SE518183C2 - Sätt och anordning för initiering av explosivämnesladdningar - Google Patents

Description

»uran 2. ut en laserstrålning. Att tillföra energi till en laser brukar kallas att man pumpar lasem och detta kan vid många lasennaterial göras genom tillförsel av ljus, viket även är att föredra i samband med bifogade uppfinning. Laserns tredje obligatoriska komponent är en optisk resonator i form av minst två speglar anordnade vid laserkristallens ändar och så riktade att strålningen inne i kristallen reflekteras mellan speglama. När man eftersträvar att ta ut en laserstråle ur laserkällan så måste en av speglarna vara halvgenomskinlig så att en del av strålningen som studsar mellan resonatoms bägge speglar kan komma ut. Genereringen av själva laserstrålen börja med spontat utsända fotoner i alla riktningar ur det pumpade lasennaterialet och de fotoner som reflekteras mot resonatorspeglama skickas tillbaka in i lasennaterialet och orsakar där en stirnulerad emission av fotoner med samma våglängd, riktning och fas. Det är dessa egenskaper som ger laserstrålen dess koherenta egenskaper. Vid en konventionell laser tar man sedan ut en del av strålningen via den halvgenomskinli ga spegeln. Så länge lasern pumpas med energi kommer även laserstrålen att sändas ut.

Vid sidan av de lasrar som utnyttjar fasta och då företrädesvis kristallina lasermaterial så finns det även som redan antytts gaslasrar, och även bland dessa finns det lasrar bestående av specifika gasblandningar som kan pmnpas med ljus och därför skulle kunna vara intressanta i samband med föreliggande uppfinning. Däremot är sådana lasrar som måste pumpas med elenergi av mindre intresse i sammanhanget eftersom dessa genom att de kräver elledare för tillförseln av pumpenergien i princip får samma säkerhetsmässiga svagheter som konventionella eltändare.

Under ett antal är har rymd- och militärindustrien utvecklat och använt sig av laserbaserade tändsystem. I dylika laserbaserade tändsystem utnyttjas lasern för att generera en värmepuls som via en fiberoptiskljusledare eller kabel levereras till tändenheten. Dessa lasertändare har emellertid varit mycket kostsamma eftersom de krävt mycket kraftiga och därmed dyra laserkällor även då speciella förstärkarelement t ex linser eller bukiga speglar kommit till användning mellan laserkällan och initieringsstället. Laserbaserade explosivämneständare har därför hittills främst kommit till användning vid mera exklusiva teknikornråden där priset inte varit allt för avgörande.

Fördelarna med ett laserbaserat tändsystem är i första hand dess höga säkerhet i och med att de kan avskärmas från varje form av yttre åverkan. 518 183 3 Det teoretiskt enklaste lasertändaren för en explosivämnesladdning är den som helt enkelt består av en fiberoptisk ljusledare vars ytterända belagts med en konventionell pyrosats som alltså skall tändas av det alstrade värmet från en genom den optiska kabeln sänd laserstråle.

Denna variant är enkel och tillförlitlig men den kräver en mycket kraftig laserkälla i andra änden av den optiska kabeln.

En något svagare laserkälla kan utnyttjas om laserstrålen förstärks omedelbart före pyrosatsen och detta kan göras med t ex en optisk lins , optiska speglar eller en fiberoptisk ljusförstärkare. Samtliga dessa tidigare föreslagna lösningar är praktiskt tillämpbara men den nödvändiga laserkällan är även vid dessa varianter av icke försumbar styrka och därmed fortfarande förhållandevis dyr.

Vid ytterligare en variant som klarar sig med en något svagare laserkälla anordnas ett IR-absorberande material mellan den optiska kabelns ytterända och pyrosatsen samtidigt som den senares värmeupptagningsförmåga förstärkts genom t ex en tillsats av kolpulver. Den för tändningen av en pyrosats avsedda lasem kan även genom val av laseremitterande material skräddarsys mot den använda pyrosatsens optimala absorptionsvåglängd. Även om detta gjorts krävs dock krävs dock fortfarande relativt starka lasrar för att i enlighet ovan i all korthet beskriven tidigare känd teknik med laser tända en pyrosats.

