1、電磁環(huán)境與電磁干擾主講人 徐曉英 教授緒 論 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣及電子設(shè)備的數(shù)量、種類(lèi)不斷增加，空間電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜。一方面在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下，如何減少相互間的電磁干擾，使各種設(shè)備不受干擾的影響而相容地正常工作，另一方面，惡劣的電磁環(huán)境對(duì)人類(lèi)及生態(tài)產(chǎn)生如何的不良影響等等，都是迫切需要研究的課題。 電磁環(huán)境、效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外所稱(chēng)的EMC的一個(gè)重要組成部分。EMC是Electromagnetic Compatibility的縮寫(xiě)，譯成電磁兼容性。現(xiàn)在世界各國(guó)對(duì)EMC技術(shù)十分重視，特別是將電子電路的抗干擾作為一個(gè)重要課題進(jìn)行研究，并且還成立了國(guó)際性機(jī)構(gòu)，以便交流各國(guó)研究成

2、果和制定統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于EMC，國(guó)外文獻(xiàn)曾給出了通俗的說(shuō)明：“這種技術(shù)的目的在于，使一個(gè)電氣裝置或系統(tǒng)既不受電磁環(huán)境的影響，又不給環(huán)境以這種影響。它不會(huì)因電磁環(huán)境導(dǎo)致性能變差或產(chǎn)生誤動(dòng)作，而完全可以按院設(shè)計(jì)的能力可靠的工作。”，可見(jiàn)，EMC技術(shù)對(duì)于電氣裝置和系統(tǒng)，特別是對(duì)電子電路構(gòu)成的裝置和系統(tǒng)的可靠性等有著十分密切的關(guān)系。緒 論電磁環(huán)境是指存在于給定空間所有電磁現(xiàn)象的總和。包括自然環(huán)境因素和人為環(huán)境因素。自然環(huán)境因素有雷電、靜電形成的電磁輻射和太陽(yáng)、星際的電磁輻射以及地球磁場(chǎng)和大氣中的電磁場(chǎng)等；人為環(huán)境因素包括各種人為電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射。 緒 論自然環(huán)境因素一般電磁環(huán)境構(gòu)成因

3、素人為環(huán)境因素 雷電電磁輻射源。 靜電電磁輻射源。 太陽(yáng)系和星際電磁輻射源。 地球和大氣層電磁場(chǎng)等。 各種電磁發(fā)射系統(tǒng)： 電視、廣播發(fā)射臺(tái)，無(wú)線電臺(tái)、站，導(dǎo)航系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，差轉(zhuǎn)臺(tái)，干擾臺(tái)，微波接力站等。 工頻電磁輻射系統(tǒng)： 高電壓送、變電系統(tǒng)，大電流工頻設(shè)備，輕軌和干線電氣化鐵道等。 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療、商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的有電磁輻射的各種設(shè)備或系統(tǒng)。 以電火花點(diǎn)燃內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的各種交通工具和機(jī)器設(shè)備。 各種家用電器、現(xiàn)代化辦公設(shè)備、電動(dòng)工具等。 用于軍事目的的強(qiáng)電磁脈沖源： 核電磁脈沖及非核電磁脈沖源如電磁脈沖武器、高功率微波彈和各種電子對(duì)抗輻射源等構(gòu)成電磁環(huán)境的各種因素緒 論 電磁干擾引起信息系

4、統(tǒng)、電子設(shè)備工作失常的各種電磁效應(yīng)。 電磁干擾從甚低頻幾GHz波段，無(wú)孔不入地輻射或傳導(dǎo)至運(yùn)行中的電子設(shè)備或系統(tǒng)以及周?chē)沫h(huán)境。（常說(shuō)的射頻干擾Radio Frequency Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)RFI，是指無(wú)線電范圍的的干擾）。 電子信息系統(tǒng)及設(shè)備不可避免的在電磁環(huán)境（EME）中工作，因此必須解決其在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。緒 論靜電（ESD）電磁脈沖源及其效應(yīng)1雷電電磁脈沖源及其效應(yīng)2核電電磁脈沖源及其效應(yīng)3電磁脈沖武器及其效應(yīng) 4內(nèi) 容一、靜電（ESD)電磁脈沖源及其效應(yīng)靜電放電 指帶電體周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)超過(guò)周?chē)^緣介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，因介質(zhì)產(chǎn)生電離而使帶電體上的電荷部分或全部消失的現(xiàn)象

5、。 在大多數(shù)情況下，靜電起電與放電是同時(shí)發(fā)生的，而且靜電起電-放電是一個(gè)隨機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在這過(guò)程中，不僅有靜電能量的傳導(dǎo)輸出，而且有電磁脈沖場(chǎng)的輻射。靜電帶電 物體的靜電帶電，又稱(chēng)靜電起電，它是由于處于不同帶電序列位置的物質(zhì)之間接觸分離（摩擦）使物體上正負(fù)電荷失去平衡而發(fā)生的靜電現(xiàn)象。靜電放電的特點(diǎn) 靜電放電的類(lèi)型靜電放電模型靜電放電模擬器 靜電放電產(chǎn)生的輻射場(chǎng) 靜電放電和靜電放電模型靜電放電的特點(diǎn) 靜電放電（ESD）是指帶電體周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)超過(guò)周?chē)橘|(zhì)的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，因介質(zhì)電離而使帶電體上的靜電荷部分或全部消失的現(xiàn)象。靜電放電是高電位，強(qiáng)電場(chǎng)，瞬時(shí)大電流的過(guò)程。 靜電放電會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射形

6、成電磁脈沖（EMP）。靜電放電電流波形靜電放電類(lèi)型電暈放電火花放電刷形放電 沿面放電 這種分類(lèi)方法主要是以發(fā)聲、發(fā)光及放電通道的形狀來(lái)區(qū)分的。電暈放電（corona discharge) An electrical discharge characterized by a corona and occurring when one of two electrodes in a gas has a shape causing the electric field at its surface to be significantly greater than that between the el

7、ectrodes. 電暈放電以電暈為特點(diǎn)的一種放電，當(dāng)某氣體中的兩個(gè)電極中有一個(gè)的形狀導(dǎo)致其表面的電場(chǎng)明顯大于兩個(gè)電極之間電場(chǎng)的時(shí)候所發(fā)生放電現(xiàn)象。靜電放電類(lèi)型電暈放電（corona discharge)電暈放電是發(fā)生在極不均勻的電場(chǎng)中，空氣被局部電離的一種放電形式。這種放電有時(shí)被稱(chēng)為尖端放電。 形成電暈放電的最基本標(biāo)志并不是出現(xiàn)電暈，而是放電電流由飽和電流10-14 A突然增加到10-6A左右。引發(fā)電暈放電的機(jī)制，閾值電壓及放電產(chǎn)生的電暈的形態(tài)都與放電尖端的極性密切相關(guān)。根據(jù)放電尖端的極性不同，電暈放電被分為正電暈和負(fù)電暈兩種。 靜電放電類(lèi)型當(dāng)放電尖端為陰極時(shí)，產(chǎn)生的電暈放電被稱(chēng)為負(fù)電暈，形

