ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2013, том 32, № 6, с. 69-77
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 544.454
К ВОПРОСУ О ВОЗБУЖДЕНИИ ДЕТОНАЦИИ В БРИЗАНТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ СИЛЬНОТОЧНЫМ
ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ © 2013 г. В. А. Морозов, Г. Г. Савенков*
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург *Е-таП: sav-georgij@yandex.ru Поступила в редакцию 09.07.2012
Проведен критический анализ экспериментальных работ по инициированию бризантных взрывчатых веществ (БВВ) сильноточным электронным пучком наносекундной длительности. Показано, что убедительного доказательства возбуждения детонации в БВВ при описываемых в работах параметрах пучка нет. Приведены результаты экспериментов по воздействию импульсного электронного пучка на модельные образцы из парафина, показывающие влияние геометрических параметров образцов и добавок нанопорошков окиси меди на стойкость к этому воздействию. Показано, что основным действующим на образцы фактором является катодный плазменный пучок, а с помощью выбора геометрических характеристик образца и добавок нанопорошков можно усилить действие сильноточного электронного пучка.
Ключевые слова: сильноточный электронный пучок, инициирование, бризантные взрывчатые вещества, детонация.
Б01: 10.7868/80207401X13060083
ВВЕДЕНИЕ
Не вызывает сомнения, что в настоящее время необходимы исследования, цель которых — изучение физических процессов, протекающих в ВВ при возбуждении быстрых химических реакций, отличными от традиционных видов (тепловой, ударно-волновой, механический) начальными импульсами. Такие исследования имеют несомненную перспективу в свете развития новых технологий получения взрывчатых веществ с качественно новыми характеристиками, а также создания боеприпасов, систем взрывания и средств инициирования, имеющих повышенные параметры безопасности при экстремальных внешних воздействиях на них. Одним из способов инициирования взрывчатых превращений в ВВ является воздействие на взрывчатое вещество сильноточных пучков электронов. И, хотя в настоящее время (и даже в отдаленном будущем) трудно говорить о практическом воплощении систем подрыва, основанных на воздействии на В В электронных пучков, ввиду достаточно больших габаритов установок, генерирующих такие пучки, а также с точки зрения глобального критерия "эффективность-стоимость", тем не менее эти исследования могут быть полезны при оценке стойкости взрывчатых веществ к внешним воздействиям (например, жесткому рентгеновскому излучению), которые
сопровождаются испусканием больших потоков электронов.
КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Поскольку исторически первое упоминание об инициировании ВВ сильноточным электронным пучком (СЭП), содержащееся в известной монографии Ф. Боудена и А. Иоффе [1], относится к воздействию электронов на инициирующее взрывчатое вещество (ИВВ) — азид серебра, то коротко остановимся на таких воздействиях. Однако отметим, что как в прошлое, так и в настоящее время одна из актуальных проблем, стоявшая и стоящая перед специалистами в прикладной физики взрыва и разработчиками систем подрыва и боеприпасов, заключается в исключении ИВВ из практического обращения вообще. Поэтому исследования воздействий электронных пучков на ИВВ представляет в большей степени академический интерес, связанный с желанием понять природу и механизм взрывчатых превращений под действием электронов.
В дальнейшем появились работы [2, 3], касающиеся возбуждения детонации как в ИВВ, так и в бризантных ВВ (БВВ) с помощью СЭП. Но эти две работы в большей степени носят теоретический характер и в них основной упор сделан на
оценку возможности возбуждения детонации в ВВ при помощи СЭП. В работе [2] для ряда вторичных ВВ на основе концепции горячих точек были проведены расчеты по определению необходимой для возбуждения в них детонации дозы облучения. Однако эти расчеты давали заниженные результаты по сравнению с экспериментально полученными на тот период результатами (отметим, что ссылки на экспериментальные результаты в работе [2] относились к частным сообщениям).
В работе [3], исходя из равенства детонационного давления и давления в термоупругой волне сжатия, возникающей в образце при действии на него СЭП, сделан вывод о том, что даже для возбуждения детонации в азиде свинца необходимы: либо мегаамперные пучки, либо пучки особой конфигурации, либо специальные ионизирующие добавки в ВВ.
И, наконец, с конца 70-х годов прошлого века и по настоящее время в отечественных периодических научных изданиях и в различных научных сборниках напечатано большое количество работ, посвященных экспериментальным исследованиям в области возбуждения детонации в ИВВ при помощи импульсного электронного пучка микро-или наносекундной длительности. Упомянем здесь только несколько работ из их немалого числа — например, [4—6]. Затем появились работы, посвященные теоретическим осмыслениям получаемых результатов — например, [7, 8]. В этом направлении работали и работают в основном 3—4 группы исследователей: одна группа из Томска [6, 7] и несколько групп из Кемерова [4, 5] и [8, 9]. Исследователи одной из кемеровских групп декларировали тезис о том, что исследование инициирования электронным пучком ИВВ облегчает изучение в них предвзрывных явлений и механизмов процесса самовозбуждения, управляющего взрывным разложением. В какой-то степени эти исследования объединяет монография [9].
