电波科学学报  2019, Vol. 34 Issue (3): 355-362  DOI: 10.13443/j.cjors.2018091102.   PDF    
低频脉冲磁场作用下计算机效应的试验研究
潘征1,2 , 石立华1 , 李跃波2 , 郑颖2 , 熊久良2 , 黄刘宏2     
1. 陆军工程大学 电磁环境效应与电光工程国家重点实验室, 南京 210007;
2. 军事科学院国防工程研究院, 洛阳 471000
摘要:低频脉冲磁场是一种常见电磁干扰源,可以在雷电放电、地面核爆炸及生产生活等多种活动中产生,具有低频、低阻和时变等多重特性,可通过直接穿透和磁电感应作用于计算机系统上,对其产生干扰或毁伤.为确定低频脉冲磁场对计算机系统的效应规律,文章利用螺线管脉冲磁场模拟装置,开展了低频脉冲磁场作用下联想品牌计算机(包括2款台式机和一款笔记本)效应的试验研究,得到了扰乱阈值和效应规律,分析了磁场特征参数与效应现象的关系,并与相关研究成果进行了对比.其中脉冲磁场上升时间在数μs至数百μs之间,磁感应强度最大约70 mT.研究结果符合理论预期,并与现有成果逻辑关系一致,可为计算机系统及相近设备的低频脉冲磁场防护提供参考和依据.
关键词低频    脉冲    磁场    计算机效应    试验研究    
Experimental study of computer effect under the action of low-frequency pulsed magnetic field
1. National Key Laboratory on Electromagnetic Environmental Effects and Electro-optical Engineering, the Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China;
2. Research Institute for National Defense Engineering of Academy of Military Sciences PLA, Luoyang 471000, China
Abstract: The low-frequency pulsed magnetic field is a common source of electromagnetic interference, which can be generated in various activities, such as lightning discharge, ground nuclear explosion and production and life. It has multiple characteristics, such as low frequency, low resistance and time variation, so it can be applied to computer systems through direct penetration and magnetoelectric induction, and creates interference or damage. In order to determine the effect law of low-frequency pulsed magnetic field on computer system, the effect experiment of low-frequency pulsed magnetic field on the Lenovo brand computers (2 desktop models and 1 notebook model) were carried with solenoid pulsed magnetic field simulation device, among which, the pulsed magnetic field rise time is between several and hundreds of microseconds, and the maximum magnetic induction intensity is about 70 mT. Through the work, the disturbance threshold and effect law are obtained, the relationship between effect phenomenon and characteristic parameters of magnetic field is analyzed, and the results are in accordance with the theoretical expectation and the logical relationship of the existing results. It can provide reference and basis for the protection of low-frequency pulsed magnetic field in computer systems and similar equipments.
Keywords: low-frequency    pulse    magnetic field    computer effect    experimental study    
引言

计算机系统是电子信息系统的核心设备之一, 计算机的电磁防护工作因此受到了广泛重视.目前关于计算机电磁脉冲效应的研究成果主要集中在高功率微波或快沿电磁脉冲效应方面, 如高功率微波对计算机的毁伤效应、高空爆核电磁脉冲对计算机的毁伤效应及计算机机箱电磁耦合数值仿真等[1-5], 而低频脉冲磁场对计算机的效应研究相对较少.从公开文献来看, 陆军工程大学在此方面开展了不少工作, 如周璧华等对286计算机[6]、高成等对486计算机[7]开展的脉冲磁场环境下效应试验研究, 其所用脉冲磁场均为上升时间约为数μs以内的快沿磁场.相近研究成果有兰州大学张国宾开展的脉冲磁场对典型电子器件影响机理研究[8], 所用脉冲磁场磁感应强度最大可达2 T以上, 脉冲上升时间在1 ms左右, 典型电子器件包括单片机系统、存储器、振荡器及磁敏器件等.

