DE3623304A1 - Vorrichtung zum erzeugen elektromagnetischer impulse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Impulses hoher Energie, mit einem von einer Stromquelle aufladbaren elektrischen Ladungsspeicher, dessen durch Schließen eines Entladestromkreises entstehender Entladestrom eine ein elektromagnetisches Induktionsfeld erzeugende Einrichtung durchfließt. Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Kondensator hoher Kapazität oder, um die Kapazität zu erhöhen, aus einer Batterie parallelgeschalteter Kondensatoren, die sich unter Zuschalten einer Stromquelle aufladen lassen, und deren Entladeanschlüsse über einen Schalter mit einer Induktionsspule verbunden sind. Durch Schließen des Schalters im Entladekreis entsteht ein kurzer Impuls mit hoher Stromstärke, der in der Induktionsspule entsprechend einen elektromagnetischen Impuls hoher Energie erzeugt. Zur weiteren Konzentration der magnetischen Energie ist es gebräuchlich, die Induktionsspule mit einer geeigneten weichmagnetischen Kapselung zu versehen.

Elektromagnetische Impulse hoher Energie werden beispielsweise für magnetische Verformungsverfahren oder die Herstellung von Metallverbindungen benötigt. Zu diesem Zweck läßt man den magnetischen Fluß einen Ringspalt durchlaufen, in dem das zu bearbeitende Substrat angeordnet wird, um dem konzentrierten magnetischen Impuls ausgesetzt zu werden. Für andere Anwendungen wird der magnetische Fluß im Inneren einer hohlzylindrisch ausgebildeten Spule ausgenutzt.

Die in den bekannten Vorrichtungen verwendeten Kondensatoren sind meist Metallfolienkondensatoren, die üblicherweise als Wickelkondensatoren ausgebildet sind. Um einen elektromagnetischen Impuls hoher Flankensteilheit zu erzeugen, ist man bestrebt, den bei jeder Kondensatorkonstruktion unvermeidbaren Induktivitätsanteil möglichst gering zu halten. Um große Stromwege zu vermeiden, bildet man die Wickelkondensatoren häufig derart aus, daß die Wicklungen der koaxial gewickelten, aber entgegengesetzt gepolten Metallfolienbänder in axialer Richtung ein Stück gegeneinander versetzt werden, so daß die Lagen je einer Folie an einer Stirnseite der Wicklung miteinander beispielsweise verlötet werden können, wodurch der Stromweg zu fast allen Teilen einer Folienwicklung gleich lang ist. Hierdurch werden sowohl ohmsche wie auch induktive Verluste reduziert.

Die bekannten Vorrichtungen zum Erzeugen elektromagnetischer Impulse hoher Energie sind durch das Vorsehen getrennter Speicherkondensatoren und getrennter Induktionsspulen verhältnismäßig sperrig und bauaufwendig, was sich insbesondere dann nachteilig bemerkbar macht, wenn mehrere solcher Kondensator-Spuleneinheiten für bestimmte Anwendungszwecke auf möglichst kleinem Raum zusammen oder hintereinander angeordnet werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, die wesentlich raumsparender baut, und bei der unnötige Verbindungsstromwege möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrische Ladungsspeicher selbst als diese Induktionseinrichtung ausgebildet ist, wobei der elektromagnetische Impuls durch Kurzschließen des Ladungsspeichers erzeugbar ist.

In bevorzugter Ausführungsform besteht die Vorrichtung aus mindestens zwei durch Dielektrikumsschichten voneinander elektrisch getrennten und entgegengesetzt gepolt aufladbaren, in Art eines Wickelkondensators zu einer im wesentlichen zylindrischen Spule aufgewickelten Metallfolienbändern, die an ihren entgegengesetzten Enden mit über einen Entladeschalter verbindbaren Anschlüssen versehen sind.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, den Entladestromfluß innerhalb des Kondensators unmittelbar zur Erzeugung des elektromagnetischen Impulses zu verwenden. Dabei kommt es darauf an, den Ladungsspeicher ähnlich einer Spule derart auszubilden, daß das Ampere-Windungsprodukt möglichst groß wird. Hierfür ist es erforderlich, daß der Stromfluß beim Entladen innerhalb der Vorrichtung die gleiche Richtung aufweist, dies läßt sich bei einer Wicklung aus zwei gegeneinander isolierten Metallfolienbändern dadurch erreichen, daß man die für die Entladung kurzzuschließenden Anschlüsse der sich gegenüberliegenden, aber unterschiedlich gepolten Kondensatorplatten oder Wicklungen an deren entgegengesetzten Windungsenden vorsieht. Wie sich leicht aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung ergibt, fließt der Entladestrom unter dieser Voraussetzung in allen Kondensatorwicklungen gleichsinnig.

