Использование синхротронного излучения для исследования взрывных процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ



ООЗиои * —

УДК 534 222 На правах рукописи

ТЕН Константин Алексеевич

Использование синхротроиного излучения для исследования взрывных процессов

Специальность 01.04 17-химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 май 2007

НОВОСИБИРСК - 2007

003060138

Работа выполнена в Институте гидродинамики им М А. Лаврентьева и в Институте ядерной физики им Г И Будкера Сибирского отделения РАН, г Новосибирск

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор физико-математических наук, профессор

Лукьянчиков Леонид Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Топчиян Марлен Еновкович

кандидат физико-математических наук, Уткин Александр Васильевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им Е И Забабахина, г Снежинск

Защита диссертации состоится «Х^» мая 2007 г в « /О » часов на заседании диссертационного совета Д 003 054 01 при Институте гидродинамики им М А Лаврентьева СО РАН по адресу 630090, Новосибнрск-90, пр Лаврентьева, 15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидродинамики им М А Лаврентьева СО РАН

Автореферат разослан « .» апреля_2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета д ф м и

Ждан С А

Общая характеристика работы.

Актуальность темы Физика детонационных процессов интенсивно исследуется уже много лет, но до сих пор изучена не достаточно Недостаточность информации о параметрах в зоне детонации обусловлена ограниченностью существующих методик исследования при таких больших давлениях (« 400 кбар) и малых (» 0,1 мкс) временах В 80-90 годы произошло радикальное улучшение пространственного и временного разрешения современных методов измерений, что сделало возможным исследования экстремальных состояний в лабораторных условиях с применением ВВ и перспективных генераторов интенсивной импульсной нагрузки, таких, как лазеры, релятивистские электронные и ионные пучки Основной прогресс в эти годы был связан с регистрацией профилей давлений и массовой скорости на границе заряда ВВ [1,2]. Для восстановления параметров внутри ВВ требуется корректное решение обратной задачи Исследование зоны реакции конденсированных ВВ этими методами [3] показало, что в некоторых мощных прессованных ВВ при некоторой критической, как правило, высокой начальной плотности исходного заряда в зоне реакции вместо химпика регистрируется рост давления Возможность распространения стационарной детонационной волны без химпика не соответствует классическим представлениям и требует экспериментального подтверждения другими методиками, обеспечивающими прямое экспериментальное исследование детонационных процессов

Метод импульсной рентгенографии позволяет определять распределение плотности вещества за фронтом инициирующей ударной волны, не внося дополнительных искажений в развитие переходного процесса Получаемые зависимости р(х) качественно отличаются от зависимостей, получаемых с помощью разного рода датчиков, так как значения плотности связаны с пространственной координатой, а не с временной Однако имеющееся пространственное разрешение метода (-1-2 мм) не позволяет исследовать фронт детонации [4]

Использование синхротронного излучения (СИ) позволяет получить новую методику дистанционного изучения быстропротекающих процессов (невозмущающую, с возможностью измерения дифракционных сигналов) Это стало возможным благодаря уникальным свойствам самого СИ и высокому качеству созданной регистрирующей аппаратуры, обеспечивающей регистрацию рентгеновского излучения в наносекундном диапазоне времени

Величина мало-углового рентгеновского рассеяния пропорциональна флуктуации плотности, которая в наших экспериментах связана с появлением наночастиц конденсированного углерода Последовательная регистрация МУРР впервые позволяет исследовать динамику роста наночастиц во взрывных процессах

Интерес к динамике конденсации углерода в детонационных волнах обусловлен несколькими причинами Во-первых, она может хотя бы частично пролить свет на пути химических превращений вещества в детонационных волнах Во вторых, - получить сведения о физике возникновения зародышей конденсированной фазы углерода и их роста

Цель работы. Разработка методики использования синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов Измерение распределения плотности на фронте и в разлетающихся продуктах детонации цилиндрических зарядов малого диаметра Измерение динамики конденсации углерода при детонации конденсированных взрывчатых веществ

Научная новнзна.

1 Впервые измерено распределение проходящего синхротронного излучения при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50 с экспозицией 1 не и частотой 4 МГц

2 Разработана методика измерения распределения плотности на фронте детонации цилиндрических зарядов малого диаметра с разрешением 100 мкм Измерено распределение плотности в зарядах из тротила, ТГ50/50, гексогена

3 Предложен и реализован метод измерения объемного распределения плотности в разлетающихся продуктах стационарной детонации цилиндрических зарядов ВВ с помощью одномерного детектора Измерено распределение плотности разлетающихся продуктов при детонации цилиндрического заряда из прессованного тротила

4 Предложен и реализован метод повышения пространственного разрешения путем объединения измеренных распределений поглощения в разных экспериментах Точность синхронизации положения первого кадра детектора к фронту волны составляет 20 не

5. Впервые измерено мало-угловое рентгеновское рассеяние (МУРР) при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50 с частотой 4-8 МГц и экспозицией 1 не Показано, что в ТГ 50/50 величина МУРР связана с конденсацией углеродных наночастиц Впервые МУРР измерено одновременно с проходящим излучением 6 Эксперименты с введенными в ВВ наноалмазами показали, что в ТГ 50/50 большая часть взрывных наноалмазов начинает появляться за пределами зоны химической реакции.