上述研究工作对低频磁场效应研究及其防护工作具有很好的参考价值和指导作用, 但其研究内容未能涵盖上升时间在数十至数百μs范围的低频宽脉冲磁场, 这种磁场可以在雷电放电、地面核爆炸及冶金制造等多种自然和人为活动中产生, 具有很强的防护必要性.针对此种情况, 本文利用螺线管低频脉冲磁场模拟装置, 开展了低频脉冲磁场对联想品牌计算机的效应研究, 得到了一些扰乱阈值和效应规律, 并和现有成果进行了对比分析, 可为计算机及相关设备的低频脉冲磁场防护提供参考和依据.

1 试验环境与方法 1.1 螺线管低频脉冲磁场模拟装置

螺线管低频脉冲磁场模拟装置主要由RLC串联回路构成, 用于提供试验所需的低频脉冲磁场, 通过高压电容C对大型螺线管L放电, 在螺线管内产生试验所需的低频脉冲磁场, 试验区域位于螺线管内部, 螺线管直径最大6 m, 最小1.5 m, 磁场空间尺寸及均匀性满足试验要求.调节模拟系统中的R、L、C等电路参数和电容放电电压, 可产生不同特征参数的脉冲磁场, 脉冲磁场磁感应强度最大约70 mT.文中所用的低频脉冲磁场场源及其主要特征参数如表 1所示, 不同放电电压下的典型波形如图 1所示.经频谱分析可知, 本文所用场源频率成分及其主要能量分布在100 kHz以下, 以磁场能量为主, 且低于IEEE划分的低频范围30~300 kHz, 因此属于低频脉冲磁场.

图 1 低频脉冲磁场典型时域波形 Fig. 1 Typical time domain wave of the low-frequency pulsed magnetic field source

表 1 低频脉冲磁场场源及其主要参数 Tab. 1 Low-frequency pulsed magnetic field source and its main parameters
1.2 低频脉冲磁场测量系统

脉冲磁场测量系统用于测试试验过程中设备附近的实时场强, 包括两套测量装置, 分别采用电磁感应原理和霍尔效应原理进行测试, 能够测试直流至1 MHz的脉冲磁场, 测试精度满足试验要求.系统各组成设备实物照片如图 2所示, 所测得的实际波形如图 1所示.

图 2 低频脉冲磁场测量设备 Fig. 2 Low frequency pulse magnetic field measuring equipment
1.3 受试设备

考虑到试验样本代表性和数量要求, 项目组共选取了6台台式计算机和3台笔记本式计算机作为试验样品, 均为联想品牌.台式计算机包括Lenovo家悦E3608三台和LenovoMT8400三台, 笔记本式计算机为Lenovo天翼F41笔记本3台.各计算机工作性能正常, 组成完整.计算机主要性能指标及硬件配置如表 2表 3所示.选取键盘和鼠标作为计算机的输入设备, 选取打印机作为与计算机连接的输出设备, 共3台, HP2132型, 为复印、扫描及打印一体化喷墨打印机.

表 2 台式计算机受试样品及其配置 Tab. 2 Lenovo desktop computer test sample and its configuration

表 3 Lenovo天翼F41笔记本计算机及其配置 Tab. 3 Lenovo Tianyi notebook F41 computer and its configuration
1.4 试验方法与过程

试验采用辐照法进行, 即将受试设备置于试验区域中, 低频脉冲磁场直接辐照于设备上, 通过对比设备效应现象与其受试状态及磁场特征参数的关联变化关系, 得到低频宽脉冲磁场对计算机系统的效应规律和阈值.试验过程中, 脉冲磁场主要参数按照磁感应强度逐渐增强、脉宽逐渐增大、脉冲上升时间逐渐减小的变化规律调节, 受试设备按照从单一到系统、从简单到复杂的状态逐步接受磁场辐照, 设备效应现象通过视频监控系统观察并存储记录.为保证试验数据的准确、全面, 每种场值试验重复次数不低于3次, 且每炮次间隔时间不小于2 min.低频脉冲磁场对计算机系统的效应试验示意过程如图 3所示.

图 3 低频脉冲磁场作用下计算机效应试验过程示意图 Fig. 3 Schematic diagram of computer effect test process under low frequency pulsed magnetic field

计算机受试状态共有8种, 如表 4所示, 主要根据计算机与输入输出设备的连接方式及其与磁场方向的相对角度确定, 同时兼顾主机机壳完整、去掉机壳两种情况, 每种状态下计算机的运行状态有待机、复制、磁盘碎片整理、闪盘复制、视频播放、打印等.

