144. : # = Motors and Transformers         :
  145. : $ = Vacuum Tubes                    :
  146. : % = Low-Power Transistors           :
  147. : & = Integrated Circuits             :
  148. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  149.                                        
  150.                                        
  151.   Hardening Communications Equipment   
  152.   --------- -------------- ---------   
  153.                                        
  154. HARDENING of electronics communications equipment is vital to the military,
  155. and, to a lesser extent, the civilian populace.  The Department of Defense
  156. has established an Electromagnetic Compatibility Program (EMCP) to ensure
  157. that all military Communication-Electronic (CE) equipment subsystems, and
  158. systems are protected from electromagnetic interference of all kinds.
  159. That program was implemented to ensure that electromagnetic compatibility is
  160. maintained through design, acquistion, and operational phases. Numerous semi-
  161. conductor manufacturers now produce what are called "radiation-hardened"
  162. integrated circuits, just for that reason.                                
  163. THERE are three major design criteria which must be considered when hardening
  164. against EMP's.  They are cost, the equipment's ability to survive EMP, and
  165. failure rates of the shielding components.                               
  166. COST includes both installation and maintenance.  Some protection practices,
  167. such as shielding the entire communication site, may be attractive from a
  168. technical point of view, but are impractically expensive.               
  169. THE electronic equipment's ability to survive an EMP attack must be measured
  170. in order to determine how much EMP protection is needed.  A testing device
  171. for measuring the radiated electromagnetic susceptibility of an elect-
  172. ronic device is a Transverse Electromagnetic Mode (TEM) cell.  A TEM cell
  173. consists of a group of electronic instruments and a special specimen holder
  174. that simulates an environment of free space.  The TEM cell is used for per-
  175. forming electromagnetic interference/electromagnetic compatibility (EMI/EMC)
  176. measurements and evaluating protection devices.                               
  177.                                        
  178.   Shielding Methods                    
  179.   --------- -------                    
  180.                                        
  181. IN order to predict the effect of an electromagnetic pulse on electronic
  182. equipment, it is necessary to assess the enviroment.  The structures housing
  183. the electronic equipment are made in various shapes and sizes, and are con-
  184. nected to the outside world by conductors such as utility lines and pipes,
  185. communication lines, and access and ventilation structures.(Refer to fig.5)
  186. That combination of criteria makes the exact determination of the interaction
  187. of an EMP with such a variety of structures extremely difficult.  However,
  188. for complex systems, it is convenient to have several layers of shielding.
  189. (Refer to Fig. 6).
  190.                                        
  191.                                        
  192. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  193. :   EMP                  Lightning    :
  194. :  ////                   V V V       :
  195. :   ------------------------------    :
  196. :   !*            Building       !    :
  197. :P--+**                          !    :
  198. :   !*                           !    :
  199. :   !   EMP Penetration          !    :
  200. :   !                            !    :
  201. :   !                            !    :
  202. : +-+    *                       !    :
  203. : ! !   ***                      !    :
  204. : ! -----!------------------------    :
  205. : !      !                            :
  206. :=!======!==========================  :
  207. :Gnd     ! - Buried Cable             :
  208. :--------+                            :
  209. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  210. :  P = Power Lines        Fig. 5. --  :
  211. : -- A sealed metal box is an ideal   :
  212. : structure for eliminating EMP pen-  :
  213. : etration. However, power lines and  :
  214. : signal cables require entry ports   :
  215. : thus compromising the integrity of  :
  216. : a shielded building. Obviously, it  :
  217. : is apparent that doors and windows  :
  218. : would have a greater leakage effect.:
  219. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  220. :               Shield 1              :
  221. :         ********************        :
  222. :        *  Zone 1 (internal) *       :
  223. :       *    ==============    *      :
  224. :      *    =    Zone 2    =----*     :
  225. :      * g =   ##########   = g *     :
  226. :      * r =  ############  = r *     :
  227. :      * o =--###ZONE 3###  = o *     :
  228. :      * u =  ############--= u *     :
  229. :      * n =   ##########   = n *     :
  230. :      * d =   (cabinet-    = d *     :
  231. :       *---= environment) =   *      :
  232. :        *   ==============   *       :
  233. :         *   Shield 2       *        :
  234. :          ******************         :
  235. :    !------!                         :
  236. :    !                                :
  237. :    !        Zone 0 (External-       :
  238. :    !                Environment)    :
  239. :----!--------------------------------:
  240. :    =     EARTH                      :
  241. :                                     :
  242. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  243. : Fig. 6 -- More than one shield can  :
  244. : be used to secure the environment of:
  245. : the machinery and electronic mat-   :
  246. : erial contained within a building.  :
  247. : The building can provide the initial:
  248. : shield. Shielded rooms or metal cab-:
  249. : inets may provide a second shield.  :
  250. : A third shield (not diagrammed)     :
  251. : would protect entry cables from     :
  252. : violating the shielded area of      :
  253. : zone 3.                             :
  254. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  255.                                        
  256.                                        
  257.                                        
  258.   Shield 1                             
  259.   ------ -                             
  260.                                        
  261. A structure composed of a great deal of metal is well shielded against electro-
  262. magnetic pulses, while a building made primarily of wood is virtually un-
  263. shielded against EMP's.  Continuous, closed sheet-metal shields are, by far,
  264. the most effective electromagnetic shields.  It is imperative that the in-
  265. ternal environment of zone 1 be connected to the outside world.  That fact
  266. makes a closed sheet-metal shield impossible.  Aperatures in shield 1
  267. create a special problem in protecting communication sites from EMP penetra-
  268. tion.                                  