8、成負(fù)電暈的機(jī)制為湯遜(Townsend)機(jī)制，即產(chǎn)生二次電子崩的次極電子是由正離子碰撞陰極表面引起陰極的電子發(fā)射而產(chǎn)生的。而當(dāng)放電尖端為陽(yáng)極時(shí)，產(chǎn)生的電暈放電被稱(chēng)為正電暈。陰極處的場(chǎng)強(qiáng)很弱，流向陰極的正離子難以從場(chǎng)中獲取足夠的能量引起陰極的二次電子發(fā)射，此時(shí)在尖端處維持放電過(guò)程的二次電子主要是由其附近的中性分子和原子的光電離而提供的。從電暈放電產(chǎn)生的電暈的形狀來(lái)看，負(fù)電暈是包圍著放電尖端的均勻光暈圈，而正電暈則呈現(xiàn)出非均勻的絲狀。一般來(lái)講，正電暈的起暈電壓要比負(fù)電暈的起暈電壓高。靜電放電類(lèi)型電暈放電（corona discharge)“特里切爾”脈沖在一定的條件下，雖然引發(fā)電暈放電的電壓是恒定

9、的，但電暈放電產(chǎn)生的放電電流卻呈現(xiàn)出周期性的脈沖形式。當(dāng)放電電極為陰極時(shí)，電流脈沖重復(fù)頻率可達(dá)到104Hz。而放電電極為陽(yáng)極時(shí)，這一頻率可達(dá)到106Hz，這一現(xiàn)象是由特里切爾(Trichel)于1938年發(fā)現(xiàn)的，被稱(chēng)為“特里切爾”脈沖。由于這些頻率正好位于射頻段，因此會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻干擾。 靜電放電類(lèi)型電暈放電危害射頻干擾 飛機(jī)、航天器的通訊或?qū)椩陲w行過(guò)程中，機(jī)殼或彈體上會(huì)因摩擦而產(chǎn)生靜電，當(dāng)靜電電位足夠高時(shí)可引發(fā)電暈放電，形成的電磁干擾會(huì)對(duì)飛機(jī)、航天器或?qū)椀闹茖?dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，造成通訊中斷或制導(dǎo)失靈，引發(fā)事故。浪費(fèi)電能 高壓輸電線上的電暈放電會(huì)造成電力浪費(fèi)。 靜電放電類(lèi)型電暈放電的利用靜電

10、除塵脫硫脫硝靜電噴涂靜電放電類(lèi)型靜電火花放電 （spark discharge ）當(dāng)靜電電位比較高的帶電導(dǎo)體或人體靠近其它導(dǎo)體、人體或接地導(dǎo)體時(shí)，便會(huì)引發(fā)靜電火花放電。靜電火花放電是一個(gè)瞬變的過(guò)程，放電時(shí)兩放電體之間的空氣被擊穿，形成“快如閃電”的火花通道，與此同時(shí)還伴隨著噼啪的爆裂聲，爆裂聲是由火花通道內(nèi)空氣溫度的急驟上升形成的氣壓沖擊波造成的。在發(fā)生靜電火花放電時(shí)，靜電能量瞬時(shí)集中釋放，其引燃、引爆能力較強(qiáng)。另外靜電火花放電產(chǎn)生的放電電流及電磁脈沖具有較大的破壞力，它可對(duì)一些敏感的電子器件和設(shè)備造成危害。靜電放電類(lèi)型刷形放電 （brush discharge）刷形放電電往往發(fā)生在導(dǎo)體與帶電

11、絕緣體之間，帶電絕緣體可以是固體、氣體或低電導(dǎo)率的液體。產(chǎn)生刷形放電時(shí)形成的放電通道在導(dǎo)體一端集中在某一點(diǎn)上，而在絕緣體一端有較多分叉，分布在一定空間范圍內(nèi)。根據(jù)其放電通道的形狀，這種放電被稱(chēng)為刷形放電。當(dāng)絕緣體相對(duì)于導(dǎo)體的電位的極性不同時(shí)，其形成的刷形放電所釋放的能量和在絕緣體上產(chǎn)生的放電區(qū)域及形狀是不一樣的。 靜電放電類(lèi)型當(dāng)絕緣體相對(duì)導(dǎo)體為正電位時(shí)，在絕緣體上產(chǎn)生的放電區(qū)域?yàn)榫鶆虻膱A狀，放電面積比較小，釋放的能量也比較少。而當(dāng)絕緣體相對(duì)于導(dǎo)體為負(fù)電位時(shí)，在絕緣體上產(chǎn)生的放電區(qū)域是不規(guī)則的星狀區(qū)域，區(qū)域面積比較大，釋放的能量也較多。 刷形放電還與參與放電的導(dǎo)體的線度及絕緣體的表面積的大小有關(guān)

12、，在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)體線度越大，絕緣體的帶電面積越大，刷形放電釋放的能量也就越大。刷形放電釋放的能量可高達(dá)4mJ，因此它可引燃、引爆大多數(shù)的可燃?xì)怏w。但它一般不會(huì)引起粉體的爆炸。靜電放電類(lèi)型刷形放電 （brush discharge）沿面放電沿面放電又稱(chēng)傳播型刷形放電，舊稱(chēng)利登彼格(Lichtenberg)放電。 只有當(dāng)絕緣體的表面電荷密度大于2.710-4 C/m2時(shí)才可能發(fā)生。但在常溫、常壓下，如此高的面電荷密度較難出現(xiàn)，因?yàn)樵诳諝庵袉螛O性絕緣體表面電荷密度的極限值約為2.710-5C/m2，超過(guò)時(shí)就會(huì)使空氣電離，只有當(dāng)絕緣體兩側(cè)帶有不同極性的電荷且其厚度小于8mm時(shí)，才有可能出現(xiàn)這樣高的表

13、面電荷密度，此時(shí)絕緣體內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)，而在空氣中則較弱。 靜電放電類(lèi)型沿面放電 當(dāng)絕緣板一側(cè)緊貼有接地金屬板時(shí)，就可能出現(xiàn)這種高的表面電荷密度。另外，當(dāng)電介質(zhì)板被高度極化時(shí)也可能出現(xiàn)這種情形。若金屬導(dǎo)體靠近帶電絕緣體表面時(shí)，外部電場(chǎng)得到增強(qiáng)，也可引發(fā)刷形放電。刷形放電導(dǎo)致絕緣板上某一小部分的電荷被中和，與此同時(shí)它周?chē)糠指呙芏鹊谋砻骐姾杀阍诖颂幮纬珊軓?qiáng)的徑向電場(chǎng)，這一電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的擊穿，這樣放電沿著整個(gè)絕緣板的表面?zhèn)鞑ラ_(kāi)來(lái)，直到所有的電荷全部被中和。 沿面放電釋放的能量很大，有時(shí)可以達(dá)到數(shù)焦耳，因此其引燃引爆能力極強(qiáng)。靜電放電類(lèi)型靜電放電模型 靜電放電是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，常常使得研究者難以

14、捉摸。再加上靜電放電有許多不同的放電形式，能產(chǎn)生靜電放電的靜電源多種多樣，而且同一靜電源對(duì)不同的物體放電時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果也是不一樣的，即使同一靜電源對(duì)同一物體放電，也會(huì)受氣候、環(huán)境等條件的影響，難以得到具有重復(fù)性的放電結(jié)果。由于靜電放電的這種多變性，使得難以有效地對(duì)ESD的危害及其效應(yīng)進(jìn)行正確的評(píng)估。針對(duì)這一問(wèn)題，人們對(duì)實(shí)際中各種可能產(chǎn)生具有危害的靜電放電的靜電源進(jìn)行了深入的研究，根據(jù)其主要特點(diǎn)建立了相應(yīng)的靜電放電模型。人體模型（HBM）主要模擬帶電人體對(duì)電子器件、火工品等放電時(shí)，人體作為危險(xiǎn)靜電源的參數(shù)。不同行業(yè)規(guī)定的參數(shù)不同。例如電子行業(yè)中，通常用C=100pF, R1500 來(lái)模擬人體靜電參

