Магнитостатическое экранирование как ключевой метод защиты информации от несанкционированного копирования (НКЗИ): Физические основы и современные технологии

Введение: Актуальность магнитостатического экранирования в технической защите информации

Проблема утечки информации через побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) является одной из наиболее острых в области технической защиты информации (ТЗИ). Хотя высокие частоты, несущие основную массу цифровых данных, традиционно нейтрализуются электромагнитным экранированием (на основе вихревых токов), значительная часть критически важной информации может быть перехвачена через низкочастотные магнитные поля. Эти поля, возникающие от силовых цепей, блоков питания и низкочастотных компонентов сигналов в шлейфах, относятся к квазистатическому или магнитостатическому диапазону (до 3–10 кГц).

Несанкционированное копирование защищенной информации (НКЗИ), основанное на перехвате таких излучений, требует специализированных, а не универсальных методов защиты. В этом контексте магнитостатическое экранирование (МСЭ) выступает как фундаментальный и незаменимый инструмент. Оно не подавляет электрическое поле и не работает на эффекте скин-слоя, а использует совершенно иной физический принцип — перенаправление магнитного потока. Именно поэтому МСЭ является обязательным элементом в защите от низкочастотных угроз, где обычное электромагнитное экранирование бессильно.

Цель данного реферата — провести глубокий анализ физических процессов, лежащих в основе МСЭ, исследовать материалы и конструкции, обеспечивающие его эффективность, и подробно рассмотреть применение этого метода как необходимого барьера против НКЗИ.

Физико-математические основы магнитостатического экранирования

Ключевой принцип магнитостатического экранирования, работающего в диапазоне от постоянного тока (0 Гц) до низких частот, заключается в шунтировании силовых линий внешнего магнитного поля. Экран, изготовленный из магнитомягкого материала, обладает значительно меньшим магнитным сопротивлением по сравнению с воздухом или вакуумом. В результате линии магнитного потока «предпочитают» замыкаться внутри толщи стенок экрана, обходя экранируемую область и минимизируя напряженность поля внутри нее.

Принципы магнитостатики и уравнения Максвелла

Для понимания МСЭ необходимо обратиться к основам электродинамики. Поля, создаваемые постоянными токами (стационарными токами $\mathbf{J}$), описываются законами магнитостатики, которые, в свою очередь, являются частным случаем уравнений Максвелла.

В магнитостатике, где электрические и магнитные поля не зависят от времени ($\partial \mathbf{D} / \partial t = 0$, $\partial \mathbf{B} / \partial t = 0$), полная система уравнений Максвелла в дифференциальной форме для среды сводится к двум ключевым уравнениям:

1. Условие отсутствия магнитных зарядов:
   $$\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$$
   (Дивергенция вектора магнитной индукции $\mathbf{B}$ равна нулю). Это означает, что магнитный поток всегда замкнут и монополи не существуют.
2. Закон полного тока (Закон Ампера):
   $$\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}$$
   (Ротор вектора напряженности магнитного поля $\mathbf{H}$ равен плотности тока проводимости $\mathbf{J}$). Это уравнение связывает источники поля (токи) с самим полем.

Магнитостатическое экранирование работает в области, где внешнее магнитное поле $\mathbf{H}_0$ удовлетворяет этим условиям. В ферромагнитном материале, который имеет высокую относительную магнитную проницаемость $\mu_{r}$ (где $\mathbf{B} = \mu_0 \mu_{r} \mathbf{H}$), напряженность поля $\mathbf{H}$ резко уменьшается, поскольку магнитный поток $\Phi$ остается примерно постоянным, а материал с высокой $\mu_{r}$ эффективно концентрирует его в себе. Таким образом, экран с высокой проницаемостью фактически отводит поле от защищаемого объема, минимизируя утечку информации.

Для расчета магнитного поля, создаваемого отдельными элементами токонесущих цепей, используется закон Био-Савара-Лапласа. Он позволяет определить вектор магнитной индукции $\mathbf{B}$ в любой точке пространства, исходя из геометрии токового контура.

Количественная оценка эффективности экранирования

Эффективность любого экранирующего устройства измеряется его способностью ослаблять внешнее поле. Для МСЭ эту способность количественно описывает коэффициент экранирования ($K$).

Коэффициент экранирования $K$ определяется как отношение напряженности магнитного поля ($H$) в заданной точке пространства при отсутствии экрана ($H_{0}$) к напряженности поля при его наличии ($H_{1}$):

$$K = \frac{H_{0}}{H_{1}}$$

В инженерной практике эффективность принято выражать в логарифмических единицах — экранном затухании ($A_{\text{э}}$) в децибелах (дБ):

$$A_{\text{э}} = 20 \log_{10} (K) \text{ дБ}$$

Чем выше значение $K$ или $A_{\text{э}}$, тем лучше экранирование. Например, $A_{\text{э}} = 60 \text{ дБ}$ соответствует ослаблению поля в $K = 1000$ раз.

