DE3904276C2 - Laserinitiierbares Zünd-/Anzündelement mit ausbleichbarem Absorber - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Zünd-/Anzündelement, dessen Explosivladung direkt durch Laserlicht initiierbar ist.

Aus der US 3,177,651 ist ein Zünd-/Anzündelement bekannt, dessen Explosivladung direkt durch Laserlicht initiierbar ist. Im Strahlengang vor der Explosivladung ist ein Bandpaßfilter vorgesehen, um eine unerwünschte Anzündung durch Streulicht zu verhindern. Dieser Filter kann jedoch nicht verhindern, daß Streulicht mit der Wellenlänge des Laserlichtes die Anzündladung entzündet.

Aufgabe der Erfindung ist ein Zünd-/Anzündelement, das direkt durch Laserlicht initiierbar ist, das aber gegen ein Auslösen durch Fremdlicht geschützt ist.

Die Aufgabe wird von einem Zünd-/Anzündelement gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß im Lichtweg zu der Explosivladung ein ausbleichbarer Absorber angeordnet ist, der so ausgelegt ist, daß das Licht unterhalb einer Intensitätsschwelle so geschwächt wird, daß durch dieses Licht eine Initiierung der Explosivladung nicht möglich ist.

Ausbleichbare Absorber, auch sättigbare Absorber genannt, weisen ein intensitätsabhängiges Transmissionsverhalten auf. Für kleine Lichtintensitäten ist die Transmission annähernd konstant (Anfangstransmission T_O). Ab einer bestimmten Intensitätsschwelle I_S steigt die Transmission stark mit der Intensität an und geht dann asymptotisch gegen einen Grenzwert T_A (Ausbleichtransmission), der relativ groß ist, im Idealfall sogar den Wert 1 annimmt. Ob und in welchem Wellenlängenbereich ein Absorber ausbleichbar ist, hängt von spektroskopischen Daten wie Lebensdauer der angeregten Zustände und Wirkungsquerschnitt für angeregte Zustandsabsorption ab. Das gesamte optische Absorptionsspektrum sollte vom Fachmann möglichst genau untersucht werden.

Ein sättigbarer Absorber für die spezielle Anwendung sollte eine Anfangstransmission kleiner 0,05 haben, I_S sollte größer 10⁷ W/cm² und T_A sollte größer 0,6 sein (reale Werte 0,3 T_A 0,95).

Der Anstieg der Transmission oberhalb I_S sollte möglichst steil sein (wesentlicher Anstieg innerhalb ein bis zwei Zehnerpotenzen der Intensität). Es versteht sich, daß mit dem als Zündgenerator fungierenden Laser im sättigbaren Absorber Intensitäten erreicht werden müssen, die zum Ausbleichen führen. Wenn man den ausbleichbaren Absorber günstig wählt und auf die Laserquelle abstimmt, wird zur Initiierung des erfindungsgemäßen Zünd-/Anzündelementes praktisch kein energiereicherer Laserblitz benötigt als er ohne den ausbleichbaren Absorber erforderlich wäre.

Damit die Intensitätsschwelle I_S hoch gewählt werden kann und trotzdem ein vollständiges Ausbleichen des sättigbaren Absorbers erreicht wird, sollte der die Zündung auslösende Laser gütegeschaltet oder phasengekoppelt sein. Die Impulsdauer des Laserblitzes liegt dann unter 200 ns. Zur Intensitätserhöhung können die Laserimpulse auch noch fokussiert werden.

Der besondere Vorteil dieses erfindungsgemäßen Zünd-/Anzündelementes liegt in der extremen Störunanfälligkeit. Ein ausbleichbarer Absorber ist ein sehr kompaktes, passives optisches Schaltelement, das keiner externen Zuführung oder Antriggerung bedarf. Die Funktionsfähigkeit dieses passiven Schaltelements wird auch durch stärkste mechanische oder thermische Belastungen und selbst durch stärkste elektromagnetische Felder nicht beeinträchtigt. Außerdem ist die Herstellung dieses Zünd-/Anzündelementes einfach, billig und genau kontrollierbar. Es lassen sich praktisch für jeden Lasertyp geeignete Substanzen finden, die ein auf den Laser abgestimmtes ausbleichbares Absorptionsverhalten zeigen.