15、數(shù)。A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.人體模型（HBM）A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.人體模型（HBM）標(biāo)準(zhǔn)電容/pF電阻/ 上升沿/ns時(shí)間常數(shù)/ns適用范圍MIL-STD-1512GJB736.11-9050050002500火工品MIL-STD-883EGJB128A-97GJB548A-96100150010ns150電子器件分立器件集成電路IEC61340-3-11001500210ns

16、150電子器件人體模型（HBM）The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF. 人體模型（HBM）MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548A-96人體模型（HBM）短路電流波形MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548A-96人體模型（HBM）標(biāo)準(zhǔn)：IEC61340-3-1Methods for simulation of electrostatic effectHuman body model (HBM) Component testingTypical cu

17、rrent waveform through a shorting wire ( tr )IEC61340-3-1標(biāo)準(zhǔn)：IEC61340-3-1Typical current waveform through a shorting wire ( td )IEC61340-3-1標(biāo)準(zhǔn)：IEC61340-3-1Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1標(biāo)準(zhǔn)：IEC61340-3-1Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1標(biāo)準(zhǔn)：IEC61340-3

18、-1HBM ESDS 元器件敏感度分類(lèi)敏感類(lèi)別電壓范圍(V)02501A2505001B50010001C100020002200040003A400080003B8000 機(jī)器模型（Machine Model），簡(jiǎn)稱(chēng)MM。用來(lái)模擬帶電導(dǎo)體對(duì)電子器件發(fā)生的靜電放電事件。機(jī)器模型最初由日本人提出，試圖產(chǎn)生“最嚴(yán)酷”的人體靜電放電事件，因此機(jī)器模型也稱(chēng)日本模型。 機(jī)器模型的基本電路模型是，200pF的電容不經(jīng)過(guò)電阻直接對(duì)器件進(jìn)行靜電放電。機(jī)器模型模擬導(dǎo)體帶電后對(duì)器件的作用，如在自動(dòng)裝配線上的元器件遭受帶電金屬構(gòu)件對(duì)器件的靜電放電，也可模擬帶電的工具和測(cè)試夾具等對(duì)器件的作用。 機(jī)器模型（MM）人體金

19、屬模型（BMM)模擬帶電人體通過(guò)手持的小金屬物件，如螺絲刀、鑰匙等，對(duì)其它物體產(chǎn)生放電時(shí)的情形，因此這一模型又被稱(chēng)為人體一金屬模型。 帶電人體手持小金屬物件時(shí)，由于金屬物件的尖端效應(yīng)，使得其周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)大大增強(qiáng)，再加上金屬物件的電極效應(yīng)，導(dǎo)致放電時(shí)的等效電阻大大減小。因此在同等條件下，它產(chǎn)生的放電電流峰值比單獨(dú)人體放電的要大，放電持續(xù)時(shí)間短。在人體-金屬放電過(guò)程中，包含高速、低速兩種放電模式。高速放電模式與手、前臂及手持小金屬物件的“自由電容”相聯(lián)系，它產(chǎn)生的初始放電電流尖脈沖的上升速度很高，峰值很大，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖。而且它速度高，持繼時(shí)間短，往往使得許多電子設(shè)備的ESD保護(hù)裝置還沒(méi)有來(lái)的

20、及動(dòng)作便已侵入設(shè)備，造成設(shè)備的損傷。因而也較難防護(hù)，不過(guò)由于與之相聯(lián)系的放電電容容量較小，其放電中釋放的能量也較小，它造成的損傷往往是軟損傷或形成隨機(jī)干擾。低速放電模式則與人體電容相聯(lián)系，在放電時(shí)釋放的能量較大, 引起意外爆炸及電子器件、系統(tǒng)的硬損傷等等。這兩種放電模式各具特點(diǎn)，人體-金屬放電模型應(yīng)能全面地反映出這兩種不同的放電模式。人體-金屬模型主要用于對(duì)系統(tǒng)的人體靜電敏感度的測(cè)試。人體金屬模型（BMM)短路電流波形人體金屬模型（BMM) 隨著器件生產(chǎn)和裝配的現(xiàn)代化，對(duì)器件的大部分操作都是由自動(dòng)生產(chǎn)線完成，人體接觸器件的機(jī)會(huì)相對(duì)減少，電子器件本身在加工、處理、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可能因與工作面及包裝

21、材料等接觸、摩擦而帶電，當(dāng)帶電的電子器件接近或接觸導(dǎo)體或人體時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生靜電放電。在生產(chǎn)線上由于帶電器件靜電放電對(duì)敏感電子器件造成的危害相當(dāng)突出。通常用帶電器件模型（CDM）來(lái)描述帶電器件發(fā)生的靜電放電現(xiàn)象。此模型是1974年斯皮克曼（Speakman）等人最先提出的。由于帶電器件模型描述的放電過(guò)程是器件本身帶電而引起的，所以帶電器件模型失效是造成電子器件損壞、失效的主要原因之一。 帶電器件模型（CDM） 家俱模型 家俱靜電放電指的是在計(jì)算機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)那些易于移動(dòng)的家俱，如椅子、小的儀器搬運(yùn)車(chē)等，由于摩擦或感應(yīng)帶電后對(duì)其它儀器設(shè)備產(chǎn)生的放電過(guò)程。 對(duì)于家俱ESD的研究最早是在IBM公司進(jìn)行的

22、。該公司為了加強(qiáng)其產(chǎn)品的防ESD能力，他們分別對(duì)三種形式的靜電放電進(jìn)行了研究，即人體ESD、人體-金屬ESD和家俱ESD。通過(guò)研究與比較，他們認(rèn)為在同等的放電電位下，家俱ESD產(chǎn)生的放電電流的峰值要比另外兩種形式的ESD產(chǎn)生的電流峰值要大，因此其造成的危害也就比較嚴(yán)重。 場(chǎng)感應(yīng)模型 當(dāng)對(duì)地絕緣的電子器件、儀器、導(dǎo)體及人體處于靜電場(chǎng)中時(shí)，極化或靜電感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致這些物體上的電荷分離，并使它們的電位升高。當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，這些物體上的感應(yīng)電位可達(dá)到足夠高，引發(fā)這些物體與其它物體之間的靜電放電，這一靜電放電過(guò)程被稱(chēng)為場(chǎng)感應(yīng)靜電放電。 場(chǎng)感應(yīng)模型并不是具體地模擬某一種靜電電源，而是總體描述由于靜電場(chǎng)的作用

