DE10308444A1 - Elektrischer primärstofffreier Detonator - Google Patents

Abstract

Sekundärsprengstoffe werden in der Regel mittels empfindlicher Primärsprengstoffe wie beispielsweise Bleiazid initiiert. In besonders sicherheitsrelevanten Systemen, beispielsweise Trägerraketen oder Atombomben, werden Detonatoren eingesetzt, die nur noch Sekundärsprengstoffe enthalten, EBW- (exploding bridge wire) oder EFI- (exploiding foil) Detonatoren/Elemente. Der Bau dieser Detonatoren mit zugehöriger Zündtechnik ist aufwendig und bedarf großer Sorgfalt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, dass der Widerstand (7) ein Schichtelement ist, dass die Schicht (10), die den Widerstand für den Stromfluss bildet, einseitig auf ein Substrat aufgetragen ist, dass die dem Initialzündsatz entsprechende erste Ladung, die Initialisierungsladung (13), aus einem Sekundärsprengstoff besteht, dass der zu initiierende Sekundärsprengstoff ohne Zwischenschaltung eines Primärsprengstoffs die mit der Widerstandsschicht (10) versehene Seite des Schichtelements (7) bedeckt, dass die zweite Ladung, die Verstärkungsladung (15), ebenfalls aus einem Sekundärsprengstoff besteht und dass das Schichtelement (7) und die Sekundärsprengstoffe (13, 15) von einer Kapsel (17) umschlossen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrischen Detonator mit einem Zündelement, das als elektrischer Widerstand wirkt, in dem durch die eingebrachte elektrische Energie unter Zerstörung des Widerstands eine kurzzeitige thermische Energieumsetzung mit hoher Druckerzeugung erfolgt die zur brisanten Zündung, zur direkten Initiierung, eines Sekundärsprengstoffs führt.
• Es sind elektrische Detonatoren bekannt, bei denen ein elektrischer Widerstand die zugeführte elektrische Energie in thermische und Druck-Energie umsetzt, wodurch der Sekundärsprengstoff beispielsweise Oktogen (HMX), Hexogen (RDX), Hexanitrostilben (HNS), Nitropenta (PETN), Tetryl (CE) usw. direkt initiiert werden kann. Diese Detonatoren sind entweder mit EBW- (exploding bridge wire) oder EFI- (exploiding foil) Elementen bestückt. Bei EBW-Detonatoren wird ein Draht und bei EFI-Detonatoren eine Metallfolie durch Überhitzung zum explosionsartigen Verdampfen gebracht. Als niederinduktive Energiequellen zur Auslösung der Detonatoren werden in der Regel aufgeladene Kondensatoren eingesetzt. Aufgrund der geringen Größe der Drähte und der Folien ist ein sorgfältiger Zusammenbau erforderlich. Die zur Zündung erforderlichen Stromstärken sind hoch und betragen beispielsweise bei einem EBW-Detonator 180 A bei 500 V.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Detonator vorzustellen, der einfacher im Aufbau ist und der bei höchstens gleichwertigem Energieaufwand in der Lage ist, außer Nitropenta auch Sekundärsprengstoffe wie Oktogen, HNS, Hexogen, Tetryl und deren Derivate ohne Einsatz von Primärsprengstoffen als Initialzündsatz zu initiieren.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
• Der erfindungsgemäße Detonator weist als Zündelement einen sogenannten Schichtwiderstand auf. Auf einem Träger, dem Substrat, ist eine den elektrischen Widerstand bildende Schicht aufgetragen. Das Substrat besteht aus einem Werkstoff, der als Träger elektrischer oder elektronischer Schaltungen oder für Isolationszwecke geeignet ist, vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff, beispielsweise dem Material einer Leiterplatte. Die Widerstandsschicht kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus Pasten und/oder Oxyden bestehen, die der Reihe der Platinmetalle wie Osmion, Rhodium, Iridium, Ruthenium entstammen, die vorzugsweise im Siebdruckverfahren auf eine Fläche des Substrats aufgetragen wird. Sie kann mit einer schützenden Schicht aus Glas, Kunststoff oder Lack abgedeckt sein. Schichtwiderstände der beschriebenen Bauart sind als SMD (surface mounted device)-Widerstände bekannt.
