Помощь студентам в учебе
ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОННО - ПУЧКОВОГО ИМПУЛЬСНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. АНАЛИЗ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОГО
И ЭЛЕКТРОННО - ПУЧКОВОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 26
1.1. Инициирование азидов тяжелых металлов импульсом лазерного излучения. Результаты экспериментальных исследований. Модельные представления и их критический анализ 26
1.1.1. Очаговая модель инициирования - инициирование в
результате разогрева поглощающих микронеоднородностей (80-е ...90-е гг.) 29
1.1.2. Цепные фотохимические модели инициирования азидов
тяжелых металлов 37
1.2. Инициирование вторичных (бризантных) энергетических материалов импульсом лазерного излучения. Модельные представления 40
1.2.1. Инициирование по механизму поглощающих
неоднородностей 40
1.2.2. Модель оптического пробоя 43
1.2.3. Модель фоторезонансного инициирования 46
1.2.4. Инициирование тэна с включениями ультрадисперсных
металлических частиц 47
1.3. Инициирование азидов тяжелых металлов сильноточным
электронным пучком и импульсным электрическим полем, формируемым
электронным пучком. Результаты экспериментальных исследований.
Модельные представления и их критический анализ 52
1.3.1. Цепные модели инициирования азидов тяжелых металлов 52
1.3.2. Закономерности взрывного разложения AgN3 и ФТДО 65
1.3.2.1 Спектрально-кинетические характеристики импульсной
катодолюминесценции азидов тяжелых металлов 66
1.3.2.2 Спектральные характеристики взрывного свечения азидов
тяжелых металлов 67
1.3.2.3 Физическая природа взрывного свечения и поглощения
азидов тяжелых металлов 75
1.3.2.4 Инициирование взрывного разложения AgN3 электрическим
разрядом, индуцированным сильноточным электронным пучком 80
1.3.2.5 Инициирование взрыва фуразанотетразиндиоксида 85
1.4. Взрывное разложение прессованных порошков и монокристалллов тетранитропентаэритрита (тэна) при возбуждении сильноточным электронным пучком 88
1.4.1. Детонация прессованных порошков тэна 89
1.4.2. Электрический пробой и взрывное разложение
монокристаллов тэна 101
1.5. Электрическая природа инициирования энергетических материалов сильноточным электронным пучком 104
1.5.1. Электроразрядная модель инициирования монокристаллов
АgN3 и тэна 104
1.5.2. Физическая модель инициирования прессованных порошков
тэна 105
1.6. Анализ экспериментальных результатов и предложенных физических моделей по инициированию энергетических материалов сильноточным
электронным пучком и лазерным излучением 107
1.7. Постановка цели и задач диссертационного исследования 112
Глава 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 114
2.1. Объекты исследования 114
2.2. Основные методы и подходы 118
2.3. Разработка лазерного стенда для экспериментальных исследований .... 121
2.4. Подготовка образцов и экспериментальных ячеек 125
Выводы по главе 2 127
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОПОРОГОВОГО ОПТИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ИНЕРТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ЛАЗЕРНЫМИ И
ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ 129
3.1. Функциональная схема экспериментальной установки для измерения параметров горячих точек в энергетических и инертных материалах 130
3.2. Результаты экспериментов по оптическому пробою и образованию горячих точек 132
3.2.1. Свечение прессованных порошков энергетических и
инертных материалов в широком диапазоне плотностей энергии лазерного воздействия 132
3.2.2. Экспериментальное обнаружение и закономерности
образования горячих точек 142
Выводы по главе 3 163
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОВОГО РЕЖИМА В ОБЪЕМЕ И НА ПОВЕРХНОСТИ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 167
4.1. Экспериментальные измерения коэффициентов диффузного отражения исследуемых образцов 167
4.2. Численное моделирование светового режима в объеме энергетических материалов 171
4.2.1. Разработка алгоритмов Монте-Карло для определения
пространственной освещенности в объеме рассеивающей полубесконечной среды при лазерном облучении поверхности (прессованные порошки энергетических материалов больших размеров) 171
4.2.2. Результаты численных расчетов светового режима для
полубесконечных сред и сред различной толщины h 180
4.2.3. Определение коэффициентов связи между освещенностью поверхности, задаваемой лазерным пучком, и освещенностью в объеме образцов в зависимости от размера лазерного пучка.
Размерный эффект 190
4.2.4. Учет коэффициента связи F0 при оценке температур нагрева
матрицы и нагрева горячих точек 191
Выводы по главе 4 195
Глава 5. ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ «ЧИСТЫХ» (БЕЗ СПЕЦИАЛЬНО ВВЕДЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ) ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ВНЕШНИМ ИМПУЛЬСОМ. ЭКСПЕРИМЕНТ 197
5.1. Влияние длины волны лазерного излучения на энергетические пороги инициирования прессованных порошков азидов тяжелых металлов и
тетранитрата пентаэритрита. Кинетические характеристики инициирования 197
5.2. Влияние давления прессования (давления прижатия входного
прозрачного окна) на энергетические пороги инициирования АТМ, тэн и
фуразано-тетразин-диоксида (ФТДО). Кинетические характеристики
процесса инициирования 213
5.3. Размерные эффекты при лазерном импульсном инициировании 222
5.4. Влияние длительности лазерного импульса на энергетические пороги
(чувствительность) инициирования энергетических материалов.
Кинетические характеристики процесса 229
5.5. Энергетические пороги инициирования азидов тяжелых металлов
сильноточным электронным пучком. Кинетические характеристики
процесса взрывного разложения 235
5.6. Энергетические пороги инициирования тэна и ФТДО сильноточным электронным пучком. Кинетические характеристики процесса взрывного
разложения 238
5.7. Основные закономерности и особенности поведения энергетических
материалов различных типов. Выводы по главе 5 241
Глава 6. ЛАЗЕРНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВКАМИ ПОГЛОЩАЮЩИХ
НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ 244
6.1. Инициирование композитов на основе тэна. Измерения порогов при различных давлениях прижатия входного окна (давлениях всестороннего сжатия) 244
6.2. Кинетические характеристики процесса инициирования 251
6.3. Инициирование пиротехнических составов 253
Выводы по главе 6 260
Глава 7. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЗАДАЧ ЗАЖИГАНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ И ЭЕЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОМ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 263
7.1. Моделирование и численный расчет задач лазерного импульсного зажигания азидов тяжелых металлов. Выявление основных критериев зажигания 263
7.2. Моделирование и численный расчет задач зажигания тэна и
композитов на его основе (добавки наноразмерных порошков сажи и Al).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ. РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ МОДЕЛИ ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОГО
ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 289
8.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов и кинетических характеристик инициирования
ЭМ лазерным импульсом 289
8.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов инициирования тэна лазерным импульсом
различной длительности 297
8.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов инициирования азидов тяжелых металлов и тэна
импульсом ускоренных электронов 301
8.4. Гипотеза о единой электроразрядной модели инициирования взрывного разложения энергетических материалов лазерным импульсом и сильноточным электронным пучком 306
8.5. Феноменологические модели лазерного и электронно-пучкового инициирования энергетических материалов различного класса 308
8.5.1. Инициирование порошков азидов тяжелых металлов
импульсом неодимового лазера (А0 = 1,064 мкм) 309
8.5.2. Модель инициирования макрокристаллов 313
8.5.3. Инициирование излучением УФ-лазера (Х0 =266...