Аналитическая оценка эффективности МСЭ для сложных геометрий требует численных методов, однако для базового понимания используется приближенная формула, описывающая поведение тонкой сферической оболочки в однородном внешнем поле. Эта модель четко демонстрирует ключевые зависимости:

$$K \approx 1 + \frac{2}{3} \mu_{r} \frac{d}{R}$$

Где:

• $\mu_{r}$ — относительная магнитная проницаемость материала экрана.
• $d$ — толщина стенок экрана.
• $R$ — внутренний радиус сферы.

Из формулы видно, что эффективность экранирования прямо пропорциональна $\mu_{r}$ и толщине $d$, и обратно пропорциональна размеру экранируемой области $R$. Это объясняет, почему для защиты больших объемов требуются очень толстые стенки и материалы с максимальной проницаемостью.

Следовательно, для минимизации габаритов и массы защитного устройства, необходимо максимально повысить относительную магнитную проницаемость выбранного материала.

Материалы и конструктивные решения для высокоэффективного экранирования

Эффективность магнитостатического экрана полностью зависит от выбора материала. Для МСЭ требуются магнитомягкие ферромагнитные материалы, обладающие двумя критическими свойствами: максимально высокой относительной магнитной проницаемостью ($\mu_{r}$) для эффективного шунтирования потока и минимальной коэрцитивной силой для сохранения магнитных свойств в слабых полях.

Традиционные магнитомягкие материалы

Исторически и до сих пор широко используются следующие материалы:

1. Пермаллой: Сплавы железа и никеля (обычно 78–80% Ni). Пермаллои обладают высочайшей начальной магнитной проницаемостью. Типичные значения $\mu_{r}$ лежат в диапазоне от $10^3$ до $10^5$. Например, сплав 80НМ, прошедший специальную термообработку в водороде, может достигать $\mu_{r}$ около $100 000$.
2. Технически чистое железо: Используется реже из-за более низкой $\mu_{r}$ (до $200 000$ для специально отожженного) по сравнению с пермаллоем, но привлекательно из-за более низкой стоимости и хорошей насыщаемости.
3. Ферриты: Магнитомягкие ферриты (например, на основе MnZn) используются в основном для экранирования более высоких частот (сотни кГц) или в композитах, поскольку их начальная $\mu_{r}$ ниже, чем у металлических сплавов (от 400 до 20 000).

Применение современных аморфных сплавов в НКЗИ

В системах технической защиты информации, где требуется ослабление поля на 40–60 дБ, традиционных материалов часто недостаточно из-за ограничения их максимальной проницаемости. Решением стало применение аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов.

Эти материалы, часто на основе кобальта (например, сплавы Co-Fe-Si-B, такие как АМАГ-170 или АМАГ-180), получают путем сверхбыстрого охлаждения расплава. Это обеспечивает уникальную, некристаллическую (аморфную) структуру, которая минимизирует внутренние дефекты и анизотропию. Как мы можем достичь прорыва в компактности экранирующих систем, если не используем материалы с максимальной проницаемостью?

Ключевые характеристики аморфных сплавов в НКЗИ:

• Экстремально высокая проницаемость: Начальная относительная магнитная проницаемость ($\mu_{r}$) может достигать значений $10^5$–$10^6$. После оптимальной термообработки максимальная проницаемость ($\mu_{\text{max}}$) сплавов на основе кобальта может превышать $120 000$, что превосходит лучшие образцы традиционного пермаллоя.
• Компактность и эффективность: Благодаря столь высоким значениям $\mu_{r}$, аморфные сплавы позволяют достигать требуемого коэффициента экранирования $K = 1000$ ($A_{\text{э}} = 60 \text{ дБ}$) при значительно меньшей толщине материала, что критически важно для портативных и компактных защитных устройств.
• Пример: Аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из таких сплавов, используется для локального магнитного экранирования малых, особо чувствительных объемов.

Многослойные экраны и влияние неоднородностей

Внешние магнитные поля могут быть настолько сильными, что вызывают магнитное насыщение материала экрана, резко снижая его эффективную проницаемость $\mu_{r}$ и, соответственно, коэффициент $K$. Для борьбы с этим явлением применяют многослойное экранирование.

Принцип многослойного экрана заключается в чередовании слоев высокопроницаемого ферромагнитного материала (например, пермаллоя или аморфного сплава) и немагнитного материала (воздух, медь, алюминий). Первый слой ослабляет внешнее поле, предотвращая насыщение второго слоя, который затем работает в более слабом поле с максимальной проницаемостью. Общий коэффициент экранирования многослойной конструкции является произведением коэффициентов экранирования отдельных слоев. Это позволяет получить кумулятивный эффект ослабления, недостижимый при использовании одного толстого слоя.

