DOW-UAP-D121: טכנולוגיית מקורות מיקרוגל פולסיים בהספק גבוה - בידוד, מתגים, קתודות ואנטנות לנשק אנרגיה מכוונת

קובץ: DOW-UAP-D121_AAWSAP-DIRD-Pulsed-High-Power-Microwave-Source-Technology-January-28-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), המנהלה לניתוח; הופק במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-0912-005 תאריך: 28 בינואר 2010 (ICOD, תאריך סגירת המידע: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כאשר הסייג "לשימוש רשמי בלבד" מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 37 VIRIN: 260918-D-D0360-1110 שחרור PURSUE: 6

תקציר

ה-DIRD הזה הוא מדריך של מהנדס לבניית מקורות מיקרוגל פולסיים בהספק גבוה (high-power microwave, HPM), כלומר התקנים המקרינים פולסים אלקטרומגנטיים קצרים ועזים מאוד כדי לשבש או להשמיד אלקטרוניקה. הוא הוכן באגף תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית ב-DIA. המחבר מופיע רק בכינוי "AAP Person 64", והערה מנהלית מפנה הערות ושאלות אל "AAP Person 1", "מנהל תוכנית AAWSA", בכתובת ה-DIA: "ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100" (עמוד 2). הוא נושא את התאריך 28 בינואר 2010, ותאריך סגירת המידע שלו הוא 1 בדצמבר 2009.

הטקסט משתרע על 29 עמודים ממוספרים. תקציר בן שלושה עמודים מציג את ההיגיון הצבאי, ואחריו באים הפרקים "טכנולוגיות קריטיות" (בידוד, חומרי קתודה, מיתוג מתח גבוה), "מקורות פולסי מתח גבוה", "מקורות HPM פולסיים", "אנטנות HPM" ומסקנה בת פסקה אחת. יש בו 13 איורים (ובהם תצלומים של מתקן הניסוי Orion, של מערכת Active Denial ושל המקור Jolt) ושלוש טבלאות נתונים.

המסמך נקרא כמו מדריך מעבדה: הוא מלא במתחים, בזמני עלייה ובטיפים מעשיים. הוא משרת את תחום הטכנולוגיה "חימוש" שבמסמך יעדי התוכנית (DOW-UAP-D110), החומר שבו על הספק פולסי נוגע גם ב"ייצור אנרגיה", ותיאור מערכת Active Denial נוגע ב"השפעות על האדם". הוא אינו מזכיר עב"מים או UAP כלל.

מאמר מחקר

מ-Starfish Prime ועד "פצצת האלקטרוניקה"

התקציר נפתח בהיסטוריה. העניין התחיל בפולס האלקטרומגנטי בגובה רב (HEMP) שיוצרים פיצוצים גרעיניים, שהשפעותיו "became fully known in 1962, when a high-altitude nuclear test (codenamed 'Starfish Prime') over the Pacific Ocean disrupted radio stations and electronic equipment 800 miles away in Hawaii" (נודעו במלואן ב-1962, כאשר ניסוי גרעיני בגובה רב, בשם הקוד Starfish Prime, מעל האוקיינוס השקט שיבש תחנות רדיו וציוד אלקטרוני במרחק 800 מייל בהוואי; עמוד 6). שדות ה-HEMP נמדדו ברמה של "כמה מאות קילו-וולט למטר" עם זמני עלייה של ננו-שניות ספורות. הניסויים בשנות השישים והשבעים הובילו לתוכניות לשחזר השפעות כאלה "without requiring a nuclear detonation" (בלי צורך בפיצוץ גרעיני), ולפי המסמך זה היה "the impetus for the advancement of pulsed HPM technologies for weapons" (הדחף לקידום טכנולוגיות HPM פולסיות לנשק).

