De atoombom en de radioamateur
Velen van u zullen op TV de diverse films gezien hebben over de bommen op Heroshima en Nagasaki. Het is nu weer 40 jaar geleden dat ze vielen.
Sinds kort steekt het Star Wars, Sureka of SDI de kop op, wat ruwweg zeggen wil dat men tracht vroegtijdig een vijandelijk atoomwapen in de hogere luchtlagen tot ontploffing te brengen d.m.v. IBM's, minuteman's enz., alvorens deze doel treft.
Ik vond een artikel in QST geschreven door Dr Fisher, Nelson en Barnes, allen medewerkers van het Nationale Laboratorium van Oak Ridge Tennessee, dus niet de eerste de besten. In Oak Ridge is tijdens het Manhatten projekt in 1945 de eerste atoombom ontwikkeld, die op 6 mei 1945 op Heroshima is gedropt.
Laten we in het kort en zeer summier eens nagaan wat er zoal gebeurt met een kernexplosie in de hogere luchtlagen, de veroorzaker van EMP, de elektro magnetic puls. Als een kernbom in de hogere luchtlagen ontploft dan ontstaat een zeer groot elektro magnetisch veld of elektro magnetic puls, kortweg EMP genoemd. Deze EMP is in het verleden bij kernexplosies gemeten, o.a. Nevada, New Mexico, maar tot voor kort nog geheim gehouden door de militaire autoriteiten.
Het feit dat EMP op duizenden kilometers van de ontploffingshaard radio kommunikatie apparatuur vernielt is ook van belang voor de radioamateurs.
In Amerika wordt zeer vaak de hulp ingeroepen van amateurs om de autoriteiten te assisteren bij rampen, getuige de vele foto's in QST van amateurs met hun HT's en emergency-netten tijdens overstromingen, rampen enz. Deze hulp is zeker nodig bij een kernoorlog.
Wat is EMP?
Als men denkt aan kernexplosies, dan denkt men meestal aan de vernietigende uitwerking van de explosie zelf, b.v. de drukgolf, de verzengende hitte, de grondschok en de radioaktieve straling. De ingredienten van de EMP zijn de elektrische ladingen en stromen ten gevolge van de ontploffing. Deze worden veroorzaakt door de gammastraling. Dit zijn hoge energiestoten met een golflengte van 1020 Hertz. De energie is zo groot dat men deze uitdrukt in KeV of zelfs MeV (KeV is Kilo elektronen Volt). Wanneer een gammastraal een vrije atoom treft dan ontsnapt er een vrije elektron nit het atoom en verplaatst zich buitenwaarts van de ontploffing. Daar deze elektronen erg klein zijn, verplaatsen zij vaak sneller naar buiten dan de grotere positief geladen deeltjes van het atoom. Deze ladingafstoot is een elektrische stroom. Wat er nu gebeurt hangt in hoge mate af waar de ontploffing plaatsvindt. Als het dicht bij de aarde plaatsvindt (Heroshima enz.) dan zullen de gammastralen en de elektronen die de EMP veroorzaken geabsorbeerd worden in de onzichtbare atmosfeer.
De gammadeeltjes verliezen hun snelheid tijdens een botsing met een atoom. Het gammadeeltje is dan niet meer gevaarlijk. De uit het atoom geschoten atomen rekombineren vrij snel omdat de dichtheid van protonen groot is. Dus er ontstaat nauwelijks een elektronenstroom.
De ware katastrofe komt voort uit de ontploffing op grote hoogte, d.w.z. 50 km. Op deze hoogte is vrijwel geen lucht aanwezig om de gammastraling te absorberen. Deze heeft de vrije loop en er worden dan ook zeer grote stromen opgewekt doordat de elektronen niet zo snel rekombineren. De elektronen vervolgen hun weg richting aarde en komen in de atmosfeer terecht op zo'n 20 30 km hoogte. Het geheel gaat zich als een enorme paraplu-antenne gedragen en straalt zeer hoog energetische signalen naar de aarde. Het elektrisch veld bereikt waarden van 10-4 tot 105 Volt/meter in 10-8 sekonden of nog minder en dan nog gedurende 10-6 sekonden, in een flits dus. Binnen in de zone is de EMP erg intens, men bereikt al snel waarden van 105 Volt/ meter en magnetische velden van 100 gauss in 10-3 sekonden. Mens en materiaal hebben in deze zone meer te lijden van de ontploffing dan van de EMP. De intensiteit is voor de mens niet groot genoeg om kwaad te doen. Omdat het EM veld van zeer grote afstanden reikt en dus een groot verspreidingsgebied op aarde heeft, zal hij alles vernielen wat in zijn bereik ligt.
Waarom zou iemand belang hebben bij een ontploffing op zeer grote hoogte? (Heroshima ontplofte op 500 m). Men heeft anti-wapens ontwikkeld om gebruikt te worden boven de atmosfeer, omdat de atoombom ook boven de atmosfeer op ons afkomt. Maar wat gebeurt er? De raket raakt de kernkop, deze ontploft en veroorzaakt de gevreesde EMP, misschien is dit net de bedoeling van de tegenpartij. EMP is niet de bekende black-out, deze wordt veroorzaakt door een plaatselijk geïoniseerde lucht en uitval na de explosie. De black-out duurt van enkele minuten tot uren afhankelijk van de frequentie van de deeltjes. Black-out beschadigt onze radioapparatuur niet, dit is een geluk vooral als er kontinu radiokontakt vereist is.
