Flusskompressionsgenerator

Überblick und Einsatz

Ein Flusskompressionsgenerator ist ein pyrotechnisch angetriebener Impulsgenerator. Er erzeugt einmalig für sehr kurze Zeit eine hohe magnetische Flussdichte und einen elektrischen Impuls hoher Leistung. Die Impulsdauer liegt bei einigen 100 Nanosekunden bis wenigen Mikrosekunden; je nach Bauart sind Spitzenleistungen bis zu einigen Gigawatt möglich.

Er wurde zunächst für Experimente mit hohen magnetischen Flussdichten eingesetzt, später auch in der elektronischen Kampfführung. Speist er einen Vircator, kann ein starker elektromagnetischer Puls (EMP) entstehen, der beispielsweise Radar- oder Funkanlagen stören oder dauerhaft funktionsunfähig machen kann. Auf Lenkflugkörpern dient diese Kombination elektronischen Gegenmaßnahmen (ECM).

Grundprinzip

Eine geschlossene stromdurchflossene Leiterschleife, etwa eine Spule, erzeugt ein Magnetfeld. Die darin gespeicherte magnetische Energie hängt linear von der Induktivität der Schleife und vom Quadrat des elektrischen Stromes ab.

Wird der Raum des Magnetfelds sehr schnell verkleinert, steigt die magnetische Flussdichte. Gegen die magnetische Kraft muss dabei Arbeit verrichtet werden; dadurch nimmt die Feldenergie zu. Beim Flusskompressionsgenerator liefert eine Detonation von chemischem Sprengstoff diese Kraft. Eine schnellere Kompression ermöglicht höhere Momentanleistungen.

Vorab geladene Kondensatoren können die Spule zunächst speisen. Bei einem typischen Spitzenstrom von einigen kA wird die Sprengladung gezündet. Die Spule wird eingangsseitig kurzgeschlossen und räumlich verkleinert. Um Leistung an eine Last, etwa einen Vircator, abzugeben, muss die kurzgeschlossene, verkleinerte Spule anschließend zur Last hin geöffnet werden. Da die Explosion die Anordnung zerstört, ist der Generator nur einmal nutzbar.

Hohles Innenrohr

Die älteste Bauform heißt MK-1. Im Zentrum liegt ein hohles, längs geschlitztes und elektrisch nicht kontaktiertes Kupferrohr. Außen befinden sich die in Sprengstoff eingebettete Spule und die Rückleitung. Der magnetische Fluss breitet sich vor allem im Rohrinneren aus.

Bei der Explosion wird das Kupferrohr zusammengedrückt. Es bildet einen schnell enger werdenden Kurzschlussring, wodurch kurzzeitig eine hohe magnetische Flussdichte entsteht. Diese Bauform ist auf hohe Flussdichten ausgelegt; ein elektrischer Abgriff der Momentanleistung ist nicht vorgesehen. In den 1950er Jahren wurden damit etwa 150 T erreicht. Bei 100 Tesla beträgt der vom Sprengstoff aufzubringende Druck bereits 40 kbar und wächst quadratisch mit der Flussdichte.

Helical-Generator

Der Helical-Flusskompressionsgenerator, auch MK-2, besitzt Sprengstoff im Inneren eines nicht geschlitzten Kupferrohres. Eine Spule umgibt das Rohr; dieses dient bei der anfänglichen Speisung als Rückleiter. Das von einem Kondensator erzeugte Magnetfeld liegt hauptsächlich zwischen Rohr und Spule.

Die Zündung erfolgt am speisenden Ende. Die Explosionswelle drückt das Kupferrohr fortlaufend nach außen in die Spule und schließt sie kurz. Die Spule wird dadurch stetig verkürzt; Strom, Flussdichte und Feldenergie steigen. Am Ende erreicht der Strom sein Maximum. Dann kann ein Impuls über eine sich öffnende Brücke an eine externe Last, ein Pulsformungsnetzwerk, einen Vircator oder eine weitere Kompressionsstufe abgegeben werden. Der maximale Impulsstrom beträgt bis zu 100 MA.

Scheibenförmiger Generator und Liner

Beim scheibenförmigen Flusskompressionsgenerator liegen mehrere Scheiben mit kupferausgekleideten, nach außen offenen Hohlräumen entlang einer Achse. Die Hohlräume enthalten nach der Speisung, beispielsweise durch einen vorgeschalteten Helical-Generator, ein tangentiales Magnetfeld. Die Anlage ist von Sprengstoff umgeben, der von der Achse aus nacheinander durch eigene Zündeinrichtungen ausgelöst wird.

Das Magnetfeld wird in schmalere Bereiche der Hohlräume nach außen verdrängt. Der maximale Impulsstrom beträgt bis zu 250 MA. Im Energiemaximum öffnet die Stromstärke eine Art Schmelzsicherung, die zuvor den Kurzschluss des koaxialen Leiterkreises aufrechterhielt; dadurch kann ein Impuls an eine Last außerhalb der Explosionszone gelangen.

Für Untersuchungen von Werkstoffen, Plasmen und Schockwellen kann der Stromimpuls einen kurzen leitfähigen Hohlzylinder, einen Liner, axial durchfließen. Weil sein Inneres feldfrei ist, presst das äußere Magnetfeld ihn heftig zusammen, bevor er verdampft. Dünnwandige Aluminiumzylinder erreichen Implosionsgeschwindigkeiten von mehreren 100 km/s. Beim Zusammenprall des Materials mit sich selbst entstehen sehr heiße Plasmen, die unter anderem weiche Röntgenstrahlungs-Impulse aussenden.