УДК 662.215.4:541.15

ЧЕРНАЙ
Анатолій Володимирович

ВЗАЄМОДІЯ Імпульсного ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З ВИБУХОВИМИ РЕЧОВИНАМИ

01.04.17 – Хімічна фізика, в тому числі фізика горіння та вибуху

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико–математичних наук

Одеса – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ).

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор кафедри будівельних геотехнологій і конструкцій Національного гірничого університету

Соболєв Валерій Вікторович.

Офіційні опоненти:

- доктор фізико–математичних наук, професор Шевчук Володимир Гаврилович, професор кафедри загальної та хімічної фізики, декан факультету інформаційних технологій Одеського національного університету ім. І.І. Мечнікова;

- доктор фізико–математичних наук, професор Попов Євген Гаврилович, завідувач кафедри фізики Дніпропетровського державного аграрного університету;

- доктор фізико–математичних наук, професор Моісеєнко Василь Миколайович, завідувач кафедри оптоелектроніки Дніпропетровського національного університету.

Провідна установа: Інститут проблем хімічної фізики Російської академії наук (м. Черноголовка, Моск. обл.).

Захист відбудеться "_25___" квітня 2003 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01 при Одеському національному університеті за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Пастера, 27, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного університету за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий "_6___" березня_ 2003 р.

Вчений секретар
спеціалізованої ради О.П.Федчук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення закономірностей фізико–хімічних процесів, які протікають при лазерній дії на вибухові речовини (ВР), набуває в останній час усе більшу актуальність. Їх розвиток зумовлений як чисто науковим інтересом до явища збудження швидкої реакції у вибухових речовинах, так і практичними запитами ряду галузей промисловості. Використання лазерного випромінювання з метою дослідження процесів запалювання ВР дозволяє проводити експерименти при суворо контрольованих параметрах, стежити за їх розвитком у часі при різноманітних зовнішніх умовах. На відміну від традиційних видів дії на ВР, що використовуються (удар, тертя, укол, вогонь і т. інш.) параметри лазерної дії можна виміряти з великою точністю, а також змінювати у широкому інтервалі. Так, наприклад, при використанні імпульсних оптичних квантових генераторів (ОКГ) тривалість лазерного імпульсу можна варіювати в межах від 10-3 с до 10-9 с. Реалізувати імпульси дії, які коротші за 10-6 с іншими способами неможливо, а тому метод лазерного запалювання відкриває нові можливості для більш повного дослідження механізму ініціювання хімічної реакції у конденсованих ВР.

Незважаючи на велику кількість фундаментальних досліджень, виконаних Є.І.Олександровим, Ю.Ф.Карабановим, Б.М.Бришом та інш., механізм запалювання залишився не виясненим як для бризантних ВР, так і первинних ініціюючих вибухових речовин (ІВР). Достовірною є гіпотеза, згідно з якою запалювання ВР виникає завдяки розігріванню оптичних мікронеоднорідностей. Проте виявлена Дж.Т.Хаганом та Є.І.Олександровим висока чутливість азидів свинцю, срібла, кобальту до дії лазерних моноімпульсів наносекундної тривалості не пояснюється класичною теорією осередкового запалювання. Тому, дослідження, спрямовані на виявлення механізму лазерного запалювання ВР, є актуальними.

Практичним використанням лазерного запалювання може бути створення оптичних систем ініціювання вибухових зарядів (ОПСІН), робота яких базується на передачі по світлопровідній мережі енергії лазерного імпульсу до виконавчих елементів – оптичних капсуль–детонаторів (ОКД). Такі системи мають велику стійкість до електромагнітних наведень і можуть використовуватися при проведенні вибухових робіт у будівництві, видобуванні корисних копалин у відкритій та підземній розробках.

При практичному використанні енергії вибуху в процесах зварювання, різання, штампування та зміцнення металів, пресування порошків, детонаційного та ударно–хвильового синтезу надтвердих матеріалів і т. інш. виникає потреба у формуванні заданих профілів детонаційних та ударних хвиль. Технічні труднощі, що мають місце при вирішенні подібних задач, пов’язані з обмеженим арсеналом засобів ініціювання, серед яких найбільш поширеними є капсулі, електродетонатори, детонуючі шнури. Недоліком перерахованих засобів є те, що при їх використанні детонація в заряді ВР починається в місцях розміщення цих засобів. Одночасне збудження детонаційної хвилі (а, отже, і ударної хвилі в матеріалі) на великій площі чи поверхні складної форми в теперішній час або не здійснимо, або, у кращому разі, пов’язане з великими практичними труднощами.

Велику актуальність набувають останнім часом дослідження міцності й стійкості конструкцій, які сприймають навантаження ударного й вибухового типу. Їх розвиток обумовлений запитами ряду галузей нової техніки, суднобудування, енергетичного машинобудування, промислового будівництва. Процеси нестаціонарної взаємодії елементів конструкцій з навколишнім середовищем відносяться до найбільш складних наукових і технічних задач. Швидка зміна параметрів у часі, наявність хвильових фронтів, виникнення пластичних зон у матеріалі – усе це ускладнює проведення розрахунків і змушує звертатися до розробки експериментальних методів досліджень, на основі яких можна одержувати необхідні дані про поведінку тих чи інших об’єктів. І тому доцільно провести дослідження можливості лазерного методу ініціювання у вирішенні ще й цих задач.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному гірничому університеті (м. Дніпропетровськ), де автор проходив докторантську підготовку при кафедрі будівельних геотехнологій і конструкцій. Дослідження, проведені у роботі, пов'язані з НДР Міністерства освіти і науки України (1992–2001 рр.) та з "Державною комплексною програмою забезпечення відкритих і підземних робіт в Україні екологічно чистими емульсійними вибуховими речовинами, засобами їх виготовлення та ініціювання, які базуються на республіканських сировинних ресурсах і виробничій базі" (1993–1996р.р.).