В работе [5] показано, что при облучении импульсами электронов наносекундной длительности с плотностью энергии Ж < 1 Дж/см2 взрывное разложение претерпевали только азиды тяжелых металлов (СёМ6, РЪМ6, Л§М3). Инициировать взрыв азида таллия, пикрата калия, тетразена, стифната свинца и фульминат ртути не удалось. При облучении ИВВ импульсами электронов микросекундной длительности авторам удалось инициировать все вышеперечисленные вещества. Однако при этом времена задержки взрыва в зависимости от мощности поглощенной дозы К достигали значений от нескольких секунд до нескольких минут.
Вероятно, не в последнюю очередь, такие высокие значения времен задержки вынудили авторов работы [4] предложить для азидов свинца и серебра весьма специфический механизм возбуждения детонации в ИВВ, связанный с образова-
нием электронно-дырочных кристаллонов , которые являются результатом концентрирования генерированных излучением электронных возбуждений, где возможно начало цепного химического разложения. В работе [5] этот механизм был распространен и на другие ВВ. В настоящее время кроме вышеупомянутого механизма существует несколько точек зрения на природу инициирования взрывного разложения ИВВ (преимущественно это азиды тяжелых металлов (АТМ)): инициирование за счет разогрева сильнопогла-щающих включений, аналогичное зажиганию веществ разогреваемым инородным сильнопогло-щающим включением при лазерном инициировании [10], гетерогенно-цепная реакция [8, 11] (хотя в более ранней работе [12] цепной механизм взрывного разложения на основе экспериментальных фактов был отвергнут), деформационный механизм [7], комбинация всех этих механизмов и, наконец, инициирование термоупругими колебаниями кристаллической решетки, когда термоупругое давление сравнимо с давлением продуктов детонации [3]. Кроме того, предпринимались попытки свести причину инициирования детонации импульсным электронным пучком в АТМ к тепловому взрыву путем реализации механизма горячей точки. Однако ни реализация этого механизма, ни тем более реализация объемного разогрева облучаемых электронами азидов не давали даже качественного согласия с экспериментом [12, 13]. Тем не менее можно отметить, что концепция, в основе которой лежит представление о концентрации энерговыделения в твердом теле и формировании горячих точек, не окончательно "снята" в теоретических объяснениях механизма инициирования АТМ [14, 15].
В 2003 г. появилась работа Томской группы [16], вскоре — работа Кемеровской группы [17], а затем и на Забабахинских научных чтениях в 2005 году прозвучал доклад сотрудников РФЯЦ—ВНИИТФ, опубликованный в трудах Американского института физики [18]. Во всех этих и последующих работах авторы утверждали, что им удалось возбудить детонацию при помощи СЭП во вторичном (хотя и самом чувствительном из бризантных) ВВ — тетра-нитропентаэритрите (ТЭНе). Параметры электронного пучка, использованного в работах, следующие: энергия электронов в пучке — 250 кэВ, длительность импульса — от 10 нс в [18] до 25 нс в [16, 17]; при этом амплитуда тока указана только в [18] (~1 кА) в остальных работах этот параметр не упоминается. Диаметр электронного пучка, который определялся диаметром центрального отверстия в аноде, в экспериментах работ [16, 17] равнялся 1.5 мм, а в [18] — 3.5 мм. Инициируемые образцы, использованные в работах [16—18] были следующими: в [16] — прессованный из порошка с дисперсностью S = 600 кг/м3 образец ТЭНа диаметром 4 мм, высотой 1.8 мм и плотностью 1.5 • 103 кг/м3, в [17] —
монокристалл ТЭНа размерами 3 х 2 х 1 мм, в [18] — монокристаллы ТЭНа с толщиной в направлении действия электронного пучка от 1.03 до 2.03 мм.
При этом в экспериментах работы [19] уже появляются и звуковые эффекты (это при, пусть и неглубоком, но все же вакууме!), и механические разрушения конструкционных элементов вакуумной камеры (?). Во всех работах фиксация развития процесса детонации осуществлялась путем регистрации спектров свечения, которые авторы указанных работ называют "взрывными". В зависимости от вида эксперимента авторы регистрировали от одного до нескольких компонент спектра свечения.
С первых же работ их авторы предлагали различные физические механизмы развития процесса детонации. Так, в работе [16] авторы предложили механизм инициирования за счет возникновения ударной волны, формирующейся при испарении области образца ТЭНа, ограниченной диаметром СЭП и глубиной пробега электронов. Однако авторы работы [16], очевидно, понимая несостоятельность такого механизма инициирования, начали развивать в [19] так называемую электроразрядную модель инициирования ТЭНа, которая затем в [20] была представлена в виде многостадийной модели инициирования ТЭНа электронным пучком. Модель включает ряд
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.