0,308.0,337 мкм) 314
8.5.4. Инициирование импульсом СО2-лазера (20 = 10,6 мкм; 20 нс) .. 316
8.5.5. Инициирование азидов тяжелых металлов сильноточным
электронным пучком 316
8.5.6. Инициирование азидов тяжелых металлов пучком ускоренных
электронов 317
8.5.7. Лазерное инициирование вторичных (газифицирующихся)
энергетических материалах 318
8.5.8. Инициирование тэна и ФТДО в УФ и ИК - областях спектра
лазерного излучения 321
8.5.9. Лазерное инициирование композитов на основе тэна 321
8.5.10. Зажигание ПХА+УДА пучком лучей неодимового лазера 322
8.5.11. Инициирование тэна электронным пучком 324
Выводы по главе 8 326
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 329
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 336
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 337
Приложение А 367
Приложение Б 381
Приложение В 383
Приложение Г 385
Глава 1. АНАЛИЗ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ЛАЗЕРНОГО
И ЭЛЕКТРОННО - ПУЧКОВОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 26
1.1. Инициирование азидов тяжелых металлов импульсом лазерного излучения. Результаты экспериментальных исследований. Модельные представления и их критический анализ 26
1.1.1. Очаговая модель инициирования - инициирование в
результате разогрева поглощающих микронеоднородностей (80-е ...90-е гг.) 29
1.1.2. Цепные фотохимические модели инициирования азидов
тяжелых металлов 37
1.2. Инициирование вторичных (бризантных) энергетических материалов импульсом лазерного излучения. Модельные представления 40
1.2.1. Инициирование по механизму поглощающих
неоднородностей 40
1.2.2. Модель оптического пробоя 43
1.2.3. Модель фоторезонансного инициирования 46
1.2.4. Инициирование тэна с включениями ультрадисперсных
металлических частиц 47
1.3. Инициирование азидов тяжелых металлов сильноточным
электронным пучком и импульсным электрическим полем, формируемым
электронным пучком. Результаты экспериментальных исследований.
Модельные представления и их критический анализ 52
1.3.1. Цепные модели инициирования азидов тяжелых металлов 52
1.3.2. Закономерности взрывного разложения AgN3 и ФТДО 65
1.3.2.1 Спектрально-кинетические характеристики импульсной
катодолюминесценции азидов тяжелых металлов 66
1.3.2.2 Спектральные характеристики взрывного свечения азидов
тяжелых металлов 67
1.3.2.3 Физическая природа взрывного свечения и поглощения
азидов тяжелых металлов 75
1.3.2.4 Инициирование взрывного разложения AgN3 электрическим
разрядом, индуцированным сильноточным электронным пучком 80
1.3.2.5 Инициирование взрыва фуразанотетразиндиоксида 85
1.4. Взрывное разложение прессованных порошков и монокристалллов тетранитропентаэритрита (тэна) при возбуждении сильноточным электронным пучком 88
1.4.1. Детонация прессованных порошков тэна 89
1.4.2. Электрический пробой и взрывное разложение
монокристаллов тэна 101
1.5. Электрическая природа инициирования энергетических материалов сильноточным электронным пучком 104
1.5.1. Электроразрядная модель инициирования монокристаллов
АgN3 и тэна 104
1.5.2. Физическая модель инициирования прессованных порошков
тэна 105
1.6. Анализ экспериментальных результатов и предложенных физических моделей по инициированию энергетических материалов сильноточным
электронным пучком и лазерным излучением 107
1.7. Постановка цели и задач диссертационного исследования 112
Глава 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 114
2.1. Объекты исследования 114
2.2. Основные методы и подходы 118
2.3. Разработка лазерного стенда для экспериментальных исследований .... 121
2.4. Подготовка образцов и экспериментальных ячеек 125
Выводы по главе 2 127
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОПОРОГОВОГО ОПТИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОБОЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ИНЕРТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ЛАЗЕРНЫМИ И
ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ 129
3.1. Функциональная схема экспериментальной установки для измерения параметров горячих точек в энергетических и инертных материалах 130
3.2. Результаты экспериментов по оптическому пробою и образованию горячих точек 132
3.2.1. Свечение прессованных порошков энергетических и
инертных материалов в широком диапазоне плотностей энергии лазерного воздействия 132
3.2.2. Экспериментальное обнаружение и закономерности
образования горячих точек 142
Выводы по главе 3 163
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОВОГО РЕЖИМА В ОБЪЕМЕ И НА ПОВЕРХНОСТИ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 167
4.1. Экспериментальные измерения коэффициентов диффузного отражения исследуемых образцов 167
4.2. Численное моделирование светового режима в объеме энергетических материалов 171
4.2.1. Разработка алгоритмов Монте-Карло для определения
пространственной освещенности в объеме рассеивающей полубесконечной среды при лазерном облучении поверхности (прессованные порошки энергетических материалов больших размеров) 171
4.2.2. Результаты численных расчетов светового режима для
полубесконечных сред и сред различной толщины h 180
4.2.3. Определение коэффициентов связи между освещенностью поверхности, задаваемой лазерным пучком, и освещенностью в объеме образцов в зависимости от размера лазерного пучка.
Размерный эффект 190
4.2.4. Учет коэффициента связи F0 при оценке температур нагрева
матрицы и нагрева горячих точек 191
Выводы по главе 4 195
Глава 5. ИНИЦИИРОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ «ЧИСТЫХ» (БЕЗ СПЕЦИАЛЬНО ВВЕДЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ) ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ВНЕШНИМ ИМПУЛЬСОМ. ЭКСПЕРИМЕНТ 197
5.1. Влияние длины волны лазерного излучения на энергетические пороги инициирования прессованных порошков азидов тяжелых металлов и
тетранитрата пентаэритрита. Кинетические характеристики инициирования 197
5.2. Влияние давления прессования (давления прижатия входного
прозрачного окна) на энергетические пороги инициирования АТМ, тэн и
фуразано-тетразин-диоксида (ФТДО). Кинетические характеристики
процесса инициирования 213
5.3. Размерные эффекты при лазерном импульсном инициировании 222
5.4. Влияние длительности лазерного импульса на энергетические пороги
(чувствительность) инициирования энергетических материалов.
Кинетические характеристики процесса 229
5.5. Энергетические пороги инициирования азидов тяжелых металлов
сильноточным электронным пучком. Кинетические характеристики
процесса взрывного разложения 235
5.6. Энергетические пороги инициирования тэна и ФТДО сильноточным электронным пучком. Кинетические характеристики процесса взрывного
разложения 238
5.7. Основные закономерности и особенности поведения энергетических
материалов различных типов. Выводы по главе 5 241
Глава 6. ЛАЗЕРНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВКАМИ ПОГЛОЩАЮЩИХ
НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ 244
6.1. Инициирование композитов на основе тэна. Измерения порогов при различных давлениях прижатия входного окна (давлениях всестороннего сжатия) 244
6.2. Кинетические характеристики процесса инициирования 251
6.3. Инициирование пиротехнических составов 253
Выводы по главе 6 260
Глава 7. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЗАДАЧ ЗАЖИГАНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛАЗЕРНОМ И ЭЕЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОМ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 263
7.1. Моделирование и численный расчет задач лазерного импульсного зажигания азидов тяжелых металлов. Выявление основных критериев зажигания 263
7.2. Моделирование и численный расчет задач зажигания тэна и
композитов на его основе (добавки наноразмерных порошков сажи и Al).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ. РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ МОДЕЛИ ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОГО
ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 289
8.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов и кинетических характеристик инициирования
ЭМ лазерным импульсом 289
8.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов инициирования тэна лазерным импульсом
различной длительности 297
8.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений
энергетических порогов инициирования азидов тяжелых металлов и тэна
импульсом ускоренных электронов 301
8.4. Гипотеза о единой электроразрядной модели инициирования взрывного разложения энергетических материалов лазерным импульсом и сильноточным электронным пучком 306
8.5. Феноменологические модели лазерного и электронно-пучкового инициирования энергетических материалов различного класса 308
8.5.1. Инициирование порошков азидов тяжелых металлов
импульсом неодимового лазера (А0 = 1,064 мкм) 309
8.5.2. Модель инициирования макрокристаллов 313
8.5.3. Инициирование излучением УФ-лазера (Х0 =266...