  269. THE electromagnetic field penetration depends on the aperature size.  If a
  270. given area of wall opening is subdivided into ten small openings having
  271. the same total area, the penetrating EMP fields at an interior point will be
  272. 1/SQR(10) as large as for a single large opening of the same total area.
  273. (Refer to Fig. 7).                     
  274. Therefore, it is better for a structure to have more small openings than
  275. just a few larger openings.            
  276. A common treatment for such openings is to cover them with a conducting
  277. screen or mesh so that the large opening is converted to a multitude of
  278. small openings, or use a glass impregnated with metal.  That glass, despite
  279. having metal in it, offers approximately the same degree of visual att-
  280. enuation or lack of clarity as looking through a screen door from within the
  281. house.                                 
  282.                                        
  283. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  284. :        !!           !!              :
  285. : ###### !!  ######## !!              :
  286. :      # !!         # !!              :
  287. : EMP *==!!         # !!              :
  288. :      # !!         # !!              :
  289. :      # !!    E   *==!!              :
  290. : EMP *==!!    M  **==!!              :
  291. :      # !!    P  **==!!              :
  292. :      # !!        *==!!              :
  293. : EMP *==!!         # !!              :
  294. :      # !!         # !!              :
  295. :      # !!         # !!              :
  296. : EMP *==!!         # !!              :
  297. :      # !!         # !!              :
  298. :      #            #                 :
  299. : ######     ########                 :
  300. :    Shield       Shield              :
  301. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  302. : Fig. 7 -- The electromagnetic field :
  303. : penetration into a ported shield is :
  304. : minimized by reducing the size of   :
  305. : the openings. In the diagram the    :
  306. : open area of the port of the example:
  307. : on the right is equal to the sum of :
  308. : the areas in the example at left.   :
  309. : The diagram clearly shows that the  :
  310. : penetration of an EMP is less when  :
  311. : equal areas are summed from several :
  312. : small ports.                        :
  313. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  314.                                        
  315.                                        
  316.                                        
  317.   Shields 2 and 3                      
  318.   ------- - --- -                      
  319.                                        
  320. THE second-level shield seperates the internal environment from the sensitive
  321. small-signal circuits within the electronic equipment found within Zone 2.
  322. Shielding here may be accomplished by electrically grounding the metal cabin-
  323. ets and equipment.                     
  324. SHIELD 3 involves the shielding of the interconnection of the equipment.  That
  325. could involve elaborate design of interconnecting signal transmission lines.
  326.  Fiberoptic signal transmission shows great promise here because it is
  327. not effected by any type of electromagnetic interference.                    
  328.                                        
  329.   Hardening Aircraft and Missles       
  330.   --------- -------- --- -------       
  331.                                        
  332. GENERALLY, the EMP interaction with electrical systems inside structures such
  333. as aircraft and missles depends upon a multitude of factors.  Aircraft and
  334. missles usually have a nearly complete metallic exterior covering that serves
  335. as a shield from electromagnetic fields.  However, that shield alone is
  336. not enough protection against electromagnetic pulses.                       
  337. Missles and Aircraft are equipped with computers that cannot be upset even for
  338. an instant.  They must be partically well hardened.                  
  339. AT the present time, there is no agreement on the most effective ways to
  340. harden aircraft and missles.  Heavy shielding, like the type used at com-
  341. munication sites, is obviously impractical because of the added weight that
  342. the aircraft has to carry.  Instead, EMP resistance is designed into the
  343. aircraft's equipment.  One example of that would be in the area of circuit
  344. design.  Small loops make better antennas for EMP's than short straight
  345. lines; therefore, circuits are designed in tree or branching layouts rather
  346. than in more conventional circuit loops.
  347.                                        
  348.                                        
  349.   Is Shielding Help on the Way?        
  350.   -- --------- ---- -- --- ----        
  351.                                        
  352. IN the last decade, electronic devices have proliferated in all areas of our
  353. lives.  That influx of products has caused a problem: Noise Pollution, or
  354. EMI/RFI ( electromagnetic/radio frequency interference).  Over 80,000 cases
  355. of noise pollution were reported to the FCC (Federal Communications Commission)
  356. in 1982.                                
  357. STRANGE as it may sound, the plastics industry is coming to the rescue with
  358. plastic electronic-equipment enclosures specifically designed for both EMI con-
  359. tainment and shielding.  Obviously, with EMP's as an external disturbance, the 
  360. containment of a field is academic, but the shielding from an outside field is
  361. crucial.  The parameter describing that is Shielding Effectiveness (SE) and the
  362. equation for shielding effectiveness is 
  363.                                        
  364.           SE = A + R,                   
  365.                                         
  366. or shielding effectiveness equals Absorbed plus Reflected energy.           
