Лазерное инициирование взрывных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

Студента 5 курса группы КПМО-14у

Ващенко Глеб Олегович

ДОНЕЦК - 2016

Лазерное инициирование БВВ без инородных включений

При импульсном воздействии лазерного излучения на ВВ следует учитывать три группы факторов. Первая группа - это параметры лазерного импульса: длина волны, длительность импульса, распределение плотности энергии по сечению пучка. Вторая группа - параметры ВВ: его формула, плотность монокристалла и исследуемого заряда, дисперсность, оптические характеристики, химические константы. Третья группа - параметры определяющие геометрию воздействия на ВВ и его окружение: диаметр пучка и его форма, наличие или отсутствие прозрачной оболочки. Таржанов и соавт. проводили исследования зависимости энергии инициирования пористого тэна от длительности импульса первой гармоники необходимого лазера в пределах 7, 5-100 нс и от толщины прозрачной для лазерного излучения подложки (оболочки) на инициирующей поверхности. Обнаруженная слабая зависимость пороговой энергии подрыва тэна от длительности и формы инициирующего импульса, позволила предположить авторам, что параметром, определяющим инициирование ВВ, является плотность энергии в объеме инициирования или энергия в импульсе, а не мощность. Однако инициировать тэн с открытой поверхностью обращенной к лазерному импульсу с энергией в 40 раз превышающей пороговую энергию 11 со стеклянной подложкой толщиной 1, 7 мм не удалось. На основании чего Таржанов и соавт. был предложен следующий механизм инициирования тэна лазерным излучением:

1. Вводимая в навеску ВВ через подложку световая энергия носит активирующий характер по отношению к химической реакции разложения ВВ. Волнообразование в ВВ как и в инертном веществе, возникающее вследствие светового энерговвода есть механизм потери энергии в объеме инициирования.

2. Химическая энергия реакции разложения ВВ выделяется в узкой зоне вблизи подложки там, где значение плотности энергии, введенной светом, максимально. Характерное время протекания химической реакции определяется этой энергией.

3. Образовавшийся пик химической энергии есть одновременно и пик давления. Химический пик давления при «распаде» формирует ударную волну в ВВ, за фронтом которой также идет химическая реакция разложения ВВ. Полученная таким образом «реакционная» волна развивается далее в детонационную. В работе [15] показано, что для детонации в таких взрывчатых веществах как тэн, гексоген и тетрил, необходима энергия порядка 7•105 - 15•105 Дж/м2. В работе Быхало [16] удалось добиться детонации флегматизированного тэна с плотностью с = 1, 72 г/см3 при воздействии импульсного лазерного излучения (л = 1, 06 мкм, ф = 1 нс) на открытую поверхность. При этом плотность энергии достигала величины ? 107 Дж/м2, что в свою очередь превышает необходимую плотность энергии при наличии прозрачной оболочки на облучаемой поверхности. В работе [17] измерены пороги лазерного инициирования тэна (л = 1, 06 мкм). Определялась критическая плотность энергии W0, 5, соответствующая 50 % вероятности взрыва в зависимости от плотности образцов с00 и дисперсности s при больших значениях диаметра d лазерного пучка (рис.1.)

лазерный инициирование взрывной тэн

Рисунок 1. Пороговая плотность энергии инициирования тэна в зависимости от его плотности и дисперсности при больших значениях d.[17]

