ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 12, с. 29-32
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 544.454
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА КОМПАУНДАМИ НА ОСНОВЕ ТЭНА И НАНОЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ © 2014 г. Б. П. Адуев*, Д. Р. Нурмухаметов, Р. И. Фурега, И. Ю. Лисков*
Институт углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Кемерово *Е-таИ: lesinko-iuxm@yandex.ru Поступила в печать 12.11.2013
В работе исследовано поглощение энергии импульсов УАО:Мё3+ — лазеров компаундами на основе тэна и наночастиц алюминия (~100 нм) оптико-акустическим методом. Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен поглощением излучения непосредственно наночастицами. Измерены коэффициенты экстинкции компаундов с различной концентрацией включений.
Ключевые слова: лазер, импульс, взрывчатые вещества, наночастицы, оптико-акустический метод.
Б01: 10.7868/80207401X14120024
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к разработке детонаторов штатных взрывчатых веществ (ВВ), инициируемых лазерным излучением, возник в начале 60-х годов прошлого века после изобретения лазера [1, 2] и начала работ по лазерному инициированию ВВ [3]. Лазерное инициирование открывает очень интересные возможности в различных областях практического применения энергетических материалов, в частности в решении проблем повышения надежности и безопасности их использования [4, 5]. Это обстоятельство обуславливает неослабевающий интерес к исследованию данного явления [4—8].
В связи с этим возникает потребность в получении новых материалов с высокой чувствительностью к лазерному воздействию и низкой чувствительностью к механическим, ударным, электрическим воздействиям. Одно из перспективных направлений — разработка рецептур компаундов на основе ВВ и наночастиц металлов. В частности, для компаундов на основе тэна и наночастиц алюминия получен состав, энергия инициирования которого с вероятностью 50% составляет величину Есг = 1.15 Дж/см2 при температуре 300 К [7].
С фундаментальной точки зрения представляют интерес механизм поглощения энергии лазерного импульса и ее распределение по объему образца. Большинство исследователей считают, что свет поглощается включениями с образованием
горячих точек, что в конечном итоге приводит к взрыву [9—12].
В последнее время выдвинута иная точка зрения, согласно которой включения играют в основном роль центров рассеяния, увеличивая пробег фотонов в материале, в результате чего увеличивается вероятность поглощения света неодимового лазера, например в тэне, что приводит к фоторезонансному инициированию [8, 13]. При этом авторы работы [13] считают, что наночастицы не имеют перспективы в качестве добавок в ВВ, игнорируя результаты исследований из [7, 14—16].
Для выяснения вопроса, какой из двух механизмов является доминирующим, в настоящей работе проведено исследование поглощения излучения импульсного лазера компаундами на основе тэна и наночастиц алюминия оптико-акустическим методом, который позволяет определять профиль поглощенной энергии и коэффициенты экстинк-ции как в поглощающих, так и в рассеивающих средах [17].
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве источника инициирования использовался УАО:Мё3+-лазер, работающий в режиме модуляции добротности на основной частоте (X = 1064 нм) с длительностью импульса на половине амплитуд, составляющей 14 нс. В эксперименте использовалась энергия лазера в 5 мДж, выбранная, с одной стороны, для минимального по-
0.08 г
200
U, мВ
50
-0.04
Рис. 1. Типичные регистрируемые оптико-аккустические сигналы для различных концентраций включений в образе, мас. % 1 - 0.1, 2 - 0.075, 3 - 0.05, 4 - 0.03.
вреждения образцов во время импульса, а с другой — являющаяся достаточной для получения осциллограмм акустического отклика. В качестве оптико-акустического преобразователя использовался пьезоакустический преобразователь из керамики ЦТС-19, аналогичный применяемым в работах [15, 16].
Образцы компаундов на основе тэна и наноча-стиц алюминия с размером частиц в максимуме распределения ~100 нм прессовались в центре медной пластины с помощью гидравлического пресса. Методика приготовления образцов с различным содержанием включений Al подробно описана в работах [7, 16]. Плотность образцов составляла p = (1.73 ± 0.03) г/см3. Образцы находились в акустическом контакте с акустической задержкой пьезодетектора из дюралюминия. Регистрацию сигнала пьезодетектора проводили осциллографом Tektronix TDS 7404B. Методика эксперимента аналогична использованной в [15, 16].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследовался акустический отклик на лазерное воздействие образцов с содержанием включений алюминия 0.03, 0.05, 0.075, 0.1 мас. %. Прессованные образцы тэна, не содержащие включений, не дают акустического отклика. Таким образом, в пределах чувствительности регистрирующей аппаратуры поглощение света и преобразование его энергии в тепловую не обнаружены, т.е. среда является слабопоглощающей. Напротив, образ-
цы, содержащие включения, дают хорошо регистрируемые сигналы. На рис. 1 представлены осциллограммы импульсов сжатия для концентраций включений 0.03, 0.05, 0.075, 0.1 мас. %.
