Застосування трикотажної технології для виготовлення електромагнітних екранів

Застосування трикотажної технології для виготовлення електромагнітних екранів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КПІ»

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

КАФЕДРА ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ

Реферат

з дисципліни «Методи та засоби технічного захисту інформації»

тема: «Застосування трикотажної технології для виготовлення електромагнітних екранів»

Перевірив: Виконав:

Шутовський В.О. студент групи ФЕ-01

Климончук І.С.

КИЇВ - 2013

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА ПОЗНАЧЕНЬ

ВСТУП

ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ЕКРАНІВ

ЕКРАНИ НА ОСНОВІ ТРИКОТАЖНИХ ПОЛОТЕН     

ПОРІВНЯННЯ РІЗНИХ ТИПІВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ЕКРАНІВ

ВИСНОВКИ

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

електромагнітний екран волокнистий полотно

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА ПОЗНАЧЕНЬ

ТЗПІ - Технічні засоби передачі інформації

АТС - Автоматична телефонна станція

ПЕМВ - Побічні електромагнітні випромінювання

ЕМХ - Електромагнітні хвилі

ЕМВ - Електромагнітне випромінювання

ЕМП - Електромагнітне поле

НВЧ - Над високі частоти

ВСТУП

Під технічними засобами прийому, обробки, зберігання та передачі інформації (ТЗПІ) розуміють технічні засоби, які безпосередньо обробляють конфіденційну інформацію. До таких засобів відносяться: електронно-обчислювальна техніка, режимні АТС, системи оперативно-командного та гучномовного зв'язку, системи звукопідсилення, звукового супроводу і звукозапису і т.д.

Носієм інформації у даних пристроях є електричний струм, параметри якого (сила струму, напруга, частота і фаза) змінюються за законом інформаційного сигналу. Під час проходження електричного струму по струмоведучих елементах ТЗПІ навколо них (у навколишньому просторі) виникає електричне і магнітне поле. Виходячи з цього, елементи ТЗПІ можна розглядати як випромінювачі електромагнітного поля, модульованого за законом зміни інформаційного сигналу. [1]

Небажане інформаційне електромагнітне випромінювання, що виникає в результаті нелінійних процесів в електричних ланцюгах при обробці інформації технічними засобами і призводить до витоку інформації називається побічним електромагнітним випромінюванням (ПЕМВ) [2]

В результаті таких випромінювань з'являється один із найбільш небезпечних каналів витоку інформації, який ще часто називають електромагнітним. [3]

У зарубіжній літературі замість терміна ПЕМВ використовуються терміни "compromising emanations" (компрометуючі випромінювання) або TEMPEST (скорочення від "transient electromagnetic pulse emanation standard" - стандарт електромагнітних імпульсних випромінювань, викликаних перехідними процесами в електронній апаратурі).

Крім небезпеки витоку інформації небажані електромагніні випромінювання становлять біологічний вплив на організм людини а також є демаскуючим фактором роботи інформаційних пристоїв.

Ефективним методом зниження рівня ПЕМВ є екранування їх джерел.

При розробці конструкцій екранів або поглиначів електромагнітних хвиль (ЕМХ) використовуються різні матеріали, що володіють здатністю відбивати або поглинати ЕМХ в певному діапазоні частот. Слід зазначити, що в природі не існує ні ідеально відбиваючих, ні ідеально поглинаючих електромагнітну енергію матеріалів, тому придушення ЕМВ найчастіше забезпечується за рахунок обох процесів. Здатність середовища поглинати ЕМВ визначається її електричними і магнітними властивостями, до яких відносяться питома електропровідність, діелектрична і магнітна проникності. Ці характеристики використовуються при описі процесу поширення ЕМХ і в загальному випадку є нелінійними, тензорними, комплексними величинами. Поглинання електромагнітної енергії відбувається за рахунок діелектричних, магнітних втрат і втрат на провідність, які намагаються максимізувати для досягнення максимуму ефективності екранування. Відбивання ЕМХ відбувається на будь-яких неоднорідностях в матеріалі, а при конструюванні екранів визначається відмінністю хвильових опорів середовища поширення хвилі і екрану.[4]

Складний механізм поширення ЕМХ і поглинання ЕМВ, а також технологічні складнощі синтезу матеріалів з наперед заданими електромагнітними властивостями в широкому діапазоні частот зумовлюють велику різноманітність існуючих екранів.

ОСНОВНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ ЕКРАНІВ

Екрани виготовляють з найрізноманітніших матеріалів: металів, сплавів, магнітних матеріалів, вуглецю, полімерів, шунгітових порід, смол, пластмас, кераміки, композиційних волокон тощо, використовуючи складні конструкції, в яких часто поєднуються різні види матеріалів.