Ytterligare en variant som har den specialeffekten att den ger en exploderande tändning men som kräver en mycket kraftig laserkälla är den lasertändare som startar med att förgasa ett lämpligt medium t ex en plastfolie och accelerera detta medium genom ett eldrör mot det explosivämne som skall initieras. Ännu en känd grundprincip för lasertändare för explosivämnen utrnärks av att en laserdiod anordnats i omedelbar anslutning till eller inne i explosivämnet och att denna laserdiod då explosivämnet skall initieras matas med en elektrisk spärming. Denna tändare är emellertid precis som en konventionell eltändare beroende av en tändström som matas via vanliga elledare och den påverkas därför lika lätt av elektromagnetiska pulser från andra elapparater som de konventionella eltändarna och den kan därför lika lite som dessa utan extra säkerhets arrangemang användas i sådana sammanhang där andra elapparater kan komma till användning i närområdet. ;..;| u . a a oo v 51 8 1 8 3 '-._.-' an: . ___-g. :.;. ' “l Som redan inledningsvis antytts hänför sig föreliggande uppfinning nu till ett sätt och en anordning för initiering av explosivänmesladdningar med hjälp av en laser men i motsats till vid ovan diskuterade lasertändsystem räcker det med lågenergilaser för att utöva uppfinningen.

Grundidéen bakom uppfmningen är nämligen att man initierar explosivämnesladdningen genom självdestruktion av en med den aktuella explosivämnesladdningen sammanbyggd laserkälla eller laserkristall av rnini- eller microtyp och för detta ändamål räcker det med en lågenergilaser pumpad med ljusenergí från en åtminstone tidsmässigt rätt begränsad ljuskälla.

Med uttrycket ”överbelasta” avses här ett överskridande av det tröskelvärde för självdestruktion som i laserlitteraturen generellt brukar kallas ”damage treshold level” och som det inte är ovanligt att man ibland överskrider av misstag. Beroende av lasertyp kommer lasern då den överskrider detta värde för sj älvdestruktion att explodera eller smälta ner, vilket båda är tillstånd som kan användas för att initiera ett explosivämne.

Eftersom avsikten med uppfinningen är att så snabbt att det upplevs som momentant åstadkomma den önskade initieringen av explosivämnesladdningen så finns det inte heller något behov av en långvarig energitillförsel till laserkällan. Enligt en utvecklingsvariant på uppfinningen är det därför helt tillfylles med den ljuseruption som en vanlig fotoblixt genererar för att via en fiberoptisk ljusledare pumpa erforderlig energi till den laserkälla vilken i sin tur genom den egna sj älvdestruktionen skall ge upphov till den önskade detonationen. Givetvis ingår i uppfinningen att den använda laserkällan med utnyttjande av all känd laserteknik skall skräddarsys för sitt nu aktuella mycket speciella ändamål, nämligen att så snabbt som möjligt efter pumpning överskrida tröskelvärdet för självdestruktion.

Den ljuskälla som skall krävas för pumpning av den i samband med föreliggande uppfinning aktuella lasem måste dock skilja sig tillräckligt från dagsljus för att detta inte skall innebära några säkerhetsrisker. Som ljuskälla för att starta upp laserkällan föreslås i enlighet med en speciellt föredragen variant på uppfinningen att man använder en konventionell fotoblixt av vilka det finns ett stort antal olika typer och olika ljusstyrkor tillgängliga på marknaden.