Мета й задачі дослідження. Установити основні закономірності та фізичний механізм запалювання вибухових речовин лазерним імпульсом, на базі якого розробити високочутливі вибухові сполуки для вирішення задач обробки матеріалів вибухом.

Для виконання поставленої мети необхідно було відповісти на такі запитання:

- які основні фактори впливають на чутливість ВР до дії лазерного моно– імпульсу?

- що є загального і які відміни в механізмах лазерного ініціювання первинних і бризантних ВР?

- які можливості лазерного методу ініціювання для вирішення задач обробки матеріалів вибухом, одержання профільованих детонаційних хвиль, створення безпечних систем підривання вибухових зарядів?

Основна ідея роботи полягає у використанні лазерного імпульсу як ініціюючого фактора дії на ВР для вивчення закономірностей і явищ, що характеризують протікання швидких фізико–хімічних перетворень у конденсованих середовищах та виявити можливості нелокального ініціювання вибухових речовин.

Основні наукові положення, що захищаються автором:

1. Утворення мікротріщин поблизу поглинаючих випромінювання включень і газодинамічний рух речовини – фактори гасіння процесу ініціювання бризантних ВР лазерним моноімпульсом.

2. Запалювання вибухових речовин лазерним моноімпульсом є результатом теплової або структурної дестабілізації кристалічної решітки в мікрооб’ємах речовини при нагріванні оптичних мікронеоднорідностей.

3. Чутливість вибухових речовин до дії лазерного моноімпульсу зростає при збільшенні прозорості речовини та зменшенні швидкості розвантаження зразків ВР у хвилі розрідження.

4. Лазерне ініціювання дозволяє формувати детонаційне перетворення вибухових сполук (ВС) із заданим профілем ударної хвилі для вирішення задач обробки матеріалів динамічним тиском та одержання надвисокої густини енергії.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає в тому, що:

- на основі розробленої математичної моделі виявлений і експериментально підтверджений невідомий раніше механізм запалювання лазерним моноімпульсом високочутливих ВР, обумовлений структурною дестабілізацією кристалічної решітки при нагріванні випромінюванням оптичних мікронеоднорідностей;

- розроблені основи теорії та фізичний механізм запалювання бризантних ВР під тиском з урахуванням міцністних властивостей матеріалу. Теплова теорія запалювання доповнена уявленнями про вирішальну роль тріщиноутворення на процес лазерного ініціювання;

- розроблені експериментальні методики вимірювання чутливості вибухових речовин і параметрів механічної дії продуктів вибуху, які не потребують складного обладнання;

- на основі комплексних ВР розроблені вибухові сполуки, чутливість яких до дії лазерного моноімпульсу на 1,5–2 порядку перебільшує чутливість азидів важких металів;

- експериментально виявлена залежність чутливості вибухових сполук від режиму освітлення в об’ємі матеріалу та умов розвантаження зразків речовини.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені та апробовані методи одержання профільованих детонаційних хвиль (сферичних, кільцевих, плоских, лінійних та інш.), які основані на лазерному методі запалювання вибухових сполук.

Для випробовування міцності матеріалів та стійкості конструкцій, що сприймають навантаження ударного або вибухового типу, розроблено метод одержання механічних імпульсів суб– та мікросекундної тривалості, заснований на одночасному ініціюванні покриття із ВР, яке наноситься на поверхні різноманітної форми. Метод дозволяє варіювати інтенсивністю та тривалістю навантаження шляхом зміни концентрації зв’язуючого матеріалу або відповідним вибором типу ВС.

Для підвищення безпеки проведення вибухових робіт розроблені експериментальні зразки елементів оптичної системи ініціювання: оптичний квантовий генератор та оптичний капсуль–детонатор. Спрацювання ОКД відбувається від дії лазерного імпульсу, який передається по світловоду від ОКГ до світлочутливої сполуки ОКД.

Обґрунтування та достовірність наукових положень, висновків підтверджується застосуванням фундаментальних положень теорії запалювання ВР, квантово–механічної теорії, аналітичних і чисельних методів вирішення математичних задач; зіставленням результатів теоретичних досліджень чутливості ВР до дії лазерного імпульсу, параметрів механічної дії продуктів вибуху, якісного аналізу хвильових процесів у досліджених матеріалах з експериментальними даними.