אחר כך בא מסגור האיום. בניגוד ל-HEMP, נשק HPM "are smaller in scale, involve a much lower level of technology, and are within the capability of almost any state" (קטן יותר בהיקפו, כרוך ברמה טכנולוגית נמוכה בהרבה, ונמצא בהישג ידה של כמעט כל מדינה), ועלותו הנמוכה ופגיעות האלקטרוניקה האמריקאית "could make small-scale HPM weapons attractive to terrorist groups" (עשויות להפוך נשק HPM בקנה מידה קטן למושך בעיני ארגוני טרור; עמוד 6). מקורות שנבנו ללוחמה אלקטרונית התקפית, "what is referred to by the media as an 'ebomb'" (מה שהתקשורת מכנה "פצצת אלקטרוניקה"), מספקים הספקי שיא של יותר מ-10 גיגה-וואט. כדוגמה מביא המסמך דיווח שלפיו ב-28 במאי 2001 מסוק Comanche אמריקאי (באיות "Commanche" בטקסט), שביצע ניסויים בנשק HPM במדינת ניו יורק, יצר פולס ששיבש את מערכות ה-GPS המשמשות להנחתת מטוסים מסחריים באולבני (עמוד 7). המסמך אינו מציין מקור לדיווח זה.

הפיזיקה של שריפת שבב

הקטע האנליטי ביותר מסביר מדוע סוגים כה שונים של מקורות יכולים כולם לגרום נזק. צמתים במוליכים למחצה נכשלים תרמית מעל כ-600 קלווין. בפולסים קצרים מכ-100 ננו-שניות החום אינו מספיק להתפזר, ולכן הספק סף הנזק משתנה כמו 1/t. בין 100 ננו-שניות ל-10 מיקרו-שניות הוא משתנה כמו 1/t^1/2, ובפולסים ארוכים יותר נדרש הספק קבוע (הטקסט אומר שדרישת ההספק "scales as t", וככל הנראה הכוונה לאנרגיה). המסקנה: "short pulses require very high power but little energy, while very long pulses require large amounts of energy but little power" (פולסים קצרים דורשים הספק גבוה מאוד אך מעט אנרגיה, ופולסים ארוכים מאוד דורשים כמויות אנרגיה גדולות אך מעט הספק; עמוד 7). אם הפולסים חוזרים בתדירות גבוהה מפעם במילי-שנייה בערך, החום מצטבר ביניהם, ולכן "the PRR capability is of extreme importance for any HPM source" (יכולת קצב חזרת הפולסים חשובה ביותר לכל מקור HPM; עמוד 8).

באותם עמודים מצוינות שלוש מגבלות מעשיות. הנכסים הנבדקים כוללים "those of friend and foe alike" (של ידיד ואויב כאחד). פגיעה בכוחות עצמיים היא סיכון ממשי: "Preventing harm to friendly assets is difficult and is a major reason why HPM has rarely been employed in actual battlefield settings" (קשה למנוע פגיעה בנכסים ידידותיים, וזו סיבה מרכזית לכך ש-HPM הופעל רק לעתים רחוקות בשדה קרב של ממש). והמקורות קשים לגילוי, משום שהפולסים נמשכים 1 עד 500 ננו-שניות, הצרורות בדרך כלל קצרים מ-10 שניות, ולמקורות בפס רחב במיוחד (UWB) יש "nearly zero energy at any one frequency" (אנרגיה כמעט אפסית בכל תדר בודד), כך שמנתחי ספקטרום יחמיצו אותם (עמוד 8).