När det gäller behovet av små och billiga laserkällor, som skulle kunna uppfylla kraven i enlighet med föreliggande uppfinning så har utvecklingen i den riktningen tagit så stora kliv ~~ fi-arnåt att det enbart är en tidsfråga innan dylika laserkällor kommer att finnas tillgängliga på o . - o av 51 3 1 ggšïiiiiš öppna-marknaden till mycket fördelaktiga priser. Arbeten som visar i den riktningen finns beskrivna i dels en artikel i APPLIED OPTICS/Vol 39 No 15/ 20 May 2000 benämnd ”Monoblock laser for low-cost, eyesafe, microlaser range finder av J .E Nettelton et al samt i ett informationsblad från KTH i Stockholm benärrmt : ”Eye-safe Microchip Lasers av S Kelly och F Laurell. Med i dessa bägge referenser beskriven teknik kommer det otvetydigt att bli möjligt att framställa den typ av lågenergimonolitlaser som krävs för att utöva föreliggande uppfinning i större skala.

Det laseremitterande materialet till den typ av mikrochiplasrar som krävs för utövande av föreliggande uppfinning kommer enklast att kunna framställas i större ark som delas upp i mindre stycken och slipas. Detta har gett den tanken på en utveckling av laserkällan nämligen att den skall facettslipas för största möjliga internreflektioner. Detta för att snabbast möjligast uppnå den önskade sj älvdestmktionen och därmed initiering av det aktuella sprängämnet.

Telecom-industriens och hemelektronikens snabba frammarsch har även lett till att halvledarbaserade laserdioder idag kan massproduceras till överkomliga priser samtidigt som den stora användningen av optiska fiberkablar har medfört att meterpriset på dylika har kommit att sjunka under priset på vanliga kopparledare. Dessa idag och ännu mer i morgon lättillgängliga och prisbilliga laserdioder har bara en nackdel när det gäller att tända ercplosiväninesladdningar i enlighet med någon av de tidigare föreslagna metoderna. Den laserstråle som de avger är emellertid allt för svag för att kunna tända explosivärrinesladdning, ett problem som emellertid föreliggande uppfinning går förbi genom att istället för att använda laserstrålen från dioden för tändning av explosivämnesladdningen konstruerar lasern på sådant sätt att denna så snabbt som möjligt överskrider sitt tröskelvärde för sj älvdestruktion och därvid smälts ner eller exploderar och därvid initierar explosivämnesladdningen. __ Redan i samband med uppfinningens teoretiskt enklaste variant kan lågenergilasrar utnyttjas för att initiera explosivämnesladdníngar i och med att även dessa lasrar alstrar så mycket värmeenergi att de snabbt kan överhettas och därvid initiera en explosivämnesladdning med vilken de enligt uppfinningen skall vara sarnrnanbyggda. En dylik överhettning av laserkällan kan t ex snabbt uppnås om en tillräckligt stor del av den inom laserkällan ernitterade elektromagnetiska strålningen hindras från att lämnas laserkällan för att istället förstärkas vid varje reflektion inom laserkällan tills överhettningen är ett faktum. s...- . - f n oo s1 s 183 I b Självdestruktionen eller överhettningen av laserkällan uppnås sålunda enligt uppfinningen genom att en tillräcklig mängd av eller hela den i laserkällan successiv uppbyggda strålningsenergin hindras från att lämna laserkällan i form av fri strålning för att istället genom att den successivt reflekteras inom laserkällan och därvid bygga upp ett allt högre energiinnehåll samtidigt upphetta densamma till smältpunkten. Den i lasersammarihang annars aktuella kylproblematiken negligeras sålunda i detta fall helt samtidigt som man efiersträvar snabbast möjliga stråluppbyggnad. Denna effekt kan t. ex. uppnås genom att samtliga speglar i laserns optiska resonator görs ogenomskinliga samtidigt som lasem pumpas fiån sidan dvs mellan speglarna. Då kommer nämligen all mellan speglama reflekterad stråluppbyggnad att hållas kvar inne i lasennaterialet och där ge upphov till ett stort värmeöverskott. Den i laserkällan som en ständigt återkommande komponent förekommande ändförspeglingen kan även för att snabba på initieringen av explosivärrmesladdningen tillverkas av en lättförgasad metall eller metallegering.

I en annan speciell utföringsform av anordningen enligt uppfinningen förstärks tändeffekten av den överbelastade laserkällan genom att åtminstone den mot det initierande ljusflödet vända sidan av den laserstrålbildande kristallen förspeglats med en exoterm legering.