Особистий внесок автора у наукові результати, що винесені на захист, полягає у формулюванні мети, наукових положень та задач дослідження; обгрунтуванні фізичного механізму запалювання бризантних ВР імпульсним випромінюванням, постановці математичних задач, одержанні аналітичних і чисельних рішень та аналізу результатів; формулюванні основних напрямків пошуку необхідних для лазерного ініціювання ВР та розробці на їх основі високочутливих ВС, дослідженні їх властивостей; розробці наукових основ використання лазерного методу ініціювання для вирішення задач зміцнення матеріалів тиском, зварювання вибухом, одержання профільованих детонаційних хвиль, створення оптичних систем ініціювання вибухових зарядів.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на XV науковому семінарі "Дія високого тиску на матеріали" (Київ, 1993), Міжнародній конференції "Каталіз у гетероциклічних сполуках" (Рига, 1993), 1-й Українській науковій конференції "Промислові вибухові речовини та засоби їх ініціювання" (Шостка, 1994), Міжнародній конференції "Меморіал Я.Б. Зельдовича " (Москва, 1994), 25 Міжнародному симпозіумі по горінню (Пітсбург, 1994), Міждержавному науковому семінарі "Високоенергетична обробка матеріалів" (Дніпропетровськ, 1995, 1997, 1999, 2001), Конференції–виставці "Конверсія організацій і підприємств спецхімії та спецтехнологій" (Казань, 1995), семінарі "Лазерные системы на флоте" (Санкт–Петербург, 1995), 2–ій Українській науково–практичній конференції "Проблемы горения, баллистики и механики соударений" (Одесса, 1996 г.), 5th International on Mine Planning and Equipment Selection (Sao Paulo, 1996), ХI Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 1996), 16th International Colloguium on the dynamics of explosions and reactive systems (Cracov, 1997).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 29 спеціалізованих журналах, 6 патентах на винаходи, 15 статтях у збірниках наукових праць, 1 депонованій рукописі та 3 тезах доповідей на конференціях.

Об’єм та структура роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, викладена на 259 сторінках машинописного тексту, вміщує 53 малюнки, 11 таблиць, бібліографічний список використаних джерел із 195 найменувань.

Основний зміст роботи

Розділ 1. Аналіз теоретичних та експериментальних досліджень процесу запалювання вибухових речовин імпульсом світла.

Вивчення процесу запалювання ВР імпульсними світловими потоками розпочалось у 60–ті роки. Використовувалися джерела світла суцільного спектра, тривалість імпульсів яких знаходилася в межах 10-3-10-6 с. Вивчалися азиди срібла та свинцю, тен, стифнат свинцю, та інші вибухові речовини. З метою з’ясування механізму запалювання були виміряні спектри ряду ВР. Показано, що більшість із них прозорі в близькій інфрачервоній та видимій ділянках спектра, і дуже поглинають ультрафіолетове випромінювання. Дані вимірювання спектральних коефіцієнтів поглинання дозволили запропонувати тепловий механізм запалювання, згідно якому світло ультрафіолетової ділянки спектра поглинається в тонкому поверхневому шарі ВР, викликає його нагрівання, яке достатнє для збудження хімічної реакції. Результати експериментів добре узгоджуються з тепловою теорією запалювання ВР.

З появою ОКГ почалося дослідження процесу запалювання імпульсним лазерним випромінюванням. Більшість експериментів проведено з використовуванням наносекундних (=20–50 нс), мікросекундних (=0,5–0,7 мкс) та мілісекундних імпульсів неодимового (=1,06 мкм) і рубінового (=0,69 мкм) лазерів. Не дивлячись на те, що більшість досліджених ВР слабко поглинають випромінювання цих ОКГ, одержані в ряді робіт значення критичної густини енергії виявилися порівняними або меншими від відповідних величин для джерел суцільного спектра. Чутливість бризантних ВР, як і слід було чекати, нижча чутливості ініціюючих. Крім цього, чутливість ВР до дії рубінового та неодимового лазерів у межах точності експериментів співпадають, а вплив модової структури випромінювання на чутливість незначний.

Особливість ініціювання вторинних ВР полягає в тому, що процесу ініціювання сприяє наявність поблизу поверхні ВР скляної пластини, яка утруднює розлітання продуктів розпаду речовини, іншими словами, газодинамічний розліт продуктів розпаду є потужним фактором гасіння процесу запалювання. Інша ситуація спостерігається при ініціюванні ВР, що знаходяться під тиском. При притисненні зразків ВР до оптичного скла чутливість первинних та вторинних вибухових речовин зростає. До того ж, при Pзов ~10 кбар чутливість вторинних ВР стає порівняною з чутливістю не навантажених ініціюючих ВР. У випадку відмови вибуху не спостерігається яких-небудь слідів дії лазерного імпульсу на матеріал. Крім цього, для азидів свинцю та срібла було виявлено гістерезис залежності Екр (Pзов ), який полягає в тому, що при спаданні тиску і подальшій лазерній дії величина Екр залишається на рівні, що відповідає максимальному значенню тиску. Для інших ВР гістерезиса немає. При спаданні тиску чутливість відновлюється. Даний ефект не пояснюється класичною теорією запалювання.

У ряді робіт зроблені спроби дослідити фактори, які впливають на чутливість ВР до дії лазерного імпульсу. Є.І. Олександров показав, що при нагріванні азиду свинцю до 150С чутливість незначно збільшується при дії мілісекундних імпульсів і залишається незмінною при дії гігантських імпульсів ( ~30 нс). Інша спроба зміни чутливості пов’язана із уведенням у зразки ВР поглинаючих добавок у вигляді дрібнодисперсних порошків металів, окислів металів, сажі. Експерименти показали, що чутливість бризантних ВР підвищується, якщо реакція взаємодії парів домішок з ВР є екзотермічною. Уведення домішок в ініціюючі ВР не вносять помітного внеску в процес ініціювання, який у даному випадку визначається поведінкою самої ВР.