0,308.0,337 мкм) 314
8.5.4. Инициирование импульсом СО2-лазера (20 = 10,6 мкм; 20 нс) .. 316
8.5.5. Инициирование азидов тяжелых металлов сильноточным
электронным пучком 316
8.5.6. Инициирование азидов тяжелых металлов пучком ускоренных
электронов 317
8.5.7. Лазерное инициирование вторичных (газифицирующихся)
энергетических материалах 318
8.5.8. Инициирование тэна и ФТДО в УФ и ИК - областях спектра
лазерного излучения 321
8.5.9. Лазерное инициирование композитов на основе тэна 321
8.5.10. Зажигание ПХА+УДА пучком лучей неодимового лазера 322
8.5.11. Инициирование тэна электронным пучком 324
Выводы по главе 8 326
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 329
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 336
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 337
Приложение А 367
Приложение Б 381
Приложение В 383
Приложение Г 385
Актуальность исследования
Изучению процессов зажигания энергетических материалов (ЭМ) и порохов при воздействии импульсных потоков энергии посвящено достаточно много работ как экспериментального, так и теоретического плана. Первые опыты по лазерному инициированию ЭМ были проведены в нашей стране и за рубежом в первой половине 60-х годов, сразу же, как только появились первые лазеры достаточной мощности. К концу 80-х годов был выявлен ряд закономерностей зажигания инициирующих энергетических материалов и бризантных энергетических материалов при лазерном воздействии и инициирующих ЭМ при электронно-пучковом. На протяжении полувека интерес к этим способам импульсного зажигания не ослабевает и связан с тем, что в них реализуется возможность сверхкоротких воздействий за времена от единицы до десятых долей наносекунд, что на несколько порядков меньше длительности индукционного периода развития взрыва. Это открывает возможность изучения первичных элементарных актов поглощения, передачи и локализации энергии возбуждения и развития взрыва, что необходимо для разработки способов управления взрывными процессами, включая повышение безопасности ЭМ (предотвращение отказов и несанкционированных взрывов). Открывается возможность установления механизмов инициирования и развития взрыва на уровне, позволяющем прогнозировать поведение энергетических материалов различных типов в любых штатных ситуациях и управлять их поведением. С научной точки зрения важно определить возможности описания поведения ЭМ различных классов под воздействием лазерных и электронных пучков с позиций классических представлений тепловой очаговой теории инициирования ЭМ внешним импульсом.
В прикладном аспекте актуальность определяется тем, что традиционные электрические капсюли-воспламенители на основе ЭМ и порохов принципиально не могут быть защищены от электромагнитного импульсного и радиационного воздействия. Соответственно, электрические системы инициирования на базе таких воспламенителей отличаются низкой помехозащищенностью, что приводит к опасным ситуациям в их производстве, снаряжении и эксплуатации, т.е. данная проблема непосредственно связана с безопасностью жизнедеятельности во многих областях промышленности.
Создание лазерных систем зажигания капсюлей-воспламенителей может обеспечить исключительно высокую помехозащищенность исполнительных устройств от внешних воздействующих факторов и полную безопасность в обращении с ними, что представляет исключительную важность в аэрокосмической технике и горнодобывающей промышленности и может явиться альтернативой традиционным электрическим системам.
Степень разрабонаности темы.
Первые исследования в этой области были проведены на инициирующих взрывчатых веществах, где была показана сама возможность низкопорогового лазерного инициирования ЭМ в той области спектра лазерного излучения, где матрица ЭМ прозрачна, т.е. в области, где вещество практически не взаимодействует с излучением. Этот удивительный факт привел к появлению различных физических моделей лазерного инициирования прозрачных ЭМ. Несмотря на огромный накопленный экспериментальный материал, к настоящему времени не сформировано единого мнения о природе взрывного разложения даже наиболее простейших и наиболее изученных представителей класса инициирующих ЭМ - азидов тяжелых металлов.
Требуют уточнения и предложенные к настоящему времени модели инициирования бризантных ЭМ, поскольку в них не выявлена относительная роль электронных возбуждений и оптического пробоя на поглощающих неоднородностях (ПН) различного вида.
Известно, что энергетический порог инициирования азидов тяжелых металлов (АТМ), вторичных ЭМ и пиротехнических составов (ПС) сильно зависит от внешних воздействующих факторов (давление сжатия ЭМ, размер зоны облучения, длительность воздействующего импульса, длина волны лазерного импульса (ЛИ)). Обнаружено, что при переходе из видимой и ближней ИК - области спектра (ЭМ прозрачен) в УФ - область, где ЭМ сильно поглощает падающий поток (область фундаментального поглощения), порог инициирования резко возрастает. При инициировании некоторых ЭМ наблюдается большая длительность индукционного периода, превосходящая длительность воздействующего импульса на 3-4 порядка величины. Кроме того, вторичные газифицирующиеся ЭМ инициируются только в условиях, когда облучаемая поверхность закрыта прозрачным диэлектриком. Эти результаты не получили до сих пор какого- либо обоснованного объяснения. Ряд экспериментальных результатов, полученных различными авторами по влиянию длины волны, плотности ЭМ на пороги лазерного инициирования и той роли, которая отводится таким фундаментальным процессам, как оптический пробой и цепные модели, основанные на генерации неравновесных носителей заряда и экситонов, часто противоречат друг другу, что говорит о пока еще достаточно низком уровне методологического и методического обеспечения опытов.
Тем не менее, накоплен огромный материал, который можно использовать для некоторых обобщений. Огромный вклад в эту базу вложен советскими и российскими учеными, такими как - Бриш А.А., Боболев В.К. (г. Москва); Таржанов В.И. (г. Снежинск); Александров Е.И., Ципилев В.П., Медведев В.В., Олешко В.И. (г. Томск); Кригер В.Г., Алукер Э.Д., Адуев Б.П. (г. Кемерово); Зарко В.Е., Фомин В.М.
(г. Новосибирск), а также некоторыми зарубежными исследователями - Yang L.C., Menichelli, Hagan J.T. (США); G. Dammame (Франция).
Однако до сих пор не было ясно, существуют ли общие закономерности инициирования не только для энергетических материалов различных классов, но и для веществ конкретного типа при возбуждении лазерным импульсом в различных областях спектра (УФ, ИК, видимая область). При таком уровне знаний невозможно прогнозирование поведения ЭМ и пиротехнических составов в различных штатных ситуациях. Это определяет необходимость формирования и развития более точных представлений о механизмах лазерного зажигания широкого круга ЭМ.
Сходные с вышеизложенными, существуют проблемы изучения механизмов инициирования ЭМ пучком ускоренных электронов. В этой связи возникает интерес выявления общих закономерностей и отличительных особенностей инициирования взрывного разложения ЭМ лазерными и электронными пучками и возможности описания природы инициирования с одних позиций, а именно с позиций оптического (электрического) пробоя с последующим образованием тепловых (высокотемпературных) микроочагов, так называемых горячих точек.
Для решения этих проблем представляется целесообразным комплексный подход к исследованию поведения ЭМ при различных способах возбуждения, включающий дополнительные надежные сведения об энергетических порогах зажигания (ЭПЗ) ЭМ различных классов и достоверные данные о пространственных, кинетических и спектральных характеристиках процессов взрывного разложения в реальном масштабе времени. Последнее представляет особую важность в плане изучения поведения ЭМ на ранних стадиях реакции взрывного разложения и, в ряде случаев (например, АТМ), может оказаться ключевым моментом для выявления механизмов инициирования внешним импульсом.
Перспективность такого подхода не вызывает сомнений, однако ряд принципиально новых положений, касающихся методологии таких исследований, или до сих пор не сформулированы или формулируются на ошибочных представлениях и подходах, не учитывающих специфику взрывных процессов и особенности взаимодействия интенсивных лазерных и электронных пучков с веществом.
Цель работы
Установление основных закономерностей и отличительных особенностей лазерного и электронно-пучкового импульсного инициирования энергетических материалов различных классов и создание модельных представлений о механизмах инициирования на уровне, обеспечивающем прогнозирование поведения этих материалов в различных штатных ситуациях.
Задачи:
1. Провести критический анализ экспериментальных данных и существующих моделей инициирования взрывчатых веществ лазерными и электронными пучками, обеспечить постановку задач теоретических и экспериментальных исследований.
2. Разработать и усовершенствовать методики экспериментальных исследований нелинейных процессов, возбуждаемых лазерными импульсами в энергетических и инертных материалах.
3. Измерить амплитудные, спектральные, кинетические и пространственные характеристики свечения энергетических и инертных материалов при возбуждении свободной поверхности лазерными импульсами в режиме однократного и многоимпульсного облучения.
4. Провести экспериментальные и теоретические исследования светового режима в объеме прессованных порошков тэна в условиях полубесконечной среды, а также в пространственно ограниченных средах (таблетках).
5. Выявить связи между оптическими характеристиками ЭМ и их чувствительностью к действию лазерного импульса в различных областях спектра.
6. Выполнить комплексные исследования порогов взрывного разложения от длительности лазерного импульса, давления всестороннего сжатия, длины волны излучения и размера пучка на поверхности образцов ЭМ. Выявить основные закономерности и особенности поведения ЭМ в различных пространственно-временных масштабах воздействующего импульса и пространственно-временных масштабах тепловой и газодинамической разгрузки.