23、導(dǎo)致靜電放電而引起器件、儀器等失效的一種機(jī)制。因此嚴(yán)格地來(lái)說(shuō)應(yīng)把它稱(chēng)為“場(chǎng)感應(yīng)失效模型”。與它類(lèi)似的其它一些ESD失效模型還有懸浮器件失效模型、電容耦合失效模型及瞬態(tài)感應(yīng)失效模型等等。 場(chǎng)感應(yīng)模型 靜電放電模擬器 盡管靜電放電源的電氣模型非常簡(jiǎn)單，但是要制做出既能反映出真實(shí)ESD過(guò)程的主要特點(diǎn)，又要具有很高的放電重復(fù)性的靜電放電模擬器是一件非常復(fù)雜的工作。一般的ESD模擬器都是利用集總參數(shù)電路實(shí)現(xiàn)其功能。但是ESD本身是一個(gè)瞬變過(guò)程，涉及到頻率超過(guò)1GHz的高頻成分，因此在模擬器中集總器件的布置、寄生參數(shù)以及接地線與放電電阻的幾何尺寸、形狀都會(huì)對(duì)放電波形產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 在ESD模擬器中有靜電

24、高壓發(fā)生器，又有控制和測(cè)量部分的低壓電路，所以為了保證放電電流波形滿足一定的要求。在設(shè)計(jì)、制做ESD模擬器時(shí)，首先必須解決其本身的電磁兼容性問(wèn)題。在用ESD模擬器對(duì)靜電敏感器件或系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如采用的放電方式不同，要求的模擬器的結(jié)構(gòu)及放電電極的形狀也不相同。 靜電放電模擬器 靜電放電敏感度測(cè)試時(shí)放電方式空氣放電方式接觸放電方式空氣放電方式 用ESD模擬器對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使模擬器的放電電極逐漸接近被測(cè)物體，直到電極和被測(cè)物體之間形成火花擊穿通道導(dǎo)致放電發(fā)生為止。空氣放電方式的特點(diǎn)是放電由外部空氣擊穿形成火花通道而觸發(fā)的，因此在設(shè)計(jì)ESD模擬器時(shí)不需要內(nèi)部的高壓繼電器來(lái)觸發(fā)放電。另外，在采

25、用此種放電方式時(shí)，為了減小電極的電暈效應(yīng)，放電電極的頂端一般都被作成球狀。優(yōu)點(diǎn)：能真實(shí)地模擬實(shí)際中的靜電放電過(guò)程。 缺點(diǎn)：放電重復(fù)性極差。 由于空氣放電方式涉及到外部火花通道的形成過(guò)程，溫度、濕度以及模擬器放電電極接近被測(cè)物體的速度等因素都會(huì)引起放電過(guò)程的顯著變化。 隨著放電電極接近被測(cè)物體速度的變化，放電電流的上升時(shí)間可由小于1ns變化到大于20ns。 而當(dāng)保持接近速度恒定時(shí)也不能得到恒定的電流上升時(shí)間，在一定的電壓、速度組合下，模擬器的放電電流的上升時(shí)間的起伏仍可達(dá)到30%以上。采用固定放電電極與被測(cè)物體之間的間距，逐漸增高放電電極的電位來(lái)引發(fā)ESD。得到的上升時(shí)間比實(shí)際的ESD過(guò)程中的放

26、電電流的上升時(shí)間要長(zhǎng)的多?？諝夥烹姺绞?接觸放電方式 將ESD模擬器的放電電極與被測(cè)物體的敏感部分保持緊密的金屬接觸，之后由模擬器內(nèi)部的高壓繼電器觸發(fā)靜電放電。接觸放電方式與空氣放電方式相比最大的不同就是用內(nèi)部高壓繼電器觸發(fā)裝置替代了空氣放電方式中難以駕馭的空氣擊穿過(guò)程。其放電的重復(fù)性很好，也能反映實(shí)際ESD過(guò)程的主要特點(diǎn)。 現(xiàn)行的主要ESD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61340-3-1、ECMA/40等都把這種放電方式作為主要的試驗(yàn)方法，為了緊密的金屬接觸，放電電極的頂端應(yīng)作成錐尖狀。不足：當(dāng)被測(cè)設(shè)備的敏感部分被封裝在非金屬材料制成的殼內(nèi)，而殼上的孔縫很小，放電電極不能進(jìn)入殼內(nèi)與敏感部分形成緊密的金屬

27、接觸時(shí)，這種放電方式便不能實(shí)施。在這種情況下，仍需采用空氣放電方式。產(chǎn)生的輻射場(chǎng)與實(shí)際空氣擊穿產(chǎn)生的輻射場(chǎng)有一定差別 有時(shí)，各廠家產(chǎn)生的模擬器的試驗(yàn)結(jié)果不一致。接觸放電方式 NSG435 ESD 模擬器是由瑞士SCHAFFNER公司制造的多功能ESD模擬器。由于采用集總參數(shù)放電網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)部電池供電，NSG435 ESD 模擬器體積小，易于移動(dòng)便于測(cè)試。模擬器-NSG435基本網(wǎng)絡(luò)：150pF、330（BMM）。150pF、15的家俱模型180pF、330 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI-C63.16（1991版）所規(guī)定的的人體-金屬模型放電網(wǎng)絡(luò)模擬器-NSG435模擬器ESS-200AX ESS-200A

28、X ESD模擬器是日本的Noiseken 公司產(chǎn)品。最高放電電壓可達(dá)30kV，這種模擬器不僅能滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也能滿足ISO/SAE標(biāo)準(zhǔn)（用于汽車(chē)工業(yè)，要求ESD放電電壓應(yīng)達(dá)到25kV）及其它一些標(biāo)準(zhǔn)的要求，使模擬器的使用范圍得到了很大的擴(kuò)展。 模擬器ESD3000EMC PARTNER offers a new hand-held ESD test system for contact discharge (CD) up to 30 kV and air discharge (AD) up to 32 kV。模擬器ESD3000ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng) 隨著測(cè)試設(shè)備發(fā)展，尤其是其帶寬的不

29、斷增加，人們發(fā)現(xiàn)ESD放電電流的前沿遠(yuǎn)比各大標(biāo)準(zhǔn)組織所規(guī)定的陡，往往達(dá)到亞納秒，甚至數(shù)十皮秒數(shù)量級(jí)，數(shù)十安培/納秒的電流上升速度為強(qiáng)輻射電磁場(chǎng)的存在找到了強(qiáng)有力根據(jù)。 對(duì)ESD輻射場(chǎng)的研究從二十世紀(jì)八十年代后期逐漸全面展開(kāi)。人們?cè)噲D提出ESD輻射場(chǎng)的理論模型，并進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究。 對(duì)ESD電磁場(chǎng)的理論研究方面，提出了一些解析法理論模型如長(zhǎng)導(dǎo)體模型、球形電極模型、偶極子模型和雙源模型等等； 同時(shí)，為了解決解析理論模型的不足，又出現(xiàn)了一些數(shù)值計(jì)算方法，如解析數(shù)值法和時(shí)域有限差分法（FDTD）。理論計(jì)算發(fā)展概況：ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)把場(chǎng)看成是放電弧和放電電極上的電流兩部分產(chǎn)生的場(chǎng)的疊加。經(jīng)典模型