Влияние неоднородностей:

Даже использование лучших материалов не гарантирует успеха, если конструкция экрана имеет технологические дефекты. Любые стыки, разрезы или швы, расположенные перпендикулярно силовым линиям, создают области с высоким магнитным сопротивлением (магнитные зазоры), через которые магнитный поток может просочиться, резко ухудшая экранирование.

Для минимизации этого эффекта в современных конструкциях, особенно с применением хрупких аморфных лент, разработаны и запатентованы решения, где ленты располагаются внахлест с перекрытием. Это обеспечивает непрерывность магнитопровода и сохраняет высокую магнитопроводимость на стыках.

Применение МСЭ в контексте несанкционированного копирования защищенной информации

Магнитостатическое экранирование имеет прямое и критическое значение для технической защиты информации (НКЗИ), поскольку оно направлено на подавление информативных ПЭМИ в низкочастотном диапазоне.

Низкочастотные магнитные поля могут нести информацию о:

• Тактовой частоте и режимах работы процессора.
• Движении головок жестких дисков.
• Сигналах питания и управления, которые могут быть модулированы информационным контентом.

Применение МСЭ в ТЗИ реализуется по двум основным схемам:

1. Экранирование источника:
   Цель — локализовать магнитное поле внутри защищенного контура. Наиболее типичным примером является экранирование высокотоковых или высокоиндуктивных элементов, таких как блоки питания, трансформаторы, кабели питания и силовые шины. Если эти элементы несут информативные сигналы или создают сильные помехи, их заключают в магнитостатические кожухи (например, из пермаллоя или аморфного сплава), чтобы предотвратить их излучение наружу.
2. Экранирование приемника:
   Цель — защитить чувствительную аппаратуру (например, измерительные приборы, криптографические модули) от внешних магнитных полей, которые могут навести помехи или быть использованы для дистанционного воздействия. В этом случае весь прибор помещается внутрь защитного экрана.

МСЭ позволяет эффективно снизить уровень паразитного магнитного излучения на границе контролируемой зоны до значений, которые не могут быть приняты и обработаны средствами несанкционированного копирования.

Сценарий применения МСЭ	Источник ПЭМИ	Диапазон частот	Требуемые материалы
Защита рабочих мест	Силовые кабели, трансформаторы, мониторы (ЭЛТ)	0 Гц – 10 кГц	Пермаллой, техническое железо
Защита криптомодулей	Внутренние токовые петли, тактовые генераторы	0 Гц – 3 кГц	Аморфные сплавы (АМАГ), многослойные конструкции
Экранирование помещений	Внешние линии электропередач, мощное оборудование	50/60 Гц (промышленная частота)	Толстые стальные конструкции

Сравнение, ограничения и перспективы оптимизации

Отличия магнитостатического от электромагнитного экранирования

Принципиальное различие между магнитостатическим (МСЭ) и электромагнитным (ЭМЭ) экранированием заключается в физическом механизме, на котором основано их действие, и в частотном диапазоне эффективности.

Характеристика	Магнитостатическое экранирование (МСЭ)	Электромагнитное экранирование (ЭМЭ)
Основной механизм	Шунтирование (перенаправление) магнитного потока	Отражение волны, поглощение за счет вихревых токов
Ключевой параметр	Высокая относительная магнитная проницаемость ($\mu_{r}$)	Высокая электропроводность ($\sigma$)
Диапазон частот	Постоянный ток (0 Гц) до низких частот (до 10 кГц)	Высокие частоты (от десятков кГц и выше)
Требование к заземлению	Не требуется (действие основано на магнитном сопротивлении)	Требуется для эффективного подавления электрического поля

С ростом частоты квазистатическое поле переходит в переменное электромагнитное поле. В этом случае в проводящем материале экрана начинают индуцироваться вихревые токи. Эти токи создают собственное, противодействующее внешнему, магнитное поле. Эффект вихревых токов становится доминирующим, и поле вытесняется к поверхности (скин-эффект). Таким образом, магнитостатический экран при увеличении частоты «автоматически» начинает функционировать как электромагнитный, и высокая $\mu_{r}$ перестает быть определяющим фактором, уступая место высокой электропроводности. МСЭ и ЭМЭ следует рассматривать как взаимодополняющие, а не конкурирующие методы.