Het effekt van EMP op radioapparaluur
Het ontstaan van EMP is erg moeilijk te begrijpen, het effekt beter. De geladen elektrische en magnetische velden welke geinduceerd worden veroorzaken stromen en spanningen in iedere geleider welke blootstaat aan deze velden. De grootte en richting van deze stromen en spanningen zijn vele malen groter dan die welke onze antenne treffen bij normaal gebruik. Immers de stromen en spanningen die onze antenne treffen zorgen voor de overdracht van signalen. U kunt nu wel raden wat er met onze apparatuur gebeurt.
Het meest op EMP lijkt direkte blikseminslag, zodat men zich kan wapenen tegen EMP op bijna dezelfde wijze als tegen de bliksem.
De ontstaantijd van EMP is 1000 maal korter dan die van bliksem, zodat "snelle reaktie onderdelen" nodig zijn. De EMP energie bereikt vele Joules (Watt-sekonde), net niet genoeg om draden te doen smelten maar wel genoeg om gevoelige komponenten in onze radiozendapparatuur te vernielen. Deze verbranden dus wel. Het is allen bekend dat enkele milliwatts de ingang kunnen opblazen, laat staan als er enkele Koules op los worden gelaten. Ook via voedingslijnen (220V) en telefoonlijnen komt de EMP binnen. Mogelijke onderdelen welke de geest geven zijn FET's, IC's, diodes, laagspannings C's, lampen, relais.
De velden waaruit de EMP bestaat zijn op zich ongevaarlijk, maar door aanraking is het mogelijk dat men geëlektrokuteerd wordt. Wie heeft tijdens een onweer nooit een klap gehad van de metalen knoppen van de transceiver. Vandaar dat een kernontploffing in de bovenste luchtlagen fatale gevolgen heeft voor alle radio- en telefoonverkeer over zeer grote afstanden.
Wat kunnen wij er tegen doen? Weinig! Tegen de bliksem is nog wel te beveiligen, maar de EMP is vele malen intensiever. Voor EMP zijn onze bliksembeveiligingen veel te traag. Toch is het aanbevelenswaardig om onderdrukkers in te bouwen in de antennes en de 220V voedingen. Een gas-gevulde diode doet het meestal wel. Gedurende WW2 werd de neonlamp veel toegepast van klein (BC3I2 - 348) tot groot (I kW transmitter). Er zijn professionele gasgevulde diodes te koop die in een coax T stuk zijn gebouwd en goed voor zo'n 300 Watt. Voor solid state apparatuur, dus bijna al onze transistor apparaten, past men gasgevulde "chamber" diodes toe. Experimenten hebben het nut van deze apparaten aangetoond.
Ikzelf ontkoppel mijn antennes van het coaxrelais, maar bij nader inzien zal bij direkte blikseminslag (een zachte vorm van EMP) de PL259 echt wel doorslaan of via het dielektrikum of via de maar 4 mm spatie tussen de centrale pen en de huls. In Amerika zijn firma's die zich hier speciaal mee bezighouden, alles verpakt in een T coax konnektor en niet duur. Fisher verkoopt een FCC 250 - 300 UHF met 1N3653 schakeldioden. Ook ITT levert deze dioden. In voedingslijnen past men gasgevulde "chamber" dioden toe van het fabrikaat Joslyn de Joslyn p/n 2301-07. Deze staat dan parallel aan een metaaloxide varistor, b.v. GE V130 la 10A. Deze schakeling komt tussen de 220V en het chassis. Hij wordt in hetzelfde stopkontakt gestoken als de voeding voor onze apparatuur. Fisher maakt komplete sets onder nummer FCC120P. In de USA kosten deze spullen maar $ 40, dit is ongeveer ƒ 120,-.
Hier zijn de adressen: FCC - Fisher Custom Communications, PO Box 581, Manhalten Beach California 90266 USA. Joslyn - Joslyn Electronic Systems, PO Box 817, Goleta California 93017 USA. GE (General Electronics) maakt de metaal oxide varistors.De firma Drake maakt ook goede bliksembeveiligingen met verwisselbare patronen (hierin zit de gasgevulde diode de 1N3653). Het Drake-nummer is ML 1549.
Ik hoop hiermee een tip van de EMP- resp. bliksemsluier te hebben opgelicht.
Het verdient aanbeveling zich in ieder geval tegen blikseminslag te wapenen, het liefst tegen de direkte blikseminslag.
Enkele grafieken en schema's
In figuur 1a zien we wat er gebeurt bij direkte blikseminslag en EMP. Grote pulsen die direkt onze apparatuur vernielen.
In figuur 1b zien we hetzelfde maar nu met een bliksembeveiliging.
In figuur 1c is een EMP beveiliging toegepast. De hoge energiepuls wordt gereduceerd en daarna weer onderdrukt.
Figuur 1d is met een hybride beveiliging. (Hybride betekent uit heterogene onderdelen bestaande.)
Figuur 2 is het schema van de Fisher FCC 250 - 330 UHF. Het gearceerde deel zit in de T coax konnektor.
Fig. 2. Hybrid gasgevulde buis en diode beveiliging
Figuur 3 is het schema van de Fisher FCC 450 seriebeveiliging plus de FCC 250. Het gearceerde deel zit weer in de T coax konnektor.
Fig. 3. Hybrid gasgevulde buis FCC 450 serie beveiliging
Literatuur
- QST
- ARRL Handboek
- Natuur en Techniek: Energie uit atoomkernen
PE1KEY, A.W. de Herder.