На основі одержаних експериментальних результатів деякими авторами було запропоновано декілька механізмів лазерного запалювання ВР. Проведений ними аналіз цих механізмів, зроблені оцінки показали, що ініціювання ВР за рахунок світлового удару, вимушеного розсіювання Мандельштама–Брилюена неможливе, тому що при освітленні речовини виникає тиск на декілька порядків менший від необхідного. Ініціювання шляхом фотохімічного розкладу не може здійснитися у зв'язку з недостатніми для цього енергіями квантів. Оцінка розігріву поверхневого шару ВР показала, що при дії на азид свинцю лазерного імпульсу з критичною густиною енергії температура поверхні підвищується на ~2°С, а тому цей фактор не може бути причиною підриву. Щодо вторинних ВР, розігрів може рівнятися декільком тисячам градусів, однак, газодинамічне розлітання випареної речовини не дозволяє досягнути цього. Інші механізми також не відповідають експериментальним даним.

Найбільш обґрунтованою гіпотезою запалювання ВР імпульсом ОКГ, запропонованою Ю.Ф. Карабановим, Є.І. Олександровим, є гіпотеза, згідно з якою запалювання виникає в осередках, які виникають при поглинанні випромінювання оптичними мікронеоднорідностями. Ними можуть бути структурні неоднорідності речовини (вакансії, нагромадження дислокацій та інш.), чужорідні включення, хімічні домішки. Використовуючи це припущення, вдається довести можливість ініціювання хімічної реакції вторинних ВР, проте залишається не виясненою залежність критичної густини енергії запалювання від зовнішнього тиску. Щодо ініціюючих ВР, то гіпотеза осередкового запалювання недостатня для пояснення явища запалювання, тому що температура розігріву включень нижча від необхідної.

Узагальнюючи результати експериментальних досліджень, теоретичних розрахунків та оцінок, зроблені такі висновки:

- чутливість до дії лазерного імпульсу ініціюючих ВР вища, ніж чутливість бризантних ВР при ідентичних зовнішніх умовах;

- чутливість ВР підвищується при збільшенні швидкості введення в речовину лазерної енергії;

- чутливість бризантних ВР різко збільшується при зовнішньому їх навантаженні або обмеженні руху газової фази;

- підвищення початкової температури ВР та уведення поглинаючих добавок не сприяє підвищенню чутливості ініціюючих ВР при дії наносекундними лазерними імпульсами;

- вибухові речовини є слабко поглинаючими матеріалами для випромінювання з довжиною хвиль 0,69, 1,06 мкм;

- процес ініціювання суттєво залежить від умов освітлення об’єму речовини;

- запропоновані механізми запалювання ВР не відповідають експериментальним даним;

- для ініціювання ВР найбільш доцільно використовувати ОКГ на неодимовому склі, так як енергетичні характеристики таких лазерів вищі від рубінових;

Відносно практичного використання методу лазерного ініціювання ВР, то проведений нами аналіз численних патентів показав, що роботи у даному напрямку пов’язані, в основному, із розробкою оптичних систем ініціювання пірозасобів. Однак ВР, що використовувалися, мають низьку чутливість, а тому реалізувати ОПСІН на практиці неможливо.

Викладені результати дозволяють сформулювати основні задачі дисертаційної роботи:

- установити механізми запалювання ініціюючих та бризантних ВР імпульсом лазерного випромінювання;

- на основі експериментальних та теоретичних досліджень одержати високочутливі до лазерної дії вибухові сполуки;

- дослідити можливості лазерного методу запалювання ВР для вирішення задач обробки матеріалів тиском (зварювання вибухом, зміцнення, та ін.), випробування міцності матеріалів та стійкості конструкцій до дії механічних імпульсів навантаження, створення безпечних оптичних систем ініціювання зарядів ВР.

Розділ 2. Теоретичні дослідження фізико–хімічних процесів, що протікають при лазерній дії на вибухові речовини.

Типовим ефектом дії імпульсу лазерного випромінювання на прозорі речовини є руйнування матеріалу шляхом створення тріщин та каверн. Навіть у дуже чистих матеріалах оптичні мікронеоднорідності суттєво впливають на взаємодію випромінювання з речовиною, тому що вони є осередками мікроруйнувань.

Поглинання лазерного випромінювання викликає нагрівання мікронеоднорідностей, а також навколишнього середовища за рахунок звичайної теплопровідності, при цьому, нагрівання може супроводжуватися фазовим переходом плавлення матеріалів включення та навколишнього середовища. Оцінки показують, що у першому наближенні можна зневажити затратами тепла на фазовий перехід. Для бризантних ВР, запалювання яких залежить від наявності вільної поверхні, найбільш суттєвим є урахування явища створення за рахунок термонапруження мікротріщин. Оцінки показують, що нагрівання до температури ~100°С викликає появу напружень, які порівнюються з міцністними характеристиками речовини.

Розкривання мікротріщини, як показують оцінки, здійснюється за суттєво менший час (~1 нс), ніж тривалість лазерної дії (~30 нс). А тому з аналізу процесу лазерного ініціювання бризантних ВР слід зробити висновок, що утворення мікротріщини викликає випарення ВР або матеріалу включення, що неминуче приводить до зриву запалювання. Ці міркування дозволили запропонувати таку модель лазерного запалювання бризантних ВР: в результаті лазерної дії розігріваються мікронеоднорідності, теплообмін яких із навколишньою речовиною викликає запалювання ВР, якщо до цього моменту не утворилися мікротріщини. Іншими словами, тріщиноутворення розглядається як фактор гасіння процесу запалювання.

