О механизме инициирования взрывчатых веществ сильноточным импульсным электронным пучком. Обзор

Размещено на http://www.allbest.ru/

О механизме инициирования взрывчатых веществ сильноточным импульсным электронным пучком. Обзор

Плотников С.В.

Манапбаева А.Б.

Азиды тяжелых металлов (АТМ) на протяжении многих лет являются модельными объектами для исследования ВВ, а ТЭН широко используется как вторичное ВВ. Механизм взрывного разложения самих ВВ до настоящего времени точно неизвестен, хотя с момента первого инициирования ТЭН сильноточным электронным пучком (СЭП) с 2003 года прошло более 10 лет. Применение энергии электронного пучка и мощных лазерных импульсов в сочетании с электрофизическими и оптическими методами исследования с высоким временным разрешением позволило получить обширный спектр экспериментальных данных о процессах, протекающих при взрывном разложении ВВ.

Наиболее сложным является определение физики процессов, связанных с внутренними превращниями ВВ после инициирования, так как скорость данных процессов очень велика, а сам образец после опыта полностью разрушается. На сегодняшний день принято различать механизмы инициирования ВВ на цепной и тепловой метод развития взрыва вВВ. Обзор проводился по результатам работ научных групп, имеющих противоположенные объяснения механизма развития взрыва.

Взрывное разложение энергетических материалов воздействием сильноточного электронного пучка

Спектрально-кинетические характеристики азидов тяжелых металлов

Кинетика предвзрывного и взрывного свечения несет в себе значительную информацию о процессах, протекающих при инициировании ВВ воздействием СЭП. Согласно [1] кинетика предвзрывной и взрывной люминесценции азидов тяжелых металлов представляет собой кривую, как правило, с двумя пиками короткого (~500 нс в полувысоте) и длинновременного свечения (~2 мс). Кинетика свечения азида серебра при воздействии СЭП представлен на рисунке 1. По мнению авторов первый пик с максимумом t₁?500 нс (рис. 1) соответствует свечению образца до разрушения - предвзрывная люминесценция (спектр люминесценции рис. 2), так как он не соответствует кривой формулы Планка, второй пик с максимумом t₂?2,5 мкс соответствует свечению плазмы взрыва с линейчатым спектром (рис. 3). Предвзрывную люминесценцию связывают с дефектами, образующимися в процессе цепной реакции. В работе [1] показано, что взрывное разложение АТМ является следствием экзотермической реакции , в результате которой выделяется энергия 10-12 эВ, а характер самой реакции является нетепловой, по причине возрастания проводимости в образце, обуславливающей размножение электронных возбуждений и приводящей к взрыву образца. Позже, в работе [2] описывается гипотеза, что повышение проводимости в нитевидном кристалле азида серебра является следствием перекрывания очагов реакции и образования сплошного канала проводимости в образце, так как в работе [3]экспериментально доказывается, что роль очагов исполняют области вокруг дислокаций.

Рисунок 1. Полная кинетика взрывного свечения макрокристалла AgN₃, л=770 нм[1]

t₁- время, соответствующее максимуму предвзрывной люминесценции;

t₂ - время, соответствующее максимуму свечения продуктов взрыва

Рисунок 2. Спектр предвзрывной люминесценции макрокристаллов AgN₃[1]

Рисунок 3. Спектр свечения продуктов взрывного разложениямакрокристаллов AgN₃[1]

Рисунок 4. Спектр свечения продуктов свечения взрыва АТМ: Инициирование импульсом ускорителя; а) AgN3, интенсивность линий участка спектра 580ч900нм увеличена в 3 раза, б) Pb(N3)2, участок спектра 650ч900нм увеличен в 10 раз, в) TlN3, участок спектра 570ч900нм увеличен в 15 раз[9]

Рисунок 5. Спектры предвзрывной люминесценции АТМ: а) AgN₃, б) Pb(N₃)₂, в)TlN₃ [10]