Практическая ценность Построена экспериментальная станция, в которой можно также проводить измерения МУРР с наносекундным разрешением Разработана методика измерения распределения плотности в быстропротекающих (взрывных) процессах с помощью синхротронного

излучения ускорителей высоких энергий Методика позволяет измерять распределение плотности, как в новых перспективных ВВ, так и при ударно-волновом сжатии сплошной среды Измерение МУРР является сегодня единственным экспериментальным способом измерения динамики конденсации наночастиц за фронтом детонационной волны Эти данные необходимы для построения уравнений состояний в экстремальных состояниях вещества

Основные положения, выносимые па защиту

1 Создание экспериментальной станции для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с помощью СИ с возможностью регистрации наносекундных импульсов с частотой 8 МГц на базе ускорителя ВЭПП-3 На станции возможно измерение динамики распределения плотности и конденсации наночастиц

2 Постановка экспериментов и результаты измерения профиля проходящего излучения с помощью линейного детектора DIMEX при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50.

3 Результаты измерения радиусов кривизны фронта детонации цилиндрических прессованных зарядов малого диаметра из гексогена, тротила и сплавов из ТГ 50/50

4 Методика восстановления профиля плотности при детонации цилиндрических зарядов малого диаметра из тротила, гексогена и ТГ50/50

5 Постановка экспериментов и результаты измерения распределения проходящего излучения при объемном разлете продуктов детонации цилиндрического заряда ТГ50/50 с помощью линейного детектора DIMEX

6 Практическая реализация способа повышения временного разрешения путем совмещения нескольких записей детектора

7 Реализация численного восстановления распределения плотности разлетающихся продуктов стационарной детонации цилиндрических зарядов из тротила

8 Постановка экспериментов и результаты измерений мало-углового рассеянного рентгеновского излучения при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50 с экспозицией 1 не и частотой 8 МГц

9 Постановка экспериментов и результаты измерений мало-углового рассеянного рентгеновского излучения при детонации ВВ с введенными наноалмазами

Публикации и апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной конференции «Харитоновские тематические научные чтения» (Сэров, 2001, 2003 и 2005, 2007), Международной конференции «Забабахинские научные

чтения» (Снежинск, 2001, 2003 и 2005), Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Приэльбрусье, 2001, 2003, 2005, 2007), Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Приэльбрусье, 2000, 2002, 2004, 2006), Международной конференции «Shock Compression of Condensed Matter» (C-Петербург, 2003, 2005), Международной конференции «Симпозиум по горению и взрыву» (Черноголовка, 2000 и 2005), Международной конференции «Лаврентьевкие чтения по математике, механике и физике (Новосибирск, 2000 и 2005), Международной конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 2000, 2002, 2004, 2006), Международной конференции "UltraNanoCrystalhne Diamond' (С-Петербург, 2003, 2004, 2006), а также на научных семинарах в ИГиЛ СО РАН и ВНИИТФ (Снежинск) По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, список 14 из них приведен в конце реферата

Личный вклад автора. Автор работы активно участвовал на всех этапах создания станции, но основное участие заключалось 1) в реализации проведения взрывных работ (устройство взрывной камеры, систем ее установки и перемещения, систем подрыва и синхронизации), 2) в совместной выработке технического задания на проектирование и изготовление быстродействующего рентгеновского детектора DIMEX, 3) в совместных динамических испытаниях детектора DIMEX. Автору принадлежит работа по подготовке, проведению и обработке данных во всех взрывных экспериментах, проведенных на этой станции

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 120 страниц состоит их введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 библиографических единиц В начале каждой главы приведен краткий литературный обзор В работе содержится 48 рисунков и 4 таблицы

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели работы, описана структура диссертации, перечислены полученные в ходе работы над диссертацией новые результаты, их практическая ценность, представлены основные положения, выносимые на защиту

В главе 1 рассматриваются существующие экспериментальные методы исследования быстропротекающих (взрывных) процессов Подробно рассматриваются возможности современных рентгеновских аппаратов Рассмотрены параметры СИ, его преимущества и достоинства Приводится описание построенной экспериментальной станции по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с помощью синхротронного излучения

