Экранирование помещений

Экранирование помещений — это совокупность инженерно-технических мероприятий и конструктивных решений, направленных на ослабление электромагнитного поля (ЭМП) в заданном объёме пространства (экранируемом помещении) или на защиту от внешних электромагнитных помех. Основная цель экранирования — снижение уровня электромагнитного излучения (ЭМИ) как извне, так и изнутри помещения, для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования, защиты информации от утечки по техническим каналам, а также защиты здоровья человека от воздействия электромагнитных полей.

Физические основы экранирования

Эффект экранирования основан на взаимодействии электромагнитной волны с материалом экрана. Основные физические механизмы — отражение и поглощение энергии поля.

• Отражение происходит на границе раздела сред (воздух — металл) из-за различия в волновых сопротивлениях. Чем выше проводимость материала, тем больше коэффициент отражения. Для электрической составляющей поля (E) эффективны материалы с высокой электропроводностью (медь, алюминий).
• Поглощение обусловлено затуханием волны в толще проводящего материала за счёт вихревых токов (токов Фуко). Эффективность поглощения растёт с увеличением толщины экрана, его магнитной проницаемости и проводимости. Для магнитной составляющей поля (H) эффективны материалы с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, сталь, ферриты).

Эффективность экранирования (SE, Shielding Effectiveness) измеряется в децибелах (дБ) и определяется как отношение напряжённости поля в точке до установки экрана к напряжённости поля после установки. Чем выше значение SE, тем лучше защита. Для бытовых и коммерческих целей достаточным считается SE от 30 до 60 дБ, для специальных задач (защита информации, военные объекты) — от 80 до 120 дБ и выше.

Классификация экранированных помещений

Экранированные помещения классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Защита от внешних помех — помещения, в которых размещается чувствительное оборудование (лаборатории, медицинские кабинеты МРТ, центры обработки данных), требующее низкого фонового уровня ЭМП.
• Защита от утечки информации — помещения, где обрабатываются сведения, составляющие государственную тайну или коммерческую тайну. Такие помещения строятся в соответствии с требованиями к защите от утечки по техническим каналам (побочные электромагнитные излучения и наводки — ПЭМИН).
• Защита персонала — помещения, где уровень ЭМП от источников (например, промышленные установки индукционного нагрева, радиолокационные станции) превышает санитарные нормы. В России нормы регламентируются СанПиН 1.2.3685-21.

По конструктивному исполнению

• Капитальные (стационарные) — возводятся на этапе строительства или реконструкции здания. Стены, пол и потолок выполняются из железобетона с армирующей сеткой, либо из металлических листов, сваренных между собой. Обеспечивают высокую степень защиты (до 100 дБ и более).
• Сборно-разборные (модульные) — состоят из панелей (щитов) на основе металлических листов или сотовых конструкций, соединённых между собой с помощью болтовых соединений или специальных токопроводящих зажимов. Могут быть демонтированы и перенесены. Обеспечивают SE от 60 до 100 дБ.
• Лёгкие (экранирующие ткани и плёнки) — применяются для временной или частичной защиты. Используются металлизированные ткани (сетка, нетканое полотно с напылением металла) или токопроводящие краски. Эффективность таких решений ниже — обычно 20–40 дБ.

По типу используемого материала

• Металлические — листы стали, меди, алюминия, латуни. Обеспечивают наилучшие показатели. Сталь эффективна для магнитных полей, медь и алюминий — для электрических.
• Композитные — сэндвич-панели с металлической прослойкой, металлизированные пластики.
• Токопроводящие полимеры — пластмассы с наполнителем (графит, углеродное волокно, металлическая пудра). Применяются для корпусов приборов и небольших экранов.
• Ферритовые — поглотители на основе ферритовых плиток. Используются для снижения отражения и поглощения магнитной составляющей поля в диапазоне низких частот.

Устройство и основные элементы

Экранированное помещение представляет собой замкнутый объём, все поверхности которого (стены, пол, потолок) выполнены из токопроводящего материала. Ключевым требованием является непрерывность проводящего контура.

Стены, пол и потолок

В капитальных помещениях применяется либо сплошная металлическая обшивка (листы свариваются встык), либо железобетон с частой арматурной сеткой (ячейка 50×50 мм или меньше), соединённой сваркой. В модульных конструкциях используются панели из оцинкованной стали или алюминия толщиной 1–3 мм.

