DE3705694C2

DE3705694C2 -

Info

Publication number: DE3705694C2
Application number: DE3705694A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. 8230 Bad Reichenhall De Schroeter
Original assignee: Buck Chemisch Technische Werke GmbH and Co
Current assignee: Buck Chemisch Technische Werke GmbH and Co
Priority date: 1987-02-23
Filing date: 1987-02-23
Publication date: 1991-08-22
Also published as: US4855605A; DE3705694A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Schützen von Objekten gegen Laser hoher Leistungsdichte. Der Ausdruck "Objekte" ist dabei sehr weit zu spannen, wobei je doch insbesondere auch an Satelliten, Raumstationen und sehr hoch fliegende Raketen gedacht ist.

In neuerer Zeit werden vielfältige Überlegungen angestellt und Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel des Schutzes von Objekten gegen Laser hoher Leistungsdichte. Alle diese Überlegungen und Untersuchungen sind jedoch darauf gerichtet, Materialien und Materialkonstruktionen zu finden, die gegenüber Laserstrahlen möglichst unempfindlich sind. Dieser Weg führt jedoch zwangsläufig zu dicken, gegebenenfalls mehrschichtigen Schutzschilden und Schutz-Ummantelungen, welche das Gewicht des zu schützenden Objekts beträchtlich erhöhen, was insbesondere bei den eingangs erwähnten Objekten sehr nachteilig ist. Dies gilt auch für das Verfahren nach der US 39 67 582, bei dem auf der Oberfläche einer gegen Laser zu schützenden Glasscheibe eine Wasserschicht aufgebracht und diese fortlaufend durch frisches Wasser ersetzt wird, so daß dem Laserstrahl die für die Ver dampfung des Wassers erforderliche Energie entzogen wird. Zum Schutz gegen Laser hoher Leistungsdichte genügt jedoch dieser vergleichsweise geringe Leistungsentzug nicht und darüber hin aus kann dieses Verfahren nur für eine begrenzte Anzahl von Objekten Verwendung finden, beispielsweise nicht bei den erwähnten Raketen und Satelliten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, mit deren Hilfe ein wirksamer Schutz gegen Laser hoher Leistungsdichte erreicht wird, ohne dabei eine wesentliche Erhöhung des Gewichts des zu schützenden Objekts in Kauf nehmen zu müssen. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich verfahrensmäßig aus dem Patentanspruch 1 und anordnungsmäßig aus dem Patentanspruch 2.

Im Gegensatz zu den üblichen Überlegungen wird also bei der Erfindung nicht versucht, das Objekt durch einen gegenüber Laser strahlen möglichst widerstandsfähigen "Panzer" zu schützen, sondern es wird in den Strahlengang des Lasers ein Material ge bracht, das sich durch den Laserstrahl schlagartig in ein hoch ionisiertes Plasma umsetzt, wobei dann absorbiert und/oder re flektiert und somit verhindert, daß der Laserstrahl tief in das darunter liegende, zu schützende Material des Objekts eindringt. Dieser Effekt der Absorption und der Reflexion eines Laserstrahls durch ein hochionisiertes Plasma ist zwar bereits bekannt, jedoch nicht als Schutzmaßnahme sondern als Nachteil, und zwar aus der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen. Dort hat sich nämlich gezeigt, daß beim Bearbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahl bei bestimmten Werkstückmaterialien durch Verdampfung des Materials ein Plasma sich bildet, das einen Großteil der Energie des Laserstrahls aufnimmt und so ein weiteres Eindringen des Laser strahls in das Werkstück verhindert. Um in bestimmte Materialien mittels eines Laserstrahls tief eindringen zu können, muß deshalb dieses Plasma mittels Gasen, etwas Heliumgas, "weggeblasen" werden. Diesen Abschirmungseffekt durch ein hochionisiertes Plasma nutzt nun die Erfindung zum Schutz des Objekts aus, wobei nachfolgend die theoretischen Grundlagen erläutert werden sollen.

Ein hochenergetischer Laserstrahl mit einer Leistungsdichte oberhalb 10⁴ W/cm² verdampft Material aus der Oberfläche eines Feststoffkörpers. In dem entstehenden Dampf sind Freielektronen vorhanden. Sie nehmen über Stoßprozesse Energie aus dem elektromagnetischen Laserfeld auf. Die zeitliche Zunahme der Energie der Elektronen läßt sich auf der Grundlage der bekannten Stoßprozesse ohne erfinderische Tätigkeit berechnen, wobei sich ergibt:

e = Elementarladung des Elektrons
F_o = Feldstärke des Laserfelds
m = Elektronenmasse
ω = Frequenz der Laserstrahlung
M = relative Atommasse der ungeladenen Atome
ε = Energie der Elektronen
ν_St = Stoßhäufigkeit der Elektronen und Atome.

Maximal können die Elektronen die Energie

erreichen.