7. Провести численное моделирование и анализ процессов зажигания ЭМ лазерным импульсом и сильноточным электронным пучком (СЭП) с позиции тепловой микроочаговой модели инициирования как для чистых (беспримесных) порошков и монокристаллов ЭМ, так и порошков, содержащих поглощающие примеси (смесевые составы).
8. Выполнить сравнительный анализ результатов численного моделирования процессов зажигания с экспериментальными результатами. Установить общности и различия в поведении инициирующих (АТМ) и вторичных (тэн) взрывчатых веществ. Определить основные критерии лазерного импульсного инициирования.
9. Создать модельные представления инициирования ЭМ внешним импульсом, способные адекватно объяснить имеющийся (накопленный) экспериментальный материал по лазерному и электронно-пучковому инициированию, позволяющие прогнозировать поведение ЭМ в различных штатных ситуациях. Проверить гипотезу о единой электрической природе инициирования энергетических материалов лазерными и электронными пучками.
Научная новизна
1. Впервые разработана и сформулирована экспериментально обоснованная физическая модель формирования «горячих точек» (ГТ) в прозрачных прессованных порошках инертных материалов (оксид магния, сахар), порошках АТМ, чистого (не содержащего специально введенных примесей) тэна, ФТДО и ПХА при лазерном воздействии (А0 = 1064 нм), основанная на явлении низкопорогового оптического пробоя на поглощающих микронеоднородностях. Показано, что воздействие лазерного импульса в области фундаментального поглощения (X = 266 нм) формирует тепловой очаг, в виде лазерно-индуцированной микроплазмы, образующейся в момент импульса облучения в тонком (около 10-5 см) приповерхностном слое, а в дальней ИК - области (А0 = 10600 нм) - в окрестности поглощающей неоднородности (в случае АТМ) или в приповерхностном, толщиной около 10-3 см, слое (в случае тэна или ФТДО).
2. Впервые обобщены и сопоставлены результаты экспериментальных и теоретических исследований поведения энергетических материалов различных классов, выявлены основные закономерности, общности в их поведении и принципиальные различия. Показано, что природа лазерного импульсного инициирования, как «чистых» порошков тэна, так и с добавками нано- и микроразмерных частиц алюминия и сажи, является тепловой микроочаговой.
3. Установлено, что наиболее вероятное фазовое состояние энергетического материала на стадии зажигания следующее: в азидах тяжелых металлов процесс происходит в твердой фазе, в тэне и ФТДО - в газовой, а в ПХА + Al - в жидкой фазе.
4. Впервые с помощью методов и алгоритмов Монте-Карло установлены закономерности светорассеяния в прессованных порошках прозрачных энергетических материалов в пространственно ограниченных слоях (таблетках). Установлена связь между пространственной освещенностью в объеме образца, коэффициентом диффузного отражения и освещенностью его поверхности.
5. Показано, что наблюдаемый экспериментально размерный эффект лазерного инициирования определяется тремя основными факторами - закономерностями светорассеяния, возникновением спекл-структуры в объеме образца и вероятностью попадания оптической неоднородности в каустику лазерного пучка.
6. Впервые проведено численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна лазерным пучком в широком диапазоне длительностей воздействующего импульса. Для объяснения несоответствия расчета с экспериментом в области больших длительностей введены представления о «коллективном эффекте».
7. Впервые проведено численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна пучком ускоренных электронов. Определены пороги инициирования, размеры и наиболее вероятное количество стримеров для этих материалов.
8. На основании комплекса экспериментальных и теоретических исследований выявлены для всех типов ЭМ следующие общие критерии инициирования.
При ти << трел: по отношению к внешнему воздействующему импульсу критерием инициирования является:
- достижение необходимой величины энергии W05, подводимой к
поверхности образца при предельно малых размерах пучка (dn < 10 мкм);
- достижение необходимой величины плотности энергии Н05, подводимой к поверхности образца при предельно больших размерах пучка (dn > 2 мм).
По отношению к внутреннему состоянию образца критерием инициирования является:
- достижение необходимого критического уровня запаса тепла в ГТ.
При ти >> трел : по отношению к внешнему воздействующему импульсу критерием инициирования является:
- достижение необходимой величины плотности энергии Н05, подводимой к поверхности образца при предельно малых размерах пучка (dn < 10 мкм);
- достижение необходимой величины плотности потока q05, подводимого к поверхности образца при предельно больших размерах пучка (dn > 2 мм).
По отношению к внутреннему состоянию образца критерием инициирования является:
- достижение необходимого критического уровня температуры в окрестности ГТ.
9. Впервые сформулированы научные представления, адекватно объясняющие с единых позиций имеющиеся к настоящему времени результаты исследований закономерностей лазерного и электронно-пучкового инициирования энергетических материалов: формирование теплового микроочага является результатом оптического пробоя (при лазерном) и стримерного разрада (при электронном) внешнем импульсном воздействии.
Теоретическая значимость
Впервые сформулированы модельные представления, с единых позиций описывающие поведение различных типов ЭМ при лазерном и электронно-пучковом импульсном инициировании, а именно, с позиций локализации энергии внешнего импульса и образования высокотемпературных тепловых очагов (горячих точек) в результате низкопорогового оптического (электрического) пробоя в окрестности оптических (или электрических) микронеоднородностей.
Разработана математическая модель и алгоритмы численного расчета формирования ГТ в тетранитрате пентаэритрита, содержащем включения частиц сажи и алюминия различных размеров, с учетом длительности лазерного импульса. Показано, что каждой длительности ЛИ соответствует размер частиц, в окрестности которых формируется ГТ с максимальной температурой, а тепловые микроочаги имеют максимальный запас тепла и максимальную реакционную способность.
Впервые разработаны алгоритмы Монте-Карло для моделирования закономерностей светорассеяния в прозрачных порошках ЭМ ограниченных размеров (таблетки). Алгоритмы использованы для численного расчета пространственной освещенности в объеме порошков. Рассчитано распределение пространственной освещенности по глубине образца в зависимости от размера лазерного пучка, коэффициента диффузного отражения и альбедо однократного рассеяния. Показано светораспределение, как в чистых порошках, так и содержащих поглощающие примеси (сажа, алюминий). Показано, что пространственная освещенность в объеме очень тонких слоев (менее средней длины свободного пробега фотонов) может превосходить освещенность, задаваемую лазерным пучком на поверхности образцов до десяти крат.
...
Изучению процессов зажигания энергетических материалов (ЭМ) и порохов при воздействии импульсных потоков энергии посвящено достаточно много работ как экспериментального, так и теоретического плана. Первые опыты по лазерному инициированию ЭМ были проведены в нашей стране и за рубежом в первой половине 60-х годов, сразу же, как только появились первые лазеры достаточной мощности. К концу 80-х годов был выявлен ряд закономерностей зажигания инициирующих энергетических материалов и бризантных энергетических материалов при лазерном воздействии и инициирующих ЭМ при электронно-пучковом. На протяжении полувека интерес к этим способам импульсного зажигания не ослабевает и связан с тем, что в них реализуется возможность сверхкоротких воздействий за времена от единицы до десятых долей наносекунд, что на несколько порядков меньше длительности индукционного периода развития взрыва. Это открывает возможность изучения первичных элементарных актов поглощения, передачи и локализации энергии возбуждения и развития взрыва, что необходимо для разработки способов управления взрывными процессами, включая повышение безопасности ЭМ (предотвращение отказов и несанкционированных взрывов). Открывается возможность установления механизмов инициирования и развития взрыва на уровне, позволяющем прогнозировать поведение энергетических материалов различных типов в любых штатных ситуациях и управлять их поведением. С научной точки зрения важно определить возможности описания поведения ЭМ различных классов под воздействием лазерных и электронных пучков с позиций классических представлений тепловой очаговой теории инициирования ЭМ внешним импульсом.
В прикладном аспекте актуальность определяется тем, что традиционные электрические капсюли-воспламенители на основе ЭМ и порохов принципиально не могут быть защищены от электромагнитного импульсного и радиационного воздействия. Соответственно, электрические системы инициирования на базе таких воспламенителей отличаются низкой помехозащищенностью, что приводит к опасным ситуациям в их производстве, снаряжении и эксплуатации, т.е. данная проблема непосредственно связана с безопасностью жизнедеятельности во многих областях промышленности.