  367. HIGHLY conductive materials such as pure metal shields reflect approximately 99
  368. percent of the energy and adsorb 1 percent.  But plastics with metallic comp-
  369. osite fillers, metallic paints and sprays, or even impregnated wire meshes
  370. still reflect 80 percent of the energy and absorb 20 percent.  If EMP's and the
  371. disturbing effects of electromagnetic fields still seem like an abstraction or
  372. a physicist's dream, consider that event. 
  373.                                         
  374. A manufacturer of buses designed for city use had just delivered a fleet when, 
  375. during a test drive, a problem was discovered.  After going over the top of a
  376. hill, the driver tried to brake, only to discover he had no brakes until he got
  377. to the bottom of the hill.  Upon logical investigation of that problem, field-
  378. strength meters demonstrated that a local television station had a lobe-shaped
  379. radiation pattern that intersected the hill's apex.  The microprocessor-
  380. controlled anti-skid braking system on the bus had sensitive circuitry that
  381. became inoperative because of the TV signal.  The bus, though, was made safe
  382. by properly shielding the enclosure housing the electronics.  Graphite,
  383. a moderately good conductor, is fabricated within large plastic sheets
  384. for applications such as that. 
  385. IF a signal as small as that can effect circuitry that drastically, you can
  386. imagine what an EMP could do and likewise you can see how crucial EMI
  387. shielding is.  But will EMI shielding be universally implemented into new
  388. equipment?                           
  389.                                       
  390.                                      
  391.   The Military's Involvement        
  392.   --- ---------- -----------          
  393.                                      
  394. THE military is very concerned with EMP's. The Army has established its
  395. Aurora Tree test facility in Aldelphi, Maryland.  The Navy has the Casino and
  396. Gamble-2 x-ray emitting facilities, but the Air Force probably has the most
  397. interesting project of all.  It is the Trestle, after the railroad structure
  398. it resembles.                          
  399. THAT 12-story (118 feet) high, 58-meter (200-foot) square deck is flanked by a 
  400. 50-foot wide adjoining ramp upon which aircraft to be tested are rolled up.
  401.  The Trestle can support aircraft weighing 550,000 pounds and is built
  402. with one-foot by one-foot wooden columns using no nails or metal of any
  403. kind.  That largest glue-laminated structure in the world uses 250,000
  404. wooden bolts to hold its six-million board feet of lumber together ---
  405. enough for 4,000 frame houses.  The structure at Kirtland Air Force Base,
  406. New Mexico cost approximately 58-million dollars.                 
  407. THE Trestle has two 5-million volt pulsers that discharge energy into
  408. wire transmission lines surrounding the aircraft under test.  Sensors
  409. capture aircraft response signals and fiber-optic channels transmit
  410. that sensor data to computers for processing.  The processing equip-
  411. ment, though, naturally resides inside a very well shielded structure.
  412. The B-52G's OAS (Offensive Avionics System) is one of numerous studies
  413. directed primarily at testing the electronic hardening of military
  414. systems.  
  415.                                        
  416.                                    
  417.   The Future                       
  418.   --- ------                        
  419.                                    
  420. THE effects of EMP on our lives is becoming known to many on the North
  421. American continent as it is being discovered by all the citizens of
  422. the free world.  Its political implications are not the topic here,
  423. but rather the facts in this article reveal to what EMP is and what it
  424. can do to the technological devices we rely on every minute of the day.
  425. The next time a solar flare disrupts radio communications around the world
  426. for a few hours, or maybe a few days, recall that man with one nuclear
  427. device can outshine the damage old Sol creates by many fold.            
  428.                                      
  429.                                      
  430.                                      
  431.                                      
  432.   GLOSSARY OF TERMS                 
  433.   -----------------                 
  434.                                    
  435. ElectroMagnetic Pulse (EMP):  An electromagnetic field of high
  436. intensity and short duration that may be caused by a nuclear
  437. explosion.                         
  438.           -----------------------------------
  439. Electromagnetic Field:   A magnetic field produced by elect-
  440. ricity (the flow of current in a wire or electrons through a medium
  441. such as a vacuum). It is usually expressed in volts per meter.      
  442.           -----------------------------------
  443. ElectroMagnetic Compatibility (EMC): The ability of an electronic device
  444. to deal with electromagnetic interference and function properly.     
  445.           -----------------------------------
  446. ElectroMagnetic Interference (EMI): Any adverse effect on electronic
  447. equipment due to an electromagnetic field.                             
  448.           -----------------------------------
  449. Shielding or Hardening:  A method used to protect electronic devices
  450. from EMP interruption or damage.
  451.           -----------------------------------
  452.                                    
  453.                                    
  454.                                    
  455.  Written: Art Reichert / March 21, 1988
  456.                                    
  457.                                    
  458.                                     
  459.                                    
  460.                                   
  461.                                   
  462.                                 
  463.  
  464.