Двери

Экранированные двери — наиболее сложный элемент. Они должны обеспечивать электрический контакт по всему периметру. Применяются:

• Пружинные контакты (пальчиковые контакты) — устанавливаются по периметру дверного проёма.
• Электромагнитные уплотнители — надувные или подпружиненные профили, обеспечивающие прижатие.
• Двойные двери — для помещений с высокими требованиями (SE > 100 дБ).

Окна и смотровые панели

Для визуального контроля используются экранированные окна. Они состоят из двух или более слоёв стекла, между которыми помещена металлическая сетка (медная или стальная) с ячейкой 0,5–2 мм. Сетка соединяется с рамой, которая, в свою очередь, имеет контакт с экраном стены. Для низкочастотного диапазона применяются токопроводящие покрытия на стекле (оксид индия-олова, ITO).

Вентиляция и инженерные коммуникации

Все вводы коммуникаций (воздуховоды, кабели, трубы) должны быть экранированы. Для вентиляции используются волноводы (соты из металла) — трубки с диаметром меньше критической длины волны для заданного диапазона частот. Кабельные вводы выполняются через фильтры (проходные конденсаторы, ферритовые кольца) или через специальные экранированные короба.

Заземление

Экранированное помещение обязательно заземляется. Заземление отводит наведённые токи и выравнивает потенциал. Сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом (согласно ПУЭ). В некоторых случаях (защита от утечки информации) применяется «плавающее» заземление или изолированное заземление с отдельным контуром.

Применение

Экранирование помещений востребовано в различных сферах.

Медицина

• Кабинеты магнитно-резонансной томографии (МРТ) — экранирование необходимо для защиты томографа от внешних радиопомех, которые могут искажать изображение. Обычно используются медные или алюминиевые экраны с SE не менее 100 дБ.
• Физиотерапевтические кабинеты — защита персонала от излучения аппаратов УВЧ, СВЧ, индуктотермии.

Оборонная и космическая промышленность

• Безэховые камеры — помещения, стены которых покрыты пирамидальными поглотителями (феррит, пенополиуретан с графитом). Используются для испытаний антенн, радиолокационных систем, измерения характеристик ЭМП.
• Защищённые командные пункты — экранирование от электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва.

Информационная безопасность

• Защищённые помещения для обработки секретной информации — строятся по требованиям ФСТЭК России. Экранирование предотвращает утечку информации по каналам ПЭМИН. Для таких помещений обязательна сертификация.

Промышленность

• Цехи с мощными источниками ЭМП — установки индукционного нагрева, электросварки, электротермические печи. Экранирование снижает уровень помех для соседнего оборудования и защищает персонал.

Научные исследования

• Радиоастрономия — экранированные лаборатории для приёма слабых сигналов из космоса.
• Электромагнитная совместимость — испытательные камеры для проверки электроники на устойчивость к помехам.

Нормативные документы в России

В Российской Федерации требования к экранированию помещений регламентируются рядом документов:

• ГОСТ Р 51317.6.1-2006 — общие требования к помехоустойчивости технических средств.
• СанПиН 1.2.3685-21 — гигиенические нормативы уровней ЭМП для населения и персонала.
• Руководящие документы ФСТЭК России — требования к защите информации (например, РД по защите от ПЭМИН).
• СП 256.1325800.2016 — правила проектирования электроустановок жилых и общественных зданий, включая вопросы заземления.

Интересные факты

• Первые экранированные помещения появились в конце XIX века для опытов с электричеством. Известный учёный Майкл Фарадей построил клетку, которая защищала от внешних электрических полей — прообраз «клетки Фарадея».
• В современных безэховых камерах уровень отражения сигнала может быть снижен до -60 дБ и ниже, что позволяет имитировать условия открытого космоса.
• Экранирование помещений может быть выполнено с использованием обычной строительной арматуры, если она образует замкнутый контур с ячейкой не более 50×50 мм и имеет надёжные электрические соединения в узлах.
• Для защиты от низкочастотных магнитных полей (50 Гц) требуются толстые стальные листы или специальные сплавы (пермаллой), так как обычная медная фольга на этих частотах малоэффективна.

Источники

• ГОСТ Р 51317.6.1-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых в жилых, коммерческих зонах и производственных зонах с малым энергопотреблением. Требования и методы испытаний».
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
• Руководящий документ ФСТЭК России «Защита от утечки информации по техническим каналам. Часть 1. Основные положения».
• Князев А.Д., Кечиев Л.Н. «Экранирование радиоэлектронной аппаратуры». — М.: Радио и связь, 1985.
• Шваб А. «Электромагнитная совместимость». — М.: Энергоатомиздат, 1995.
• Ott H.W. «Electromagnetic Compatibility Engineering». — Wiley, 2009.