Создание лазерных систем зажигания капсюлей-воспламенителей может обеспечить исключительно высокую помехозащищенность исполнительных устройств от внешних воздействующих факторов и полную безопасность в обращении с ними, что представляет исключительную важность в аэрокосмической технике и горнодобывающей промышленности и может явиться альтернативой традиционным электрическим системам.
Степень разрабонаности темы.
Первые исследования в этой области были проведены на инициирующих взрывчатых веществах, где была показана сама возможность низкопорогового лазерного инициирования ЭМ в той области спектра лазерного излучения, где матрица ЭМ прозрачна, т.е. в области, где вещество практически не взаимодействует с излучением. Этот удивительный факт привел к появлению различных физических моделей лазерного инициирования прозрачных ЭМ. Несмотря на огромный накопленный экспериментальный материал, к настоящему времени не сформировано единого мнения о природе взрывного разложения даже наиболее простейших и наиболее изученных представителей класса инициирующих ЭМ - азидов тяжелых металлов.
Требуют уточнения и предложенные к настоящему времени модели инициирования бризантных ЭМ, поскольку в них не выявлена относительная роль электронных возбуждений и оптического пробоя на поглощающих неоднородностях (ПН) различного вида.
Известно, что энергетический порог инициирования азидов тяжелых металлов (АТМ), вторичных ЭМ и пиротехнических составов (ПС) сильно зависит от внешних воздействующих факторов (давление сжатия ЭМ, размер зоны облучения, длительность воздействующего импульса, длина волны лазерного импульса (ЛИ)). Обнаружено, что при переходе из видимой и ближней ИК - области спектра (ЭМ прозрачен) в УФ - область, где ЭМ сильно поглощает падающий поток (область фундаментального поглощения), порог инициирования резко возрастает. При инициировании некоторых ЭМ наблюдается большая длительность индукционного периода, превосходящая длительность воздействующего импульса на 3-4 порядка величины. Кроме того, вторичные газифицирующиеся ЭМ инициируются только в условиях, когда облучаемая поверхность закрыта прозрачным диэлектриком. Эти результаты не получили до сих пор какого- либо обоснованного объяснения. Ряд экспериментальных результатов, полученных различными авторами по влиянию длины волны, плотности ЭМ на пороги лазерного инициирования и той роли, которая отводится таким фундаментальным процессам, как оптический пробой и цепные модели, основанные на генерации неравновесных носителей заряда и экситонов, часто противоречат друг другу, что говорит о пока еще достаточно низком уровне методологического и методического обеспечения опытов.
Тем не менее, накоплен огромный материал, который можно использовать для некоторых обобщений. Огромный вклад в эту базу вложен советскими и российскими учеными, такими как - Бриш А.А., Боболев В.К. (г. Москва); Таржанов В.И. (г. Снежинск); Александров Е.И., Ципилев В.П., Медведев В.В., Олешко В.И. (г. Томск); Кригер В.Г., Алукер Э.Д., Адуев Б.П. (г. Кемерово); Зарко В.Е., Фомин В.М.
(г. Новосибирск), а также некоторыми зарубежными исследователями - Yang L.C., Menichelli, Hagan J.T. (США); G. Dammame (Франция).
Однако до сих пор не было ясно, существуют ли общие закономерности инициирования не только для энергетических материалов различных классов, но и для веществ конкретного типа при возбуждении лазерным импульсом в различных областях спектра (УФ, ИК, видимая область). При таком уровне знаний невозможно прогнозирование поведения ЭМ и пиротехнических составов в различных штатных ситуациях. Это определяет необходимость формирования и развития более точных представлений о механизмах лазерного зажигания широкого круга ЭМ.
Сходные с вышеизложенными, существуют проблемы изучения механизмов инициирования ЭМ пучком ускоренных электронов. В этой связи возникает интерес выявления общих закономерностей и отличительных особенностей инициирования взрывного разложения ЭМ лазерными и электронными пучками и возможности описания природы инициирования с одних позиций, а именно с позиций оптического (электрического) пробоя с последующим образованием тепловых (высокотемпературных) микроочагов, так называемых горячих точек.
Для решения этих проблем представляется целесообразным комплексный подход к исследованию поведения ЭМ при различных способах возбуждения, включающий дополнительные надежные сведения об энергетических порогах зажигания (ЭПЗ) ЭМ различных классов и достоверные данные о пространственных, кинетических и спектральных характеристиках процессов взрывного разложения в реальном масштабе времени. Последнее представляет особую важность в плане изучения поведения ЭМ на ранних стадиях реакции взрывного разложения и, в ряде случаев (например, АТМ), может оказаться ключевым моментом для выявления механизмов инициирования внешним импульсом.
Перспективность такого подхода не вызывает сомнений, однако ряд принципиально новых положений, касающихся методологии таких исследований, или до сих пор не сформулированы или формулируются на ошибочных представлениях и подходах, не учитывающих специфику взрывных процессов и особенности взаимодействия интенсивных лазерных и электронных пучков с веществом.
Цель работы
Установление основных закономерностей и отличительных особенностей лазерного и электронно-пучкового импульсного инициирования энергетических материалов различных классов и создание модельных представлений о механизмах инициирования на уровне, обеспечивающем прогнозирование поведения этих материалов в различных штатных ситуациях.
Задачи:
1. Провести критический анализ экспериментальных данных и существующих моделей инициирования взрывчатых веществ лазерными и электронными пучками, обеспечить постановку задач теоретических и экспериментальных исследований.
2. Разработать и усовершенствовать методики экспериментальных исследований нелинейных процессов, возбуждаемых лазерными импульсами в энергетических и инертных материалах.
3. Измерить амплитудные, спектральные, кинетические и пространственные характеристики свечения энергетических и инертных материалов при возбуждении свободной поверхности лазерными импульсами в режиме однократного и многоимпульсного облучения.
4. Провести экспериментальные и теоретические исследования светового режима в объеме прессованных порошков тэна в условиях полубесконечной среды, а также в пространственно ограниченных средах (таблетках).
5. Выявить связи между оптическими характеристиками ЭМ и их чувствительностью к действию лазерного импульса в различных областях спектра.
6. Выполнить комплексные исследования порогов взрывного разложения от длительности лазерного импульса, давления всестороннего сжатия, длины волны излучения и размера пучка на поверхности образцов ЭМ. Выявить основные закономерности и особенности поведения ЭМ в различных пространственно-временных масштабах воздействующего импульса и пространственно-временных масштабах тепловой и газодинамической разгрузки.
7. Провести численное моделирование и анализ процессов зажигания ЭМ лазерным импульсом и сильноточным электронным пучком (СЭП) с позиции тепловой микроочаговой модели инициирования как для чистых (беспримесных) порошков и монокристаллов ЭМ, так и порошков, содержащих поглощающие примеси (смесевые составы).
8. Выполнить сравнительный анализ результатов численного моделирования процессов зажигания с экспериментальными результатами. Установить общности и различия в поведении инициирующих (АТМ) и вторичных (тэн) взрывчатых веществ. Определить основные критерии лазерного импульсного инициирования.
9. Создать модельные представления инициирования ЭМ внешним импульсом, способные адекватно объяснить имеющийся (накопленный) экспериментальный материал по лазерному и электронно-пучковому инициированию, позволяющие прогнозировать поведение ЭМ в различных штатных ситуациях. Проверить гипотезу о единой электрической природе инициирования энергетических материалов лазерными и электронными пучками.
Научная новизна
1. Впервые разработана и сформулирована экспериментально обоснованная физическая модель формирования «горячих точек» (ГТ) в прозрачных прессованных порошках инертных материалов (оксид магния, сахар), порошках АТМ, чистого (не содержащего специально введенных примесей) тэна, ФТДО и ПХА при лазерном воздействии (А0 = 1064 нм), основанная на явлении низкопорогового оптического пробоя на поглощающих микронеоднородностях. Показано, что воздействие лазерного импульса в области фундаментального поглощения (X = 266 нм) формирует тепловой очаг, в виде лазерно-индуцированной микроплазмы, образующейся в момент импульса облучения в тонком (около 10-5 см) приповерхностном слое, а в дальней ИК - области (А0 = 10600 нм) - в окрестности поглощающей неоднородности (в случае АТМ) или в приповерхностном, толщиной около 10-3 см, слое (в случае тэна или ФТДО).