טכנולוגיות קריטיות: בידוד וקתודות

המחבר טוען שהבידוד קובע לעתים קרובות את גודלה ואת מגבלותיה של מערכת, ושרוב נתוני הדיאלקטריים שפורסמו נמדדו עבור תעשיית החשמל ב-50 או 60 הרץ, כך ש"it is often up to diligent engineers to obtain materials data on their own" (לעתים קרובות נותר למהנדסים חרוצים להשיג בעצמם נתוני חומרים; עמוד 9). טבלה 1 מציגה את חוזק הפריצה של עשרה פלסטיקים, מ-7.5 קילו-וולט למיל בפוליסולפון (Ultrason S) ועד 0.4 קילו-וולט למיל בפוליפנילן סולפיד (Ryton). שכבות דקות חזקות בהרבה משכבות עבות: פוליפרופילן עומד ב-7,000 וולט למיל בעובי חצי מיל, אך רק ב-900 וולט למיל בעובי שמינית אינץ'. תופעה זו היא שמאפשרת בידוד שכבתי (עמוד 10). המסמך מתעד שבתחילת שנות השמונים אמרו יצרני פלסטיק למעבדות סנדיה שהם "could engineer plastics to meet any set of material properties desired" (יכולים להנדס פלסטיק שיעמוד בכל מערך תכונות רצוי), דבר שהתברר כלא נכון, וש"virtually no new plastics are being introduced today" (כמעט אין כיום פלסטיקים חדשים שנכנסים לשוק).

גם פרטים מעשיים אחרים מופיעים. האפוקסים הטובים ביותר ליציקה הגיעו מהמאמץ של תעשיית הרכב להכניס סליל הצתה לכל כיפת מצת; לחלקם "have the viscosity of milk at about 100 degrees Fahrenheit" (צמיגות של חלב בכ-100 מעלות פרנהייט), והם מגיעים ליותר מ-4 קילו-וולט למיל בעובי 0.125 אינץ' (עמודים 11-12). טבלה 2 משווה גזים לאוויר: גופרית הקספלואוריד היא הגז האלקטרושלילי היחיד מבין הנפוצים, ומימן חזק רק ב-65 אחוזים מאוויר, אך הוא הגז היחיד המאפשר קצבי חזרה מעבר ל-500 עד 600 פולסים לשנייה (עמוד 13). שכבות פלסטיק-נייר-שמן עם שמן Shell Diala AX הגיעו ליותר מ-2.1 קילו-וולט למיל ול-1.3 מגה-וולט, ו"הצרה דיאלקטרית" (dielectric tapering) בעזרת ציפויים יכולה להפחית את מאמץ השדה המרבי ב-50 אחוזים (עמודים 14-15).

בנושא הקתודות המסמך מציג את חוק צ'יילד-לנגמיור (Child-Langmuir) לגבול מטען המרחב, ומצטט את רשימת התכונות של הקתודה האידיאלית מספרו של J. R. Pierce מ-1946 (פולטת בחופשיות, בשפע, לנצח ובאחידות), ומציין שרשימת המשאלות "has not changed much in more than 60 years" (לא השתנתה הרבה ביותר מ-60 שנה; עמוד 16). קטיפה (velvet), תקן הפליטה הנפיצה זה 20 שנה, מתחילה לפלוט בכ-10 קילו-וולט לס"מ, אך פולטת גזים, מחזיקה "only about 100 shots" (רק כ-100 יריות) בחלק מהסוגים ואינה ניתנת לשחזור "even between one roll and the next" (אפילו בין גליל אחד לבא אחריו; עמוד 17). בקתודות פחמן הפער נסגר במהירות של 2 עד 2.5 ס"מ למיקרו-שנייה; ציפוי צזיום יודיד על פחמן מאט את הסגירה לכ-0.4 ס"מ למיקרו-שנייה, כרבע מקצב הקטיפה או הפחמן החשוף. היעד של התוכניות הנוכחיות הוא "hundreds of kiloamps for tens of microseconds" (מאות קילו-אמפר למשך עשרות מיקרו-שניות), כלומר מקורות צרי-פס בהספק של גיגה-וואט בקצב של אולי 100 הרץ ו"100-megajoule energy output per burst" (תפוקת אנרגיה של 100 מגה-ג'ול לצרור; עמוד 18). טבלה 3 (עמוד 19) מתעדת אורך חיים שבין פחות מ-100 יריות (F-Velvet) ליותר מ-200,000 (ציציות סיבי פחמן מצופות צזיום יודיד).