Математична задача зводиться до наступного. В безмежній речовині, яка здатна до екзотермічного перетворення, знаходиться інертне сферичне включення радіусом r0, яке поглинає лазерне випромінювання. Вважається, що матриця прозора для випромінювання лазера. Величини, що характеризують теплофізичні та механічні властивості речовини приймаються незмінними. Система рівнянь складається з рівняння теплопровідності для включення з тепловиділенням, що визначається перерізом поглинання оптичної мікронеоднорідності та рівняння теплопровідності для матриці, яке враховує хімічне тепловиділення по закону Арреніуса нульового порядку. Для вирішення задачі визначення термонапружень розглядається пружно–пластичне середовище. Унаслідок центральної симетрії головні напрямки напружень не змінюються, а компоненти направляючих тензорів напружень та деформацій є сталими. А тому використовується теорія малих пружно-пластичних деформацій. При розрахунках напруженого стану час розглядається як параметр, таким чином використовується квазістатичне наближення. Рішення системи рівнянь, яка включає рівняння рівноваги, закон Гука, умову суцільності речовини шукається в напруженнях. Припускається, що між включенням та матрицею існує механічне зчеплення, а тому виконується умова неперервності радіальних переміщень та напружень. Залежність між інтенсивностями напружень та деформацій є узагальненням діаграми розтягання і має той же вигляд. У даній постановці задачі одержано аналітичне рішення, яке дозволяє розраховувати термонапруження як у наближенні теорії пружності, так і теорії пластичності.

Для визначення залежності перерізу поглинання від радіуса включення запропоновано підхід, який базується на теорії Мі. Розсіяне частинкою випромінювання дається у вигляді суперпозиції полів мультиполів, індуцьованих падаючою хвилею на частинці. Математично це виражається збіжним рядом комплексних осцилюючих функцій, які залежать від параметра дифракції x=2?r0 /л ?а комплексного показника заломлення m=n–ik. Залежність перерізу поглинання від x та m закладена в спеціальних функціях – коефіцієнтах Мі, які знаходяться за допомогою функцій Рікаті–Бесселя рекурентними співвідношеннями. Для визначення коефіцієнтів Мі створена комп'ютерна програма розрахунків.

Вирішена задача лазерного запалювання вторинних вибухових речовин на прикладі тена, який уміщує вуглецеві включення. Критерій запалювання Мержанова, згідно з яким запалювання виникає в той момент, коли швидкість теплоприходу від зовнішнього джерела (включення) і швидкість тепловиділення від хімічної реакції зрівнюються, доповнено вимогою, щоб максимальні розтягуючі напруження не перевищували межу міцності речовини:_

(r0)2(dT/dr) 0Q ,

де –коефіцієнт теплопровідності, k, Q, Еa –предекспонент, калорійність та енергія активації відповідно. Враховуючи, що тривалість лазерного імпульсу набагато перевищує характерну тривалість установлення температури включення (r0)2 ж (ж _коефіцієнт температуропровідності), система рівнянь теплопровідності замінюється одним рівнянням для середовища з граничною умовою на поверхні частинки, яка відображає закон збереження енергії. Знайдене за допомогою інтегрального методу теплового балансу наближене рішення рівняння теплопровідності використовується для одержання міцністного рівняння – залежності густини лазерної енергії, при якій утворюються мікротріщини, від радіуса включення Еs(r0). Критична енергія ініціювання ВР Екр відповідає точці перетину кривої Еs(r0) та кривої ЕT(r0), яка відображає залежність густини енергії запалювання від розміру включення (одержана за допомогою класичної теорії запалювання). Показано, що при збільшенні зовнішнього тиску Pзов густина енергії запалювання знижується. Величина Екр не залежить від початкової температури при дії коротким лазерним імпульсом (~50 нс) і знижується при ініціюванні лазерним імпульсом із тривалістю ~1 мкс. При зовнішньому тиску, який перевершує критичну величину Pкр, залежність Еs(Рзов) для рубінового лазера виходить на стаціонарне значення. Це підтверджується експериментально.

Результати розрахунків показують, що при відсутності зовнішнього тиску визначну роль в ініціюванні ВР відіграють включення малих розмірів (субмікронні частинки). Однак нагрівання таких частинок зрівнюється з нагріванням кристала за рахунок власного поглинання, що веде до однорідного розігрівання поверхневого шару речовини, його випарення та розлітання. Ефект впливу газодинамічного руху на запалювання ВР вивчено при розгляді задачі ініціювання хімічної реакції в тені при різних значеннях коефіцієнта ослаблення випромінювання та тривалості дії. Вирішується система рівнянь газової динаміки, яка доповнена рівнянням хімічної кінетики. Використовується напівемпіричне рівняння стану, що єдиним способом описує властивості тена та продуктів розпаду. З результатів розрахунку випливає, що випаровування та розлітання речовини істотно гасять процес розвитку хімічної реакції. Основними факторами, що знижують втрату лазерної енергії, є збільшення глибини ослаблення випромінювання та зменшення тривалості лазерного імпульсу.

Ініціюючі ВР характеризуються великою швидкістю переходу від горіння до детонації, а наявність вільної поверхні слабко впливає на процес запалювання. А тому утворення мікротріщини поблизу поглинаючого випромінювання включення не є фактором гасіння процесу запалювання. Іншими словами, теорія запалювання бризантних ВР не може бути застосована до ініціюючих ВР.

Як показали наші розрахунки, температура розігрівання мікровключень при дії лазерного імпульсу критичної інтенсивності значно нижча необхідної для запалювання, однак, деформації складають величину, при яких переміщення поблизу включення зрівнюються з відстанями між вузлами кристалічної решітки.