2. Впервые обобщены и сопоставлены результаты экспериментальных и теоретических исследований поведения энергетических материалов различных классов, выявлены основные закономерности, общности в их поведении и принципиальные различия. Показано, что природа лазерного импульсного инициирования, как «чистых» порошков тэна, так и с добавками нано- и микроразмерных частиц алюминия и сажи, является тепловой микроочаговой.
3. Установлено, что наиболее вероятное фазовое состояние энергетического материала на стадии зажигания следующее: в азидах тяжелых металлов процесс происходит в твердой фазе, в тэне и ФТДО - в газовой, а в ПХА + Al - в жидкой фазе.
4. Впервые с помощью методов и алгоритмов Монте-Карло установлены закономерности светорассеяния в прессованных порошках прозрачных энергетических материалов в пространственно ограниченных слоях (таблетках). Установлена связь между пространственной освещенностью в объеме образца, коэффициентом диффузного отражения и освещенностью его поверхности.
5. Показано, что наблюдаемый экспериментально размерный эффект лазерного инициирования определяется тремя основными факторами - закономерностями светорассеяния, возникновением спекл-структуры в объеме образца и вероятностью попадания оптической неоднородности в каустику лазерного пучка.
6. Впервые проведено численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна лазерным пучком в широком диапазоне длительностей воздействующего импульса. Для объяснения несоответствия расчета с экспериментом в области больших длительностей введены представления о «коллективном эффекте».
7. Впервые проведено численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна пучком ускоренных электронов. Определены пороги инициирования, размеры и наиболее вероятное количество стримеров для этих материалов.
8. На основании комплекса экспериментальных и теоретических исследований выявлены для всех типов ЭМ следующие общие критерии инициирования.
При ти << трел: по отношению к внешнему воздействующему импульсу критерием инициирования является:
- достижение необходимой величины энергии W05, подводимой к
поверхности образца при предельно малых размерах пучка (dn < 10 мкм);
- достижение необходимой величины плотности энергии Н05, подводимой к поверхности образца при предельно больших размерах пучка (dn > 2 мм).
По отношению к внутреннему состоянию образца критерием инициирования является:
- достижение необходимого критического уровня запаса тепла в ГТ.
При ти >> трел : по отношению к внешнему воздействующему импульсу критерием инициирования является:
- достижение необходимой величины плотности энергии Н05, подводимой к поверхности образца при предельно малых размерах пучка (dn < 10 мкм);
- достижение необходимой величины плотности потока q05, подводимого к поверхности образца при предельно больших размерах пучка (dn > 2 мм).
По отношению к внутреннему состоянию образца критерием инициирования является:
- достижение необходимого критического уровня температуры в окрестности ГТ.
9. Впервые сформулированы научные представления, адекватно объясняющие с единых позиций имеющиеся к настоящему времени результаты исследований закономерностей лазерного и электронно-пучкового инициирования энергетических материалов: формирование теплового микроочага является результатом оптического пробоя (при лазерном) и стримерного разрада (при электронном) внешнем импульсном воздействии.
Теоретическая значимость
Впервые сформулированы модельные представления, с единых позиций описывающие поведение различных типов ЭМ при лазерном и электронно-пучковом импульсном инициировании, а именно, с позиций локализации энергии внешнего импульса и образования высокотемпературных тепловых очагов (горячих точек) в результате низкопорогового оптического (электрического) пробоя в окрестности оптических (или электрических) микронеоднородностей.
Разработана математическая модель и алгоритмы численного расчета формирования ГТ в тетранитрате пентаэритрита, содержащем включения частиц сажи и алюминия различных размеров, с учетом длительности лазерного импульса. Показано, что каждой длительности ЛИ соответствует размер частиц, в окрестности которых формируется ГТ с максимальной температурой, а тепловые микроочаги имеют максимальный запас тепла и максимальную реакционную способность.
Впервые разработаны алгоритмы Монте-Карло для моделирования закономерностей светорассеяния в прозрачных порошках ЭМ ограниченных размеров (таблетки). Алгоритмы использованы для численного расчета пространственной освещенности в объеме порошков. Рассчитано распределение пространственной освещенности по глубине образца в зависимости от размера лазерного пучка, коэффициента диффузного отражения и альбедо однократного рассеяния. Показано светораспределение, как в чистых порошках, так и содержащих поглощающие примеси (сажа, алюминий). Показано, что пространственная освещенность в объеме очень тонких слоев (менее средней длины свободного пробега фотонов) может превосходить освещенность, задаваемую лазерным пучком на поверхности образцов до десяти крат.
...
Диссертация является научно-квалификационной работой в рамках научного направления - изучение закономерностей и отличительных особенностей лазерного и электронно - пучкового инициирования энергетических материалов различных классов. Результаты работы позволили создать модельные представления инициирования ЭМ внешним импульсом, способные адекватно объяснить имеющийся (накопленный) экспериментальный материал по лазерному и электронно-пучковому инициированию, позволяющие прогнозировать поведение ЭМ в различных штатных ситуациях; проверить гипотезу о единой электрической природе инициирования энергетических материалов лазерными и электронными пучками.
Основные результаты и выводы по работе состоят в следующем:
1. Проведен анализ состояния вопроса. Обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели и задачи исследований, методов и подходов экспериментальных исследований и численного моделирования процессов лазерного и электронно-лучевого инициирования энергетических материалов (ЭМ), создан лазерный и электронно-пучковый стенды для синхронного многопараметрического определения энергетических, кинетических и спектральных характеристик процесса инициирования внешним импульсом с высоким (не хуже 10 нс) временным и пространственным (не хуже 2 мкм) разрешением.
2. Разработаны алгоритмы Монте-Карло и проведен численный расчет пространственной освещенности в объеме прессованных порошков ЭМ при лазерном облучении в области прозрачности матрицы. Показано, что в диффузно рассеивающих средах, к которым относятся прессованные порошки ЭМ, пространственная освещенность Е0 в их объеме всегда превышает освещенность поверхности Еп, задаваемую падающим лазерным пучком, в F0 крат. Для всех ЭМ установлена жесткая связь между коэффициентом диффузного отражения и величиной F0. Например, для тэна при h ^ да величина F0 может достигать значения 8,5, а для азида свинца 12,5. Определены общие закономерности и отличительные особенности процессов светорассеяния для различных ЭМ.
3. Полученные экспериментальные зависимости порогов лазерного
инициирования ЭМ от длины волны лазерного излучения, давления прессования (давления всестороннего сжатия) образцов, диаметра пучка на поверхности ЭМ, длительности внешнего импульса. Результаты, интерпретированные в рамках гипотезы о том, что инициирование ЭМ происходит в результате локализации энергии внешнего импульса на поглощающих микронеоднородностях с образованием тепловых микроочагов («горячих точек» - ГТ), являются основными
закономерностями инициирования ЭМ различных классов с отличительными особенностями.
4. Экспериментальными доказательствами справедливости предложенной гипотезы о едином «электрическом» механизме инициирования энергетических материалов мощными лазерными и электронными пучками является следующее: воздействие лазерных и сильноточных электронных пучков на энергетические и инертные материалы приводит к развитию фундаментального физического процесса - оптическому (электрическому) пробою. При лазерном воздействии НОП развивается в приповерхностной области образца на поглощающих неоднородностях в электрическом поле световой волны, а при электронном облучении - стримерный электрический пробой в зоне торможения электронного пучка (или за ее пределами) в электрическом поле инжектированного в образец отрицательного объемного заряда (ООЗ). Во обоих случаях пробой приводит к образованию тепловых микроочагов - «горячих точек».
5. Основной закономерностью образования и отжига ГТ в прессованных образцах ЭМ и инертных материалах (тэн, ФТДО, Mg0, Ti02, сахар) является низкий порог их возникновения, при котором нагрев матрицы пренебрежимо мал (доли оС). Второй закономерностью является то, что с увеличением интенсивности воздействующего импульса (ЛИ или СЭП) концентрация ГТ и яркость свечения (а, значит, и температура ГТ) возрастают. При повторном воздействии у всех материалов наблюдается уменьшение концентрации и температуры ГТ, т.е. происходит их «отжиг».