В работе [4] представлена еще одна попытка доказать цепную теорию детонации АТМ. На основании акустического сигнала, снимаемого с акустического датчика, установленного непосредственно на образце инициируемым лазером, рисунок 4. Так как часть свечения, опережающая появление акустического сигнала относится к недеформированному образцу и, может быть идентифицирована как предвзрывное свечение. В спектрах плазмы, образующейся в результате взрыва АТМ, идентифицируются линии металлов (серебро, таллий, свинец) и некоторые линии азота (рис. 5). Нужно отметить, что при спектральном разрешении в ~ 15 нм идентифицировать резонансные линии атомов невозможно. Во всех АТМ наблюдается также не идентифицированная линия в районе 770 нм. Спектры предвзрывного свечения, как и в работе [5], не удается описать формулой Планка, что свидетельствует о его нетепловом характере. Такой вывод подтверждается качественным характером спектра (особенно для азида таллия, см. рис. 5а и характером кинетики) спад интенсивности сигнала перед появлением спектра плазмы (см. рис. 5б и 5в). Нетепловой характер предвзрывного свечения позволяет уверенно идентифицировать его как предвзрывную люминесценцию.

Выделены следующие свойства этой люминесценции, существенных для понимания ее природы и механизма взрывного разложения в целом.

Коротковолновая граница люминесценции во всех объектах лежит в области прозрачности. Попытки обнаружения более коротковолнового свечения с использованием более чувствительной аппаратуры не привели к успеху. Этот результат позволяет исключить процесс фоторазмножения из механизмов размножения дырок.

2. Значительная часть спектра предвзрывной люминесценции соответствует энергиям фотонов, превышающим термическую ширину запрещенной зоны АТМ (?1ч1,5 эВ). Следовательно, в данном случае имеет место горячая люминесценция.

3. Синхронные измерения предвзрывной проводимости и люминесценции показывают, что люминесценция наблюдается в области очень высоких концентраций зонных носителей заряда (?10²⁰ см^-3). Уже при значительно меньших концентрациях наблюдаются эффекты насыщения люминесценции, связанной с дефектами. Кроме того, при таких концентрациях становятся существенными процессы поглощения заряда зонными носителями.

4. В [5] было показано, что перед механическим разрушением образец частично плавится. Следовательно, предвзрывная люминесценция наблюдается при температуре, близкой к температуре плавления, при которой люминесценция обычно потушена.

В исследованиях взрывного разложения азидов тяжелых металлов (АТМ) [6] показано, что скорость детонационной химической реакции в взрывчатом веществе (ВВ) может достигать порядков 10³ м/с.

В работах [7-9] предлагается цепная теория процессов, реакция взрывного разложения АТМ запускается непосредственно во время воздействия инициирующего импульса. Далее идет период спада интенсивности катодолюминесценции (КЛ) связанный с протеканием конкурирующих процессов, заполнением ловушек, центров рекомбинации и размножением активных частиц (дырок). Время же протекания данных процессов, по оценки авторов, составляет ~ 100 нс [10].