Як приклад розглядається найпростіша ініціююча ВР – азид срібла. Відповідно до нашої гіпотези, при лазерному нагріванні включень срібла виникає деформація кристалічної решітки, в результаті чого протікає реакція N3Ї ? N30 + е. Утворення радикалів N30 приводить до їх взаємодії, а отже, до виділення енергії вибухового перетворення q

N30 + N30 ?3N20 +q.

Для підтвердження запропонованого механізму ініціювання ІВР розроблена квантово-механічна модель стійкості кристалічної решітки. Модель базується на використанні рівняння Шредінгера для задачі про стан електрона в полі двох кулонівських центрів, формалізм якої розвинуто в роботах Г.О. Яркового та В.П. Морозова, і полягає в тому, що з одержаних звичайних диференціальних рівнянь виділяються скорочені рівняння, названі модельними, які вирішуються аналітичними методами. Для одержання рішення початкових рівнянь використовується функція Гріна, модельні рішення для якої є першим наближенням. Розрахунки електронних термів молекул H2 та H2+ показали, що модельні хвильові функції дозволяють одержувати результати, які кількісно і якісно узгоджуються з експериментальними даними. Для розрахунку більш складних молекул нами зроблена спроба удосконалити модель шляхом урахування екранування ядерних потенціалів зв’язаними електронами та їх взаємодії між собою. Апробація моделі, яка була проведена при розрахунках електронних термів молекул CO, N2 ,O2 , Li2 , HCl та інш., підтвердила правильність вибраного підходу.

Поряд із цим вирішена задача про вплив зовнішнього кулонівського центру на електронний терм молекули. Крім цього, було доказано, що рівняння Шредінгера, яке описує стан електрона у полі N – фінітних лінійно розположених центрів зводиться до задачі про стан електрона в полі двох кулонівських центрів. Це дозволило визначити стійкість групи N3Ї при деформації кристалічної решітки азиду срібла. Враховувався вплив на електронний терм кулонівських центрів найближчого оточення: інших груп N3Ї та іонів Ag+ .Розрахунки показали, що деформація решітки AgN приводе до розпаду N3Ї (крива енергії електронного терма перестає мати мінімум). Також установлено, що при деформуванні решітки процесу іонізації групи N3_ у значній мірі сприяє наявність дефекту – іона Ag+ у міжвузольному просторі.

Узагальнення результатів теоретичних досліджень дозволили визначити напрямки пошуку вибухових матеріалів та шляхи створення на їх основі світлочутливих вибухових сполук:

- вибухові речовини повинні бути міцними, мати велику швидкість переходу від горіння до детонації;

- для зменшення впливу вільної поверхні на деформаційну релаксацію кристалів та зниження ролі газодинамічного розвантаження необхідно збільшити прозорість зразків ВР та знизити пористість матеріалу;

- при створенні вибухових сполук та покриття на їх основі повинні використовуватися прозорі для лазерного випромінювання речовини;

- для ініціювання ВР доцільно використовувати імпульси малої тривалості (працювати в режимі модуляції добротності резонатора лазера).

Розділ 3. Експериментальна установка і методики дослідження.

Експериментальна установка створена на базі твердотільного оптичного квантового генератора на неодимовому склі –ГОС–30М. Довжина хвилі випромінювання –1,06 мкм. Для одержання моноімпульсу тривалістю t ?30 нс використовувався пасивний модулятор добротності резонатора. Для підриву ВС на великій площі використовувався лазер ГОС – 1001 з одним підсилювачем. Енергія в моноімпульсі досягала >100 Дж.

При визначенні критичної густини енергії застосовувалися світлофільтри із заздалегідь виміряними коефіцієнтами пропускання. Форма лазерного імпульсу реєструвалася за допомогою фотоелектричного перетворювача та запам’ятовуючого двохпроменевого осцилографа С8–14. Енергія лазерного випромінювання вимірялася калориметром ІКТ–1Н. Підрив зразків ВР здійснювався у сталевій камері.

Для вивчення чутливості ВР розроблена методика вимірювання, яка базується на експериментальному визначенні діаметрів відбитків, які виникають при дії лазерних імпульсів різної енергії на матеріал, що зазнає фазове перетворення. Так як використовувався одномодовий режим роботи ОКГ, то розподілення густини енергії по перерізу пучка є радіально симетричним. У цьому випадку густина лазерної енергії може бути зображена у вигляді добутку величини густини енергії у центрі пучка на функцію розподілення W(r), яка залежить від радіуса кола, центр якого розміщений на осі пучка. Змінюючи пропускання лазерного тракту, одержували серію відбитків, радіуси яких вимірювали за допомогою мікроскопа. Одержані результати використовувалися при вирішенні системи рівнянь, що зв’язують радіус відбитка rі та енергію в імпульсі W(rі ). Побудувавши залежність W(rі ), методом екстраполяції знаходилась енергія W(0), при якій радіус відбитка дорівнював нулю. Це дозволило одержати експериментальну функцію розподілення, котра потім апроксимувалася розподіленням Гауса, що значно спростило проведення експериментальних досліджень.

