научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МИКРООЧАГОВОГО ХАРАКТЕРА ЗАРОЖДЕНИЯ РЕАКЦИИ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МИКРООЧАГОВОГО ХАРАКТЕРА ЗАРОЖДЕНИЯ РЕАКЦИИ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 12, с. 24-28

УДК 541.124.16; 541.126.2; 541.128

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

ВЛИЯНИЕ МИКРООЧАГОВОГО ХАРАКТЕРА ЗАРОЖДЕНИЯ РЕАКЦИИ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ

© 2014 г. |Э. Д. Алукер|, А. С. Зверев, А. Г. Кречетов, А. Ю. Митрофанов, А. В. Тупицын

Кемеровский государственный университет E-mail: lira@kemsu.ru Поступила в редакцию 04.10.2013

Предложена микроочаговая модель зарождения цепной реакции взрывного разложения при лазерном инициировании энергетических материалов. Зародышами микроочагов являются флуктуации плотности возбуждений, возникающие в результате стохастического характера взаимодействия фотонов с энергетическим материалом при фотоинициировании. Вероятность взрыва определяется конкуренцией двух процессов: 1) микровзрыва в изолированном очаге, приводящего к выбросу вещества из области очага и образованию каверн, и 2) перекрывания растущих очагов, приводящего к образованию зоны взрыва и макровзрыву значительной части или всего образца. Проведена экспериментальная проверка предсказаний модели (зависимость вероятности взрыва и длительности индукционного периода ТЭНа от экспозиции инициирования (1064 нм, 10 нс)), подтверждающая адекватность предложенной модели.

Ключевые слова: лазерное инициирование, вероятность взрыва, порог взрыва, очаги реакции. DOI: 10.7868/S0207401X14120048

ВВЕДЕНИЕ

Еще в первой половине прошлого века Ю.Б. Ха-ритоном была высказана идея о том, что микроочагами зарождения цепной реакции взрывного разложения могут служить флуктуации плотности возбужденных молекул [1]. Прямое экспериментальное подтверждение этого было получено, однако, только в начале 2000-х годов в серии работ [2—5]. В этих работах было показано, что при импульсном лазерном и электронном инициировании азида серебра предвзрывная люминесценция, сопровождающая начальную стадию реакции взрывного разложения, протекающую в еще неразрушенном образце (предвзрывная стадия), действительно зарождается в отдельных микроочагах. Дальнейший рост линейных размеров микроочагов реакции происходит со скоростью порядка 103 м/с и приводит к перекрыванию очагов реакции за времена порядка 10-7 с и, соответственно, к взрыву образца. Существенно, что зарождение микроочагов реакции определяется стохастическим характером процесса инициирования и не связано с наличием структурных дефектов.

Однако фундаментальный факт микроочагового характера зарождения цепной реакции взрывного разложения до сих пор оставался вне поля зрения авторов работ, посвященных изучению лазерного инициирования [6—9]. Это доста-

точно странное, на наш взгляд, обстоятельство связано, по-видимому, с доминированием представлений о тепловом механизме инициирования и начальных стадий реакции взрывного разложения [6, 8].

Однако после появления серии работ, в которых, во всяком случае для некоторых систем (азиды тяжелых металлов [9], ТЭН [10, 11]), убедительно доказан нетепловой характер лазерного инициирования и начальных стадий реакции взрывного разложения, обоснованность такого доминирования "тепловых" представлений о механизме актуальных процессов вызывает серьезные сомнения, а необходимость учета микроочагового характера зарождения цепной реакции приобретает еще большую актуальность. В связи с вышеизложенным, задачей данной работы стало исследование влияния микроочагового характера зарождения реакции взрывного разложения на порог лазерного инициирования.

ОБОСНОВАНИЕ И ФОРМУЛИРОВКА МОДЕЛИ

В основу модели мы положили три достаточно хорошо, на наш взгляд, обоснованных положения.

1. Стохастический характер взаимодействия фотонов с материалом ВВ при фотоинициирова-

ВЛИЯНИЕ МИКРООЧАГОВОГО ХАРАКТЕРА

25

нии приводит к возникновению флуктуаций плотности возбуждений. В достаточно больших флукту-ациях могут реализоваться условия для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции, т.е. эти флуктуации начинают выполнять роль микроочагов зарождения реакции взрывного разложения. В процессе развития реакции размеры микроочагов растут, что приводит к их перекрыванию. Увеличение интенсивности инициирующего излучения приводит к росту концентрации микроочагов реакции и, соответственно, сокращению времени, необходимого для их перекрывания. Скорость роста линейных размеров очагов практически не зависит от их концентрации и составляет для азида серебра величину ~1000 м/с [2—5].

2. При фотовозбуждении вблизи порога инициирования на поверхности невзорвавшихся образцов наблюдаются каверны [6, 12], т.е. происходит локальный выброс вещества из области очагов реакции. Такой "досрочный" выброс вещества из области очага прекращает развитие реакции, т.е.

может служить ингибирующим фактором \

3. Помещение образца в замкнутую оболочку ("закрытая поверхность") приводит к понижению порога инициирования [6, 12]. Наиболее вероятной причиной последнего обстоятельства является то, что наличие оболочки затрудняет "досрочный" выброс вещества из очагов реакции.