Wenn die Elektronenenergie so groß wird wie die zur Ionisation der neutralen Atome notwendige Energie ε_ion, dann kommt es zu einer lawinenartigen Freisetzung von Elektronen. Das entstehende hochionisierte Plasma absorbiert bzw. reflektiert die Laserstrahlung hochgradig, was sich sowohl theoretisch ergibt als auch durch die oben erwähnte Störung des Laserstrahls bei der Materialbearbeitung dokumentiert.

Ein Material, das Schutz vor einer energiereichen Laserstrahlung bietet, muß also die schnelle Bildung eines hochionisierten Plasmas gestatten. Geeignete Materialien können durch die Gleichungen (1) und (2) sowie durch ε_ion bestimmt werden. In Gleichung (1) geht das Material durch seine relative Atommasse M ein, und zwar in den zweiten Term. Bei genauer Betrachtung ist daneben ν_St keine Konstante sondern von M abhängig, wobei jedoch zur qualitativen Auswahl geeigneter Materialien diese Abhängigkeit vernachlässigbar ist. Man kann also qualitativ sagen, daß die Geschwindigkeit der Energiezunahme der Elektronen mit steigendem M ansteigt. Die maximale Energie, welche die Elektronen in einem gegebenen Laserfeld erreichen können, steigt nach Gleichung (2) ebenfalls mit M. Sie muß dabei größer sein als die erste Ionisationsenergie ε_ion des Materials. Somit läßt sich als Auswahlkriterium für geeignete Schutzmaterialien festlegen, daß der Quotient aus M und ε_ion möglichst groß sein muß. Betrachtet man das periodische System, dann ist der Quotient M/ε_ion besonders groß bei radioaktiven Elementen, jedoch sind diese verständlicherweise als Schutzmaterialien für den vorliegenden Zweck nicht geeignet. Als Feststoff-Schutzmaterialien eignen sich dagegen, und zwar in der angegebenen Reihenfolge, Cäsium, Thallium, Lutetium, Wismut, Blei und weitere Lanthanide. Bei den gasförmigen Elementen eignen sich besonders - Radon ist ja nicht stabil - Xenon und Krypton.

Die Auswahl des zu verwendenden Schutzmaterials soll nach den obigen Kriterien erfolgen, wobei die erwähnten Elemente, allein oder in Kombination, einen hohen Schutz gewährleisten.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 skizzenhaft eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 skizzenhaft eine zweite Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 skizzenhaft eine dritte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 skizzenhaft eine vierte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Auswahl geeigneter Feststoffe als Schutzmaterial und

Fig. 6 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Auswahl geeigneter Gase als Schutzmaterial.

In Fig. 1 ist mit 10 der Außenmantel eines zu schützenden Objekts bezeichnet, wobei die äußere Oberfläche das Bezugszeichen 10a hat. In den oberflächennahen Bereich des Materials 10 ist Schutzmaterial 11 eingelagert. Die Einlagerung kann durch Einsintern, Eindiffundieren, Einlegieren oder dergleichen erfolgen. Trifft nun ein Laserstrahl L hoher Leistungsdichte auf die Oberfläche 10a auf, dann werden die eingelagerten Partikel des Schutzmaterials 11 schlagartig verdampft, und es bildet sich auf der Auftreffstelle des Lasers L ein hochionisiertes Plasma. Dieses hochionisierte Plasma absorbiert und reflektiert die Energie des Laserstrahls L, mit der Folge, daß der Laserstrahl nur in der kurzen Anfangsphase in das zu schützende Material bzw. Objekt eindringen kann, nach Bildung des Plasmas jedoch ein weiteres Eindringen des Laserstrahls verhindert wird.

In Fig. 2 ist auf die Oberfläche 10a des zu schützenden Materials 10 eine Schicht 12 aus Schutzmaterial aufgebracht, wobei das Aufbringen durch Aufplattieren, Aufspritzen, Auflackieren oder dergleichen erfolgen kann. Ähnlich wie beim Beispiel von Fig. 1 bildet das Schutzmaterial 12 sofort beim Auftreffen des Laserstrahls L ein hochionisiertes Plasma, das dann ein Eindringen des Laserstrahls in das zu schützende Material bzw. Objekt verhindert.

Fig. 3 zeigt die Verwendung eines gasförmigen Schutzmaterials 13. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das zu schützende Material 10 mit Abstand von einer Außenhülle 14 umgeben, wobei dann der Raum zwischen Außenhülle 14 und Oberfläche 10a des zu schützenden Materials 10 mit dem gasförmigen Schutzmaterial 13 gefüllt ist. Der Schutzeffekt gegenüber dem ankommenden Laserstrahl L entspricht im wesentlichen dem Effekt nach den Fig. 1 und 2. Als Material für die Schutzhülle 14 kann dasselbe Material wie das zu schützende Material 10, ein beliebiges anderes Material oder aber auch ein Feststoff-Schutzmaterial Verwendung finden.