Розроблено експериментальну методику визначення імпульсу тиску продуктів вибуху, що заснована на використанні балістичного маятника. Маятник складався з металевого диска, закріпленого на одному кінці тонкостінної трубки, другий кінець якої кріпився до осі змінного недротяного резистора, який мав лінійну характеристику залежності величини опору від кута повороту рухомого контакту. Вимірювання напруги у мостовій схемі здійснювалось за допомогою цифрового вольтметра Щ68003, працюючого спільно з друкуючим пристроєм Щ68000К, що дозволяло визначати з частотою 25 Гц значення кута у процесі відхилення маятника. При розробці методики особлива увага приділялася визначенню похибки вимірювання, зумовленої дискретним виводом інформації, тертям осі маятника, неточністю електричних вимірів. Показано, що сумарна похибка не перевершувала 8%.

Виходячи зі сформульованих висновків відносно підвищення чутливості ВР, були проведені дослідження, направлені на одержання високочутливих вибухових сполук за рахунок зниження пористості та збільшення прозорості зразків ВР, а також на розробку вимог до технології нанесення сполук у вигляді покриття на різноманітні матеріали. Перелічені задачі вирішені завдяки розробленій технології приготування в’язкої основи – суспензії порошку вибухової речовини у розчині полімерних матеріалів, прозорих для лазерного випромінювання. Після нанесення такої основи на поверхню будь-якого матеріалу швидко леткий розчинник випаровується, в результаті чого утворюється тверде покриття у вигляді суміші ВР та твердого полімеру, що заповнює простір між кристалами.

Виходячи з цільового призначення суспензії, у процесі приготування в’язкої основи були розглянуті такі параметри як хімічна сумісність із дисперсним середовищем (ВР), гомогенність, висока адгезія до металевих матеріалів, здібність забезпечити необхідний рівень седиментаційної стійкості, мінімальна токсичність, пожежо– та вибухобезпечність, доступність. При розробці в’язкої основи використовувалися принципи одержання та випробовування плівкостворюючих покриттів із розчинів полімерних матеріалів для створення фарб. Розчинниками служили ацетон, етиловий спирт, бензин, чотирихлористий вуглець, хлороформ. В’язку основу наносили на алюмінієву підкладку у вигляді плівкоподібного покриття, потім одержану плівку висушували при 50°С протягом п’яти хвилин.

Максимально велику чутливість мала вибухова сполука ВС2, одержана на основі гідразинотетразолртуть(11)перхлорату. А тому з цією речовиною були проведені дослідження, спрямовані на збільшення відсоткового її виходу при синтезі. В результаті проведених експериментів вихід речовини досягнув 50–60%.

Експериментальна база та викладені вище методики використовувалися при експериментальних дослідженнях фундаментального та прикладного характеру.

Розділ 4. Результати експериментальних досліджень.

Об’єктом досліджень були вибрані комплексні солі. Цей вибір обумовлено їх великою швидкістю переходу від горіння до детонації. Крім цього, велика кількість комплексних ВР прозорі для лазерного випромінювання, а технологія їх виготовлення дозволяє одержувати високодисперсні порошки, які необхідні для одержання якісних суспензій. При проведенні попередніх досліджень чутливості ВР використовувався зв’язуючий матеріал із полімеру ПМВТ_М, масова концентрація якого складала 10%.

Досліджено 23 комплексних ВР. Вибухові сполуки наносилися у вигляді покриття на алюмінієву фольгу на площі ~1 см2 . Частину вибухових сполук не вдавалося ініціювати лазерним імпульсом із густиною енергії >10 Дж/см2. Вибухова сполука ВС1 стійко вибухала при Е =0,1 Дж/см2, а ВС6 диспергувала при Е,3 Дж/см2. Найбільш велику чутливість зареєстровано для таких сполук: ВС2 (2,310_ Дж/см2), ВС7 (510_ Дж/см2), ВС16 (1210_ Дж/см2), ВС17 (4010_ Дж/см2). Причому, ВС7 під дією лазерного імпульсу детонує, в той час як при дії інших ініціюючих факторів (удар, укол, дія вогню та інш.) – горить. Ця властивість видається дуже важливою з точки зору безпечного поводження з цим матеріалом.

Критичні густини енергій запалювання ВС2, ВС7, ВС16, ВС17 показують, що чутливість цих матеріалів є унікальною, так як подібний її рівень не був зареєстрований ні для одного з раніше досліджених ВР (для азиду свинцю Екр=0,1, для ТНРС –0,25 Дж/см2).

Для підтвердження теоретичної моделі запалювання ініціюючих ВР лазерним моноімпульсом нами були проведені принципово нові експерименти, а саме, виміряна чутливість вибухових сполук у залежності від концентрації зв’язуючого матеріалу та товщини зразків ВР. На прикладі ВС2 показано, що при збільшенні концентрації зв’язуючого матеріалу густина енергії запалювання зменшується, досягнувши мінімального значення, а потім збільшується при подальшому зростанні концентрації. Мінімум густини енергії запалювання досягає при концентрації полімеру ~30%. Абсолютні значення мінімуму близькі для полімерів ПМВТ_М та ПММ. Також визначено, що при зменшенні радіуса пучка збільшується густина енергії запалювання.

Поряд із цим виявлена залежність чутливості від поверхневої густини маси ms (товщини) покриття із ВР. Наприклад, при зменшенні товщини покриття з ВС16, починаючи з ms~60–70 мг/см2 , чутливість падає. Покриття з поверхневою густиною маси 20 мг/см2 не вдавалося ініціювати навіть при дії імпульсом із густиною енергії, що в 15 раз перевершувала критичну для товстих зразків. При цьому, якщо підрив не відбувався, то візуально та під мікроскопом не спостерігалось слідів руйнування або часткового розкладення речовини.