• Der zu initiierende Sekundärsprengstoff bedeckt ohne Zwischenschaltung eines Primärsprengstoffs das Zündelement. Die herkömmlicherweise das Zündelement bedeckende Initialladung wird erfindungsgemäß durch eine Ladung von Sekundärsprengstoff ersetzt. Die Verstärkungsladung ist ebenfalls ein Sekundärsprengstoff. Beide Ladungen können aus demselben Sekundärsprengstoff bestehen oder aus zwei unterschiedlichen Sekundärsprengstoffen. Das Zündelement und der oder die Sekundärsprengstoffe sind von einer Kapsel umschlossen.
• Wird der erfindungsgemäße elektrische Detonator, der mit einem Schichtwiderstand bestückt ist, gezündet, wird der Schichtwiderstand ein Zündelement, weil er gegen seinen bestimmungsgemäßen Gebrauch mit einer elektrischen Energie beaufschlagt wird, die zu seiner Zerstörung führt. Die Wirkung des Widerstands kann so interpretiert werden, dass bei seinem nicht bestimmungsgemäßen Gebrauch aufgrund der Überlastung die den elektrischen Widerstand bildende Schicht in Sekundenbruchteilen unter Bildung von Licht- und Plasmabogen zerstört wird. Es erfolgt eine kurzzeitige thermische Energieumsetzung mit einer hohe Druckgenerierung und Entstehung einer Schockwelle, verbunden mit dem Zerplatzen oder Bersten der Schutzschicht über der Widerstandsschicht. Die freiwerdende Energie erreicht die Zündenergie, die zur brisanten Zündung der Sekundärsprengstoffe Oktogen, HNS, Hexogen, Tetryl, Nitropenta oder ein Derivat erforderlich ist. Um den Effekt mit der erforderlichen Brisanz auslösen zu können, muss eine Mindestmenge der den elektrischen Widerstand bildenden Schicht und eine zu deren Zerstörung mit der geschilderten Wirkung genügende elektrische Energie zur Verfügung stehen. Durch die Abstimmung elektrischer Parameter wie Baugröße, Widerstandswert, Spannung und Stromstärke aufeinander kann die jeweils erforderliche Energie, die zur Initiierung des jeweiligen Sekundärsprengstoffs benötigt wird, bestimmt und die Empfindlichkeit des Detonators der vorgesehenen Verwendung angepasst werden.
• Der Vorteil des erfindungsgemäßen Detonators gegenüber den bekannten Detonatoren besteht weiterhin darin, dass die Widerstände preiswerte Massenartikel sind, deren Widerstandswert jeweils genau feststeht. Sie sind bereits durch ihre Konzeption, beispielsweise als SMD- (surface mounted device) Widerstände, für die Handhabung durch automatische Fertigungseinrichtungen geeignet und deshalb maschinell zu verarbeiten, was einen kostengünstigen und genauen Einbau in den Detonator ermöglicht. Weil der Widerstandswert der Schichtwiderstände genau festliegt, ist es möglich, in Abstimmung auf die erforderliche Zündenergie eines Sekundärsprengstoffs einen Spannungswert vorzugeben, unterhalb dem die Zündung eines Detonators nicht möglich ist. Eine solche Vorgabe macht insbesondere bei hohen Spannungsgrenzwerten die Detonator sicher vor unbeabsichtigter Zündung.
• Weiterhin ist kein Primärsprengstoff wie beispielsweise Bleiazid mehr erforderlich, was die Detonator wesentlich sicherer macht. Die strengen Sicherheitsauflagen für Detonator mit Primärsprengstoffen sind nicht mehr erforderlich. Die Detonator sind sicher gegen hochfrequente Belastung, Streustrom und Fremdspannung aller Art.