Экспериментальные точки аппроксимировались выражением: (1.1), где с0 = 1, 77 г/см3 - плотность монокристалла, a = 3, 77 Дж/см2, b = 1, 44 [1-1\1+ 3 s /14, 4] (s выражена в см2 /г), с = 0, 022 [14]. Здесь первая экспонента описывает выражение W0, 5 при увеличении с00, а вторая - ее рост уменьшением с00, когда передача энергии между слабо связанными кристаллами затруднена. Опираясь на полученные результаты авторами [17] рассматривается двухстадийный механизм лазерного инициирования пористого тэна. При подводе критической энергии в поверхностном слое 30 - 80 мкм происходит оптический пробой тэна, порог которого наблюдается как порог кратерообразования. Поглощение световой энергии и превращение ее в c b b a W 3 0 00 3 0 00 0, 5 1 2 1 exp 1 exp13 тепловую происходит в две стадии. На первой стадии (допробойной) наблюдается ее линейность относительно плотности мощности излучения, и оптические характеристики ВВ, как показано неизменны. Вторая стадия (пробойная и послепробойная) существенно нелинейна. Коэффициент отражения падает, эффективная глубина проникновения излучения в ВВ уменьшается примерно в 5 раз, рассеяние света резко уменьшается вследствие сильного увеличения показателя поглощения ВВ. В работе сделана оценка плотности энергии в очаге инициирования для больших диаметров облучения, s = 3700 см2 /г и с = 0, 9 г/см3, которая составила величину е = 1160 Дж/г. Это значение вдвое превышает значение энергии активации тэна, определенное в при температуре вспышки. Оценка температуры в очаге с использованием температурной зависимости теплоемкости тэна дает величину 1120 К. Быхало и соавт. использовали неодимовый лазер с длиной волны 1, 06 мкм с мощностью исходящего пучка до 105 ГВт/см2 для воздействия на образец тэна с плотностью 1, 7 г/см3. Их расчеты показали, что при равномерном воздействии давление на поверхность достигнет 500 ГПа при мощности излучения 103 ГВт/см2. Детонация тэна наблюдалась при мощности порядка 103 ГВт/см2 с пятном диаметром 1 мм. Было установлено, что пучок диаметром порядка 250 мкм не вызывает детонации даже при мощности лазера порядка 105 ГВт/см2. Что позволило сделать вывод, что критический диаметр пятна для тэна составляет порядка 300 мкм. В работе показано, что энергия инициирования тэна неодимовым лазером с длиной волны 1, 06 мкм оказалась ниже для образцов с удельной поверхностью 2, 1 м 2 /г и плотностью 1, 0 г/см3 чем в аналогичная закономерность для тэна, гексогена и октогена была обнаружена авторами.

Тасаки и соавт. подтвердили этот эффект для тэна на длине волны 1, 06 мкм с длительностью импульса от нескольких миллисекунд.14 В экспериментах, проведенных Ренлундом не была обнаружена зависимость энергии инициирования от длины волны необходимого лазера. Образцы подвергались воздействию первой, второй и третьей гармоники (1, 064, 0, 532 и 0, 355 мкм соответственно). Инициирование проводилось с энергиями 7 мДж на второй и третьей гармониках и 10 мДж на 1, 064 мкм. Мощность облучения составляла 0, 2 ГВт/см2 для каждого случая. При использовании эксимерного лазера на 0, 308 мкм энергия инициирования увеличилась до 75 мДж (~ 0, 15 ГВт/см 2 ). Но следует учесть, что диаметр пятна и длительность импульса были больше для эксимерного лазера. Авторам удалось взорвать гексоген при его инициировании эксимерным лазером на длине волны 0, 308 мкм и рубиновым лазером на длине волны 0, 694 мкм. Характеристик гексогена подвергаемого лазерному воздействию не было предоставлено и другой информации об инициировании гексогена не поступало. В работах была обнаружена временная задержка детонации te порядка сотен нс при прямом воздействии лазера на образцы. Характерной чертой является увеличение временной задержки te при приближении к порогу инициирования. Тоже можно наблюдать при ударном инициировании бризантных взрывчатых веществ, хотя te значительно короче. Причину этой задержки при лазерном инициировании в работе объясняют как время перехода от горения к детонации. При использовании лазерного излучения с длинами волн более третьей гармоники неодимового лазера (л > 0, 355 мкм) при накрытии облучаемой поверхности образца стеклянной пластинкой прозрачной для излучения, наблюдается повышенная чувствительность к лазерному зажиганию.

