DE3131137C2 - Vorrichtung zur Abschirmung und Absorption von elektromagnetischen Feldern - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Patentanmeldung beschreibt einen Bauwerkstoff, der es in einfacher Weise ermöglicht, einen gegenüber gewöhnlichen Baustoffen erheblich verbesserten Abschirmeffekt gegen Hochfrequenz- und Mikrowellenstralung zu realisieren. Das physikalische Prinzip der Abschirmung beruht auf Absorption und/oder Reflexion der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Dieser Effekt wird durch spezielle Formgebung und Anordnung von Metallteilen, die Bestandteil der Betonmasse sind und gleichzeitig zur Erhöhung der Festigkeit beitragen, bewirkt. Je nach der Wahl der Parameter der Metallteile, die auch als elektromagnetische Schwingkreise mit konzentrierten Bauelementen ausgebildet sein können und ggf. zusätzlich zu einer Metallgitterbewehrung einzusetzen sind, lassen sich die Reflexions- und Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit von der Frequenz in weiten Grenzen variieren.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen zur Dämpfung hochfrequenter Felder sind bekannt. Üblicherweise werden zu diesem Zweck ferrit- oder kohlenstoffhaltige Materialien (z. B. Graphit), meist mit geringer mechanischer Festigkeit, verwendet. Es kann auch eine Metallfolie verwendet werden. Der Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß Stützkonstruktionen erforderlich sind, und daß die verwendeten Materialien witterungsempfindlich und relativ teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abschirmung und Absorpfion von elektromagnetischen Feldern zu schaffen, die witterungsunempfindlich ist und keine zusätzliche Stützkonstruktion benötigt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den F i g. 1 bis 12 dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Metallfaserbeton mit statistisch verteilten Metallfasern,

Fig.2 und 3 Metallfaserbeton mit ausgerichteten Metallfasern,

F i g. 4 Metallfaserbeton mit Metallfasern, die unterschiedliche Längen aufweisen,

F i g. 5, 6, 7, 8 Metallfaserbeton, der als Schicht auf vorhandene Bauteile aufgebracht ist,
F i g. 9,10 Metallfaserbeton mit Bewehrungsgitter,
Fig. 13,14,15,16, 17,18 Ausführungsformen und Fasern.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß Metallteile, die in einem dielektrischen Material angeordnet sind, für elektromagnetische Wellen, die durch dieses dielektrische Material hindurchgehen, bei bestimmten Frequenzen in Resonanz stark absorbieren. Dieses Prinzip wird in der vorliegenden Erfindung auf einen mit Metallteilen versehenen Beton angewandt. Ein solcher Beton ist beispielsweise unter dem Namen Stahlfaserbeton seit einiger Zeit bekannt. Stahlfaserbeton hat in Abhängigkeit vom Fasergehalt, von der Form und der Lage der Fasern eine mehr oder weniger große Mikrowellen- bzw. Hochfrequenzdämpfung, die selbstverständlich auch frequenzabhängig sein kann. Um ein möglichst breites Frequenzspektrum beim Durchgang von elektromagnetischen Wellen durch Stahlfaserbeton zu absorbieren, ist es aus physikalischen Gründen naheliegend, die Länge der Fasern ebenfalls über einen großen Bereich zu variieren. Die als Dipole wirkenden Fasern, die auf halber Wellenlänge der betreffenden Frequenz im Material liegen, geraten in Resonanz und bewirken infolge ihrer hohen elektrischen Dämpfung eine Absorption der durch das Material hindurchgehenden elektromagnetischen Welle.

Diese Verluste sind abhängig von der Leitfähigkeit der Fasern bzw. der Metallteile sowie der komplexen Dielektrizitätszahl der Umgebung.

Neben dem bereits bekannten Stahlfaserbeton lassen sich auch Betone in anderer Zusammensetzung verwenden, wenn keine sehr hohen oder zusätzlichen Anforderungen an die Festigkeit des Werkstoffs gestellt werden. In diesen Fällen werden dem Normalbeton Metallteile mit hoher elektrischer Leitfähigkeit zugegeben oder auch nichtmetallische Fasern, die eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, wie z. B. Fasern aus elektrisch leitfähigen Kunststoffen.