Att komplettera en konventionell eltändare med en exoterrn legering för att öka des tändeffekt är i och för sig förut känt genom en artikel benämnd ”The Reaktive Bridge: A Novel Solid- State Low Energy Initiator” av T.A.Baginski. Lämpliga metaller i en dylik exotermlegering kan vara Al-Pd, Al-PT, B-Ti m fl. Att använda samma ide vid en på här beskrivet sätt utfonnad lasertändare är däremot såvitt vi vet aldrig tidigare föreslaget.

I en ytterligare variant på uppfinningen uppnås självdestruktionen av laserkällan genom en explosion som sliter sönder laserkällan och alstrar en tryckvåg, som initierar det med laserkällan sarnmanbyggda explosivärnnet. Vid denna variant kan t.ex det laseralctiva materialet eller kristallen ha »framställts under sådanas betingelser att dess rymdstruktur kommit att innehålla instängda lufi- eller andra gasblåsor, vilka vid kristallens uppvärmning under laserstrålgenereringen genom den däri inneslutna gasens expansion leder till att laserkällan exploderar. ;»,;. n - ~ | vu 51 3 1 33 .5 3- Samrnanfattningsvis kan man sålunda konstatera att grundtanken bakom föreliggande uppfinning är att bygga en sj älvdestruerande laser, som istället för att släppa ut däri alstrade toppeffekternas i form av laserstrålning driver sig sj älva till sj älvdestruktion för att då den smälter ner eller exploderar initiera ett explosivänme med vilket den är sammanbyggd till en enhet. För att denna grundide skall vara kommersiellt tänkbar krävs en liten och billig laserkälla som kan startas upp med en likaledes billig ljuskälla och som redan nämnts finns dessa komponenter redan idag tillgängliga på marknaden och de kan förväntas bli ärmu billigare längre fram.

Som redan nämnts kan alltså en vanlig fotoblixt vara tillfylles för att pumpa den i samband med föreliggande uppfinning utnyttjade lågenergi-laser-initiatorn men även andra tillräckligt ljusstarka ljuskällor kan användas för detta ändamål. Andra altemativ skulle t.ex kunna vara en pyroteknisk sats eller en lågeffekts-laserdiod eller array av dzo som anordnats så nära den egna strömkällan att den ej kan störas av t. ex. elektromagnetiska pulser från andra elapparater. För samma ändamål kan man även använda en mikrochiplaser.

Eftersom det som eftersträvas i enlighet med föreliggande uppfinning är en definierad värmepuls av tillräcklig effekt, som snabbast möjligt driver laserkällan till sj älvdestruktion, så firms det inget som hindrar att den för ändamålet valda laserkällan eller laserkristallen dopats med flera laseraktiva material. Detta skulle visserligen medföra att den erhållna laserstrålningen förlorar sina eljest monokromatiska egenskaper, men det kan öka dess i detta fall mera intressanta värmeeffekt.

Andra sätt att öka eller snabba upp den önskade självdestruktionen skulle kunna vara lämpliga facettslipningar av den laser formande kristallens ändytor som vid den inre reflektionen under energiuppbyggnaden ger upphov till definierade ”hot-spots” på laserstavens förspeglade ändytor. En annan näraliggande ide skulle vara att våffel~ eller facettslipa laserkristallens ändytor för att få därigenom snabba på en överhettning i spetsar och kanter på facettslipningen.

Enligt en ytterligare variant på uppfinningen har tändfunktionen snabbats upp genom att den därvid utnyttjade laserkristallen eller laserstaven försetts med en urborming i vilken ett lågtemperatursmältande material eller ett explosivämne anbringats. Tiden fram till en sj älvdestruktion av laserkristallen torde även kunna reduceras markant om en stack av olika 1:11» o u - . ., n . 518183 ö switch-kristaller för olika utsändning av puls i tiden , en sk burstgenerator eller Q-switch anordnas omedelbart före den av en exoterrnlegering framställda ändspeglingen av laserkristallens mot pumprikmingen vända ändgavel.