В работах Остмарка показано, что для гексогена и тэна энергетическая задержка зажигания уменьшается при увеличении давления на образец на длинах волн 10, 6 мкм с длительностью импульса более 1 мс. Пейсли предположил, что стеклянная пластина не требуется на длинах волн в диапазоне 0, 266 - 0, 308 мкм, так как тэн сильный поглотитель УФ -15 излучения. На более длинных волнах считается, что возбуждение носит тепловой характер за счет локализованных горячих точек, способствующих развитию детонации. В работе показано, что поглощение тэна уменьшается с увеличением глубины проникновения лазерного луча, а поверхность взрывчатого вещества ограничивает конвекцию, за счет чего зажигание становится устойчивым, что в свою очередь может вызвать переход к детонации. Такое предположение было сделано Ренландом и соавт. на основание того, что на длинах волн 0, 308 мкм инициирование взрыва происходит и без покровного стекла, но его наличие сокращает время задержки te. Также снижение te возможно путем увеличения интенсивности излучения, и, таким образом, реализуя переход от вспышки к детонации. В работах проведено исследование процесса разложения тэна и гексогена после воздействия лазерным излучением. На поверхности БВВ были обнаружены кратеры микронных размеров. Возможные пути развития реакции представлены в работах. В отличие от электронно-пучкового воздействия, кинетика взрывного разложения вторичных ВВ при лазерном воздействии изучена слабо. В работе приведены осциллограммы синхронно измеренных импульса взрывного свечения и переднего фронта импульса давления при инициировании тэна, октогена и гексогена коротким (~ 40 нс) импульсом рубинового и необходимого лазеров. Анализируя данные, можно прийти к выводу, что задержка инициирования при пороговых воздействиях составляет ~ 15 мкс, длительность вспышки при толщине образца 0, 5 мм составляет ~ 10 мкс, а передний фронт волны давления совпадает с началом спада взрывного свечения. Авторами был сделан вывод о фотохимическом механизме инициирования вторичных ВВ коротким лазерным импульсом. При этом возможны двух- и трехфотонные процессы, либо ступенчатые процессы поглощения фотонов.16 В исследовалась кинетика взрывного свечения тэна при возбуждении необходимым лазером в условиях облучения коротким импульсом, цугом импульсов и гладким импульсом свободной генерации в диапазоне давлений от 0, 4 до 5 кбар, для чего навески тэна, дисперсностью 6000 см2 /г и массой 20 мг размещались в сборке, установленной в гидравлическом прессе. Экспериментальные результаты показали, что при воздействии коротким лазерным импульсом наблюдаются значительные времена задержки зажигания, которые уменьшаются с ростом давления сжатия от 70 - 100 мкс при P = 0, 4 кбар, до 10 - 20 мкс при P = 5 кбар.

Несмотря на постоянно растущий интерес и увеличения количества публикаций, механизм начальных стадий лазерного инициирования бризантных ВВ, как и первичные продукты, образующиеся под воздействием лазерного излучения в настоящее время окончательно не выяснен. В работе Ханефта проведены теоретические расч?ты по определению механизма инициирования тэна при импульсном лазерном воздействии. Авторы работы провели расч?ты по зависимости критической плотности энергии от диаметра пучка лазерного излучения и зависимости времени задержки инициирования ВВ от радиуса лазерного пучка при критических плотностях энергии. Проведенные расч?ты свидетельствуют в пользу теплового микроочагового механизма инициирования ВВ. В получен критерий инициирования коротким лазерным импульсом взрывчатых веществ с температурой плавления ниже температуры зажигания, рассмотрено влияние выгорания и энергии активации реакции автокатализа на время задержки и порог зажигания тэна лазерным импульсом. На основании полученных результатов авторы делают выводы: размерный эффект зажигания тэна в области прозрачности кристалла обусловлен радиальным теплоотводом из реакционного объема; реакция автокатализа снижает порог инициирования ВВ лазерным импульсом и приводит к более сильной зависимости порога зажигания от радиуса светового пучка. В работах можно встретить объяснение механизма инициирования, связанное с возбуждением электронных состояний, согласно которым образование электронных возбуждений приводит к разрыву химических связей и началу разложения ВВ. В работе, изучались продукты разложения тэна при медленном и быстром расколе кристаллов и при воздействии рубинового лазера (л = 694, 3 нм, 20 нс) с использованием масс-спектрометра с разрешающей способностью 33 мкс при этом достигнуть инициирования взрыва авторам работы не удалось, но наблюдалось кратерообразование. Анализируя полученные экспериментальные данные авторы предложили следующую схему начальных стадий разложения тэна, представленную на рис.2.