До радіовідбиваючих матеріалів відносяться різні метали: найчастіше залізо, сталь, мідь, латунь, алюміній. Металеві екрани відомі вже давно і широко використовуються. Вони відрізняються високою ефективністю на радіочастотах, яка збільшується при підвищенні частоти падаючого ЕМВ, і технологічно виконуються у вигляді суцільних і перфорованих листів, сіток, грат, трубок і можуть бути нанесені у вигляді тонкоплівкових покриттів. Екрануючі властивості листового металу вище, ніж сітки, сітка ж зручніша в конструктивному відношенні, особливо при екранування оглядових і вентиляційних отворів, вікон, дверей і т.д. Захисні властивості сітки залежать від величини комірки і товщини дроту: зі зменшенням величини комірок і збільшенням товщини дроту підвищуються її захисні властивості.

Однак металеві екрани володіють одним істотним недоліком, пов'язаним з їх високою електропровідністю: високим коефіцієнтом відбиття, зумовленим великими відмінностями хвильового опору простору та екрану. Крім того, ефективність таких екранів сильно залежить від якості і надійності монтажу електричних контактів, при порушенні яких з'являються області перевипромінювання ЕМХ. У свою чергу, ефективність перфорованих і сітчастих екранів падає з підвищенням частоти, що також обмежує область їх застосування.

Для екранування ЕМП за рахунок відбивання ЕМХ можуть застосовуватися й інші провідники, такі, як вуглецеві волокна, провідні полімери і т.д. Недоліки таких екранів аналогічні до недоліків екранів, виготовлених з металів і сплавів [4].

Слід зазначити, що в більшості випадків для забезпечення необхідних коефіцієнтів відбиття і придушення ЕМХ потрібно жорстка фіксація конструкції екрану, причому його параметри критично залежать від формостійкості конструкції і способу монтажу. Окремим класом виділяються гнучкі конструкції електромагнітних екранів, для виготовлення яких повинні використовуватися матеріали, що володіють, крім заданих електромагнітних властивостей, ще й певними механічними характеристиками. Гнучкість конструкції найчастіше забезпечується за рахунок використання гнучкої основих, у той час як придушення ЕМВ відбувається за рахунок взаємодії випромінювання з матеріалом наповнювача. Особливий інтерес представляє використання волокнистих матеріалів, що відрізняються, з одного боку, поліпшеними механічними характеристиками і гнучкістю, а з іншого - дозволяють реалізувати більш високу ефективність поглинання за рахунок використання особливостей поширення ЕМХ в волокнистих середовищах. Останні розробки в області конструювання гнучких електромагнітних екранів і поглиначів ЕМВ, засновані на використанні устаткування легкої промисловості, показали їх перспективність і високу ефективність у НВЧ діапазоні [4].

ЕКРАНИ НА ОСНОВІ ТРИКОТАЖНИХ ПОЛОТЕН

При конструюванні і виготовленні екранів з волокнистих матеріалів безперечною перевагою є висока технологічність таких виробів, яка спільно з високою продуктивністю сучасного в'язального обладнання і відносно невисокою вартістю як вихідної сировини, так і процесу виробництва, обумовлює перспективність використання технології машинного в'язання полотен (трикотажу) для створення гнучких конструкцій екранів і поглиначів ЕМВ. Особливості трикотажної технології дозволяють створювати конструкції з підвищеною міцністю, зносостійкістю, повітропроникністю і іншими технологічними та експлуатаційними перевагами. Готове полотно утворюється з'єднанням петель, отриманих з ниток. Вид переплетення трикотажу визначається формою, розмірами, розташуванням петель і зв'язками між ними і є одним з найбільш істотних факторів, що характеризують структуру трикотажу і його властивості. Від виду переплетення залежать міцність, розтяжність, пружність, товщина, вага полотна і ряд інших механічних і фізичних його властивостей. Переплетення поділяються на дві великі групи з розподілу нитки в полотні: основовязаний, коли нитка прокладається уздовж петельного стовпчика, і кругловязаний (кулірний), коли нитка прокладається уздовж петельного ряду (рис. 1). Кожен із способів створення полотна має свої недоліки і переваги і підбирається в залежності від вимог, що пред'являються до готового виробу.

Рис 1. Види переплетення трикотажу: а - основовязане, б - кругловязане

Трикотажна технологія характеризується великою різноманітністю можливих переплетень, що дозволяють створювати полотна з об'ємними і просторово-розподіленими малюнками в широкому інтервалі розмірів і товщини. Переваги технології машинного в'язання полягає в можливості формування певної просторової структури в єдиному технологічному циклі, в той час коли для тканих або нетканих полотен необхідне введення додаткових технологічних операцій.