表 4 计算机系统受试状态 Tab. 4 Test status of the computer system
2 试验结果

计算机系统在各种场源作用下的具体试验结果如表 5所示, 表中数值为效应现象发生时的空场磁感应强度量值.图 4图 5分别给出了台式计算机显示器显示错误和主机重启的实际现象.试验结果表明, 本文所用场源不能对计算机系统产生降级或损坏效果, 但可以对其产生明显的扰乱效应.下面按照§1试验方法中场源变化特点及设备受试状态等可能会对效应现象产生影响的主要因素对试验结果进行说明.

图 4 台式机在S4作用下显示器显示错误 Fig. 4 The desktop computer displays an error under the action of S4 source

图 5 台式机在S4作用下主机重启 Fig. 5 The desktop computer restarts under the action of S4 source

表 5 计算机效应试验现象及对应的磁感应强度场值 Tab. 5 Computer effect test phenomenon and corresponding magnetic induction field value
2.1 磁场强度

表 5纵向对比可以看出:在磁场强度较弱情况下, 计算机系统在各个场源作用下均无效应现象; 随着磁场强度的增加, 扰乱效应现象开始出现, 且发生频率逐渐提高, 效应现象更加明显.主要效应现象有屏幕闪黑、金属壳体尖端出现电晕、主机死机、主机重启等, 这些效应现象均可自动恢复或通过人工重启恢复正常, 没有发生计算机系统有不可逆转的损坏现象.对于不同的场源, 产生效应现象的磁场强度不尽相同, 这与低频脉冲磁场的其他特性参数有关.

2.2 脉冲上升时间

表 5横向对比可以看出, 不同场源的扰乱效应阈值明显不同, 这种差异主要与脉冲上升时间相关, 分为三个层次.首先S1、S2和S3三种场源在一个层次上, 效应阈值比较接近, 均约为16 mT, 上升时间较大, 分别为30 μs、300 μs和90 μs, 虽然彼此之间最大相差一个数量级, 但磁感应强度效应阈值基本一样.从上升时间来看, S1场源具有更强的磁电感应效果, 但产生扰乱的磁感应强度仍与S2相同, 这说明这三种场源的上升时间差异对效应结果的影响相差不大, 而磁场强度影响相对较大.其次, S4和S5场源在同一个层次上, 分别具有20 μs和10 μs的快速上升时间, 虽然与S1的上升时间相差不大, 但阈值明显较低, 扰乱效应阈值约为10 mT左右.最后, S6为单匝线圈, 电感量较小, 因此具有更快的脉冲上升时间, 单独在一个层次上.单匝线圈磁场均匀性较差, 场强较弱, 位于其中的计算机有效受辐照面积相对较小, 为便于与其他场源对比, 本文取主机中心与线圈中心大致重合情况下的试验结果.

试验发现计算机系统对快沿脉冲磁场比较敏感, 显示器在5 mT的较小场强作用下就开始出现闪黑现象, 主机重启场强也偏小, 约19 mT, 但没有观察到打火现象.此种试验结果与文献[7]中的一些结果较为接近, 说明快沿脉冲磁场具有很强的扰乱效应.

2.3 脉冲宽度

试验中通过对RLC回路中电容C参数的调节, 调整了低频脉冲磁场的脉冲宽度, 在300 μs至1 ms的脉冲宽度变化过程中, 没有发现脉冲宽度对效应现象有明显影响, 这种试验结果与文献[7]的试验结果一致.

2.4 受试状态

对于表 4中计算机系统的各种受试状态, 逐一进行了试验.试验发现计算机壳体尖端产生电晕火花, 与主机重启、死机等同时发生, 而主机是否带有机壳(主机壳体有一侧不允许拆卸)、是否连接其他设备及主机与磁场相对方向等因素对效应现象没有明显影响, 即上述几种状态的效应现象相同.