Рисунок 2. Начальные стадии различных путей разложения тэна в зависимости от способа воздействия на него

Согласно этой схеме, если тепло подводится медленно, то первой разрывается связь RO-NO2. Этот путь существует всегда. При быстром расколе наблюдается разрыв C-C - связи. Лазер, согласно [39] вызывает очень быстрое нагревание и это дает достаточно колебательной энергии для разрыва RO-NO2 и R-ONO3 - связей.

Лазерное инициирование БВВ с ультрадисперсными включениями

Как уже было сказано, для увеличения безопасности проведения взрывных работ необходимо создание более надежного и помехоустойчивого детонатора, что приводит к разработке детонаторов, инициируемых лазерным излучением. Идея использования в оптических детонаторах штатных инициирующих взрывчатых веществ имеет весьма ограниченное применение, поскольку, инициирующие ВВ наряду с высокой чувствительностью к лазерному излучению, обладают высокой чувствительностью к удару и являются источником повышенной опасности. Данный аспект вызвал необходимость разработки смесевых и композитных материалов, чувствительных к лазерному воздействию. Введение легирующих добавок позволяет изменять чувствительность к лазерному излучению. Добавление, например, до 10 % примеси по массе графита не уменьшает порог инициирования гексанитростильбена ниже 5 ГВт/см2 в диапазоне длин волн от 0, 266 до 1, 06 мкм, а добавка циркония в тэн дает повышение чувствительности на 1, 06 мкм. Примесь от 1 до 2 % по массе сажи увеличивает чувствительность тэна на длинных импульсах (порядка миллисекунд) на 1, 06 мкм. Микромеханизм лазерного зажигания ВВ требует уточнения. В работе Александрова на основе измерений энергетических порогов лазерного зажигания азидов тяжелых металлов предложена модель микроочагового инициирования прозрачных ВВ. На оптических неоднородностях в результате локализации энергии образуются микроочаги, вызывающие врзыв образца. Аналитическое решение микроочаговой теории представленно в работе, где приведены асимптотические формулы для оценки размера наиболее разогреваемых частиц и их температуры нагрева. В работе проведены исследования воспламенения конденсированных систем с добавками мелкодисперсного алюминия со средним размером частиц 2, 2 мкм импульсным излучением необходимого лазера (л = 1, 06 мкм, фл = 15 нс). Авторы считают, что отличительной особенностью энерговвода в образцы с добавками алюминия, является образование газовой фазы вещества добавки, взаимодействие которой с ВВ может быть интенсифицирован за счет дополнительного энергоприхода от химической реакции продуктов разложения ВВ с газовой фазой добавок, 19 имеющих высокий тепловой эффект окисления. При введении в состав 1 -- 3 % алюминия наблюдается резкое уменьшение критической плотности энергии лазерного излучения.

Дальнейшее увеличение содержания алюминия практически не влияет на воспламеняемость. Из результатов полученных авторами также видно, что чем хуже воспламеняется система без добавки, тем выше относительный эффект от введения добавки в ее состав.

Согласно происходит адиабатический нагрев включений, и как следствие зарождение локальной волны термо-упругого напряжения, что в свою очередь вызывает сдвиговые деформации кристаллической решетки, создающие условия для формирования очагов зажигания. Процесс лазерного инициирования осуществляется при низкой средней температуре поверхности образца, однако, температура разогрева оптических поглощающих неоднородностей может достигать существенно больших значений. В работе на примере простейшего инициирующего ВВ (азида серебра) показано, что распад кристаллической структуры (взаимодействие групп N3 ? между собой) может проходить при сдвиговой деформации кристаллической решетки. В работе предложена модель нагрева металлических включений в инертных средах лазерным импульсным излучением, учитывающая процессы теплопереноса и плавления материалов матрицы и включения. Исследованы временные закономерности разогрева матрицы и включения, построены зависимости максимальной температуры на поверхности включения от плотности энергии лазерного импульса и радиуса включения. Предложены приближенные формулы для максимальной температуры и радиуса наиболее нагретых включений. Показано, что процессы плавления приводят к уменьшению максимальной температуры нагрева и незначительному изменению радиуса наиболее прогретого включения.