На основании вышеизложенного достаточно логичной и обоснованной представляется следующая картина взрывного разложения при фотоинициировании. Реакция зарождается в микроочагах, представляющих собой флуктуации плотности фотовозбуждений. При малых концентрациях очагов, т.е. низких экспозициях инициирования, до выброса вещества из очага (микровзрыв очага) перекрывание очагов не успевает произойти и реакция заканчивается образованием каверн. При больших концентрациях очагов, их перекрывание происходит раньше, чем микровзрыв изолированных очагов, и мы наблюдаем собственно взрыв, т.е. макровзрыв заметной части образца, в которой произошло перекрывание очагов, т.е. образование зоны взрыва. Таким образом, вероятность взрыва определяется соотношением двух времен: времени жизни изолированного очага, т.е. промежутка времени от зарождения очага до его микровзрыва — т0 и времени перекрывания очагов, зависящим от их концентрации, а следовательно, и от интенсивности инициирования — тг

Перейдем к количественному рассмотрению этой ситуации. В предположении, что для зарождения очага реакции в ячейке с размером Ь0 необ-

ходимо наличие одновременно к возбужденных молекул, среднее количество ячеек, содержащих

в сумме к возбуждений есть т =

к/(Щ). Количество возможных расстановок к молекул по т ячейкам — тк; из них т расстановок с расположением всех в одной ячейке, а следовательно, вероятность такого расположения есть р = т1- к =

= (Ш0/к)к-1. Концентрация таких ячеек, содержащих к возбужденных молекул, есть п = р/Ь0:

п = (И/к)к -1Ь03(к — 2). (1)

Величина N связана с экспозицией инициирования Н следующим образом [9, 10]:

N = цН, (2)

где п — коэффициент пропорциональности.

Из (1) и (2) получаем:

п = (пН/к)к — 1Ь03(к—2). (3)

Каждый из этих очагов является областью зарождения цепной реакции взрывного разложения, размеры которой растут в процессе развития реакции [2—5]. Оценим время т^, необходимое для перекрывания отдельных очагов в процессе роста их размеров, т.е. время образования области взрыва, охватывающей весь образец или его значительную часть. В качестве простейшей оценки т возьмем время, необходимое для распространения фронта реакции на расстояние, равное среднему

расстоянию между очагами, т.е. п ~13: т* = 1/ уп13, где V — скорость распространения фронта реакции (скорость роста линейных размеров очага).

Тогда с учетом (3) получаем для оценки величины т следующее выражение:

Т = Т0(С/Н)а,

(4)

где

С =

/ , л1/"

Ьо

пЬ0

V т

а = (к — 1)/3.

о у

1) Обращает на себя внимание сходство рассматриваемых процессов (п.п. 1, 2) с известным явлением "радиационного блистеринга", заключающимся в накоплении радио-литического газа в микропорах материала тепловыделяющих элементов атомных реакторов [13].

Вероятность взрыва образца, Р, будет определяться соотношением скоростей двух конкурирующих процессов: скорости перекрывания очагов — 1/тет приводящего к образованию зоны взрыва и, соответственно, к макровзрыву всего образца (или во всяком случае значительной его части), и скорости микровзрывов в отдельных очагах — 1/т0, приводящих только к образованию каверн в результате выброса вещества очага за пределы образца, т.е. к ингибированию процесса.

В случае такой "двухканальной" системы [14] имеем

Р =

-1 , -1 т * + т о

(5)

к

т

26

АЛУКЕР и др.

Рис. 1. Взрывная камера: 1 — образец, 2 — оправка, 3 — стеклянная пластина, 4 — стальная подложка, 5 — акустический датчик, 6 — иницирующий лазер, 7 — осциллограф, 8 — синхронизирующий генератор.

Тогда из (5) и (4) получаем 1

P =

1 + {C/H)

(6)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МОДЕЛИ

Наиболее простым и эффективным способом проверки адекватности предложенной модели является попытка описания при помощи выражений (4) и (6) экспериментальных данных по зависимости от экспозиции инициирования вероятности взрыва Р и т времени задержки взрыва относительно инициирующего импульса (т.е. длительности индукционного периода). Это обстоятельство и определило содержание экспериментальной части работы.

Объектом исследования служил ТЭН, синтезируемый путем нитрования пентаэритрита концентрированной азотной кислотой. После этого он подвергался очистке путем перекристаллизации из ацетона и повторной перекристаллизации в гексане для получения зерен желаемого размера. В результате получался порошок ТЭНа с размером зерна порядка 100 мкм.

Образцы для исследования представляли собой таблетки диаметром 3 мм и толщиной 0.5 мм, запрессованные в оправку из нержавеющей стали (рис. 1) при давлении 200 МПа. Плотность образцов при этом составляла 1.7 г/см3 (плотность монокристалла ТЭНа — 1.77 г/см3). Схематическое изображение взрывной камеры представлено на рис. 1.

Инициирование осуществлялось импульсом длительностью 10 нс первой гармоники (1064 нм) YAG:Nd-лазера LDPL10M. Экспозиция инициирования на поверхности образца определялась с помощью пироэлектрической головки PE50BF-DIF-C "Ophir Photonics" и постоянно контролировалась по сигналу откалиброванного фотодиода. Для инициирования использовалась только центральная часть пучка лазера (диаметр пучка — 6 мм, диаметр та

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.

Показать целиком