Fig. 4 schließlich zeigt skizzenhaft ein Beispiel für den Schutz eines besonders empfindlichen Teils eines Objekts. Dabei soll mit 14 eine Außenhülle, nämlich eine Raketenspitze bezeichnet sein, in der sich ein hier mit 10 bezeichneter Zünder befindet. Der Raum innerhalb der Hülle 14 ist dabei mit einem Schutzgas gefüllt. Der Schutzeffekt entspricht demjenigen des Ausführungsbeispiels von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine Übersicht über besonders geeignete feste Materialien als Schutzmaterialien, wobei über die Abszisse die Elemente, über die Ordinate der bereits vorher erwähnte Quotient M/ε_ion aufgetragen ist. Die Eignung als Schutzmaterial, etwa für Schutzmaßnahmen gemäß den Fig. 1 und 2, steigt mit dem Quotienten. Zweckmäßigerweise wird man also die Elemente mit dem höchsten Quotienten verwenden, verständlicherweise soweit die stabil sind. Dabei gewährleisten diese Elemente selbst dann einen hohen Schutz, wenn sie nur in vergleichsweise geringer Menge in den Oberflächenbereich des zu schützenden Objekts eingelagert sind (Fig. 1) oder die aus ihnen gebildete Schutzschicht (Fig. 2) vergleichsweise dünn ist. Jedenfalls ist die Gewichtserhöhung des Objekts gering oder sogar vernachlässigbar.

Fig. 6 gibt eine Übersicht über besonders geeignete Gase als Schutzmaterial. Die Eignung steigt auch hier mit dem Quotienten M/ε_ion. Es ist ersichtlich, daß insbesondere Xenon und Krypton als Schutzgase brauchbar sind, wobei ihre Anwendung dann in der Weise erfolgt, wie in den Fig. 3 und 4 angedeutet ist. Auch in diesem Fall ist die Gewichtserhöhung des Objekts gering, insbesondere dann, wenn nur empfindliche Teile des Objekts geschützt werden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.

Selbstverständlich kann die Erfindung gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen zahlreiche Abwandlungen erfahren. So ist es beispielsweise möglich, Mehrfach-Schutzschichten vorzusehen, gegebenenfalls aus unterschiedlichen Schutzmaterialien oder abwechselnd Schutzmaterialien und zu schützenden Materialien.

Auch können am selben Objekt unterschiedliche Schutzmaßnahmen getroffen werden; beispielsweise kann die gesamte Hülle einer Rakete mit Schutzmaterial beschichtet (Fig. 2) und zusätzlich der besonders gefährdete, den Zünder enthaltende Innenabschnitt mit Schutzgas (Fig. 4) gefüllt werden. Das Schutzgas kann dabei eine nicht gasförmige Substanz mit einem möglichst hohen Quotienten M/ε_ion in feinverteilter Form enthalten, beispielsweise ein Pulver, das durch ein Gebläse im Schwebezustand gehalten wird. Denkbar ist auch, den Außenmantel des zu schützenden Objekts sowohl außen als auch innen mit einer Schicht aus Schutzmaterial zu versehen. Schließlich könnte auch in gewissen Anwendungsfällen die gesamte Außenhülle des zu schützenden Objekts aus Schutzmaterial bestehen. Wesentlich ist nur, daß das Schutzmaterial ein den Laserstrahl absorbierendes und/oder reflektierendes Plasma bildet, bevor der Laserstrahl auf gefährdete Teile des zu schützenden Objekts auftrifft.

Claims

1. Verfahren zum Schützen von Objekten gegen Laser hoher Leistungsdichte, dadurch gekennzeichnet, daß in, auf oder nahe benachbart der Oberfläche des Objekts ein hochionisiertes Plasma aus einem Schutzmaterial (11, 12, 13) erzeugt und zum Erzeugen dieses Plasmas der ankommende Laserstrahl selbst herangezogen wird, wobei das Schutzmaterial (11, 12, 13) - nämlich Cäsium, Thallium, Lutetium, Wismut, Blei und/oder weitere Lanthaniden als Feststoff (11, 12) und/oder Xenon oder Krypton als Gas (13) - einen möglichst hohen Quotienten (M/ε_ion) aus relativer Atommasse der ungeladenen Atome und zur Ionisation der neutralen Atome notwendigen Energie aufweist.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzmaterial (11, 12, 13) in, auf oder nahe benachbart der Oberfläche des zu schützenden Objektes (10) angeordnet ist, wobei das Schutzmaterial (11, 12, 13) durch den Laser hoher Leistungsdichte (L) schnell zu einem hochionisierten Plasma umwandelbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzmaterial (11) in die Oberfläche des zu schützenden Objektes (10) eingesintert, eindiffundiert oder einlegiert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzmaterial (12) auf die Oberfläche des zu schützenden Objektes (10) aufgespritzt, auflackiert, aufplattiert oder aufgeschichtet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schutzschichten, gegebenenfalls aus unterschiedlichen Schutzmaterialien (12), vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas eine nicht gasförmige Substanz mit einem möglichst hohen Quotienten (M/ε_ion) in fein verteilter Form enthält.

7. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzmaterial zwischen der Oberfläche des Objektes (10) und einer die Objektoberfläche mit Abstand umgebenden Außenhülle (14) eingeschlossen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (14) aus dem Schutzmaterial besteht.