2.5 笔记本计算机

从各种场源作用下效应现象来看, 笔记本计算机在场强较低情况下屏幕偶尔会出现闪烁现象, 在20 mT以上场强且脉冲上升时间较快情况下才出现较为频繁的闪烁现象, 对于S6场源, 没有发现笔记本产生效应现象.因此, 笔记本计算机明显比台式计算机更能承受低频脉冲磁场干扰.这种结果与文献[9]提到的笔记本电磁脉冲耐受能力较强的结论一致.

总体上, 本文试验结果因为场源参数特征处于周璧华、高成与张国宾所用场源参数之间, 试验结果也基本介于三者试验特征范围之间, 验证并发现了一些新的试验现象, 符合逻辑关系和理论预期.

3 低频脉冲磁场对计算机系统的作用机理分析 3.1 计算机基本特点分析

从现有相关研究成果及计算机结构组成特点可以预判, 计算机系统中对电磁场敏感的关键部件主要有硬盘、显卡、各种接口、主板、显示器等, 这些器件及接口的工作电压一般在DC48 V以下, 且5 V电平居多, 各种元器件和芯片以CMOS电路为主.计算机主机存在电源线、鼠标线、键盘线、内部各种数据线、电路板布线、壳体孔缝等电磁脉冲的多种耦合途径, 从理论上看比较容易受到毁伤.但从另一方面看, 目前常用电路基本都有保护器件或电路, 其最高耐受阈值(电压)可达额定工作电压的几十倍, 如某些输入端口额定电压5 V, 但其短时内承受最高电压可达200 V左右, 加上计算机金属壳体及其内部元器件自身壳体具有一定电磁防护作用, 因此计算机内部电子系统具有一定的电磁防护能力.

3.2 显示器闪黑现象分析

对于液晶显示器的闪黑现象, 本文也对显示器进行了单独的效应验证试验, 观察同样条件下显示器独立运行时的效应现象, 试验结果表明, 显示器对本文低频脉冲磁场不敏感, 即显示器闪黑的原因在于计算机主机主板或其显卡受到了干扰, 间接造成了显示器闪黑现象.

3.3 主机重启现象分析

对于主机重启现象, 从表 5中可以看出, 在不同的磁场强度及上升时间情况下, 主机基本均有重启现象, 同时在重启的同时, 多数情况下都能看到主机壳体尖端部位出现电晕现象, 部分炮次没有看到的原因应是观察角度或者电晕强度较小, 而电晕应是实际存在的.从理论分析和一些试验资料来看[10-11], 此种规模电晕的放电电压一般大于10 kV, 电晕辐射场上升时间约数ns左右, 其周边约20 cm的范围内电场强度非常高, 且分布于电晕发生区域周围.由于计算机机壳为采用压接、铆固或螺栓连接方式固定而成的组合六面体, 多个板面上存在数量不等的孔口和缝隙, 且板面之间的电连接性能较差, 因此电晕电场可通过缝隙和孔洞进入机壳内部, 即机壳内部也存在电晕电场.因此, 电晕可以造成二次干扰, 由此可以确定是壳体电晕现象造成了主机重启.产生电晕的原因是低频脉冲磁场在金属壳体上感应出涡流电荷, 电荷在壳体尖端累积到一定程度放电而形成电晕火花.这种现象说明了低频脉冲磁场破坏途径的多样性.从图 6利用Ansys软件的仿真结果可以看出, 金属壳体尖端处为磁场强度最大点, 此处容易累积电荷造成尖端放电现象, 这与试验结果及静电理论相符, 说明试验结果是准确、可靠的.

图 6 计算机主机壳体模型在脉冲场作用下的H分布图 Fig. 6 H distribution of computer host shell model under pulse magnetic field
3.4 机壳孔缝耦合影响分析

从整体上来看, 计算机主机尺寸在50 cm×40 cm×20 cm以内, 体积较小, 壳体厚度约1 mm, 机箱上孔缝尺寸较小, 孔洞口最大尺寸小于1 cm, 缝隙窄边最大不超过0.5 cm, 根据现有研究结果可知, 对于主频在5 kHz以下的低频脉冲磁场来说, 磁场本身穿透能力很强, 直接穿透进入屏蔽体内的磁场分量所占比重相对很大[12-13], 由孔缝耦合的场强分量相对很低, 另外, 试验中去掉一侧机壳的效应现象与带有完整机壳的效应现象基本相同.因此, 对于低频脉冲磁场直接作用于机壳孔缝的耦合效应可以不予考虑.但是, 孔缝的存在可为电晕电场进入机壳内部提供耦合途径, 而且孔缝的存在降低了机壳的电连续性, 这在一定程度上也是电晕形成的原因.综合上述分析, 效应现象与机壳的孔缝耦合有一定关系, 并主要体现在电晕电场的耦合效应上.