Одним з найбільш широко поширених технологічних рішень створення гнучких електромагнітних екранів і захисного одягу є використання в структурі полотен матеріалів, що володіють високою провідністю і ефективністю екранування: металів. Металеві рисунки можуть формуватися різними способами, такими, як використання металевих порошків, дисперсних металовмісних паст, фарб і т.д., однак найбільш простий метод виготовлення екранують матеріалів - формування провідних структур за допомогою металевих провідників у вигляді комплексних ниток (рис. 2) або мікродроту.

Рисунок 2. Отримання комплексної нитки введенням мікродроту

Просторова конфігурація проводить матеріалу в полотні формується прокладанням його замість однієї або декількох ниток, заправлених у нітеводи трикотажної в'язальної машини. Цей спосіб використовується для виготовлення повністю металевих сіток, які застосовуються в якості відбиваючих елементів конструкцій екранів, а також антенної техніки, однак такі конструкції недовговічні при багаторазовому згинанні.

При дослідженні таких полотен встановлено, що трикотажні полотна з мікропроводом придушують ЕМВ радіочастотного діапазону в основному за рахунок відбивання електричної складової електромагнітного поля, що відповідає теоретичним уявленням про принцип дії сітчастих металевих екранів.

Максимальне значення ефективності екранування в радіочастотному діапазоні не перевищує 30 дБ (рис. 3) незалежно від матеріалу використовуваного мікродроту, а застосування таких матеріалів обмежено досить вузькою смугою робочих частот, в якій характеристики досить стабільні.

Рисунок 3. Ефективність экранов на основі полотен з металічного провода

На НВЧ значний вплив починають надавати геометричні розміри комірок у сітці і заповненість її металевим матеріалом. При наближенні довжини хвилі до розмірів отворів в екрані кожен з них стає випромінювачем, а ефективність сітки прямує до нуля. При цьому підвищення щільності сіток (зменшення розмірів проміжків між провідниками) дозволяє збільшити ефективність екранування, проте призводить до підвищеної матеріалоємності і погіршує механічні характеристики екранів.

Найбільш критичним параметром, що визначає екрануючі характеристики полотен з мікродротом, є технологія формування металевого малюнка [5]. При формуванні малюнка з металевої нитки або мікродроту шляхом пров'язування їх спільно з асистуючої ниткою з синтетичного волокна зносостійкість і гнучкість трикотажних полотен значно збільшуються, однак це негативно позначається на ефективності таких екранів (рис. 4). При збільшенні частоти ефективність таких полотен знижується і застосування трикотажних екранів з сітчастою провідною структурою обмежена

Рисунок 4. Залежність амплітудно-частотної характеристики ефективності екранів від будови полотна: 1 - мікродріт пров'язаний спільно з ниткою; 2 - мікродріт без асистуючої нитки

Наприклад, бавовняна екрануюча тканина з наноструктурних феромагнітним мікродротом, що випускається ВАТ «ЦКБ РМ», має коефіцієнт екранування електромагнітного поля в діапазоні 30 МГц - 1 ГГц від 15 до 40 дБ в залежності від кількості використаного на-ноструктурного феромагнітного мікродроту на 1 см2. Можлива ширина полотна від 90 см до 1,75 м. Щільність переплетення - від марлевої тканини до полотна [6].

Отримати структури і покриття на поверхні волокнистих матеріалів можна також за допомогою технології вакуумного розпилення матеріалів [4] нанесення металевого покриття на тканини, виконані з полімерних, базальтових, скляних, кремнеземних, графітових ниток. При цьому методі на поверхні тканини осідає тонка плівка нікелю або сплаву нікелю з залізом і іншими металами товщиною в декілька мкм.

Після металізації тканина зберігає текстильні характеристики: гнучкість, повітропроникність, що дозволяє її зшивати, склеювати, паяти.

Процеси іонно-променевого та іонно-стимульованого магнетронного розпилення є найбільш перспективними, оскільки дозволяють отримувати покриття з металів, сплавів і діелектриків з високою адгезією покриття до підкладки при малих температурних навантаженнях.

Електромагнітні властивості гнучких екранів на трикотажній основі залежать від товщини слою напилення, матеріалу та технології напилення, матеріалу підложки.