Da Fasern einer bestimmten Länge vorwiegend Wellen einer entsprechenden Frequenz absorbieren bzw. reflektieren, muß die Länge der Fasern bzw. Metallteile variiert werden. Die untere sinnvolle Grenze der Faserlänge dürfte bei ca. 5 mm liegen, da eine starke Absorption von Frequenzen höher als 30 GHz ohnehin im Normalbeton erfolgt. Da die Metallteile theoretisch zwar beliebig lang produziert werden können, dies bei der

technischen Anwendung aber auf Probleme stößt werden die Metallteile nicht nur als gerade Fasern (13, 15, 16), sondern auch als gebogene Stäbe (14,17), Scheiben und Spiralen (18) hergestellt und eingebaut So kann die effektive Länge erhöht werden, ohne daß die äußeren Abmessungen beim Einbau stören. Dazu können auch Spulen in Verbindung mit Kondensatoren verwendet werden, um relativ niedrige Frequenzen zu absorbieren.

Durch eine statistische Verteilung der Metallfasern ist gewährleistet, daß die elektromagnetischen Wellen unabhängig von ihrer Einfallrichtung näherurgsweise isotrop absorbiert werden (1). Die quer zum E-Vektor der einfallenden Welle liegenden Teile tragen praktisch nicht zur Absorption bei. Durch eine gezielte Anordnung bzw. Ausrichtung der Fasern (2 und 3) können aber bewußt elektromagnetische Wellen bestimmter Polarisationsrichtungen unterschiedlich beeinflußt werden, d. h. daß die Anordnung der Metallteile polarisationsselektiv wirkt. Durch die zusätzliche Variation der geometrischen Länge der Metallteile läßt sich die frequenzmäßige Lage der Absorptionsspektren beeinflussen. Wie schon oben gesagt ist es sinnvoll, um ein weites Frequenzband zu absorbieren, die Metallteile in unterschiedlichen Längen einzubauen (4). Ebenso können aber auch bewußt nur Metallteile einer oder mehrerer bestimmten Längen (1) eingebaut werden, um nur vorgegebene Spektralbereiche selektiv zu absorbieren.

Bisher wurde die Vorrichtung nur in bezug auf ihre Absorption von durch die Materie gehende Wellen beschrieben (Transmissionsdämpfung). Die Vorrichtung kann damit auch zur Reflexionsdämpfung von Mikrowellen verwandt werden. In diesem Fall wird die Wand, welche die Reflexionsdämpfung bewirken soll, aus dem oben beschriebenen Material hergestellt, wobei die Oberfläche zweckmäßigerweise in Form von Keilen oder Pyramiden gestaltet wird (11). Dieses Prinzip der Oberflächenausbildung für Mikrowellenabsorber ist be kannt und Pyramiden bestehen dann in der Regel aus Schaumstoff. Durch Verwendung von Beton mit Metallteilen sind diese Wände witterungs- und temperaturbeständig, so daß sie auch ohne Schwierigkeiten im Freien verwendet werden können. Ein Schutz gegen Wasseraufnahme ist jedoch sinnvoll. Zur Steigerung der Reflexionsdämpfung der Betonabsorber ist es zweckmäßig, die Dichte der Metallteile, ausgehend von der Absorberspitze in Richtung der tragenden Konstruktion beginnend, bei Null bis zu einem Maximalwert zu steigern.

Durch Verwendung von Beton nach diesem Verfahren anstelle von Normalbeton für abzuschirmende Bauten, können erhebliche Baukosten eingespart werden. Metallfaserbeton kann auch nachträglich schichtweise auf vorhandene Bauteile aufgebracht werden (5,6, 7,8) und zur Abschirmung beitragen. Das nachträgliche Aufbringen hat gegenüber anderen Verfahren, wie z. B. Metallfolien, den Vorteil, daß es keine bauphysikalischen Probleme beinhaltet (z. B. Feuchtigkeitsstau).

Um auch sehr niedrige Frequenzen abschirmen zu können, wird der Werkstoff nach dem oben genannten Verfahren mit dem statisch erforderlichen Bewehrungsgitter kombiniert (9 und 10). Durch dieses Stahlgitter, dessen Maschenweite variiert werden kann, ist es möglich, auch niedrige Frequenzen abzuschirmen, für die die Länge der einzubauenden Stahlfasern nicht ausreicht. Durch diese Kombination läßt sich außerdem noch die Festigkeit des Bauteils wesentlich erhöhen.