Uppfinningen har definierats i de efterföljande patentkraven och den skall nu något ytterligare beskrivas i samband med bifogade figurer. Vilka schematiskt visar tre olika i enlighet med uppfinningen utformade tändsystem apterade vid var sin sprängladdning.

Fig.1-5 visar schematiska längdsnitt genom olika tändsystem enligt uppfinningen tillsammans med antydningar om de explosivämnesladdningar som de är avsedda att initiera.

Fig.l visa sålunda ett tändsystem innefattande en fiberoptisk ljusledare 1, en laserkristall 2 försedd med en under vissa förhållanden ljusgenomsläpplig dielektrisk ändförspegling 3, en sk Q-switch 4 och en av en lämplig exoterrn legering uppbyggd andra ändförspegling 5.

Hela laserkällan eller laserstaven 2 är anordnad inne i en explosivämnesladdning 6. För pumpning av lasern och utlösning av explosivänmesladdningen 6 finns en konventionell fotoblixtlarnpa 7 anordnad vid den optiska kabelns 1 ytterända. Då fotoblixten 7 utlöses sänds en ljuspuls genom den optiska kabehi 1 till lasern 2, som på grund av sina i enhetlighet med uppfinningen utformade speciella egenskaper inom en mycket kort tidrymd kommer att överbelastas och därvid initiera explosivämnesladdningen 6 så att denna bringas att explodera.

Vid det på Fig.2 visade tändsystemet är uppbyggnaden något annorlunda men gjord enligt samma principer. Även här finns en fiberoptisk ljusledare 9. för att leda tändirnpulsen från tändstället till explosivämnesladdningen här benämnd 10. Den använda laserkällan eller laserstaven 11 är här vinklad och utformad med en första dielekrisk inloppsspegling 12, en andra vinkelförspegling 13 och tredje exoterm ändförspegling 14. Hela laserkällan 11 är vidare inbyggd i en boosterladdning 15 och för initiering av explosivämnesladdningen 10 finns en mindre pyroladdning 16 anordnad utanför den optiska kabelns fria ytterända. Om pyroladdningen 16 initieras kommer laserkällan ll att pumpas varvid initieringen av laddningen10 verkställs med den skillnaden relativt Fig. 1 att boosterladdningen 15 fungerar som ett mellansteg.

Fig. 3 visar en ytterligare variant på den aktuella anordningen innefattande en explosivärrmesladdning 17 inne i vilken en facettslipad prismatisk laserkristall 18 är inbyggd.

Q ø - u nu 51 3 1 3 3 äf - .I- 'i Laserkristal1ens18 alla facettytor är utvändigt förspeglade med undantag för en första facettyta 19, som är ingångsyta för ljuspumpningen av laserkristallen och direktansluten till en fiberoptisk ljusledare 20 och en andra facett yta 21som angränsar till en med ett tändämne 22 fylld urborrning 23. Facettslipningen av laserkristallen 18 är så utfonnad ge en maximal inre reflektion av i den i kristallen vid pumpningen emitterade strålningen. Detta för att snabbast möjligt ge en självdestruktion av laserkristallen. För att ytterligare snabba på förloppet och öka effekten därav har även tändänmet 22 inkapslats i urborrningen 23. För pumpningen av laserkristallen 18 och initieringen av explosivämnesladdningen 17 finns vidare en ljuskälla 24.

Fig. 4 visar ännu en variant på uppfinningen innefattande en klotformig laserkristall 25 försedd med förspeglingar 26,27 och pumpningen av densamma görs genom en fiberoptisk ljusledare 28. Dessutom finns en ljuskälla 29 och laserkristallen 25 är helt inbäddad i explosivämnet 30.

Iden på Fig. 5 visade anordningen återfinns ljuskällan 29, den optiska kabeln 28 och explosivämnet 30. Däremot är laserkristallen här utbytt mot en sk sidpumpad laser 33 med ändförspeglingar 31 och 32. Dessa skulle alltså kunna vara av ett exotermt eller lättförgasat material.

