Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das diese Nachteile überwindet, d.h., das Zugimpulse mit verbesserter Effizienz und höheren Amplituden herstellen kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das verbesserte Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 als auch mit der Vorrichtung nach Anspruch 16 gelöst.

Danach wird ein Verfahren zur Erzeugung von attraktiven Kräften zwischen elektrisch leitfähigen Strukturen bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von drei gegeneinander isolierten, nebeneinanderliegenden und elektrisch leitfähigen Strukturen, b) Erzeugen eines Magnetfelds mit einer der beiden äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur, derart, dass dessen Magnetflusslinien die zweite und dritte leitfähige Struktur durchdringen und c) Abschalten des Magnetfelds, wobei in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur jeweils ein im Wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, der zur Ausbildung einer Anziehungskraft zwischen mindestens der zweiten und dritten leitfähigen Struktur führt.

Im Gegensatz zur Erzeugung von Zugimpulsen mit Hilfe piezoelektrischer Transducer wird im erfindungsgemäßen Verfahren somit ein elektromagnetisches Prinzip benutzt, nämlich die Ausbildung induzierter Ströme in benachbarten leitfähigen Strukturen nach dem Lenz'schen Prinzip und der daraus resultierenden attraktiven Kraft zwischen den beteiligten Strukturen. Die Kräfte des Zugimpulses greifen also direkt in den leitfähigen Strukturen an. Dadurch ist einerseits das Vorhandensein eines Koppelmediums nicht mehr zwingend erforderlich und andererseits kann der Zugimpuls ohne Reflexion eines Druckimpulses erzeugt werden. Weiterhin hängt die Stärke und/oder die Dauer des Zugimpulses weniger von Festkörpereigenschaften als von der Stärke des Magnetfelds und/oder der Magnetfeldabschaltdauer, der Kommutierungszeit, ab.

Das Verfahren lässt sich außerdem auch auf mehr als drei elektrisch leitfähige gegeneinander isolierte Strukturen erweitern, wobei es zur Ausbildung von attraktiven Kräften in den Strukturen kommt, die vom Magnetfeld durchdrungen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Dicke der mittleren der drei leitfähigen Strukturen, die zweite leitfähige Struktur, kleiner oder gleich einer Eindringtiefe, die sich aus der Zeit, in der das Magnetfeld abgeschaltet wird, ergibt, gewählt werden. Die Eindringtiefe eines induzierten Stroms ergibt sich dabei durch die Skintiefe, die sich unter anderem aus der Frequenz eines Stroms ergibt. Hier lässt sich die Frequenz als Kehrwert der Kommutierungszeit ermitteln, wodurch somit die Eindringtiefe berechnet werden kann. Wählt man die Dicke der zweiten leitfähigen Struktur dünner als diese Eindringtiefe, so kommt es bereits während der Kommutierungszeit zu einer Durchflutung (magnetische Durchdringung) auch der mittleren leitfähigen Struktur. Das heißt, dass die mittlere elektrisch leitfähige Struktur den Abschaltvorgang nicht vollständig abschirmt. Die Kombination von "Kraftwirkung infolge des Abschaltens der primären stromführenden Struktur" mit der "Kraftwirkung infolge des Zerfalls einer sekundären, induzierten Stromdichteverteilung in der mittleren leitfähigen Struktur" erlaubt somit eine Effizienzoptimierung des Verfahrens. Daher kann nicht allgemein gültig gesagt werden, dass eine schnellstmögliche, also kürzeste Kommutierungszeit die maximalen Zugamplituden zur Folge hat.

Vorteilhafterweise können die zweite und/oder dritte leitfähige Struktur aus nichtmagnetischem und nichtferritischem Material bestehen. Im Gegensatz zur Permeabilität hat die Leitfähigkeit keine Sättigung, die die Ausbildung hoher Impulsleistungen einschränken könnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann im Schritt c) die aus der Anziehungskraft entstehende Beschleunigung der dritten leitfähigen Struktur dadurch verstärkt werden, dass die erste und die zweite leitfähige Struktur über eine Isolierung starr miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind und somit einen einzelnen großen Massekörper darstellen. Dank der Trägheit dieses großen Massekörpers wird somit die Beschleunigung im Wesentlichen auf die dritte leitfähige Struktur beschränkt.

