ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
46
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ ГОРЕНИЯ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ С ТВЕРДОФАЗНЫМИ ПРОДУКТАМИ РЕАКЦИИ
© 2014 г. А. И. Кирдяшкин, В. Г. Саламатов, Ю. М. Максимов, В. Ф. Тарасенко, Э. А. Соснин, Р. М. Габбасов
Представлено академиком Н.З. Ляховым 08.07.2013 г. Поступило 05.08.2013 г.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 454, № 1, с. 60-62
УДК 536.
DOI: 10.7868/S0869565214010149
Известно, что процессы горения в обширном ряде техногенных и природных систем сопровождаются эффектом электромагнитного излучения в оптической, ИК- и радиочастотной частях спектра [1, 2]. Эффект обусловлен явлениями теплового излучения и хемилюминесценции продуктов реакции. Химическая энергия, высвобождаемая при горении, обычно не превышает 1—2 эВ в среднем в расчете на атом продукта. Поэтому спектр теплового излучения ограничен видимым диапазоном длин волн. Углеводородные и водородные пламена характеризуются излучением, простирающимся в УФ-диапазон вплоть до X = 250 нм (энергия квантов ~5 эВ) [1]. Последнее свидетельствует о том, что при горении происходит неравновесная концентрация энергии на квантовых состояниях отдельных частиц системы.
Более высокую концентрацию энергии следует ожидать при горении гетерогенных систем, образующих конденсированные продукты реакции, так как в этом случае достигается экстремально высокая плотность энергии, выделяемая в единицу времени (по расчетам, до 106—108 Вт/см3). Это подтверждается эффектом неравновесной эмиссии электронов и положительных ионов с поверхности конденсированных фаз, который ранее наблюдали в процессах горения и теплового взрыва ряда порошковых систем. Газовая плазма, образующаяся над поверхностью конденсированных частиц , обладает высокой электронной температурой (до 80000K в системе Ti—Si) [3] и заметной долей "горячих" электронов с энергией до 60—150 эВ (системы Ni—Al, Mo—B) [4]. В плазме присутствуют атомарные пары компонентов реакции первой и второй кратности ионизации (системы Ti—B, Zr—B) [5]. Относительно недавно обнаружены
Томский научный центр
Сибирского отделения Российской Академии наук
признаки мягкого рентгеновского излучения при тепловом взрыве порошковой системы Т1—В [6].
Каков предельный уровень концентрации энергии, возможно ли рентгеновское излучение в процессе горения — эти вопросы на сегодняшний день остаются открытыми.
В настоящей работе изучено высокоэнергетическое излучение волны горения нанодисперс-ной системы Т1—В, где обеспечиваются условия высокоскоростного протекания гетерогенных реакций в конденсированных фазах.
Реакционная система представляла собой порошковую смесь состава Т + 31.5 мас. % В, приготовленную путем смешивания аморфного черного бора (содержание бора 98 мас. %, размер частиц <1 мкм) и нанодисперсного титана (содержание титана 99.8 мас. %, размер частиц 80—100 нм) в спирте с последующим нанесением суспензии (толщина Н = 70 мкм) на поверхность алюминиевой фольги (Н = 13 мкм) методом шелкографии. Исследования проводили по схеме, представленной на рис. 1. Горение смеси инициировали тепловым импульсом от спирали, расположенной на поверхности образца. Рентгеновскую пленку Коёах КАЯ-2497 помещали внутри светонепроницаемого контейнера с окном для ввода высокоэнергетического излучения. Для защиты фотопленки от воздействия тепла, ИК- и оптического излучения волны горения окно перекрывали пакетом защитных экранов: титановая фольга (Н = 20 мкм) и черная светонепроницаемая бумага (Н = 120 мкм). Последние, как показали исследования, сохраняли свою целостность в процессе горения смеси. Для контроля за составом высокоэнергетического излучения на поверхность фоточувствительного слоя пленки помещали прокатанную никелевую сетку (толщина нити 20 мкм, ширина нити 140 мкм, размер ячейки 400 х 400 мкм). Динамический контроль за процессом горения осуществляли путем ско-
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
61
Рис. 1. Схема проведения эксперимента.