Тепловая теория реакции в ВВ приводящая к взрыву рассматривается в [11-13]. Природа предвзрывной люминесценции подробно описана в [14] и доказывает, что все предыдущие исследования наблюдали совсем другое явление, а не ИКЛ. Благодаря расположению образца под углом в 45⁰ на алюминиевой фольге можно отсекать, непосредственно ИКЛ, так как фольга непрозрачна для света и прозрачна для СЭП. Сравнение осциллограмм свидетельствует о том, что в первом случае (рис. 6б) наблюдается два пика свечения: пик ИКЛ и следующий, с задержкой ~ 0,2 мкс. Во втором случае ИКЛ не наблюдается, но наблюдается следующий пик, так как фольга разрывается продуктами взрывного разложения. Максимум последнего сдвигается на ~100 нс, поскольку продукты взрыва задерживаются на фольге. Исходя из полученных данных авторы считают, что в момент воздействия электронного пучка на образец возникает ИКЛ азида серебра с длительностью импульса электронного пучка (~25нс). Далее следует индукционный период (~200 нс), в результате детонации образца в зоне облучения и прилегающей к ней области возникает плотный сгусток низкотемпературной плазмы. Облучение АТМ электронным пучком с пороговой плотностью энергии H ? 0.1 Дж/см² приводит к формированию сильного электрического поля в зоне торможения СЭП и электрическому пробою образца. Электрический пробой реализуется в форме сверхзвуковых анодных разрядов, развивающихся со стороны облучаемой поверхности образца в область локализации отрицательного объемного зарядаэлектронного пучка. Анодный разряд в диэлектриках (или стримерв полупроводниках) представляет собой домен электрического поляразмером 3?5 мкм, распространяющийся со скоростью ? 10⁸ см/с. В результате за время ? 10^?11 с фронт стримера формирует горячую точку“ объемом ? 10^?10 см³ сильно возбужденного вещества с концентрацией неравновесных носителей 10²⁰?10²² см^-3 и удельным энерговкладом 10³? 10⁴Дж/см³. Первичными являются электронно-дырочные процессы, развивающиеся на фронте ударнойволны сверхзвукового анодного разряда. Затем, практически мгновенно, за фронтом стримера в результате рекомбинации неравновесных носителей заряда формируется горячая точка“, из которой развиваетсяочаг взрывного разложения. Наиболее сложным для качественного иколичественного описания являются начальные процессы, развивающиеся на фронте ударной волны анодного разряда и прилегающей к немупереходной области канала, заполненной плотной плазмой [13].

Необходимо отметить тот факт, единственное , что не вызывает споров, это уменьшение индукционного периода ВВ с увеличением плотности энергии инициирующего электронного пучка и оценке пороговой плотности энергии пучка в Н=0,1 Дж/см².

Спектрально-кинетические характеристики тетранитратпентаэритрита

В работе [15], целью которой являлось обоснование «электроразрядной» гипотезы, доказана тепловая природа детонации ТЭНа при воздействии СЭП достаточной плотности энергии. Согласно данной теории, взрыв развивается из «горячих точек»,роль которых выполняют каналы электрического пробоя. Основанием для этой гипотезы являлись косвенные экспериментальные результаты, полученные при исследовании физико-химических процессов, развивающихся в энергетических материалах [12-16], и данные по электрическому пробою пассивных (не энергетических) диэлектриков под действием СЭП [17-19.]. При исследовании спектров взрывного свечения, необходимо достаточное спектральное разрешение системы регистрации, для точной и бесспорной идентификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Кинетика взрывного свечения азида серебра, л=600 нм. Кинетики взрывного свечения: а - при панорамной съемки, б - при облучении со свободной стороной образца, в - при установке фольги [12] спектров свечения продуктов взрывного разложения

Так например, в кандидатской диссертации автора [20] приводятся результаты исследования спектров взрывного свечения ТЭНа рисунок 7 и рисунок 8. Автор отметил, что спектр взрывного свечения возникает при взрыве образца в результате развития химической реакции, наблюдается сплошной спектр, на который накладывается линия свечения возбужденных молекул азота, однако очевидно, что при спектральном разрешении ~15 нм, легко ошибиться с выводами, и перепутать, например, уширенную резонансную линию примесного атома ВВс молекулярным спектром продуктов взрывного разложения.

Рисунок 7. Спектр свечения ТЭНа при взрыве для момента времени, соответствующего максимуму второго пика кинетики свечения, 850 нс [20]

Рисунок 8. Спектр разлетающихся продуктов взрыва монокристалла ТЭНа на 850 нс [20]

Анализ экспериментальных работ, посвященных исследованию процесса инициирования энергетических материалов сильноточным электронным пучком позволяет сделать следующие выводы. Установлена физическая природа взрывного свечения и поглощения, сопровождающих взрывное разложение энергетических материалов при инициировании взрыва электронным пучком. Показано, что на пороге инициирования взрыва свечение энергетических материалов определяется двумя физическими процессами - импульсной катодолюминесценцией твердого тела, которая наблюдается только в момент импульса облучения и свечением продуктов взрывного разложения (плазмой), которое формируется после индукционного периода. Применяемые ранее методики регистрации спектров взрыва энергетических материалов имели недостаточное спектральное разрешение, что не позволяло идентифицировать продукты взрывного разложения исследованных ВВ.