• Weil der Detonator nur noch mit Sekundärsprengstoff gefüllt wird, ist das Einfüllen der Ladung einfacher und es sind nicht mehr die bei der Handhabung von Primärsprengstoffen erforderlichen Sicherheitsauflagen zu beachten. Die Verstärkungsladung kann bereits als Ladung in ein Näpfchen gepresst sein, das dann mit dem widerstandsbestückten Teil zu einer die beiden Ladungen und den Widerstand umfassenden Kapsel verpresst wird.
• Der Aufbau eines Detonators gleicht im Wesentlichen dem Aufbau bekannter Detonatoren. Das Zündelement allerdings bedeckt eine verdichtete Ladung von Sekundärsprengstoff. Die Empfindlichkeit der Ladung in Bezug auf die Initiierung hängt im Wesentlichen ab von den elektrischen Parametern wie Baugröße, Widerstandswert, Spannung und Stromstärke, den mechanischen Parametern wie Mischung, Korngröße, Schüttdichte und den Fertigungsparametern wie Ladungsmenge und Pressdruck Vorteilhaft ist beispielsweise bei dem Sekundärsprengstoff Oktogen eine Korngrößen zwischen 40 μm und 140 μm. Die Verdichtung der Initialisierungsladung, beispielsweise etwa 70 mg Oktogen, muss so bemessen sein, dass sie einerseits die explosionsartige Ausbreitung der Energie bei der Zerstörung der Widerstandsschicht nicht behindert und andererseits der Sekundärsprengstoff durch diese Energie initiiert werden kann. Abgedeckt wird diese Initialisierungsladung, wie bei EBW-Detonatoren oder EFI-Detonatoren, mit einer Schicht aus gepresstem Sekundärsprengstoff als Verstärkungsladung. Diese kann, entsprechend einem Ausführungsbeispiel, aus 150 mg Nitropenta oder ebenfalls Oktogen bestehen, das mit einer, im Vergleich zur Initialisierungsladung höheren Presskraft von beispielsweise 4000 N separat in einem Näpfchen verdichtet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Detonatoren bestehen also die das Zündelement bedeckende Ladung, die Initialisierungsladung, sowie die Verstärkungsladung aus Sekundärsprengstoff.
• Um einen der genannten Sekundärsprengstoffe initiieren zu können, muss kurzzeitig eine hohe elektrische Energie als Zündenergie zur Verfügung gestellt werden. Das kann, wie bei bekannten initialstofffreien Zündungen, über eine Kondensatorentladung erfolgen.
• Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Der erfindungsgemäße Detonator 1 besteht aus einem Sockel 2, wie er auch bei herkömmlichen Detonatoren aufgebaut ist. Eine Hülse 3 umschließt einen Glaskörper als Durchführung 4 für die zwei Anschlüsse 5 und 6. An die Anschlüsse 5 und 6 ist ein Schichtwiderstand 7, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein SMD-Widerstand, angelötet, wie die Lötstellen 8 und 9 zeigen. Die den elektrischen Widerstand bildende Schicht, die Widerstandsschicht 10, ist auf einem Träger 11 aufgetragen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Keramik, und wird von einer vor Korrosion und Beschädigung schützenden Schicht 12 bedeckt. Diese Schicht 12 und damit die den elektrischen Widerstand bildende Schicht 10 ist mit einer Lage Sekundärsprengstoff 13 als Initialisierungsladung bedeckt. Es ist eine verdichtete Ladung Oktogen, die durch einen Ring 14 fixiert wird. Abgedeckt wird diese erste Ladung, die Initialisierungsladung 13, die in der Anordnung dem Initialzündsatz herkömmlicher Detonator entspricht, durch eine zweite Ladung 15, der Verstärkungsladung, aus Sekundärsprengstoff, beispielsweise Nitropenta oder ebenfalls Oktogen. Der Sekundärsprengstoff ist hier in ein Näpfchen 16 gepresst. Das mit der Verstärkungsladung 15 gefüllte Näpfchen 16 wird in den Ring 14 eingezogen, so dass durch den Ring 14 und das Näpfchen 16 eine geschlossene Kapsel 17 gebildet wird, die den Schichtwiderstand 7 und die beiden Ladungen 13 und 15 umschließt.