1 — скоростная видеокамера, 2 — оптическое стекло, 3 — образец реакционной смеси, 4 — контейнер, 5 — поджигающая спираль, 6 — окно для ввода излучения, 7 — титановая фольга, 8 — черная бумага, 9 — рентгеновская фотопленка, 10 — медная пластина.
Рис. 2. Засветка рентгеновской фотопленки (а, б) в процессе распространения волны горения в порошковой системе И—В и кадры видеосъемки процесса (в).
1 — пятна засветки, 2 — рентгеновская пленка, 3 — место расположения образца реакционной смеси, 4 — отпечаток контура никелевой сетки, 5 — фронт горения, 6 — реакционный очаг, 7 — исходная смесь, 8 — продукты реакции.
ростной видеосъемки камерой Motion Pro X3 через смотровое стекло. Эксперименты вели в воздушной среде при нормальном давлении.
Исследования показали, что волна горения генерирует излучение рентгеновского диапазона, проникающее через защитные экраны и вызывающее засветку фотопленки в виде пятен размером до 5 мм (рис. 2а). Согласно данным видеосъемки, в процессе распространения реакции по образцу в волне горения стохастически возникают локальные реакционные очаги (рис. 2в). Последние, по-видимому, являются основными источниками излучения, что объясняет дискрет-
ность засветки фотопленки. При горении ощущается запах озона, который косвенно подтверждает эффект генерации рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение волны СВС формирует на фотопленке отпечаток контура никелевой сетки (рис. 2б). Фотометрический анализ [7] локальной яркости изображения (участки 80 х х 200 мкм) вблизи границ сетки (в зоне тени, создаваемой нитью сетки, — I; за пределами тени — /го) позволил оценить коэффициент прохождения излучения:
Рг _ Л/Ло ~ ( 'г — 'о )/( 'го — 'о ) ,
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 454 № 1 2014
62
КИРДЯШКИН и др.
где Jro, Jr — соответственно величины интенсивности рентгеновского излучения до и после прохождения через слой никеля, ¡о — яркость изображения неэкспонированной фотопленки. Из анализа данных статистической обработки величин Рг по 100 измерениям и известных поглощающих свойств никеля [8] следует, что излучение волны горения содержит спектр рентгеновских фотонов от 4.5 до 30 кэВ, где ~28% потока обеспечивают фотоны с энергией более 18 кэВ.
Формирование рентгеновского излучения в условиях нашего эксперимента пока не имеет строгого объяснения. Можно предположить, что в ходе быстропротекающего физико-химического превращения реакционной системы на микроуровнях конденсированных веществ происходит экстремальная концентрация энергии, которая выделяется в процессе реакции, что приводит к возбуждению электронов до энергии порядка единиц и десятков килоэлектроновольт. "Горячие" электроны при взаимодействии с веществом реакционной системы или с защитными экранами генерируют рентгеновское излучение, наблюдаемое в эксперименте.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 11—03—00688а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gaydon A.G. The Spectroscopy of Flames. 2nd ed. N.Y: Wiley, 1974. 167 c.
2. Viskana R. Radiative Transfer in Combustion Systems: Fundamentals and Applications. West Lafayette: Heat Transfer Laboratory; School of Mech. Eng.; Purdue Univ., 2005. 460 p.
3. Kamynina O.K., Kidin N.I., Kudryashov V.A., Uma-rov L.M. // Intern. J. Self-Propagat. High-Temperature Synthesis. 2001. V. 10. № 1. P. 55-62.
4. Кирдяшкин А.И., Поляков В.Л., Максимов Ю.М., Корогодов В.С. // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. № 2. С. 61-67.
5. Кирдяшкин А.И., Саламатов В.Г., Максимов Ю.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Габбасов Р.М. // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. № 1. С. 132-135.
6. Кирдяшкин А.И., Саламатов В.Г., Максимов Ю.М., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф., Габбасов Р.М. // Физика горения и взрыва. 2008. Т. 44. № 6. С. 127-129.
7. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). М.: Энергоатомиздат, 1983. 137 с.
8. Henke B.L., Gullikson E.M., Davis J.C. // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1993. V 54. № 2. P. 181-342.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 454 № 1 2014
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.