30、長(zhǎng)導(dǎo)體模型球形電極模型偶極子模型雙源模型解析法理論模型數(shù)值法計(jì)算解析數(shù)值法時(shí)域有限差分法（FDTD）理論計(jì)算研究ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)ESD輻射場(chǎng)理論模型長(zhǎng)導(dǎo)體模型：主要模擬ESD過(guò)程中長(zhǎng)導(dǎo)體電流通道附近電磁場(chǎng)分布（近場(chǎng)行為），對(duì)于快變電流需要修正。球電極模型：主要模擬球形電極放電過(guò)程中近區(qū)場(chǎng)，未考慮遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)問(wèn)題，也不能計(jì)算ESD過(guò)程中的磁場(chǎng)。偶極子模型：主要模擬靜電火花放電產(chǎn)生的輻射場(chǎng)。ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)R1RR2dlmirrorA(z, r,)z=0偶極子模型Dipole modelZz ESD電磁場(chǎng)偶極子模型最早是P. F. Wilson 在1991年提出來(lái)的。認(rèn)為ESD過(guò)程中的電磁場(chǎng)主要

31、是由ESD火花所產(chǎn)生的，而ESD火花可以簡(jiǎn)化成位于無(wú)限大、導(dǎo)電的接地平板上的電性小、時(shí)變線性偶極子，于是平板上半空間的電磁場(chǎng)就可以看成是偶極子和它的鏡像偶極子產(chǎn)生的。 偶極子模型：P.F.Wilson的偶極子模型是最實(shí)用的理論模型ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)此模型適合于火花放電的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)，可同時(shí)計(jì)算電場(chǎng)和磁場(chǎng)。但不適合近區(qū)場(chǎng)，也沒(méi)有考慮ESD過(guò)程中的靜電場(chǎng)。ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)1）電場(chǎng)作用生產(chǎn)的障害，介質(zhì)的擊穿；2）絕熱效應(yīng)危險(xiǎn)場(chǎng)所的點(diǎn)火源、引燃源，微電子器件的損傷源；3）電磁效應(yīng)對(duì)信息化設(shè)備的電磁干擾；4）瞬態(tài)強(qiáng)電磁場(chǎng)微電子器件的潛在性失效；5）人體電擊二次傷害等。靜電危害的分類(lèi)靜電放電引發(fā)的瞬時(shí)大電

32、流（靜電火花）引燃引爆易燃、易爆氣體混合物或電火工品，造成意外燃燒、爆炸事故。 靜電放電效應(yīng)靜電放電使人體遭受電擊引發(fā)操作失誤造成二次事故、靜電場(chǎng)的庫(kù)侖力作用使紡織、印刷、塑料包裝等自動(dòng)化生產(chǎn)線受阻。靜電放電效應(yīng)靜電放電的電磁輻射或靜電放電電磁脈沖（ESD EMP）對(duì)電子設(shè)備造成的電磁干擾引發(fā)的各種事故。 靜電放電效應(yīng)近年來(lái)，我國(guó)石化企業(yè)曾發(fā)生30多起較大的靜電事故, 其中損失達(dá)百萬(wàn)元以上的有數(shù)起。如上海某石化公司的2000米3甲苯罐, 山東齊魯某公司的膠渣罐, 撫順某石化公司的航煤罐等都因靜電造成了嚴(yán)重火災(zāi)爆炸事故。在武器裝備尤其是彈藥生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用中因靜電造成的燃燒爆炸事故更是觸目驚心。

33、 靜電放電效應(yīng)ESD 及其標(biāo)準(zhǔn)ESD (electrostatic discharge) phenomenon can happen according to the different electrostatic potentials between two or more objects. EOS (electrical overstress) is taken place by the electrical event that is outside the specified range of the DUT (device under test). Devices are usual

34、ly damaged by EOS/ESD via the rapidly generated heat or the rapidly created strong electrical field. The latent or fatal failures on a silicon chip are possibly caused by even an electrostatic discharge or electrical overstress event. To predict the ESD immunity level, or to find the ESD sensitive (

35、weak) point of the DUT, there are several organizations who make the ESD related primary standards. ESDA (Electrostatic Discharge Association),AEC(Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance / Joint Electron Device Engineering Council) MIL-STD (US Military Standard). I

36、EC (International Electrotechnical Commission)ESD 及其標(biāo)準(zhǔn)HBM (Human Body Model)BMM(Body-Metal Model）MM (Machine Model)CDM(non-socketed Charged-Device Model, Field Induced Model, or Direct Charge Model)SDM (Socket Device Model, or Socketed Discharge Model).ESD 及其標(biāo)準(zhǔn)靜電測(cè)試設(shè)備靜電消除設(shè)備靜電防護(hù)設(shè)備我國(guó)在靜電檢測(cè)理論與測(cè)試技術(shù)方面取得的進(jìn)展

37、導(dǎo)出歐姆定律一般表達(dá)式。建立電火工品真實(shí)靜電感度測(cè)試方法，研制成功真實(shí)靜電感度測(cè)系統(tǒng)。解決彈藥反常發(fā)火問(wèn)題。研究了織物摩擦電位衰減測(cè)試方法，研制成功織物摩擦電位衰減測(cè)試儀。我國(guó)在靜電檢測(cè)理論與測(cè)試技術(shù)方面取得的進(jìn)展國(guó)防靜電計(jì)量測(cè)試站我國(guó)在靜電檢測(cè)理論與測(cè)試技術(shù)方面取得的進(jìn)展 把靜電危害的防護(hù)研究作為電磁兼容性（EMC）研究?jī)?nèi)容之一，統(tǒng)一考慮。 1991年美國(guó)政府工作報(bào)告中把靜電放電和十多種電磁危害源綜合考慮為電磁環(huán)境效應(yīng)（Electromagnetic Environment Effect），簡(jiǎn)稱(chēng)E3問(wèn)題。 可見(jiàn)，把靜電放電作為電磁環(huán)境因素之一，綜合進(jìn)行電磁防護(hù)研究，是該研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

38、當(dāng)前靜電防護(hù)研究的熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 雷電是自然界一種特殊的、極為壯觀的聲、光、電現(xiàn)象，是一種很普遍的大氣放電現(xiàn)象。雷電放電時(shí)具有強(qiáng)大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波、巨變的電磁場(chǎng)，以及強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，給社會(huì)造成巨大的危害。 雷電電磁脈沖(Lightning electromagnetic pulse ,LEMP) 是伴隨雷電過(guò)程的電磁輻射,包括地電流瞬變、感應(yīng)雷和電磁脈沖形式。二、雷電電磁脈沖（LEMP）及其效應(yīng)閃電按發(fā)生的空間位置可分為云閃和地閃；云閃一般定義為沒(méi)有到達(dá)地面的閃電放電；云和大地之間的放電簡(jiǎn)稱(chēng)地閃，其走向多垂直于地面，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)危害最大。由于地閃是脈沖型放電，占有

39、很寬頻帶的強(qiáng)脈沖電流通過(guò)主放電通道必然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，這就是LEMP（雷電電磁脈沖）；LEMP作用于電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)上，可能對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)造成損傷或干擾；地閃LEMP環(huán)境和效應(yīng)是當(dāng)今國(guó)際雷電防護(hù)領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)之一。 二、雷電電磁脈沖（LEMP）及其效應(yīng)雷電放電的起電機(jī)理雷電放電的分類(lèi)雷電放電的基本參數(shù)抗擾度實(shí)驗(yàn)雷電電磁脈沖效應(yīng)二、雷電電磁脈沖（LEMP）及其效應(yīng)雷電放電的起電機(jī)理 大氣中總是存在著大量的自由電荷，由于空氣中含有水分，這些自由電荷被水所吸收。隨著氣候的變化，空氣發(fā)生強(qiáng)烈的對(duì)流，水滴就會(huì)被分裂成帶正、負(fù)電荷的小水滴，經(jīng)過(guò)逐步的積累，就在大氣中形成分別帶有正電和負(fù)電的雷云