מתגים, הספק פולסי וקשר רוסי

המסמך מכנה את מיתוג המתח הגבוה "among the most challenging of technologies" (מן הטכנולוגיות המאתגרות ביותר), וקובע שההסבר המקובל של מפולת טאונסנד (Townsend) לפריצה בתוך פחות מננו-שנייה "is most likely incorrect" (ככל הנראה שגוי), בעוד שמודלים של אלקטרונים נמלטים (runaway electrons) מתאימים יותר לתצפיות (עמוד 19). מאחר שהספקטרום של פולס נקבע בזמן העלייה שלו, "switching speed is the most important parameter of a UWB HPM source" (מהירות המיתוג היא הפרמטר החשוב ביותר של מקור HPM בפס רחב במיוחד; עמוד 20). מתגי גז מימן ומתגי נוזל הגיעו לזמני עלייה של כ-100 פיקו-שניות ב-1,500 פולסים לשנייה (עמודים 21-22). מתגי מצב מוצק עדיין אינם מחזיקים את עשרות הקילו-וולט הדרושים. ההתקדמויות המבטיחות ביותר, לפי המסמך, נשענות על "physics pioneered by I. V. Grekhov and colleagues at the Ioffe Physical-Technical Institute in St. Petersburg" (פיזיקה שפותחה בידי I. V. Grekhov ועמיתיו במכון הפיזיקלי-טכני ע"ש יופה בסנקט פטרבורג), שעמם שיתפו פעולה מעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) ואוניברסיטת ניו מקסיקו; התקנים כאלה הפיקו 6 עד 8 קילו-וולט בזמני עלייה של 100 פיקו-שניות (עמוד 22). מתגים פוטו-מוליכים מצופים "יהלום אמורפי" (amorphic diamond) באוניברסיטת טקסס בדאלאס הגיעו למיתוג של 150 פיקו-שניות ב-100 קילו-וולט ולאורך חיים של 10^5 יריות (עמוד 23).

בנושא ההספק הראשי המסמך עוסק במחוללי מרקס (Marx), שבהם כמחצית מהאנרגיה אובדת בנגדי הטעינה, ובמחוללים מבוססי שנאי. הוא מתלונן שמחקר הפריטים מוזנח משום שהתוכניות "under time or budget constraints" (תחת אילוצי זמן או תקציב), ולכן "little or no progress in new ferrite materials for pulsed operation has been made" (התקדמות מועטה או אפסית הושגה בחומרי פריט חדשים לפעולה פולסית; עמוד 24). הוא עוסק גם במחוללי דחיסת שטף מונעי חומר נפץ, הממירים אנרגיה כימית לאנרגיה אלקטרומגנטית.

קטלוג המקורות: מ-Orion ועד Jolt

פרק המקורות צרי הפס משווה בין סוגי שפופרות. קליסטרונים יחסותיים הגיעו לרמת 10 גיגה-וואט ביעילות של 40 עד 50 אחוזים. ויירקטורים (vircators) מכוונים בין 300 מגה-הרץ ל-40 גיגה-הרץ, אך ביעילות של 1 עד 10 אחוזים בלבד, ש"poses real problems for weaponization" (יוצרת בעיות של ממש בהפיכתם לנשק). מגנטרונים יחסותיים מגיעים לכ-5 גיגה-וואט (עמודים 25-26). שתי מערכות מתוארות בפירוט:

• Orion (הוצבה לראשונה ב-1995): מתקן ניסוי נייד בחמש מכולות משלוח, עם ארבעה מגנטרונים מכוונים (1 עד 3.3 גיגה-הרץ) וכתם אלומה של 7 על 15 מטרים במרחק 100 מטרים (עמוד 27).
• Active Denial System: "the only directed-energy weapon system known to be fielded today" (מערכת נשק האנרגיה המכוונת היחידה הידועה כמוצבת כיום), ג'ירוטרון בתדר 95 גיגה-הרץ ובהספק 100 קילו-וואט עם טווח של "יותר מ-750 מטרים", המפקיד אנרגיה לעומק של כ-0.4 מ"מ בעור ויוצר "a burning sensation sufficiently intense to trigger an involuntary reflex response" (תחושת צריבה עזה דיה כדי לעורר תגובת רפלקס בלתי רצונית; עמוד 28).