3.5 磁场直接辐照影响分析

由于计算机系统内有多种磁敏感器件由磁性材料、半导体等组成, 理论上低频磁场辐射可通过直接对磁性介质或运动电子产生作用而对其产生影响.但从试验效果来看, 与此相关的效应现象不是很多.结合已有研究成果来看, 计算机内所用磁性材料的剩磁一般在百mT以上, 本文场源的磁感应强度最大只有几十mT, 不足以对其产生明显影响, 张国宾等人的研究结果也在一定程度上说明了此点, 因此, 直接通过磁场辐射对磁性材料产生磁化作用进而影响计算机系统的效应现象应该没有.

3.6 磁电感应效应影响分析

对于磁电感应来说, 结合本试验系统低频磁场源参数和计算机主板上可能存在的闭合回路尺寸, 对于上升时间3 μs, 最大峰值25 mT的磁场来说, 在半径为0.15 m的单匝线圈中可利用峰升值[1]方法估算线圈感应电压约为3.14×0.152×(0.025÷0.000 003)=588.75 V, 电压较高, 超过计算机系统中多数器件的工作电压.而对于计算机来说, 主机内部、主板上都存在有大量线路, 不可避免地会形成一些环状线路, 而且匝数较多, 虽然经过壳体衰减, 但由这些环路感应的电压肯定会对计算机系统产生影响, 且影响程度还难以给出定量结果.

3.7 笔记本扰乱机理分析

笔记本计算机制作工艺较高, 架构设计更为精细, 整体尺寸较小, 边角部位连接更为严密, 外观上几乎不存在尖端结构.笔记本电源由自带电池和外接电源匹配器提供, 外围连接线缆较少.因此, 根据笔记本计算机效应现象和结构特点可以推断, 笔记本抗低频脉冲干扰能力较强, 试验中出现的闪烁现象应是主板设备受到干扰所致.

因此, 综合上述分析和试验现象, 低频脉冲磁场对计算机的作用效应主要由线缆磁电感应干扰电压和涡流效应引起的电晕电场干扰电压引起.

4 结论

在本文给出的试验条件下, 根据试验结果和理论分析, 并结合现有成果, 可以得出以下结论:

1) 计算机系统中台式机主机相对较易受到低频脉冲磁场干扰, 显示器和打印机对低频脉冲磁场不敏感; 主机效应现象与低频脉冲磁场的磁感应强度和上升时间关联明显, 扰乱阈值也因此不同, 磁场脉冲宽度、主机机壳完整性及其与磁场方向的相对关系等因素对效应现象没有明显影响.总体上, 现代计算机系统的电磁防护性能较强.

2) 笔记本计算机承受能力很强, 在较快上升时间和高场强脉冲磁场作用下, 显示屏会有闪烁现象, 但笔记本计算机不存在重启现象, 这应与其体积小、线缆少且短等因素有关.

3) 在本文所用场源中, 脉冲上升时间为数μs的脉冲磁场对计算机系统的扰乱阈值约为5 mT, 上升时间在10至20 μs的脉冲磁场的扰乱阈值为10 mT, 上升时间大于30 μs的脉冲磁场的扰乱阈值约为16 mT; 继续增加场强, 计算机系统没有发生不可逆转的毁伤现象.

4) 低频脉冲磁场对计算机的扰乱效应主要由线缆磁电感应干扰电压和涡流效应引起的电晕电场干扰电压引起.

5) 低频脉冲磁场破坏途径多样, 低频磁场的防护不仅要考虑其直接作用效果, 还要考虑其引起的间接效应, 如可形成电晕放电造成二次干扰.

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