В работах Алукера Э.Д. и соавт. предполагается, что доминирующую роль играет светорассеяние на оптических неоднородностях, 20 роль которых и играют включения в ВВ, в том числе и металлы. Светорассеяние приводит к увеличению пробега фотона в материале, что способствует увеличению вероятности их поглощения самой матрицей ВВ на резонансных частотах (л = 1, 06 мкм в тэне). При этом авторы считают, что ультрадисперсные включения не могут заметно влиять на порог взрывчатого разложения ВВ. В последние годы, в лаборатории, где работает автор, ведутся детальные исследования лазерного воздействия на композитные материалы на основе тэна и включений нано- и ультрадисперсных частиц металлов и соединений, которые опубликованы в серии работ. Основные результаты этих работ кратко сформированы ниже:

1. Измерены пороги взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и ультрадисперсных включений Al, Ni, Co, Al-C, наноструктурированного углеродного материала «Kemerit® » в зависимости от концентрации включений при воздействии первой гармоникой необходимого лазера, работающего в режиме модуляции добротности.

2. Определена оптимальная концентрация включений для смесевых составов плотностью с = 1, 73 г/см3 с включениями Al, Ni, Co, Al-C, «Kemerit® » (0, 1 - 0, 3 % по массе) при которой порог лазерного инициирования минимален.

3. Результаты измерений порога инициирования смесевых составов, содержащих оптимальную концентрацию Al (0, 1 %) при инициировании первой (Hкр = 1, 15 Дж/см2) и второй (Hкр = 0, 7 Дж/см2 ) гармоникой неодимового лазера исключают модель инициирования оптическим пробоем.

4. Максимальное давление продуктов взрывчатого разложения достигается при оптимальной концентрации наночастиц в образцах. Скорость ударной волны в воздухе при взрыве образцов для используемых типов добавок наночастиц составляет V ~ 3300 м/с.

5. Температурная зависимость порога взрывчатого разложения смесевых составов тэна с наночастицами NiC и Al при лазерном воздействии 21 удовлетворительно описывается в рамках модели, согласно которой в инициирование взрыва образцов дают вклады два процесса. Первый не зависит от температуры и связан с образованием горячих точек в результате поглощения излучения наночастицами.

Второй требует термической активации (~ 0, 4 эВ) и связан с поглощением излучения структурными дефектами кристалла тэна. 6. Измерены пороги взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений Al при инициировании первой гармоникой лазера в зависимости от массового соотношения Al/Al2O3 в частице. Показано, что при уменьшении массы Al с 74 до 13 % порог взрывчатого разложения увеличивается в 12, 5 раза, что связано с поглощением излучения металлическим ядром. 7. Измерены эффективные показатели поглощения смесевых составов с включениями алюминия в зависимости от концентрации включений методом фотометрического шара и оптико-акустическим методом. Показано, что с увеличением концентрации включений показатель поглощения возрастает линейно. Это позволяет сделать вывод, что поглощение света происходит непосредственно включениями, а вклад поглощения света тэном за счет рассеяния на включениях незначителен. 8. Экспериментально показано, что чувствительность к удару смесевого состава на основе тэна и 0, 1 % по массе включений наночастиц Al уменьшается относительно чистого тэна, при этом порог лазерного инициирования для этого смесевого состава минимален. Эти факты позволяют рассматривать данный состав как перспективный материал для светодетонатора. 9. Совокупность экспериментальных результатов позволяет сделать вывод, что при лазерном воздействии на смесевые составы тэна и наночастиц NiC и Al при 300 К доминирующим процессом является поглощение излучения наночастицами, в результате нагрева которых происходит образование «горячих точек» - очагов химического разложения, при 22 достаточном количестве которых происходит взрыв, имеющий характер низкоскоростной детонации.

Размещено на Allbest.ru