Список литературы

инициирование взрыв импульсный энергетический

1. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Предвзрывная проводимость азида серебра.// (1995) Письма в ЖТ Ф 62. 203-204.

2. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г., Митрофанов А.Ю. Кинетика ранних стадий предвзрывной проводимости азида серебра (2002) ФГВ38.141-144.

3. Крашенин В.И., Кузьмина Л.В., Захаров В.Ю. Физико-химические процессы, инициированные постоянным электрическим полем в нитевидных кристаллах азида серебра (1996) Журн. прикл. химии 69.21-24.

4. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г., Митрофанов А.Ю. Распространение цепной реакции взрывного разложения в кристаллах азида серебра (2003) ФГВ39.104-106.

5. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г. Спектр предвзрывной люминесценции азида серебра. (1996) Письма в ЖТ Ф 22. 24-27.

6. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г., Белокуров Г.М., Митрофанов А.Ю. Кинетика предвзрывной проводимости азида серебра (1999) Письма в ЖТФ 25. 44-48.

7. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г., МитрофановА.Ю. Топография зарождения реакции взрывного разложения азида серебра при инициировании импульсом электронного ускорителя (2003) ФГВ 39.105-108.

8. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Кречетов А.Г. Дивакационная модель инициирования азидов тяжелых металлов (2004) ФГВ 40.95-99.

9. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Белокуров Г.М, Тупицин Е.В. Топография зарождения реакции взрывного разложения азида серебра при инициировании импульсом электронного ускорителя (2005) ФГВ41. 116-118.

10. Адуев Б.П., Алукер Э.Д., Гречин С.С., Тупицин Е.В. Спектрально-кинетические характеристики продуктов взрывного разложения азида серебра.(2005) Письма в ЖТ Ф 31. 7-11.

11. Корепанов В.И., Лисицын В.М., Олешко В.И., Ципилев В.П. Импульсная катодолюминесценция азидов тяжелых металлов (2002)Письма в ЖТ Ф 28.48-52.

12. Олешко В.И., Корепанов В.И., Лисицын В.М., Ципилев В.П. О природе свечения, возникающего при облучении тетранитропентаэритрита электронным пучком (2007)ФГВ43.87-89.

13. Олешко В.И., Damamme G., Malys D., Лисицын В.М. Инициирование взрывного разложения азидов тяжелых металлов электрическим разрядом, индуцированным электронным пучком (2009)Письма в ЖТФ35.55-61.

14. Олешко В.И., Корепанов В.И., Лисицын В.М., Ципилев В.П.О физической природе свечения и поглощения, сопровождающих взрывное разложение азидов тяжелых металлов (2004)Письма в ЖТФ 30. 17-22.

15. Олешко В.И., Корепанов В.И., Лисицын В.М., Ципилев В.П. Электрический пробой и взрывное разложение монокристаллов тетранитрата пентаэритрита при облучении электронным пучком (2012)Письма в ЖТ Ф38.37-43.

16. Олешко В.И., Корепанов В.И., Лисицын В.М., Ципилев В.П. (2007) Забабахинские научные чтения: сборник материалов IX международной конференции.г. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 58-59.

17. ЛисицынВ.М., ОлешкоВ.И. (1983) Письма в ЖТ Ф 9. 15-18.

18. ОлешкоВ.И., ШтанькоВ.Ф. (1987) ФТТ29.320-324.

19. Олешко, В.И. дис. ... докт. физ.-мат. наук. Томск, 2009. - 317.

20. Гречин С.С. Исследование спектрально-кинетических характеристик радиолюминесценции и взрывного свечения тетранитропентаэритрита при инициировании импульсным пучком электронов: дис. … канд. физ.-мат. наук. - Кемерово / Кемеровский гос. университет, 2007. - 132 с.

Размещено на Allbest.ru