Claims (13)

1. Elektrischer Detonator mit einem elektrischen Widerstand, in dem die eingebrachte elektrischer Energie unter Zerstörung des Widerstandes kurzzeitig in thermische und Druck-Energie umgesetzt wird zur brisanten Zündung, zur direkten Initiierung, eines Sekundärsprengstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (7) ein Schichtelement ist, dass die Schicht (10), die den Widerstand für den Stromfluss bildet, einseitig auf ein Substrat aufgetragen ist, dass die dem Initialzündsatz entsprechende erste Ladung, die Initialisierungsladung (13), aus einem Sekundärsprengstoff besteht, dass der zu initiierende Sekundärsprengstoff ohne Zwischenschaltung eines Primärsprengstoffs die mit der Widerstandsschicht (10) versehene Seite des Schichtelements (7) bedeckt, dass die zweite Ladung, die Verstärkungsladung (15), ebenfalls aus einem Sekundärsprengstoff besteht und dass das Schichtelement (7) und die Sekundärsprengstoffe (13, 15) von einer Kapsel (17) umschlossen sind.
2. Elektrischer Detonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Initialzündsatz entsprechende Initialisierungsladung (13) und die Verstärkungsladung (15) aus verschiedenen Sekundärsprengstoffen bestehen.
3. Elektrischer Detonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Initialzündsatz entsprechende Initialisierungsladung (13) und die Verstärkungsladung (15) aus denselben Sekundärsprengstoffen bestehen.
4. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärsprengstoffe (13, 15) Oktogen, Hexogen, Hexanitrostilben, Tetryl, Nitropenta oder ein Derivat davon ist.
5. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Widerstandsschicht (10) des Schichtelements (7) bedeckende Initialisierungsladung (13) aus einem verdichteten Sekundärsprengstoff besteht und dass diese Ladung (15), die Verstärkungsladung, durch eine hoch verdichtete Menge desselben oder eines anderen Sekundärsprengstoffs abgedeckt wird.
6. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit der Initialisierungsladung (13) bestimmt ist von der Art des Sekundärsprengstoffs, von dessen Korngröße und dem Pressdruck.
7. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsladung (15) zum Zusammenbau des Detonators (1) in einem Näpfchen (16) gepresst ist.
8. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) des Schichtelements (7) aus einem Werkstoff besteht, der als Träger elektrischer oder elektronischer Schaltungen oder für Isolationszwecke geeignet ist, vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff.
9. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (10) aus einer Paste und/oder Oxyden besteht, die der Reihe der Platinmetalle wie Osmion, Rhodium, Iridium, Ruthenium entstammen, und dass die Paste in Siebdrucktechnik auf das Substrat (11) aufgebracht ist.
10. Elektrischer Detonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (10) mit einer schützenden Schicht (12) aus Glas, Kunststoff oder Lack abgedeckt ist.
11. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtelement (7) ein handelsüblicher SMD-(surface mount device) Widerstand ist.
12. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abstimmung auf die erforderliche Zündenergie eines Sekundärsprengstoffs ein Spannungswert als Grenzspannung vorgegeben ist, unterhalb dem eine Zündung des Detonators (1) nicht möglich ist und dass der Widerstandswert des Schichtelements (7) auf diese Grenzspannung abgestimmt ist.
13. Elektrischer Detonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Widerstandsschicht (10) eine solche Menge vorgesehen ist, dass eine darauf abgestimmte Spannungs- und Stromstärke zur Zerstörung der Widerstandsschicht (10) mit einer zur Initiierung eines Sekundärsprengstoffs (11) erforderlichen Energie führt, wobei diese durch die Zündenergie des jeweils zu initiierenden Sekundärsprengstoffs vorgegeben ist.