Vorteilhafterweise kann im Schritt a) zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur ein inhomogenes, kompressibles Medium bereitgestellt werden. Dieses Medium lässt sich leicht komprimieren und erfüllt gleichzeitig die elektrisch isolierende Funktion.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann im Schritt b) das Magnetfeld durch eine Spule, insbesondere eine einlagige, flächenhafte Spule mit runden oder rechteckigen Drahtquerschnitten, die mit einem Stromkreis verbunden ist, erzeugt werden. Durch ein der Anwendung entsprechendes Design kann somit ein Magnetfeld bereitgestellt werden, das die entsprechende Feldgeometrie und Magnetfeldstärke aufweist, wobei die Magnetfeldstärke durch die Stromstärke im Stromkreis einstellbar ist.

Günstigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur aufgeschaltete Strom mindestens etwa achtfach, insbesondere mindestens etwa zehnfach, langsamer ansteigen als er abfällt, damit die beim Einschalten entstehenden abstoßenden Kräfte auf die zweite und dritte leitfähige Struktur gering bleiben. Da es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um Zugimpulse geht, kann durch das langsame Ansteigen eine unnötige Ausbildung von Druckimpulsen auf einfache Weise vermindert werden.

Zweckmäßigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom so geregelt werden, dass der Strom im Wesentlichen linear ansteigt. Dadurch werden bei dem langsamen Ansteigen des Stroms die vorhandenen Abstoßungskräfte im Wesentlichen konstant gering gehalten.

Vorzugsweise kann im Schritt c) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom mit mindestens etwa 0,8 kA/&mgr;s, insbesondere mit etwa 1 kA/&mgr;s unterbrochen werden. Die gewählte Abschaltzeit bzw. Kommutierungszeit bestimmt dabei die Eindringtiefe des Induktionsstroms (Wirbelstrom, Skin-Effekt) und somit die zu wählenden Dicken der leitfähigen Strukturen.

Vorteilhafterweise ermöglichen dabei Öffnungsschalter auf Halbleiterbasis solche Abschaltzeiten. Dabei können Abschaltströme von bis zu 6 kA, insbesondere 3 bis 4 kA, innerhalb weniger Mikrosekunden realisiert werden, wodurch man starke Zugimpulse mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich generieren kann. Geeignete Öffnungsschalter sind dabei Halbleiterstrukturen wie beispielsweise Abschalt- oder Gate-Turn-Off-Thyristoren (GTO) und Integrated-Gate-Commutated-Thyristoren (IGCT).

Günstigerweise kann im Schritt b) der durch die erste leitfähige Struktur fließende Strom so geregelt werden, dass der Strom bis auf maximal etwa 5 kA, insbesondere etwa 3 bis 4 kA ansteigt. Ausgehend von einer guten elektromagnetischen Kopplung zwischen den beteiligten Strukturen lassen sich in den zweiten und dritten Strukturen dabei ähnlich große Ströme und Stromänderungen erzielen. Insgesamt ergibt sich der maximale Stromwert dabei aus dem für den benutzten Öffnungsschalter maximal zulässigen Abschaltwert.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann entweder die zweite oder die dritte leitfähige Struktur, insbesondere die äußere leitfähige Struktur, ein Material umfassen, das durch den erzeugten Zugimpuls zerstörungsfrei geprüft wird und wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material fest verbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist.

Wie oben erwähnt, können Zugimpulse dazu benutzt werden, Materialien zu untersuchen, wobei insbesondere Störstellen im Material oder Delaminationen in homogenen Werkstoffen oder in Verbundstoffen detektiert werden können. Mit ausreichend starken Anregungsimpulsen ist es denkbar auch nichtlineare Effekte im Festkörper oder in einem Fluid anzuregen und zu untersuchen. Stellt eine der zweiten und dritten leitfähigen Strukturen, insbesondere die außenliegende Struktur, ein zu untersuchendes Material dar, so kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein je nach Magnetfeldstärke und Kommutierungszeit beliebig starker Zugimpuls in dem Material erzeugt werden. Dabei ist die Anwendung jedoch nicht auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt, da es auch möglich ist, auf nichtelektrisch leitfähige Materialien eine elektrisch leitfähige Schicht anzubringen. Diese Schicht sollte dann allerdings mit dem zu untersuchenden Material fest verbunden sein. Auch in einer solchen Struktur lassen sich dann die Zugimpulse nach dem elektromagnetischen Prinzip vorteilhaft erzeugen.