6. В условиях лазерного воздействия, когда облучаемая поверхность закрыта прозрачным диэлектриком реализуется низкопороговое инициирование. Для данного случая выявлены общие закономерности, характерные для АТМ, тэн и ФТДО. Так пороговая плотность энергии Н05 уменьшается:
- при переходе из области фононного поглощения (длина волны излучения 10600 нм) в область прозрачности (1064, 532 и 355 нм) и далее в область собственного поглощения (308 и 266 нм);
- при увеличении давления прижатия входного окна (давления всестороннего сжатия);
- при увеличении размера лазерного пучка на поверхности образца.
Пороговая плотность мощности q05 уменьшается с увеличением
длительности ЛИ.
7. Все полученные экспериментальные зависимости порогов лазерного импульсного инициирования (от длины волны излучения, давления всестороннего сжатия порошков, диаметра лазерного пучка, длительности ЛИ) чистых (беспримесных) ЭМ адекватно описываются с позиций тепловой микроочаговой теории зажигания ЭМ внешним импульсом. Выявлены общие закономерности лазерного инициирования ЭМ различных классов, которые можно выразить в виде четырех основных критериев зажигания, качественно определяющих поведение ЭМ (энергетические пороги и кинетика разложения).
8. Выявлены различия в поведении ЭМ различных классов, которые определяются не только различием теплофизических и термокинетических констант, но и соотношениями между параметрами ЛИ и характерными пространственно-временными релаксационными масштабами конкретных ЭМ.
10. Поведение ЭМ при инициировании взрывного разложения пучком ускоренных электронов схоже по порогам и кинетическим характеристикам с поведением при лазерном инициировании, что указывает на одинаковую природу инициирования взрывного разложения, а именно, на образование ГТ в результате электрических микроразрядов (микропробоев). Отличительной особенностью является возникновение люминесценции в момент облучения пучком, которая исчезает по окончании воздействия. При пороговых воздействиях всегда наблюдается индукционный период, за которым следует вспышка свечения, имеющая тепловую природу.
11. Введение добавок наноразмерных частиц сажи и алюминия в тэне до 1 массового процента включительно снижают пороги инициирования с увеличением концентрации, но только при низких давлениях прижатия входного окна (менее 2-108 Н/м2). В области высоких давлений прижатия добавки не оказывают влияния на пороги и кинетические характеристики процесса инициирования. Эти особенности связаны с различиями в условиях создания макроочага в тэне на стадии усреднения. В остальном основные закономерности, присущие при инициировании чистых (не содержащих добавок) образцов, сохраняются и для композитов.
12. Проведенные численное моделирование и расчет задачи лазерного зажигания тэна из одиночного микроочага (ГТ) размером 10-5 см в зависимости от длительности ЛИ в широком диапазоне значений (от 10-9 до 10-2 с) позволяют определять энергетические пороги зажигания тэна (Ho,5=0,1 Дж/см2 при 10-8 с и q0,5=6-105 Вт/см2 при 10-2 с), задержки зажигания, температуру и запас тепла в очаге на момент зажигания. Проведенный анализ показывает, что критерием зажигания (по отношению к внутреннему состоянию образца) является:
- достижение необходимого запаса тепла в очаге при коротких временах воздействующего импульса (адиабатический режим нагрева);
- достижение критического значения температуры в очаге и его окрестности при больших длительностях (квазистационарный режим нагрева).
13. Численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна импульсом СЭП в предположении создания ГТ в результате стримерных разрядов в облученном объеме образца позволили получить расчетные значения порогов зажигания азида свинца при 20 стримерных разрядах с диаметром канала около 10-3 см составили около 0,13 Дж/см2. Для тэна наиболее вероятное количество стримеров составило 50, а порог зажигания около 1,4 Дж/см2.
14. Сопоставление на примере азида свинца и тэна экспериментальных результатов по зависимостям порогов инициирования от размера лазерного пучка (диапазон размеров от 10 мкм до 3 мм; длительность импульса 10 нс) на поверхности прессованных порошков с результатами численного моделирования светорассеяния методами Монте-Карло. Показано, что результаты моделирования качественно согласуются с экспериментами по размерному эффекту для ЭМ различных классов.
15. Сопоставление, проведенное на примере прессованных порошков тэна и азида свинца, экспериментальных результатов по зависимости энергетических порогов инициирования от длительности ЛИ (диапазон длительностей от 10 нс до 20 мс) с результатами численного моделирования задач зажигания ЭМ из одиночной ГТ показывает, что для безгазовых систем (азид свинца) на всем диапазоне длительностей воздействия расчетные значения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Для тэна и композитов на его основе эксперимент согласуется с расчетом только в области коротких (< 10-7 с) воздействующих импульсов. Проведено сопоставление результатов эксперимента с моделированием задачи зажигания азида свинца и тэна сильноточным электронным пучком (СЭП), которое доказывает справедливость электроразрядной (стримерной) природы инициирования ЭМ.
16. Впервые предложенная единая феноменологическая модель лазерного и электронно-пучкового инициирования ЭМ различных классов в области различных длительностей внешнего воздействия показывает, что для негазифицирующихся ЭМ (АТМ) адекватна 3-х стадийная модель инициирования, для газифицирующихся - 4-х стадийная.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на проведение в большей степени прикладных исследований и создание технологий и оборудования для применения в исполнительных исполнительных системах, в том числе оптоволоконных. Это, в свою очередь, позволит получить возможность использования полученной базы данных (на уровне создания паспорта характеристик чувствительности для каждого типа ЭМ) и модельных представлений для прогнозирования поведения ЭМ в штатных ситуациях, предсказательных оценок ЭПЗ и целенаправленным управлением чувствительностью ЭМ к импульсному лазерному воздействию, а также даст возможность использования результатов для оптимального и эффективного применения исследованных объектов в исполнительных устройствах различного назначения.
В продолжение проведенных исследований представляются перспективными следующие:
1. Численное моделирование пространственного плотности мощности оптического излучения в распределения диффузно-рассеивающих сред, в том числе и биоматериалах. Исследование оптических характеристик диффузно-рассеивающих сред, к которым относятся, в том числе биоматериалы. Экспериментальное определение значений коэффициентов рассеяния и поглощения для материалов, используемых в качестве модельных в данной диссертации.
2. Использование разработанных приемов по оптическому, электрическому пробою для экспериментальных исследований пространственного распределения плотности мощности оптического излучения в диффузно-рассеивающих средах.
3. Исследование процессов формирования приповерхностной плазмы под действием ЛИ на образцах различных классов ЭМ.
4. Разработка систем инициирования на основе предложенных моделей и технологических особенностей применения лазерных оптических систем инициирования в исполнительных устройствах
Основные результаты и выводы по работе состоят в следующем:
1. Проведен анализ состояния вопроса. Обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели и задачи исследований, методов и подходов экспериментальных исследований и численного моделирования процессов лазерного и электронно-лучевого инициирования энергетических материалов (ЭМ), создан лазерный и электронно-пучковый стенды для синхронного многопараметрического определения энергетических, кинетических и спектральных характеристик процесса инициирования внешним импульсом с высоким (не хуже 10 нс) временным и пространственным (не хуже 2 мкм) разрешением.
2. Разработаны алгоритмы Монте-Карло и проведен численный расчет пространственной освещенности в объеме прессованных порошков ЭМ при лазерном облучении в области прозрачности матрицы. Показано, что в диффузно рассеивающих средах, к которым относятся прессованные порошки ЭМ, пространственная освещенность Е0 в их объеме всегда превышает освещенность поверхности Еп, задаваемую падающим лазерным пучком, в F0 крат. Для всех ЭМ установлена жесткая связь между коэффициентом диффузного отражения и величиной F0. Например, для тэна при h ^ да величина F0 может достигать значения 8,5, а для азида свинца 12,5. Определены общие закономерности и отличительные особенности процессов светорассеяния для различных ЭМ.
3. Полученные экспериментальные зависимости порогов лазерного
инициирования ЭМ от длины волны лазерного излучения, давления прессования (давления всестороннего сжатия) образцов, диаметра пучка на поверхности ЭМ, длительности внешнего импульса. Результаты, интерпретированные в рамках гипотезы о том, что инициирование ЭМ происходит в результате локализации энергии внешнего импульса на поглощающих микронеоднородностях с образованием тепловых микроочагов («горячих точек» - ГТ), являются основными
закономерностями инициирования ЭМ различных классов с отличительными особенностями.