40、層。隨著電荷的積累，雷云層的電位逐漸升高。當(dāng)帶不同電荷的雷云層相互接近到一定程度時(shí)，就發(fā)生強(qiáng)烈的雷電放電現(xiàn)象。（1）感應(yīng)起電（2）溫差起電（3）對(duì)流起電雷電放電分類(lèi) 雷電可分成直擊雷、感應(yīng)雷兩種。 （1）直擊雷 當(dāng)云層很低時(shí)，如果在它周?chē)譀](méi)有帶異性電荷的雷云層，就會(huì)在地面凸出物上感應(yīng)出異性電荷，造成與地面凸出物之間的放電現(xiàn)象，這種對(duì)地面凸出物直接的雷擊叫做直接雷。根據(jù)不同形態(tài)和特征劃分：可分為線狀雷電、火箭狀雷電、帶狀雷電、片狀雷電、熱雷電、珠狀雷電、球狀雷電和黑色雷電等不同類(lèi)型，其中珠狀雷電、球狀雷電和黑色雷電是3種不常見(jiàn)的雷電。根據(jù)雷電的位置劃分：可分為云間雷電、云內(nèi)雷電、晴空雷電和云地

41、雷電，其中云地雷電最為重要，云地雷電占雷電總數(shù)的1/3 1/6。根據(jù)雷擊方式劃分：雷電可分為直擊雷和非直擊雷。從先導(dǎo)發(fā)展方向和所帶電荷的極性劃分：分為下行負(fù)雷電、上行負(fù)雷電、下行正雷電和上行正雷電。雷電放電分類(lèi) （2）感應(yīng)雷 感應(yīng)雷是因附近地方的落雨所引起的電磁作用的結(jié)果，分靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。 靜電感應(yīng)雷是由于雷云層放電前在地面凸出物上感應(yīng)的大量異性電荷所致，在雷云層與其他部位放電后，凸出物頂端的電荷頓時(shí)失去束縛，呈現(xiàn)很高的電壓，以很快的速度沿凸出物傳播，這種雷擊就是靜電感應(yīng)雷。 電磁感應(yīng)雷是由于雷擊后，巨大的雷電流在周?chē)臻g產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)大電磁場(chǎng)所致，這種電磁場(chǎng)在附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)

42、出很高的電壓，這種雷擊就是電磁感應(yīng)雷。雷電放電分類(lèi)雷電放電的特性雷電為放電路徑長(zhǎng)度為千米計(jì)的瞬時(shí)大電流，放電頻譜較寬，為1kHz-5MHz；云地間的雷電區(qū)包括一個(gè)或多個(gè)斷續(xù)的局部放電，每次雷電的總的放電稱(chēng)為一次電閃，每個(gè)局部放電稱(chēng)為一次閃擊，通常每次電閃包括34次閃擊；電閃時(shí)間持續(xù)時(shí)間約0.2s，閃擊間隔時(shí)間約40ms；云地間雷電可使云中負(fù)電荷區(qū)中約數(shù)千庫(kù)侖的電荷轉(zhuǎn)移到大地；云層中可以是正電荷放電，也可以是負(fù)電荷中心放電。 雷電波頻譜中主要頻譜分量集中在0-20kHz，而雷電能量主要集中在100Hz-1000kHz，工頻附近(0-100Hz)的能量只占總能量的2.3%。雷電電磁輻射的平均能譜在

43、25-100MHz之間，輻射的頻譜峰值集中在60-70MHz。雷電放電的特性 雷電流幅值 雷電流是指雷擊于電阻小于等于30歐姆的低接地電阻物體時(shí)，流過(guò)該物體的電流。雷電流需要用幅值、波頭和波長(zhǎng)等三個(gè)主參數(shù)來(lái)表征。幅值是指雷電的脈沖電流所能達(dá)到的最高值。該幅值在不同國(guó)家，不同地區(qū)和不同自然條件下，差異是很大的。雷電放電的特性 雷電通道波阻抗 雷云主放電時(shí)，雷電通道如同一個(gè)導(dǎo)體，雷電流在導(dǎo)體中流動(dòng)，因此，和普通導(dǎo)線一樣，對(duì)電流波呈現(xiàn)一定的阻抗，該阻抗叫做雷電通道波阻抗，通常取300-400歐姆。雷電放電的特性參數(shù)超過(guò)列舉值雷電百分?jǐn)?shù)（）出現(xiàn)次數(shù)95505雷電峰值電流/kA負(fù)的第一次電閃負(fù)的后隨雷電

44、正的電閃（無(wú)后隨雷電）144.64.63012351503025010113526電荷/C負(fù)的第一次雷電負(fù)的后隨雷電負(fù)的電閃正的電閃1.10.21.3205.21.47.580241140350931229426閃擊電荷/C負(fù)的第一次雷電負(fù)的后隨雷電正的電閃（僅發(fā)生第一次雷電）1.10.222.04.50.9516204.01509011725達(dá)到峰值電流的時(shí)間/s負(fù)的第一次雷電負(fù)的后隨雷電正的電閃1.80.223.55.51.122184.5200851.819最大di/dt（kA/ s）負(fù)的第一次雷電負(fù)的后隨雷電和電閃正的電閃5.5120.2012402.432120329212221達(dá)到

45、波尾中值的時(shí)間/s負(fù)的第一次雷電負(fù)的后隨雷電正的電閃306.525753223020014020009012221電閃持續(xù)時(shí)間/ms負(fù)的（包括單個(gè)電閃）負(fù)的（不包括單個(gè)電閃）正的電閃0.15311413180851100900500943924云對(duì)地雷電數(shù)據(jù)分布95的雷電的峰值電流超過(guò)14kA,50%超過(guò)30kA,5%的超過(guò)80kA;通常在數(shù)微秒內(nèi)，雷電電流可達(dá)1030kA,峰值為200kA或更大負(fù)極性雷電放電示意圖 電流波形世界各國(guó)測(cè)得的對(duì)地放電雷電流波形基本一致多數(shù)是單極性重復(fù)脈沖波，少數(shù)為較小的負(fù)過(guò)沖一次雷擊放電過(guò)程常常包含多次先導(dǎo)至主放電的過(guò)程和后續(xù)電流。電流波形通常用雙指數(shù)來(lái)表示雷電

46、電磁脈沖模擬 根據(jù)雷電電磁脈沖的特點(diǎn)， 其模擬裝置由脈沖發(fā)生器和有界波模擬器構(gòu)成，有界波電磁脈沖模擬器由脈沖源、前過(guò)渡段、平行板段 、后過(guò)渡段和終端器幾個(gè)部分構(gòu)成其結(jié)構(gòu)如下圖 所示。模擬器的電磁特性由脈沖源的等效電感、電容以及傳輸線的阻抗等因素決定。調(diào)節(jié)C2 , R1 的值, C1 , R2 的值, 可以改變脈沖的波頭時(shí)間和半波寬度。C1 充電儲(chǔ)能電容，C2 放電電容, R1 放電電阻，R2 負(fù)載電阻，放電前電源先對(duì)C1 充電，S為放電開(kāi)關(guān)。雷電電磁脈沖模擬雷電電磁脈沖模擬器短路波形 波前時(shí)間： T18s20 半峰值時(shí)間：T220s20 雷電模擬器短路電流波形是一種快速上升(8 s)、持續(xù)時(shí)間