Geeignete Substanzen für ausbleichbare Absorber sind insbesondere organische Farbstoffe, die bei der Wellenlänge des Zündlasers eine starke Grundzustandsabsorption zeigen. Damit ein hoher Ausbleichgrad erreicht wird, sollte die Absorption vom angeregten Zustand weg (excited state absorption) möglichst gering sein. Die Farbstoffe können als Lösung in einer Küvette verwendet werden, wobei die Begrenzung der Küvette gleichzeitig die Funktion eines Eintrittsfensters in das Gehäuse der Sprengkapsel übernimmt. Man kann aber auch die Farbstoff­ moleküle in fester Form als Schicht oder als Dotierung dem Material des Eintrittsfensters beifügen. Beispiel für ausbleichbare Farbstoffe sind Rhodamin GG, Rhodamin B, DDI, Cresyl violett; für den Neodymlaser sind besonders die Polymethinfarbstoffe A 9860 und A 9740 geeignet.

Auch unter den Stoffklassen der Kristalle oder Gläser lassen sich Materialien für ausbleichbare Absorber finden. Für den Neodymlaser bietet sich der LiF-Kristall mit dem Farbzentrum F₂- an. Für den CO₂-Laser der KCL-Kristall mit dem Farbzentrum ReO₃-. Bei sehr vielen Laserwellenlängen lassen sich geeignete ausbleichbare Filtergläser wie zum Beispiel Neutralglas-Graufilter oder Halbleitergläser finden.

Eine weitere Erhöhung der passiven Sicherheit dieser Zünd-/Anzündelemente läßt sich dadurch erreichen, daß man den Spektralbereich, in dem der ausbleichbare Absorber eine zu hohe Transmission (T 3%) aufweist, zusätzlich abblockt. Dies kann man durch Einbringen von Filtern, die bei der Laserwellenlänge nicht oder sehr schwach absorbieren, insbesondere Kanten- oder Interferenzfiltern, in den Lichtweg vor oder nach dem ausbleichbaren Absorber erreichen.

Ein erfindungsgemäßes Zünd-/Anzündelement ist in der Zeichnung dargestellt. In ein Gehäuse 1 aus Stahl sind zwei optische Fenster 2 und 4 eingegossen. Die Fenster 2, 4 bilden zusammen mit dem Gehäuse 1 eine Küvette, wobei der Innenraum 3 eine Höhe von 1 mm hat. In diese Küvette ist eine 2 × 10^-4-molare Farbstofflösung des Polymetin-Farbstoffes A 9860 gelöst in Dichloräthan eingefüllt. Diese Lösung hat im Wellenlängenbereich von 900 bis 1100 nm eine Anfangstransmission T_O unter 5%. Bei der Wellenlänge des Neodymlasers (ca. 1060 nm) ist die Transmission sogar kleiner als 3%, solange die eingestrahlte Laserintensität unter 10⁷ W/cm² liegt; ab einer Intensität von 10⁸ W/cm² steigt die Transmission stark an und erreicht bei 5 × 10⁹ W/cm² etwa 85%. Der optische Spektralbereich unter 900 nm kann durch Filter zusätzlich abgeblockt werden, hier beispielsweise durch ein Langpaß-Kantenfilter RG 850 oder RG 830 als Eintrittsfenster 2.

Unmittelbar an das Fenster 4 aus BK7-Glas ist eine Explosivladung 5 aus Bleiazid angepreßt, die mit einer Schutzfolie 6 abgedeckt ist.

Eine sichere Zündung erfolgt, wenn ein genügend starker Laserimpuls aus einem Neodymlaser auf den ausbleichbaren Farbstoff trifft, ihn ausbleicht und auf die Explosivladung 5 gelangt. Fremdlicht oder zufällig auftretende Lichtblitze können infolge der hohen Absorption nicht auf die Explosivladung 5 gelangen und folglich diese nicht initiieren.

Claims (5)

1. Zünd-/Anzündelement, dessen Explosivladung direkt durch Laserlicht initiierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zu der Explosivladung (5) ein ausbleichbarer Absorber angeordnet ist, der so ausgelegt ist, daß das Licht unterhalb einer Intensitätsschwelle so geschwächt wird, daß durch dieses Licht eine Initiierung der Explosivladung (5) nicht möglich ist.

2. Zünd-/Anzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Explosivladung (5) in einem Gehäuse (1) befindet, und daß vor der Explosivladung (5) eine Küvette integriert ist, die einen flüssigen ausbleichbaren Absorber enthält.

3. Zünd-/Anzündelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Explosivladung (5) in einem Gehäuse (1) mit einem Fenster (2) befindet und das Fenster (2) hinsichtlich Dicke und Absorbtionseigenschaften so aus­ gebildet ist, daß es als ausbleichbarer Absorber wirkt.

4. Zünd-/Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in dem Lichtweg noch ein Kanten- oder Interferenzfilter vorhanden ist.

5. Zünd-/Anzündelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß organische Farbstoffe, Kristalle oder Gläser als ausbleichbare Absorber eingesetzt werden.