Mit dieser Vorrichtung lassen sich Geräte und Einrichtungen abschirmen, die besonders störanfällig gegen elektromagnetische Felder sind, wie z. B. EDV-Anlagen und elektronische Steueranlagen. Hierzu zählen wegen der hohen Sicherheitsanforderungen besonders die Steuerungen von kernphysikalischen Prozessen. Geräte und Versuchseinrichtungen, die mit hochfrequenten elekuomagnetischen Wellen arbeiten und diese aussenden, können mit dieser Vorrichtung versehen werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bietet sich beim Schutz von Metallkörpern gegen die Ortung durch Radarwellen. Sind die Metalikörper hinter einer nach

ίο dem oben angegebenen Verfahren hergestellten Schicht positioniert, so wird die ankommende Radarwelle durch den Faserbeton weitgehend absorbiert und es kann nicht oder nur sehr schwer eine Aussage über dahinterliegende metallische Gegenstände gemacht werden.

Ferner sind Räume, die von einer Schicht aus Metallfaserbeton umgeben sind, in gewissem Maße geschützt vor impulsartigen Störungen (EMP), d.h. vor elektrischen Interferenzen wie sie bei der Detonation nuklearer Sprengsätze erzeugt werden. Außerdem sind solche Räume nur erschwert unter Verwendung von Hochfrequenzen bzw. Mikrowellen abhörbar.

Als Betone kommen die Betongüten nach DIN 1045. aber auch Sonderbetone mit speziellen Zuschlagstoffen und Korngrößen sowie künstlich hergestellte, künstlich gebrochene oder natürliche Zuschlagstoffe (z. B. Granit, Kalkstein, Mdgnetit usw.) infrage.

Das Bindemittel kann sowohl hydraulisch abbindend sein (z. B. Zement, Kalk, Gips) als auch aus Kunststoff oder ähnlichen Materialien bestehen.

Dem Beton können auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel wie z. B. Betonverflüssiger, Erstarrungsverzögerer, Luftporenbildner, Betondichtungsmittel usw. zugegeben werden.

Der Durchmesser der Metallteile kann zwischen 0,1 bis 200 mm variieren je nach den Erfordernissen und ihre geometrische Ausbildung von runden Teilen, viereckigen Teilen bis zu η-eckigen Teilen reichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abschirmung und Absorption von elektromagnetischen Feldern, insbesondere im hochfrequenten Bereich, gekennzeichnet durch Metallfaserbeton, dessen elektrisch leitende Fasern bezüglich ihrer Länge in Abhängigkeit von der Frequenz und bezüglich ihrer Orientierung in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung der abzuschirmenden bzw. zu absorbierenden elektromagnetischen Wellen im Beton angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Fasern Stahlfasern oder unterschiedliche Metallfasern sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch elektrisch leitende Fasern in Form gerader, gekröpfter oder gebogener Stäbe oder in Form von Scheiben oder gegebenenfalls konischer Spiralen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise als Spule ausgebildete elektrisch leitende Fasern jeweils durch einen Kondensator zu einem elektromagnetischen Schwingkreis ergänzt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Fasern bezüglich ihrer räumlichen Dichte und/ oder in ihrer räumlichen Orientierung im Beton statistisch verteilt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Fasern bezüglich ihrer räumlichen Orientierung im Beton eine Vorzugsrichtung erhalten und somit polarisierend wirken.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur breitbandigen Absorption die elektrisch leitenden Fasern entsprechend dem Frequenzbereich unterschiedliche Länge aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung elektromagnetischer Felder aus Metallfaserbeton bestehende Wände und Bauwerke zur Reflexionsdämpfung von Mikrowellen eine Oberfläche in Form von Keilen oder Pyramiden aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ihre Aufbringung als Zusatzschicht auf vorhandene Bauteile, z. B. aus gewöhnlichem Beton oder aus Metall.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Bereiches ihrer Abschirmwirkung in Richtung niedriger Frequenzen im Beton des Bauwerks außerdem ein entsprechendes Metallgitter oder eine entsprechende Stahlbewehrung vorgesehen ist.