Bekannte Speicherkondensatoren weisen dagegen durchweg mittige Anschlüsse an ihren Speicherplatten auf, oder die Windungen sind, wie oben bereits beschrieben, stirnseitig miteinander verlötet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird ein Bauelement von kompakter Bauart und geringem Konstruktionsaufwand geschaffen, da die bei den bekannten Vorrichtungen neben den Induktionsspulen erforderlichen Speicherkondensatoren als getrennte Bauteile entfallen. Außerdem werden durch den Wegfall von Verbindungsleitungen deren Induktionsverluste vermieden.

Die spulenartig ausgebildete Vorrichtung kann vorzugsweise so ausgebildet werden, daß sie die Gestalt eines Hohlzylinders aufweist. Zur Konzentration der elektromagnetischen Energie ist auch bei der erfindungsgemäßen Ausführung eine weichmagnetische Kapselung der Vorrichtung von Vorteil. Eine genügend widerstandsfähige Ummantelung der Vorrichtung kann erforderlich sein, um die zwischen den Folienbahnen möglicherweise entstehenden Kräfte aufzufangen.

Um eine vollständige Entladung der Vorrichtung zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, die den Entladeanschlüssen entgegengesetzten Enden der Folienbahnen über eine in Sperrichtung geschaltete Diode miteinander zu verbinden, die bei aufgeladenem Kondensator zwar keinen Stromfluß zuläßt, beim Entladen aber in Richtung des Entladestromes durchlässig ist, so daß eine vollständige Entladung der Speicherplatten möglich wird.

Auch die Anordnung der Ladeanschlüsse für die Speicherplatten bzw. Speicherfolien ist für den Entladevorgang nicht entscheidend. So können beispielsweise auch die Entladeanschlüsse für das Aufladen der Vorrichtung benutzt werden. Vor Einleiten des Entladevorganges ist jedoch die Ladequelle abzutrennen.

Zur geeigneten Abstimmung zwischen Induktivität und Kapazität der Vorrichtung kann es u.U. erforderlich sein, die Folienwicklungen nicht nur zweischichtig, sondern mehrschichtig auszuführen, wobei die einzelnen Schichten dann wechselweise miteinander verbunden sein können. Durch eine solche Parallelschaltung von mehreren Platten kann Einfluß auf die Länge der Stromwege genommen werden. Aber auch bei einer solchen Anordnung ist darauf zu achten, daß beim Entladen der Stromfluß jeweils in der gleichen Richtung erfolgt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung eignet sich auch besonders dafür, in raumsparender Weise mehrere der Vorrichtungen in einer Gruppe koaxial hintereinander anzuordnen.

Als Dielektrikum für die beschriebene Vorrichtung eignet sich ohne weiteres herkömmliches Kondensatorpapier und andere Dielektrika, da wegen der geringen vorkommenden Impulsfrequenz eine Minimierung dielektrischer Verluste nicht unbedingt erforderlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten schematischen Figuren der Zeichnung im einzelnen noch näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Impulse in schematischer Darstellung von zwei Ebenen sich gegenüberliegenden Kondensatorplattenstreifen und deren Beschaltung,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 in aufgewickelter Form,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Parallelschaltung mehrerer Plattenpaare und

Fig. 4 die schematische Darstellung einer sternförmig gewickelten Anordnung.

In Fig. 1 sind, physikalisch gesehen, zwei Kondensatorplatten 1 und 2 schematisch dargestellt, die in der Praxis durch handelsübliche Kondensatorfolien gebildet werden, die jeweils durch eine Dielektrikumsschicht, beispielsweise in Form einiger Lagen imprägnierten Kondensatorpapieres elektrisch voneinander isoliert sind. Die Platten 1 und 2 sind in ihrem mittleren Bereich mit Ladeanschlüssen 3 und 4 versehen, über welche die Anordnung mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist, aus der gemäß der dargestellten Anordnung die Platte 1 positiv und die Platte 2 negativ aufladbar ist. An entgegengesetzten Enden sind die Platten 1 und 2 ferner mit Entladeanschlüssen 5 und 6 versehen, die über einen Kurzschlußschalter 7 miteinander verbunden sind. Weiterhin sind die den Entladeanschlüssen 5 und 6 entgegengesetzten Enden der Platten 1 und 2 mit Anschlüssen 8 bzw. 9 versehen, die über eine Diode 10 miteinander verbunden sind. Die Diode ist derart in Sperrichtung geschaltet, daß über sie die Ladung von den Platten 1 und 2, die die in der Zeichnung angegebene Polarität aufweist, nicht abfließen kann.