Одержані експериментальні дані задовільно узгоджуються з теоретичними результатами. Інтенсивність лазерного випромінювання у центрі променя зменшується за рахунок поглинання та розсіювання фотонів. А тому, чим менший діаметр променя, тим розсіювання сильніше і тому для запалювання ВР потрібно збільшити густину енергії лазерного імпульсу, що і спостерігається в експерименті.

Розсіювання світла зменшується при збільшенні прозорості зразка, а тому при підвищенні кількості полімеру росте чутливість, що також погоджується з результатами експерименту. При великих значеннях концентрації в’язки чутливість ВР падає, причиною чого є негативний вплив хімічно нейтрального зв’язуючого матеріалу на процес розповсюдження по зразку ВР вибухового перетворення.

Одержані результати вказують на важливу роль вільної поверхні зразка не тільки на розвиток вибухового перетворення, але і на процес формування осередку запалювання. Осередок запалювання може з’явитися тільки в тому разі, якщо він знаходиться на достатньому віддаленні від вільної поверхні, а тому збільшення прозорості або товщини зразка ВР покращують умови його формування. Роль вільної поверхні може зводитися до єдиного – генерації хвилі розвантаження. Таким чином, при дії лазерного імпульсу на високочутливі ВР у результаті нагрівання мікронеоднорідностей виникає деформація речовини, яка і є причиною вибухового перетворення. Осередок не виникає, якщо хвиля розвантаження встигає зменшити напруження та деформації за менший час, ніж індукційний період хімічної реакції.

Одержані експериментальні результати підтверджують теоретичну модель фізичного механізму запалювання, яка базується на уяві про деформаційну нестабільність кристалічної решітки ВР.

Для установлення механізму запалювання ВР, а також для практичних цілей важливе значення мають дослідження механічних характеристик продуктів вибуху. Крім цього, традиційні методи не можуть забезпечити одночасне навантаження великої площі конструкції (?1 м2 ), особливо якщо поверхня не є плоскою. Такі задачі виникають, наприклад, при моделюванні дії потужних лазерних імпульсів на конструкції.

Для вирішення цієї проблеми у роботі пропонується метод навантаження, що заснований на лазерному підриві покриття з вибухової сполуки. Суть методу полягає у нанесенні на об’єкт, що досліджується, вибухової сполуки у вигляді плівки заданої товщини і подальшому опроміненню (ініціюванні) усієї її поверхні лазерним імпульсом.

Використовуючи методику вимірювання імпульсів продуктів вибуху за допомогою балістичного маятника, було одержано залежності густини імпульсу від поверхневої густини маси Js (ms ) покриття із ВС2, ВС7, ВС16, ВС17, а також з азиду свинцю, зразки якого готувалися пресуванням при тиску 2108 Па. Експериментальні результати оброблялися за методом найменших квадратів. Для усіх досліджених вибухових речовин спостерігається лінійна залежність Js(ms ). Рішення задач відбиття детонаційної хвилі від абсолютно жорсткої стінки та миттєвої детонації показують, що при ms> 0 величина густини імпульсу прямує до нуля. Однак в експериментах цього не спостерігається (js >0 при ms?0). Це означає, що частина маси ВР витрачається при переході горіння на детонацію і не дає суттєвого вкладу у величину імпульсу. Тангенс кута нахилу прямих до осі ms корелює з величиною швидкості детонації вибухових речовин, на основі яких виготовлені вибухові сполуки.

Мінімальна густина імпульсу – 0,08 кПа с була одержана при ініціюванні ВС2. Для інших сполук ці значення (в одиницях кПас) дорівнюють 0,186 ), 0,25ВС7), 0,38ВС16), 0,56ВС17). Значення поверхневої густини маси (в одиницях мг/см2 ) при js> 0 дорівнюють таким величинам: 103 ), 12ВС16), 18ВС17), 25ВС2), 50ВС7).

Для експериментальної оцінки тривалості навантаження використовувався керамічний п’єзоелемент ЦТС–19, який розміщувався між ослаблювачем та стержнем, які були виготовлені з латуні, так як цей матеріал має хвильовий опір, що близький до хвильового опору кераміки. В основі роботи ослаблювача лежить процес перетворення плоскої ударної хвилі у сферичну. З осцилограм напруги витікає, що тривалість імпульсу стиснення росте при збільшенні товщини покриття і для ВС2 у діапазоні 30–80 мг/см2 (js =0,1–1,0 кПас) не перевершує 0,5 мкс. Враховуючи неминуче подовження імпульсу при проходженні хвилею ослаблювача, можна стверджувати, що таким методом удається одержувати імпульси навантаження субмікросекундної тривалості.

Імпульс заданої густини можна одержати за допомогою одного з досліджених ВС, при цьому тривалість навантаження буде різна в залежності від типу сполуки, так як покриття будуть відрізнятися товщиною. Однак цей шлях створення імпульсів різної тривалості не є найкращим, так як приходиться працювати з різними типами ВС. Перебороти ці труднощі можна завдяки приготуванню сполук на основі однієї вибухової речовини. Для цього необхідно варіювати концентрацією зв'язуючого матеріалу. На прикладі ВС2 одержані залежності густини імпульсу продуктів вибуху від поверхневої густини маси покриття при різних концентраціях полімеру cm .Навантаженим матеріалом була сталь Ст.45. З одержаних залежностей витікає, що збільшення вмісту в’язки веде до зменшення тангенса кута нахилення прямих Js(ms ) до осі ms . Це означає, що швидкість детонації