המקורות האימפולסיים (בפס רחב במיוחד) מגיעים עם מפרטים. SNIPER של סנדיה מספק 1.25 גיגה-וואט בזמן עלייה של 150 פיקו-שניות, ו-EMBL מספק 11 גיגה-וואט ב-750 קילו-וולט. סדרת H של AFRL (H2, H3, H5) השתמשה במתגי מימן בלחץ של 2,000 psi; ב-H5 "personnel were isolated from the source whenever any pressure was in the switch" (הצוות הורחק מהמקור בכל פעם שהיה לחץ כלשהו במתג). ל-Phoenix, בכ-5 גיגה-וואט ובזמן עלייה של 90 פיקו-שניות, "had the fastest rise time of any HPM source to date" (היה זמן העלייה המהיר ביותר מכל מקור HPM עד כה). GEM II, שנבנה בידי Power Spectra באמצע שנות התשעים, היה מערך של 12 על 12 שניתן להיגוי, שהבעיה העיקרית שלו הייתה ש"typically, a few switches failed during each burst" (בדרך כלל כמה מתגים כשלו בכל צרור). Jolt הוא מקור "היפר-פס" (hyperband) של 1.1 מגה-וולט המזין אנטנת קרינת אימפולס למחצה (עמודים 28-32). המסמך מציין גם שחברת DIEHL בגרמניה מוכרת מקורות "מזו-פס" (mesoband) "לציבור", ובהם "a suitcase-sized system" (מערכת בגודל מזוודה) המפיקה 70 קילו-וולט למטר במרחק 2 מטרים, ושחברת BAE Systems בבריטניה מוכרת מקורות נוספים (עמוד 33).

אנטנות וקיר חצי אורך הגל

הפרק הטכני האחרון מסביר מדוע האנטנות הן צוואר הבקבוק העיקש. מערכות צרות פס יעברו בסופו של דבר למערכי מופע (phased arrays), משום שמערכים "are the only antennas that are compatible with electronic control for tracking targets" (הם האנטנות היחידות התואמות בקרה אלקטרונית למעקב אחר מטרות). תכנונים מותאמים כמו המחזיר השטוח FLAPS של מערכת Active Denial ואנטנת Vlasov מתוארים עם איורים (עמודים 33-35). בפס רחב במיוחד מודדת הקהילה מקורות לפי "מדד איכות" (figure of merit), שדה השיא כפול המרחק, ביחידות וולט. הגבר טיפוסי של אנטנות UWB הוא 3 עד 4. מקטע ההזנה הוא "possibly the most important factor in HPM sources" (אולי הגורם החשוב ביותר במקורות HPM; עמודים 35-36).

משמעות

בניגוד למאמרי הפיזיקה הספקולטיבית בסדרת AAWSAP, המסמך הזה עוסק בסוג נשק אמיתי ומוצב. הוא ממסגר אותו במפורש כדאגה של הפצה ושל טרור, ומזכיר בשמם שחקנים מסחריים ומדעיים זרים (DIEHL, BAE Systems, מכון יופה). מסקנתו מפוכחת: נדרשות התקדמויות ב"advanced cathode materials, computer codes for more predictive ability in electron beam generation and propagation, high-speed switching at high power, and low-loss insulation" (חומרי קתודה מתקדמים, קודי מחשב בעלי יכולת חיזוי טובה יותר ביצירת אלומות אלקטרונים ובהתפשטותן, מיתוג מהיר בהספק גבוה ובידוד בעל הפסדים נמוכים), ואם יגיעו מתגים פוטו-מוליכים במתח גבוה יותר, "variations of the phased array will become the HPM source design of choice" (גרסאות של מערך המופע יהפכו לתכנון המועדף של מקורות HPM; עמוד 37).