Основные ограничения и методы оптимизации

Несмотря на свою незаменимость в низкочастотном диапазоне, МСЭ имеет ряд существенных ограничений:

1. Габариты и масса: Для достижения высокого коэффициента экранирования $K$ требуется значительная толщина ($d$) экрана, особенно для экранирования крупных объемов (согласно формуле $K \sim d/R$). Это приводит к увеличению массы и габаритов защитных конструкций.
2. Проблема насыщения: Магнитное насыщение ферромагнитного материала в сильных внешних полях резко снижает его проницаемость, требуя применения многослойных решений.
3. Сложность: Эффективность магнитостатического экрана значительно ниже, чем электростатического (который легко реализуется тонким заземленным проводником), что делает защиту от магнитостатических полей более сложной инженерной задачей.

Для преодоления этих ограничений в современных исследованиях применяются продвинутые методы оптимизации:

1. Компьютерное моделирование: Для оценки эффективности экранирования сложных, неоднородных конструкций (с отверстиями, кабельными вводами и стыками) используются методы численного анализа, такие как Метод конечных разностей во временной области (FDTD) или метод конечных элементов. Это позволяет точно рассчитать распределение поля и оптимизировать геометрию экрана до его физического изготовления, минимизируя массу при сохранении требуемого $A_{\text{э}}$.
2. Коэффициентный метод расчета: Применяется для предварительной оценки эффективности многослойных и сложных конфигураций, позволяя быстро выбирать оптимальное сочетание толщины и проницаемости материалов.

Заключение

Магнитостатическое экранирование остается критически важным, а часто и единственным эффективным методом защиты информации от несанкционированного копирования, связанного с перехватом паразитных электромагнитных излучений в низкочастотном и квазистатическом диапазонах.

Физическая основа МСЭ — шунтирование магнитного потока материалами с высокой относительной магнитной проницаемостью ($\mu_{r}$), что описывается законами магнитостатики, являющимися прямым следствием уравнений Максвелла ($\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$, $\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}$).

Современный прорыв в области ТЗИ связан с внедрением аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта (АМАГ), которые, благодаря экстремально высокой $\mu_{r}$ (до $10^6$), позволяют достигать экранирующего затухания до 60 дБ при более компактных размерах, чем это возможно с традиционным пермаллоем. Это обеспечивает реальный путь к созданию защищенных мобильных и встраиваемых систем.

Таким образом, ключ к созданию надежных систем защиты информации на низких частотах лежит в синтезе:

1. Выбора современных высокоэффективных материалов.
2. Применения многослойных конструкций для предотвращения насыщения.
3. Использования точного численного моделирования (например, FDTD-метода) для оптимизации сложных, реальных конструкций, где присутствуют неоднородности и технологические зазоры.

Список использованной литературы

1. Иродов И. Е. Электромагнетизм. [Б. м.]: [б. и.], 2000.
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. Курс общей физики. Т. II. [Б. м.]: [б. и.], 1996.
3. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. II. Общий курс физики. Электричество. [Б. м.]: [б. и.], [б. г.].
4. Суханов А. Д. Фундаментальный курс физики. Т. 2. [Б. м.]: [б. и.], 1998; Т. 3. Ч. 1., 1996.
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Электричество. Т. 3. Ч. 1. [Б. м.]: [б. и.], 1996.
6. Общие принципы электромагнитного экранирования [Электронный ресурс]. URL: http://www.narod.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
7. Основные принципы экранирования электромагнитных полей [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osnovnye-printsipy-ekranirovaniya-elektromagnitnyh-poley (дата обращения: 15.10.2025).
8. Электромагнитное экранирование, способы и материалы [Электронный ресурс]. URL: https://power-e.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
9. Экранирование электромагнитных волн [Электронный ресурс]. URL: https://www.bnti.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
10. Исследование электромагнитных экранов [Электронный ресурс]. URL: https://iu4.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
11. Лабораторный практикум по электромагнитной совместимости [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/ (дата обращения: 15.10.2025).
12. Экранирование: Магнитостатическое экранирование витка с постоянным током [Электронный ресурс]. URL: https://psuti.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
13. Лекция 5.5 Экранирование электрических и магнитных полей [Электронный ресурс]. URL: https://nntc.nnov.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
14. Магнитные экраны на основе аморфных сплавов [Электронный ресурс]. URL: http://mstator.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
15. Новые материалы для экранов электромагнитного излучения [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
16. Закон Био–Савара–Лапласа и его применение к расчету магнитного поля тока [Электронный ресурс]. URL: https://efizika.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
17. Современные способы защиты от электромагнитных полей. Перспективные экранирующие материалы класса «Новафор» [Электронный ресурс]. URL: http://econf.rae.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
18. Метод расчёта эффективности экранирования для неоднородных электромагнитных экранов [Электронный ресурс]. URL: https://www.hse.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).
19. Классические магнитные экраны [Электронный ресурс]. URL: https://www.uran.ru/ (дата обращения: 15.10.2025).