4. Экспериментальными доказательствами справедливости предложенной гипотезы о едином «электрическом» механизме инициирования энергетических материалов мощными лазерными и электронными пучками является следующее: воздействие лазерных и сильноточных электронных пучков на энергетические и инертные материалы приводит к развитию фундаментального физического процесса - оптическому (электрическому) пробою. При лазерном воздействии НОП развивается в приповерхностной области образца на поглощающих неоднородностях в электрическом поле световой волны, а при электронном облучении - стримерный электрический пробой в зоне торможения электронного пучка (или за ее пределами) в электрическом поле инжектированного в образец отрицательного объемного заряда (ООЗ). Во обоих случаях пробой приводит к образованию тепловых микроочагов - «горячих точек».
5. Основной закономерностью образования и отжига ГТ в прессованных образцах ЭМ и инертных материалах (тэн, ФТДО, Mg0, Ti02, сахар) является низкий порог их возникновения, при котором нагрев матрицы пренебрежимо мал (доли оС). Второй закономерностью является то, что с увеличением интенсивности воздействующего импульса (ЛИ или СЭП) концентрация ГТ и яркость свечения (а, значит, и температура ГТ) возрастают. При повторном воздействии у всех материалов наблюдается уменьшение концентрации и температуры ГТ, т.е. происходит их «отжиг».
6. В условиях лазерного воздействия, когда облучаемая поверхность закрыта прозрачным диэлектриком реализуется низкопороговое инициирование. Для данного случая выявлены общие закономерности, характерные для АТМ, тэн и ФТДО. Так пороговая плотность энергии Н05 уменьшается:
- при переходе из области фононного поглощения (длина волны излучения 10600 нм) в область прозрачности (1064, 532 и 355 нм) и далее в область собственного поглощения (308 и 266 нм);
- при увеличении давления прижатия входного окна (давления всестороннего сжатия);
- при увеличении размера лазерного пучка на поверхности образца.
Пороговая плотность мощности q05 уменьшается с увеличением
длительности ЛИ.
7. Все полученные экспериментальные зависимости порогов лазерного импульсного инициирования (от длины волны излучения, давления всестороннего сжатия порошков, диаметра лазерного пучка, длительности ЛИ) чистых (беспримесных) ЭМ адекватно описываются с позиций тепловой микроочаговой теории зажигания ЭМ внешним импульсом. Выявлены общие закономерности лазерного инициирования ЭМ различных классов, которые можно выразить в виде четырех основных критериев зажигания, качественно определяющих поведение ЭМ (энергетические пороги и кинетика разложения).
8. Выявлены различия в поведении ЭМ различных классов, которые определяются не только различием теплофизических и термокинетических констант, но и соотношениями между параметрами ЛИ и характерными пространственно-временными релаксационными масштабами конкретных ЭМ.
10. Поведение ЭМ при инициировании взрывного разложения пучком ускоренных электронов схоже по порогам и кинетическим характеристикам с поведением при лазерном инициировании, что указывает на одинаковую природу инициирования взрывного разложения, а именно, на образование ГТ в результате электрических микроразрядов (микропробоев). Отличительной особенностью является возникновение люминесценции в момент облучения пучком, которая исчезает по окончании воздействия. При пороговых воздействиях всегда наблюдается индукционный период, за которым следует вспышка свечения, имеющая тепловую природу.
11. Введение добавок наноразмерных частиц сажи и алюминия в тэне до 1 массового процента включительно снижают пороги инициирования с увеличением концентрации, но только при низких давлениях прижатия входного окна (менее 2-108 Н/м2). В области высоких давлений прижатия добавки не оказывают влияния на пороги и кинетические характеристики процесса инициирования. Эти особенности связаны с различиями в условиях создания макроочага в тэне на стадии усреднения. В остальном основные закономерности, присущие при инициировании чистых (не содержащих добавок) образцов, сохраняются и для композитов.
12. Проведенные численное моделирование и расчет задачи лазерного зажигания тэна из одиночного микроочага (ГТ) размером 10-5 см в зависимости от длительности ЛИ в широком диапазоне значений (от 10-9 до 10-2 с) позволяют определять энергетические пороги зажигания тэна (Ho,5=0,1 Дж/см2 при 10-8 с и q0,5=6-105 Вт/см2 при 10-2 с), задержки зажигания, температуру и запас тепла в очаге на момент зажигания. Проведенный анализ показывает, что критерием зажигания (по отношению к внутреннему состоянию образца) является:
- достижение необходимого запаса тепла в очаге при коротких временах воздействующего импульса (адиабатический режим нагрева);
- достижение критического значения температуры в очаге и его окрестности при больших длительностях (квазистационарный режим нагрева).
13. Численное моделирование и расчет задачи зажигания азида свинца и тэна импульсом СЭП в предположении создания ГТ в результате стримерных разрядов в облученном объеме образца позволили получить расчетные значения порогов зажигания азида свинца при 20 стримерных разрядах с диаметром канала около 10-3 см составили около 0,13 Дж/см2. Для тэна наиболее вероятное количество стримеров составило 50, а порог зажигания около 1,4 Дж/см2.
14. Сопоставление на примере азида свинца и тэна экспериментальных результатов по зависимостям порогов инициирования от размера лазерного пучка (диапазон размеров от 10 мкм до 3 мм; длительность импульса 10 нс) на поверхности прессованных порошков с результатами численного моделирования светорассеяния методами Монте-Карло. Показано, что результаты моделирования качественно согласуются с экспериментами по размерному эффекту для ЭМ различных классов.
15. Сопоставление, проведенное на примере прессованных порошков тэна и азида свинца, экспериментальных результатов по зависимости энергетических порогов инициирования от длительности ЛИ (диапазон длительностей от 10 нс до 20 мс) с результатами численного моделирования задач зажигания ЭМ из одиночной ГТ показывает, что для безгазовых систем (азид свинца) на всем диапазоне длительностей воздействия расчетные значения достаточно хорошо согласуются с экспериментальными. Для тэна и композитов на его основе эксперимент согласуется с расчетом только в области коротких (< 10-7 с) воздействующих импульсов. Проведено сопоставление результатов эксперимента с моделированием задачи зажигания азида свинца и тэна сильноточным электронным пучком (СЭП), которое доказывает справедливость электроразрядной (стримерной) природы инициирования ЭМ.
16. Впервые предложенная единая феноменологическая модель лазерного и электронно-пучкового инициирования ЭМ различных классов в области различных длительностей внешнего воздействия показывает, что для негазифицирующихся ЭМ (АТМ) адекватна 3-х стадийная модель инициирования, для газифицирующихся - 4-х стадийная.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на проведение в большей степени прикладных исследований и создание технологий и оборудования для применения в исполнительных исполнительных системах, в том числе оптоволоконных. Это, в свою очередь, позволит получить возможность использования полученной базы данных (на уровне создания паспорта характеристик чувствительности для каждого типа ЭМ) и модельных представлений для прогнозирования поведения ЭМ в штатных ситуациях, предсказательных оценок ЭПЗ и целенаправленным управлением чувствительностью ЭМ к импульсному лазерному воздействию, а также даст возможность использования результатов для оптимального и эффективного применения исследованных объектов в исполнительных устройствах различного назначения.
В продолжение проведенных исследований представляются перспективными следующие:
1. Численное моделирование пространственного плотности мощности оптического излучения в распределения диффузно-рассеивающих сред, в том числе и биоматериалах. Исследование оптических характеристик диффузно-рассеивающих сред, к которым относятся, в том числе биоматериалы. Экспериментальное определение значений коэффициентов рассеяния и поглощения для материалов, используемых в качестве модельных в данной диссертации.
2. Использование разработанных приемов по оптическому, электрическому пробою для экспериментальных исследований пространственного распределения плотности мощности оптического излучения в диффузно-рассеивающих средах.
3. Исследование процессов формирования приповерхностной плазмы под действием ЛИ на образцах различных классов ЭМ.
4. Разработка систем инициирования на основе предложенных моделей и технологических особенностей применения лазерных оптических систем инициирования в исполнительных устройствах