Claims (11)

lill» o u n - ou 513 133 =' " : lo Patentkrav

1. Sätt att initiera explosivämnesladdningar (6, 10, 17, 30) medelst laser, kännetecknat därav, att för initiering av explosivärrmet drivs en i direkt anslutning till explosivärnnet (6,10,17,30) anordnad eller därmed sammanbyggd laserkälla (2, ll, 18, 25, 33) till självdestruktion genom nedsmältning eller explosion.

2. Sätt enligt krav 1 kännetecknat därav att sj älvdestxuktionen av den med explosivämnesladdningen (6,10, 17, 30) sarnmanbyggda laserkällan (2, 11, 18,25, 33) uppnås genom att i laserkällan då denna tillförs energi (pumpas) emitterade strålningen åtminstone till en del hindras från att lämna laserkällan (2, ll, 18,25, 33).

3. Sätt enligt krav l eller 2 kännetecknat därav att tändeffekten från den självdestruerade laserkällan (2, ll, 18,25, 33) förstärks medelst i direkt anslutning till densamma anordnad exoterm legeringskomponent (5, 14).

4. Anordning för initiering av explosivänmesladdningar medelst en laser i enlighet med endera av kraven l-3 kännetecknad därav att den utgörs av en i direkt anslutning till explosivärrmet anordnad eller därmed sarnrnanbyggd laserkälla (2, ll, 18,25, 33) eller laserkristall som via en därtill ansluten fiberoptisk ljusledare (1,9 20, 28) kan sättas i förbindelse med en ljuskälla (7, 16, 24, 29)för pumpning av lasern.

5. Anordning enligt krav 4 kännetecknad därav att den för ändamålet använda laserkällan (2, l 1, 18,25 , 33) eller laserkristallen är av den typ som är försedd med en optiska resonatori form av minst två varandra motriktade ändförspeglingar eller speglar (3, 5, 14, 26,27, 31,32) av vilka minst en utgörs av en exoterm legering av typen Al-Pd; Al-Pt; B-Ti.

6. Anordning enligt endera av kraven 4 eller 5 kännetecknad därav att den däri ingående laserkällan (2, ll, 18,25, 33) utgörs av en dopad kristall som ger upphov till strålning av många olika våglängder. att.. o ø n v nu 518 1 81, -2 f i l

7. Anordning enligt endera av kraven 4-6 kännetecknad därav att den däri ingående laserkällan (18) utgörs av en facettslipad yttörspeglad kristall utformad för att ge upphov till en maximal internreflektion av i kristallen (18) emitterade stålar som alltså i största möjliga utsträckning hindras från att länma kristallen och därigenom snabbt höjer dess temperatur till självdestruktionspunkten.

8. Anordning enligt endera av kraven 4-7 kännetecknad därav att den däri ingående laserkällan eller laserkristallen ursprungligen framställts under sådana betingelser att dess interna struktur innehåller gasfyllda blåsor i tillräcklig mängd för att då gasen i blåsorna upphettas och expanderar bringa kristallen att explodera.

9. Anordning enligt endera av kraven 4-8 kännetecknad därav att den ingående laserkällan eller laserkristallen (18) är försedd med en urborrning i vilken ett mer lättsmält eller vid uppvärmning explosionsbenäget material (22) är infogat.

10. Anordning enligt endera av kraven 4-9 kännetecknad därav att däri ingående laserkälla är av den typ som pumpas med ljusenergi och att för dess utlösning som explosivänmeständare utnyttjas en i sig konventionell blixtlampa (7) , som då den utlöses via en fiberoptisk ljusledare (l) levererar sitt ljus till laserkällan.

11. Anordning enligt endera av kraven 4-10 kännetecknad därav att de lörspeglingar (5,14,26,27, 31, 32) som laserkällan är utformad med och som hindrar den däri uppkomna laserstrålen att lämna laserkällan är fiamställda av en exoterm metallegering eller en lättförgasad metall eller metallegering.