יש לציין גם את מגבלותיו. המסמך אינו מביא הפניות, ולכן נתונים כמו תקרית ה-GPS באולבני נשענים על דברו בלבד. אין בו הערכה של תוכנית HPM זרה מסוימת. חלק ניכר מנתוניו מתאר חומרה ניסויית משנות התשעים שהמסמך עצמו מציין שהיא "currently inactive" (אינה פעילה כיום). אין בו תחזית בשנים ואין בו אזכור של UAP. סקירת אנרגיה מכוונת משלימה באותו שחרור היא DOW-UAP-D137, העוסקת בלייזרים בעוצמה גבוהה.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Whereas HEMP weapons are large in scale and require a nuclear capability along with technology to launch high-altitude missiles, HPM weapons are smaller in scale, involve a much lower level of technology, and are within the capability of almost any state." (בעוד שנשק HEMP הוא רחב היקף ודורש יכולת גרעינית לצד טכנולוגיה לשיגור טילים לגובה רב, נשק HPM קטן יותר בהיקפו, כרוך ברמה טכנולוגית נמוכה בהרבה ונמצא בהישג ידה של כמעט כל מדינה.) -- עמוד 6

"Technical accessibility, lower cost, and the vulnerability of U.S. electronic equipment could make small-scale HPM weapons attractive to terrorist groups." (נגישות טכנית, עלות נמוכה יותר ופגיעות הציוד האלקטרוני האמריקאי עשויות להפוך נשק HPM בקנה מידה קטן למושך בעיני ארגוני טרור.) -- עמוד 6

"The consequence of these scaling factors is that short pulses require very high power but little energy, while very long pulses require large amounts of energy but little power." (התוצאה של גורמי קנה המידה הללו היא שפולסים קצרים דורשים הספק גבוה מאוד אך מעט אנרגיה, בעוד שפולסים ארוכים מאוד דורשים כמויות אנרגיה גדולות אך מעט הספק.) -- עמוד 7

"Preventing harm to friendly assets is difficult and is a major reason why HPM has rarely been employed in actual battlefield settings." (קשה למנוע פגיעה בנכסים ידידותיים, וזו סיבה מרכזית לכך ש-HPM הופעל רק לעתים רחוקות בשדה קרב של ממש.) -- עמוד 8

"The UWB sources would be the most difficult to detect, since they have nearly zero energy at any one frequency and so would not be detected at all by instruments such as spectrum analyzers." (מקורות הפס הרחב במיוחד יהיו הקשים ביותר לגילוי, משום שיש להם אנרגיה כמעט אפסית בכל תדר בודד, ולכן מכשירים כמו מנתחי ספקטרום לא יגלו אותם כלל.) -- עמוד 8

"The problem with this explanation is that it is most likely incorrect and relies on exaggerated ion densities to explain how switches can reach full conduction in less than a billionth of a second." (הבעיה בהסבר זה היא שהוא ככל הנראה שגוי, ונשען על צפיפויות יונים מוגזמות כדי להסביר כיצד מתגים מגיעים להולכה מלאה בפחות ממיליארדית השנייה.) -- עמוד 19

"Gyrotrons are important in narrowband HPM production because the only directed-energy weapon system known to be fielded today is based on them." (ג'ירוטרונים חשובים בייצור HPM צר-פס משום שמערכת נשק האנרגיה המכוונת היחידה הידועה כמוצבת כיום מבוססת עליהם.) -- עמוד 28

"With demanding levels of directivity and gain also requirements, compact UWB antenna designs will continue to be difficult, if not impossible, to realize." (כאשר גם רמות תובעניות של כיווניות והגבר הן דרישות, תכנוני אנטנות UWB קומפקטיות יוסיפו להיות קשים, אם לא בלתי אפשריים, למימוש.) -- עמוד 37