Wird nach Aufladen der Platten 1 und 2 die (nicht dargestellte) Gleichstromquelle von den Ladeanschlüssen 3 und 4 abgetrennt, und der Entlade- oder Kurzschlußschalter 7 geschlossen, so findet ein Ladungsausgleich zwischen den Platten 1 und 2 über die Entladeanschlüsse 5 und 6 und dem geschlossenen Schalter 7 statt. Dadurch, daß sich die Entladeanschlüsse 5 und 6 an entgegengesetzten Enden der beiden Platten 1 und 2 befinden, findet beim Ladungsausgleich ein in beiden Platten gleichsinniger Stromfluß und damit Aufbau eines elektromagnetischen Feldes statt.

Denkt man sich die beiden Platten 1 und 2 nun zu einer Spule aufgewickelt, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist, so fließt der Entladestrom in allen Windungen der aufgewickelten Platten oder Folien in gleicher Richtung, was bekanntermaßen infolge des nur impulsartig währenden Stromflusses zum Aufbau eines elektromagnetischen Feldes führt, wie dies auch bei einer normalen Induktionsspule der Fall ist.

Die in Fig. 1 zusätzlich vorgesehene Diode 10 dient lediglich dazu, einen möglichst vollständigen Ladungsausgleich zwischen den Platten 1 und 2 zu bewirken. Bezüglich der Entladungsstromrichtung in den Platten ist sie auf Durchlaß geschaltet. In der Darstellung der Fig. 2 ist diese Zusatzdiode weggelassen.

Auch ist in den Fig. 1 und 2 das zwischen den Platten 1 und 2 befindliche Dielektrikum aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht getrennt dargestellt.

In Fig. 3 ist schematisch eine Parallelschaltung von zwei Plattenpaaren 12, 13 bzw. 14, 15 dargestellt. Die Entladeanschlüsse 5 und 6 jedes Plattenpaares sind miteinander verbunden. Die Aufladung der Platten erfolgt auch hier zweckmäßigerweise über die Entladeanschlüsse.

In Fig. 4 ist schematisch eine Art sternförmige Wicklung von einer Mehrzahl jeweils über ihre Entladeanschlüsse 5 und 6 miteinander verbundene, gleichpoliger Plattengruppen 16 und 17 dargestellt. Durch geeignete Bemessung von Anzahl und Länge der einzelnen Folienwicklungen läßt sich das Verhältnis von Kapazität zu Induktivität der Vorrichtung bestimmen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Impulse mit einem von einer Stromquelle aufladbaren elektrischen Ladungsspeicher, dessen durch Schließen eines Entladestromkreises entstehender Entladestrom eine ein elektromagnetisches Induktionsfeld erzeugende Einrichtung durchfließt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Ladungsspeicher selbst als diese Induktionseinrichtung ausgebildet ist, wobei der elektromagnetische Impuls durch Kurzschließen des Ladungsspeichers erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mindestens zwei durch Dielektrikumsschichten voneinander elektrisch getrennten und entgegengesetzt gepolt aufladbaren, in Art eines Wickelkondensators zu einer Spule aufgewickelten Metallfolienbändern (1, 2) besteht, die an ihren entgegengesetzten Enden mit über einen Entladeschalter (7) verbindbaren Entladeanschlüssen (5, 6) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie hohlzylindrisch ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer weichmagnetischen Kapselung versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einer Radialkräfte aufnehmenden Ummantelung umgeben ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entladeanschlüssen (5, 6) abgewandten Enden (8, 9) der Metallfolienbänder (1, 2) über eine in Bezug auf die Ladungspolarisierung in Sperrichtung geschaltete Diode (10) miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus einer die Zahl von zwei übersteigenden, geraden Anzahl von Metallfolienbändern (12, 13; 14, 15 bzw. 16; 17) besteht, deren Enden wechselweise miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum zwischen den Metallfolienbändern ein Schichtdielektrikum aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Vorrichtungen koaxial zu einer Gruppe hintereinander angeordnet sind.