За нулевую точку принято время перехода импульса сжатия в импульс растяжения. Спадающая часть импульсов сжатия хорошо описывается экспоненциальным законом с постоянной времени (кеуС0)-1, где к^ - коэффициент экстинкции с фиксированным содержанием включений, с0 -скорость звука в среде.
Скорость звука в образцах с включениями определяли экспериментально по временному интервалу между первичным и отраженным сигналом. В результате получили величину с0 = (2500 ± 200) м/с.
Из экспериментально рассчитанных значений (кеуС0)-1 определяли значения к^ для различных концентраций включений, которые представлены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, наблюдается линейная зависимость между ке/ и концентрацией включений. Этот результат позволяет ответить на вопрос, сформулированный во Введении данной статьи.
Если включения наночастиц являются эффективными рассеивателями в слабопоглощающей однородной среде, то, согласно работам [17-19],
kef = [3ka (ka + к] )]
1/2
где ka — коэффициент поглощения среды на данной длине волны, ka = const; к] = (1 — q) ks — приведен-
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА КОМПАУНДАМИ
31
ный коэффициент рассеяния; q = (cos 9) — средний косинус угла однократного рассеяния.
2 '
Если ka < ks, то kef = (3kaks). В рассматриваемом случае ka = const, kS ~ ks = asn, где as — сечение рассеяния света на включениях, n — концентрация включений. Отсюда следует, что в этом случае должна наблюдаться линейная зависимость квадрата коэффициента экстинкции от концентрации включений. Однако это противоречит данным для kep рассчитанным из эксперимента (см. рис. 2).
Рассмотрим другой случай. Поглощение света происходит непосредственно включениями, которые, возможно, также являются и рассеивателя-ми. В этом случае kef = ka + ks = оап + osn = (аа + as)n, где aa — сечение поглощения света включениями, na = ns = п. Поэтому должна наблюдаться линейная зависимость kef от концентрации включений, что и наблюдается в эксперименте (рис. 2).
Согласно нашим предыдущим работам [7, 16], при концентрации включений 0.1 мас. % по массе достигается минимальный порог инициирования. Из рис. 2 следует, что при данной концентрации kef« 200 см-1. При kef« 200 см-1 поглощенная
энергия в основном сосредоточена в слое образца толщиной х = кг1« 50 мкм. Дальнейшее увеличение концентрации включений ведет к увеличению к и, следовательно, уменьшению толщины слоя максимального поглощения энергии — х. В этом случае корректное измерение к^ невозможно, так как к^с0 > т, где т — длительность импульса лазера. Согласно [20], в этих условиях происходит квазистатическое расширение тонкого слоя (к-1) по сравнению с характерной длиной акустической волны (с0т). При этих условиях давление в слое, создаваемое за счет поглощенной энергии, должно падать, что создает худшие условия для инициирования.
В связи с вышеизложенным была измерена амплитуда акустического сигнала в интервале концентраций включений 0.05-1 мас. %. Результат представлен на рис. 3. Согласно рис. 3, амплитуда сигнала падает при концентрации включений более 0.1 мас. %. Можно предположить, что возрастание порога взрывчатого разложения при концентрациях выше оптимальной, обнаруженное в работах [7, 16], связано с квазистатическим расширением тонкого слоя к-1, что требует увеличения плотности энергии инициирующего импульса для создания импульсного давления в ударной волне, инициирующей взрыв образца.
Таким образом, из результатов данной работы следует, что световые лазерные импульсы поглощаются наночастицами, что служит экспериментальным доводом в пользу микроочаговой теории
250
200
150
100
50
kef, см 1
kf, 103 см-2
- 40
- 30
- 20
- 10
0.025 0.050 0.075 0.100
% Al
Рис. 2. Зависимость ке^ от концентрации включений в образце. Каждая точка соответствует среднему значению из измерений по 5 образцам. Доверительный интервал рассчитан по методу Стьюдента при доверительной вероятности а = 0.95.
U, мВ
180 150 120 90 60 30
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 1.2
% Al
Рис. 3. Зависимость амплитуды оптико-аккустиче-ского сигнала от концентрации включений в образце. Каждая точка соответствует среднему значению из измерений по 5 образцам. Доверительный интервал рассчитан по методу Стьюдента при доверительной вероятности = 0.95.
лазерного инициирования тэна, содержащего на-норазмерные добавки металлов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российским фондом фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 13-03-98032 р сибирь а.
0
0
0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Maiman T.H. // Nature. 19б0. V. 187. № 473б. P. 493.
2. Javan A., Bennett W.R., Jr., Herriott D.R. // Phys. Rev. Lett. 19б1. V. б. P. 10б.
3. Бриш А.А., Галлеев И.А., Зайцев Б.Н. и др. // Физика горения и взрыва. 19бб. Т. 2. № 3. С. 132.
4. Таржанов В.И. Быстрое инициирование ВВ. Особые режимы детонации. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 1998.
5. Lewis D.J., Marina De Rey, Gardner F.H. // Patent USA. № 3528372. Filed Sept.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.