In einer Variante kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen: d) Ankoppeln der dritten leitfähigen Struktur an ein Fluid zur Erzeugung von Kavitationen im Fluid. Somit ließe sich zur Herstellung von Kavitation die Benutzung von piezoelektrischen Transducern, die aufgrund ihrer Festkörpereigenschaften nur beschränkte Zugimpulse erzielen können, ersetzt werden. In einer praktischen Anwendung der Vorrichtung könnten Moleküle, beispielsweise die Moleküle eines Medikaments, durch die erzeugten Kavitationen in eine lebende Zelle eingebracht und so das Medikament zielgerichtet verabreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die Schritte b) und c) beliebig oft wiederholt werden. Dadurch lässt sich eine Zugimpulsfolge realisieren, die sowohl regelmäßig als auch unregelmäßig ausgebildet sein kann.

Günstigerweise kann dabei das im Schritt b) erzeugte Magnetfeld oder die Dauer des Abschaltvorgangs des Schritts c) veränderbar sein, um Pulsfolgen mit veränderlichen Zugimpulsamplituden und/oder Zugimpulsdauern auszubilden. Somit ließe sich die Erfindung auch als Ultraschalltransducer benutzen, bei dem der piezoelektrische Effekt durch den elektrodynamischen Effekt ersetzt wird. Je nach Anwendung lässt sich dabei der Spulenstrom so einstellen, dass die Zugimpulsamplitude der gewünschten Art, ohne dabei durch Festkörpereigenschaften eingeschränkt zu sein, realisiert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst.

Demgemäß umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Zugimpulsen drei gegeneinander isolierte, nebeneinanderliegende und elektrisch leitfähige Strukturen, ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit einer der äußeren leitfähigen Strukturen, der ersten leitfähigen Struktur, wobei die Magnetfeldlinien die zweite und die dritte leitfähige Struktur durchdringen, und ein Mittel zum Abschalten des Magnetfelds, wobei beim Abschalten in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur jeweils ein im Wesentlichen gleichsinniger Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der zweiten und dritten Struktur zur Ausbildung einer Anziehungskraft kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Erzeugung von Zugimpulsen nach dem elektromagnetischen Prinzip, nämlich durch die Ausbildung induzierter Ströme in der zweiten und dritten leitfähigen Struktur nach dem Lenz'schen Prinzip und der daraus resultierenden attraktiven Kraft zwischen den beteiligten Strukturen, während der Kommutierungszeit zwischen allen dreien Strukturen und nach dem Abschalten des ursprünglichen Magnetfelds zwischen der zweiten und der dritten Struktur. Der Zugimpuls wird also elektromagnetisch direkt in den Werkstoffen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur erzeugt. Dadurch ist einerseits das Vorhandensein eines Koppelmediums nicht zwingend erforderlich und kann andererseits der Zugimpuls auch ohne Reflexion eines Druckimpulses erzeugt werden. Weiterhin hängt die erzielbare Stärke des Impulses weniger von Festkörpereigenschaften wie Polarisation (bei piezoelektrischem Prinzip) oder Permeabilität (bei ferromagnetischem Prinzip) als von der Größe des Magnetfelds, von der Güte der elektromagnetischen Kopplung bzw. der Geometrie und von der Optimierung der Parameter Leitfähigkeit und Kommutierungszeit ab und unterliegt somit kaum Sättigungseffekten. Die Vorrichtung muss dabei nicht auf drei elektrisch leitfähige Strukturen beschränkt sein, sondern solange das Magnetfeld auch noch weitere elektrisch leitfähige Strukturen durchdringen kann, tritt der Effekt auch bei mehr als drei elektrisch leitfähigen Strukturen auf.

Vorzugsweise kann die erste leitfähige Struktur einer Spule, insbesondere eine einlagige flächenhafte Spule sein. Durch ein der Anwendung entsprechendes Design kann somit ein Magnetfeld bereitgestellt werden, das die entsprechende Feldgeometrie und Magnetfeldstärke aufweist, wobei die Magnetfeldstärke durch die Stromstärke im Stromkreis einstellbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Mittel zum Abschalten des Magnetfelds ein Halbleiter-Öffnungsschalter sein. Derartige Öffnungsschalter ermöglichen Stromstärkeänderungen von 3 bis 4 kA/&mgr;s, wodurch man starke Zugimpulse generieren kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die mittlere leitfähige Struktur, bezeichnet als die zweite leitfähige Struktur, eine Dicke aufweisen die kleiner oder gleich einer Eindringtiefe ist, wobei sich die Eindringtiefe aus der Kommutierungszeit, der Zeit in der das Magnetfeld abgeschaltet wird, ergibt. Die Induktionsstromeindringtiefe lässt sich dabei mit Hilfe der Kommutierungszeit, wie oben dargestellt, berechnen. Dank der dünnen zweiten leitfähigen Struktur kommt es zu einer Durchflutung der zweiten leitfähigen Struktur bereits während der Kommutierungszeit. Das heißt, dass die zweite Struktur den Abschaltvorgang nicht vollständig vor der dritten Struktur abschirmt. Dadurch erzielt man eine Effizienzoptimierung des Verfahrens.