При дослідженні екрануючих властивостей трикотажних полотен комбінованого переплетення ластик-гладь, на лицьову сторону яких було нанесено покриття, що містить тонкі шари нікелю, було виявлено зменшення коефіцієнта відбиття матеріалів при падінні ЕМВ з ненапиленого боку полотна. Встановлено, що при використанні такої конструкції екран відбиває в середньому в 1,4 рази менше електромагнітної енергії, ніж у випадку встановлення трикотажного полотна напиленою стороною до джерела (рис. 5). При цьому зазначено, що ефективність такого екрану підвищується неістотно в порівнянні з падінням електромагнітної хвилі на лицьову сторону полотна.

Рисунок 5. Коефіцієнт відбиття машинно-в'язаних полотен з нікелевим покриттям, отриманий методом вакуумного розпилення

У діапазоні нижніх частот такі екрани мають низьку ефективність, пов'язану з тим, що товщина нанесеного покриття набагато менша, ніж поверхневий шар, тому суцільні тонкі плівки тільки частково відбивають електричну складову ЕМВ. У цьому випадку опір покриттів великий, вони не проявляють магнітних властивостей, завдяки чому не створюється великої різниці характеристичних опорів вільного простору і матеріалу екрана, але відповідно зменшується ефективність. Такі екрани виявляються ефективними в НВЧ діапазоні на частотах, що перевищують кілька ГГц.

Як приклад таких тканин можна привести металізовані тканини «Метакрон» і «Восход» [7, 8].

Металізована тканина «Метакрон» виготовляється хіміко-гальванічним методом, що забезпечує суцільне двостороннє никелевое або нікелево-мідне покриття матеріалу товщиною від 1 до 12 мкм відповідно. Металізації зазначеним методом можуть піддаватися різні види тканин, у тому числі поліефірна, поліамідна, арамідна, кевлар, фінелон, базальтова, графітова, склотканина, бавовна [7].

Коефіцієнт екранування інфрачервоного випромінювання в діапазоні довжин хвиль 2-14 мкм знаходиться в межах 0,4-0,65. Електричний опір тканини (по поверхні) від 0,002 до 0,4 Ом/см2. Маса 1 м2 тканини становить від 60 до 300 гр, залежно від типу тканини.

Тканини призначені для експлуатації при температурі навколишнього середовища від - 40 ° С до +65 ° С і відносній вологості до 95%.

Тканини «Метакрон» мають високу відбивну здатність (понад 99,99%) в діапазоні неіонізуючих електромагнітних випромінювань. Для тканини з Ni-покриттям товщиною 10 мкм ослаблення електромагнітного поля в діапазоні частот 1 МГц 10 ГГц складає від 80 до 100 дБ, з товщиною покриття 5 мкм - від 50 до 80 дБ. Ослаблення магнітного поля в діапазоні частот 0,1 30 МГц становить від 5 до 60 дБ. Зовнішній вигляд тканин типу «Метакрон» показаний на рис. 6.

Рисунок 6. Зовнішній вигляд тканин типу «метакрон»

Металізована тканина «Восход» являє собою ткану основу, покриту декількома шарами різних металів. Загальна товщина покриттів складає 4-6 мкм. Вага 1 м2 тканини становить до 240 г. Тканина має світлопроникність 43%.

Електричний опір (по поверхні) тканини становить по мідному покриттю 0,002 Ом/см2, по нікелевому від 0,1 до 0,6 Ом/см2. Ослаблення електричного поля в діапазоні частот 0,1-30 МГц становить від 70 до 100 дБ, а магнітного від 5 до 50 дБ. Ослаблення електромагнітного поля в діапазоні 30-12000 МГц становить від 60 до 80 дБ.

Розроблені також багатошарові конструкції радіопоглинаючих покриттів, де в якості узгоджувального шару виступає трикотажне полотно, що володіє найбільш низьким коефіцієнтом відображення і краще узгоджене з середовищем поширення ЕМВ. Робочим шаром є полотно з високою електропровідністю і ефективністю придушення ЕМВ. Для підвищення загальної ефективності конструкції додатково може вводитися відбиваючий шар, який повертає пройдене через екран випромінювання. При цьому відбита від останнього шару енергія додатково поглинається в робочому і узгоджуючому шарах.

ПОРІВНЯННЯ РІЗНИХ ТИПІВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ЕКРАНІВ

Коефіцієнти екранування деяких матеріалів наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Коефіцієнти екранування деяких матеріалів

Таблиця 1. Коефіцієнти екранування деяких матеріалів

Виходячи з екрануючої здатності, вартості матеріалу і простоти виготовлення переваги на боці екранування приміщення з листової сталі. Однак при застосуванні сітчастого екрану можуть значно спроститися питання вентиляції та освітлення приміщення. У зв'язку з цим знаходять широке застосування металеві сітки, а також гнучкі тканинні матеріали, які мають набагато вищу технологічність і гнучкість, зносостійкість та антикорозійні властивості. Оскільки трикотажні матеріали, на відміну від металічних листів та фольги, пропускають повітря і вологу, з них виготовляють одяг, що захищає від електромагнітних випромінювань, крім того вони мають кращу естетичність, а екрани, виготовлені з застосуванням трикотажнх технологій, менш помітні у захищених приміщеннях, наприклад металізовані штори, жалюзі тощо. Ще одним недоліком гнучких трикотажних екранів є екранування обмеженого діапазону частот.