47、短(半峰值時(shí)間20 s)、頻率成分復(fù)雜、峰值電流很大(達(dá)2kA 以上) 的沖擊電流波形。 IEC61000-4-5 規(guī)定了雷電浪涌模擬器的短路電流波形(8/20 s) ， 圖中T 1 為波前時(shí)間，T 2 為半值時(shí)間。 IEC61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定， 沖擊大電流幅值的測(cè)量誤差應(yīng)不大于3% ， 波頭、波長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量誤不大于10% 。雷電電磁脈沖模擬利用GTEM室（吉赫茲?rùn)M電磁波傳輸室）Marx源來(lái)模擬雷電電磁脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)（電場(chǎng)環(huán)境）通過(guò)調(diào)整Marx發(fā)生器的參數(shù)（電阻、電容及放電時(shí)間）來(lái)調(diào)整GTEM室內(nèi)的電磁場(chǎng)波形，模擬雷電回?fù)暨^(guò)程產(chǎn)生的電磁脈沖雷電電磁脈沖模擬 LEMP近場(chǎng)是低阻場(chǎng)，具有很高的

48、磁場(chǎng)分量，根據(jù)IEC61000-4-9標(biāo)準(zhǔn)，采用雷擊浪涌發(fā)生器提供浪涌電流，配合亥姆霍茲線圈模擬雷電近區(qū)磁場(chǎng)，在亥姆霍茲線圈中央?yún)^(qū)域產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)波形要求的雷電脈沖磁場(chǎng)環(huán)境。 通過(guò)調(diào)節(jié)雷擊浪涌發(fā)生器的輸出電壓，可以方便地調(diào)節(jié)模擬雷電磁場(chǎng)的強(qiáng)度，最高可達(dá)20 kA/m。利用脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器模擬雷電磁場(chǎng)。 在電子設(shè)備電磁兼容性測(cè)試方面，對(duì)雷電浪涌(沖擊) 抗擾度試驗(yàn)時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.52等效采用國(guó)際電工委員會(huì)IEC61000-4-5，提出了雷電瞬態(tài)模擬的方法， 指出參數(shù)為8/20s 的雷電流波形適用于沿線路傳送的浪涌(沖擊) 電流. 試驗(yàn)的方法是用雷擊浪涌發(fā)生器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)， 評(píng)估電子

49、設(shè)備的抗雷電放電性能。雷電電磁脈沖模擬 靜電脈沖 大氣電離層帶負(fù)電荷，與大地之間形成了大氣靜電場(chǎng)。通常地面附近電場(chǎng)強(qiáng)度約150 kV/m。而積雨云下層電荷較集中，電位較高，致使局部靜電場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于大氣靜電場(chǎng)。雷雨云形成的電場(chǎng)，在地面物體表面感應(yīng)出異性電荷，其電荷密度和電位隨附近場(chǎng)強(qiáng)變化。落雷的瞬間，大氣靜電場(chǎng)急劇減小，感應(yīng)電荷即沿低阻抗通路流向大地，這種瞬時(shí)高電壓稱(chēng)靜電脈沖。雷電電磁脈沖效應(yīng)靜電脈沖的危害形式為:1電壓(流)沖擊。輸電線路上的靜電高壓脈沖會(huì)沿電線傳播，形成高壓沖擊，對(duì)相連的電氣設(shè)備造成危害；2高壓電擊。垂直放置的導(dǎo)體，若接地電阻較大，尖端會(huì)出現(xiàn)火花放電，從而引燃引爆物品；在雷電過(guò)

50、后的短暫時(shí)間內(nèi)人觸摸或接近這類(lèi)物體，可能遭電擊身亡。3束縛電荷二次火花放電。處于雷電高壓場(chǎng)中的油類(lèi)，其電阻率高，內(nèi)部電荷不易流動(dòng)。落雷后，油品下部電荷較快通過(guò)容器壁流散,而上部出現(xiàn)大量高電位的自由電荷，且消散極慢，若用金屬導(dǎo)體接近油面，就可能發(fā)生火花放電，導(dǎo)致燃燒。雷電電磁脈沖效應(yīng)地電流脈沖：地電流脈沖是在落雷點(diǎn)附近區(qū)域的地面電荷中和過(guò)程形成的。地電流脈沖流過(guò)的地方，會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)高電位，不同位置間的電位差，即跨步電壓。地電流脈沖的危害形式為:1地電位反擊。地電位的瞬時(shí)高壓會(huì)使接地的設(shè)備外殼與電路板之間出現(xiàn)火花放電。2跨步電壓電擊。直擊雷可造成站在附近地面上的人、畜被跨步電壓電擊致死。3傳導(dǎo)和感應(yīng)

51、電壓。埋于地下的金屬管道、電纜或其它導(dǎo)體，其表面有瞬變電流流過(guò)，造成導(dǎo)體兩端出現(xiàn)傳導(dǎo)電壓；對(duì)屏蔽線而言，地電流只流經(jīng)屏蔽層表面，其內(nèi)芯導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。雷電電磁脈沖效應(yīng)電磁脈沖輻射 雷電形成的電磁脈沖包括從雷雨云形成到預(yù)擊穿、梯級(jí)先導(dǎo)、回?fù)?、箭先?dǎo)、后續(xù)回?fù)粢约霸苾?nèi)、云間和晴空雷電中的所有放電過(guò)程所發(fā)出的電磁波，其傳播受到大地電導(dǎo)率、大氣狀況及電離層多次反射的影響。電磁脈沖輻射的危害形式為 云地雷電的放電通道構(gòu)成等效天線，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖,對(duì)各種電子設(shè)備造成危害。雷電電磁脈沖效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明： 對(duì)平面波型的電磁脈沖場(chǎng)而言，上升陡度為1011V/m/s的脈沖場(chǎng)，峰值場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)千伏/米時(shí)可使微機(jī)

52、等微電子設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)生變化，隨著場(chǎng)強(qiáng)的增加，設(shè)備從顯示出錯(cuò)直至死機(jī)，需重新啟動(dòng)才能工作； 峰值場(chǎng)強(qiáng)近50千伏/米時(shí)可造成微電子設(shè)備的永久性損傷。 設(shè)備的電源線、通信線、控制線等電線、電纜是耦合電磁脈沖能量的重要渠道，未采取屏蔽措施或屏蔽不完善的微電子設(shè)備受到電磁脈沖干擾或損傷的場(chǎng)強(qiáng)閾值明顯降低。雷電電磁脈沖效應(yīng) 對(duì)于低阻抗電磁脈沖場(chǎng)來(lái)說(shuō)，上升陡度為2.8103A /m/s的脈沖磁場(chǎng)，峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)0.1mT即可造成微電子設(shè)備顯示出錯(cuò)以至死機(jī)，超過(guò)0.5mT可造成微電子設(shè)備的永久性損傷。 根據(jù)美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-464關(guān)于直接雷附近電磁環(huán)境的規(guī)定，距閃擊10m處的磁場(chǎng)變化率和電場(chǎng)