Zweckmäßigerweise kann die erste und zweite leitfähige Struktur über eine Isolierung starr miteinander verklebt sein. Dadurch lässt sich eine möglichst große Beschleunigung der dritten leitfähigen Struktur erzielen, da durch die Verklebung, insbesondere eine glasharte Verklebung, die Masse der verklebten Struktur im Vergleich zur dritten Struktur größer wird.

Günstigerweise kann zwischen der zweiten und dritten leitfähigen Struktur ein inhomogenes, kompressibles Medium angeordnet sein. Zweckmäßigerweise sind diese Materialien elektrisch isolierende, faserartige, Hohlräume enthaltende Folien wie beispielsweise Nomex, ein synthetisches Papier auf Polyarylamidfaserbasis. Dadurch ist eine große Kompressibilität sichergestellt, wodurch die gewünschte mechanische Relativbewegung ermöglicht wird, jedoch gleichzeitig die elektrische Isolierung beibehalten wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung von Zugimpulsen eignet sich in besonderem Maße zur Erzeugung von Kavitation in einem Fluid. Da die Zugimpulsamplitude weniger von Festkörpereigenschaften, wie dies im Falle der piezoelektrischen Transducer der Fall ist, als von den Magnetfeldeigenschaften abhängt, lässt sich somit der Anwendung entsprechend die Energie in das Fluid übertragen, die benötigt wird um die Kavitation zu erzeugen. Bei piezoelektrischen Transducern lassen sich große Amplituden nur durch Hintereinanderschalten von mehreren Einheiten erzielen, was zu unnötiger Komplexität und relativ großen Vorrichtungen führt. In einer praktischen Anwendung der Vorrichtung könnten Moleküle, beispielsweise die Moleküle eines Medikaments, durch die erzeugte Kavitation in eine lebende Zelle eingebracht werden.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Verwendung der oben dargestellten Vorrichtung lassen sich die erzeugten Zugimpulse zum Prüfen von Materialeigenschaften benutzen, wobei das zu prüfende Material elektrisch leitfähig ist oder eine mit dem zu prüfenden Material fest verbundene elektrisch leitfähige Schicht aufweist und als dritte leitfähige Struktur dient.

Dabei lassen sich insbesondere Störstellen im Material oder Delaminationen in homogenen Werkstoffen oder in Verbundstoffen detektieren. Mit ausreichend starken Anregungsimpulsen ist es auch denkbar, nichtlineare Effekte im Festkörper oder in einem Fluid anzuregen und zu untersuchen. Stellt entweder die zweite oder die dritte leitfähige Struktur, insbesondere die außenliegende Struktur, ein zu untersuchendes Material dar, so kann mit der Vorrichtung je nach Magnetfeldstärke und Kommutierungszeit ein beliebig starker Zugimpuls in dem Material erzeugt werden.

Für die erfindungsgemäße Verwendungen kann auch eine allgemeinere Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung eines Zugimpulses hergenommen werden. Eine solche allgemeinere Vorrichtung umfasst mindestens zwei gegeneinander isolierte, nebeneinanderliegende und elektrisch leitfähige Strukturen, ein Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit einer ersten der leitfähigen Strukturen, wobei die Magnetfeldlinien mindestens eine der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur durchdringen, und weiterhin ein Mittel zum Abschalten des Magnetfelds, wodurch in mindestens einer der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur jeweils ein Strom induziert wird, wodurch es mindestens zwischen der ersten und der mindestens einen der mindestens einen weiteren leitfähigen Struktur zur Ausbildung einer Anziehungskraft kommt. Diese Vorrichtung kann dann auch zur Erzeugung von Kavitation in einem Fluid bzw. zur Prüfung von Materialeigenschaften wie oben beschrieben benutzt werden.