ВИСНОВКИ

Основним завданням електромагнітного екранування в галузі технічного захисту інформації є захист від побічних електромагнітних випромінювань і наведень. В багатьох випадках при конструюванні екранів неможливо використати жорсткі металеві або сітчаті екрани через складність у встановленні, великий коефіцієнт відбиття, незручність у використанні чи неестетичність. Ось чому зараз інтенсивно досліджуються нові технології виготовлення гнучких екранів, серед яких перспективну галузь становлять трикотажні технології, основні з яких розглянуті в даному рефераті. Використовуються як трикотажні полотна, в'язані цілком з мікродроту, так і комбіновані тканини, в яких мікродріт покладений на асистуючу нитку, що дає виграш у гнічкості і міцності, але програш у екрануючих властивостях. Також виготовляються екрани за допомогою напилення на тканину слою металу товщиною 3-12 мкм та багатослойні конструкції.

Екрани, виготовлені за в'язальною технологією мають високу технологічність, відносно невисоку вартість, високу міцність, зносостійкість та дозволяють застосувати різноманітні матеріали та їх комбінації. За допомогою даних технологій розроблені матеріали, такі як "Метакрон" та "Восход", які мають екрануючу здатність 70-100 дБ в діапазоні високих частот та 5-60 дБ в діапазоні середніх частот. Звичайний покупець може придбати одяг, виготовлений з подібних тканин, або самі тканини в рулонах.

В результаті порівняння екрануючих властивостей різних типів екранів було виявлено, що екрануючі властивості еранів на основі трикотажної технології на порядок гірші, ніж екранів з листової сталі чи фольги, проте вони мають кращу технологічність та високу ефективність на НВЧ.

Гнучкі електромагнітні екрани знаходять широке застосування не тільки для "класичних" цілей придушення небажаних випромінювань електронної техніки, а також актуальні і в інших областях, таких, як екологічний захист живих організмів від шкідливого впливу електромагнітного випромінювання, створення одягу та накидок спеціального призначення, придушення електромагнітного каналу витоку інформації та захист пристроїв обробки інформації від електромагнітного впливу. Окремим напрямком є використання таких матеріалів у військовій справі при конструюванні і модернізації виробів електроніки, а також для зниження помітності об'єктів і підвищення їх перешкодозахищеності. Особлива увага приділяється використанню екранів та радіопоглиначів в конструкціях авіаційної техніки, надводних і підводних кораблів, де велика кількість електронної апаратури сконцентрована на обмеженій площі судна. Актуальною проблемою в даний час є електромагнітне маскування наземних об'єктів за допомогою матеріалів, здатних знизити дальність виявлення рухомих і нерухомих радіолокаційних цілей у широкому діапазоні частот, включаючи оптичний, інфрачервоний і радіочастотний. Використання волокнистих матеріалів дозволяє реалізувати нові оригінальні пристрої та конструкції, що не мають аналогів у світовій практиці. [9]

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Бузов Г.А. , Калинин С.В. , Кондратьев А.В. Защита от утечки информации по техническим каналам: учебное пособие. - М.: Горяч.Линия-Телеком, 2005 - 416с.

. Домарев В. В. Безопасность информационных технологий. Методология создания систем защиты. - К.: ООО «ТИД «ДС», 2001. - С. 612-665.

. Хорев А.А. Способы и средства защиты информации. - М.,2000. 316 с.

. Лыньков Л.М., Богуш В.А., Глыбин В.П. и др. Гибкие конструкции экранов электромагнитного излучения - Мн., 2000. 284 с.

. Лыньков Л.М., Богуш В.А., Титович Н.А., Петрова В.А. // Изв. Бел. инж. акад. 1997. № 1(3)/3. С. 253-255

. Экранирующие материалы для защиты от электромагнитных излучений и решения проблем электромагнитной совместимости. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ckbrm.ru/index.php?products=64

. Металлизированная ткань «Метакрон». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.metakron.ru/kat.htm

. СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)». [Електронний ресурс]. - Режим доступУ: http://www.vrednost.ru/224218055.php.