53、變化率均高于上述模擬實(shí)臉中提供的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)微機(jī)等微電子設(shè)備可能產(chǎn)生的干擾與毀傷效應(yīng)將更加嚴(yán)重。 雷電電磁脈沖效應(yīng)雷電放電各個(gè)階段輻射電場(chǎng)強(qiáng)度波形 雷電電磁脈沖效應(yīng)三、核電磁脈沖（NEMP）及效應(yīng) 核電磁脈沖（ NEMP）是伴隨核爆炸產(chǎn)生的一種瞬時(shí)電磁輻射（EMR）。核爆炸一般可分為地面核爆炸、地空核爆炸和高空核爆炸。任何形式的核爆炸都可以產(chǎn)生EMR，但形式有所不同，其中高空核爆炸產(chǎn)生的核電磁脈沖強(qiáng)度大、覆蓋面積廣。其電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)10kV/m或更高。對(duì)于100km以上的高空核爆炸，其產(chǎn)生的高場(chǎng)強(qiáng)在地面的覆蓋范圍可達(dá)上千km。NEMP的頻率覆蓋范圍很寬，可以從甚低頻到幾百兆赫，而主要能量集中

54、在常用無(wú)線電頻率范圍，因而可以對(duì)廣大范圍內(nèi)的地面和飛行器上的電氣與電子系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。核電磁脈沖產(chǎn)生的機(jī)理核電磁脈沖的特點(diǎn)核電磁脈沖模擬核電磁脈沖效應(yīng)三、核電磁脈沖（NEMP）及效應(yīng)核電磁脈沖產(chǎn)生的機(jī)理NEMP產(chǎn)生的機(jī)理大體可分為兩類(lèi)： 康普頓電子模型大氣層內(nèi)外核爆炸 場(chǎng)位移模型 地下核爆炸 場(chǎng)位移模型：爆炸產(chǎn)生的高溫高壓使爆心附近形成點(diǎn)導(dǎo)率極高的等離子區(qū)地球磁場(chǎng)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)產(chǎn)生電磁輻射。頻率極低（亞聲波頻率范圍），由于巖土的衰減作用，這種輻射很少到達(dá)地面上和空間。一般僅討論由于康普頓效應(yīng)在各種核爆炸環(huán)境所產(chǎn)生的電磁輻射。康普頓電子模型大氣層內(nèi)外核爆炸 核爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生高能（平均能量約1.52

55、MeV）瞬發(fā) 射線， 射線向外飛射過(guò)程中遇到周?chē)諝饣蚱渌镔|(zhì)分子或原子，就產(chǎn)生相互作用。其主要過(guò)程是康普頓散射，經(jīng)過(guò)一次散射后的光子還具有足夠高的能量，可能再與物質(zhì)發(fā)生作用。 在康普頓散射中產(chǎn)生了大量的康普頓電子，它們具有很高（大約光子的一半）的能量，并且大體上是爆炸中心沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，形成康普頓電流。這種隨時(shí)間變化的電流就可以激勵(lì)出瞬變電磁場(chǎng)。 核電磁脈沖產(chǎn)生的機(jī)理核電磁脈沖的特點(diǎn) 不同的核裝置，不同類(lèi)型的爆炸，在不同的位置上，電磁脈沖的特性是不同的，電磁脈沖的覆蓋區(qū)域常被劃分為源區(qū)和輻射區(qū)。源區(qū) : 輻射的能量沉積區(qū)，是 光子與空氣或其他物質(zhì)相互作用產(chǎn)生康普頓電流的區(qū)域。輻射區(qū):電磁脈沖

56、輻射場(chǎng)所覆蓋的區(qū)域。地面（低空）核爆炸電磁脈沖地面核爆炸電磁脈沖形成示意圖對(duì)于低空（爆高低于2km）核爆炸，核電磁脈沖可大致分為三個(gè)區(qū)域：在爆心附近12公里內(nèi)稱(chēng)為源區(qū)（半徑隨當(dāng)量稍增大），在此區(qū)域內(nèi)主要是徑向場(chǎng)；數(shù)公里以外為輻射場(chǎng)區(qū)；源區(qū)和徑向場(chǎng)之間為過(guò)渡區(qū)。徑向場(chǎng)的初始階段與通量成正比上升，隨后偏離逐漸趨于飽和值。當(dāng)源除去后，由于空氣中正、負(fù)離子復(fù)合，電場(chǎng)又逐漸消失。但是，因離子復(fù)合速度較慢，電場(chǎng)下降也較慢核電磁脈沖的特點(diǎn)地面核爆炸電磁脈沖地面核爆炸電磁脈沖形成示意圖地面核爆炸時(shí)，最主要的仍然是康普頓電流機(jī)制。地面的電導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣中爆點(diǎn)附近的電導(dǎo)率大，這使得近地面的水平電場(chǎng)削弱，徑向電場(chǎng)主要

57、出現(xiàn)在與地面垂直的方向上。另外，地面的電子回流和空氣中的康普頓電流形成電流環(huán)，激勵(lì)出強(qiáng)大的方位磁場(chǎng)。整個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布，相當(dāng)于垂直地面的偶極子。因此，地面核爆炸也輻射出很強(qiáng)的電磁脈沖。 核電磁脈沖的特點(diǎn)中等高度空中核爆炸電磁脈沖（高度低于30km且源區(qū)又不接觸地面時(shí)）爆點(diǎn)下方的空氣密度要比上方大，康普頓效應(yīng)的碰撞頻率以及空氣的電離情況與空氣密度的變化規(guī)律相一致，由于這種源區(qū)上下的不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致產(chǎn)生了一個(gè)豎直方向上的合成電子流。在發(fā)生電離的區(qū)域內(nèi)激勵(lì)振蕩，其能量以電磁脈沖的形式輻射出去。源區(qū)的半徑約（515km），隨爆高的增加而增加，源區(qū)沒(méi)有明顯的邊界，其半徑可按空氣電導(dǎo)率達(dá)到107s/m范圍來(lái)估

58、計(jì)。核電磁脈沖的特點(diǎn)高空核爆炸時(shí)， 光子向上方輻射，進(jìn)入密度很低的大氣中使 射線在被吸收之前要走很遠(yuǎn)的距離。向下方輻射將碰到密度逐漸增大的大氣， 輻射與空氣分子作用形成的電磁脈沖源區(qū)為一中間厚邊緣薄的圓餅狀。高空核爆炸電磁脈沖（爆炸發(fā)生在30km以上的高空）高空核爆炸與中等高度空中核爆炸和地面核爆炸所形成的電磁脈沖相比，其高頻成分要豐富得多。后者源區(qū)為非對(duì)稱(chēng)的。電磁脈沖不僅從源區(qū)垂直向下輻射，還從邊緣以不同角度輻射其中頻率較高的分量可延伸至視界范圍。核電磁脈沖的特點(diǎn)核電磁脈沖的特點(diǎn)電磁脈沖電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨爆心距離變化核電磁脈沖的特點(diǎn)從波形看，核電磁脈沖具有很高的峰值場(chǎng)強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)（104一105）Vm，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)10mT，而且很快上升至峰值。上升時(shí)間的典型數(shù)據(jù)為10-8s 。從頻譜看，核電磁脈沖頻帶寬。頻率覆蓋范圍可從甚低頻到數(shù)千MHz 。從能量看,核爆炸產(chǎn)生的瞬發(fā) 射線的能量約占爆炸能量的0.3，其中以電磁脈沖形式釋放的能量在高空爆炸時(shí)約占這部分能量的ll02，在地面爆炸時(shí)占1107。從覆蓋的地域看，地面爆炸時(shí)電磁脈