Для исследования взрывных процессов рентгеновское излучение используют с конца 40-х годов в основном для фиксации положения плотных сред (кумулятивных струй, осколков) В 1999 году во ВНИИЭФ были проведены работы по измерению распределения плотности при детонации ВВ по поглощению рентгеновского излучения [4] Достоинством метода является его относительная простота (для регистрации можно использовать фотопленку), возможность получения нескольких двумерных картин распределения плотности Недостатками являются низкое пространственное разрешение, малое количество кадров (по количеству трубок) и недостаточная интенсивность источника При регистрации на расстоянии ~ 1 м реальное разрешение составляет ~ 1-2 мм

Возможности рентгеновских методик существенно расширились с появлением принципиально новых источников излучения - сгустков электронов, движущихся в ускорителях по круговым траекториям Такое излучение получило название синхротронного (СИ)

В отличие от классических источников, в которых рентгеновские кванты рождаются при торможении ускоренных электрическим полем электронов при их взаимодействии с металлическим анодом, синхротронное излучение выгодно отличается.

- высокой интенсивностью потока (« 1016"21 фотонов/с мм2);

- малой угловой расходимостью (а = 10"3 - 10"5 рад ),

- генерацией импульсов излучения, следующих друг за другом со стабильным временным интервалом (5 - 1200 нс) в течение длительного времени,

- малой длительностью импульса излучения (менее 1 не),

- широким спектральным диапазоном излучения (4- 100 кэВ)

Такие свойства СИ позволяют осуществлять измерения в динамических экспериментах, в которых результаты взаимодействия излучения с веществом фиксируются в последовательные моменты времени Период следования импульсов, который для ускорителя ВЭПП-3 составляет 125 или 250 не (экспозиция - 1 не), позволяет проводить динамические эксперименты по исследованию процессов детонации

Первые взрывные эксперименты были проведены в бункере ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН) в 1999 году В дальнейшем, впервые в мире, была построена уникальная экспериментальная установка на базе ускорителя ВЭПП-3. Станция состоит из вакуумированного подводящего канала, систем формирования пучка СИ, быстродействующих затворов, взрывной камеры на 30 г ВВ, блока измерительной аппаратуры Для получения пучка СИ используется трехполюсный вигглер с магнитной индукцией 2Т

Особенностью взрывной камеры является использование бериллиевых входных и выходных окон (толщиной всего 2 мм) для минимизации потерь СИ Для сохранения герметичности окон после взрыва в камере установлены специальные «глушители ударных волн» Внутри камеры установлен

дистанционный привод для перемещения (с точностью до 5 мкм) экспериментальной сборки Подставка камеры позволяет вращать ее вокруг двух поперечных осей (для обеспечения прохода СИ) Камера может откачиваться и наполняться различными газами (гелием) Перед входным окном установлен специально изготовленный быстродействующий вращающийся затвор для предохранения детектора и исследуемого образца от интенсивного радиационного воздействия

Продукты детонации

Электроны

Длительность импульса 1нс Период следования 250 не Энергия излучения 8-30 хзВ

Детектор

диф фракционных

сигналов

Детектор МУРР

Детектор

проходящего

излучения

Взрывная камера

Рис 1 Схема постановки экспериментов по исследованию взрывных процессов с помощью синхротронного излучения

В блоке детекторов установлены прецизионные (точность 5 мкм) системы дистанционного перемещения детекторов рентгеновского излучения В настоящее время используется однокоординатный газовый детектор В1МЕХ с линейным разрешением 100 мкм Этот детектор был создан специально для исследования взрывных процессов, он может записывать 32 кадра (с экспозицией 1 не) через период следования импульсов СИ Для проведения экспериментов разработана система синхронизации положения электронного пучка в ускорителе, положения щели затвора, движения детонационной волны и запуска детектора Погрешность синхронизации составляет менее 20 не

В настоящее время на станции проводятся измерение распределения плотности (рентгеновская микротомография) в быстропротекающих процессах и исследование динамики флуктуации электронной плотности (мало-угловое рентгеновское рассеяние)

В главе 2 описывается постановка экспериментов и их результаты по измерению проходящего излучения для тротила, гексогена, ТГ50/50 с

помощью одномерного детектора 01МЕХ. Описывается процедура повышения пространственного разрешения детектора. Приведены результаты измерений радиусов кривизны при детонации цилиндрических зарядов ВВ. Рассмотрены вопросы калибровки детектора и восстановления распределения плотности вдоль оси при детонации зарядов малого диаметра. Приводятся оценки точности данной методики.

Постановка экспериментов. Исследовалось распределение плотности при детонации цилиндрических зарядов относительно малого диаметра из прессованных тротила (ТНТ), гексогена и смеси тротила с гексогеном в пропорции 50/50 % (ТГ). Для улучшения качества зарядов перед прессованием все ВВ были перекристаллизованы с использованием ацетона. Диаметр прессованных зарядов ВВ составлял 12,5 - 15 мм, литых 7-12,5 мм, длина всех зарядов 8 - 10 калибров, что обеспечивало стационарность процесса детонации. Для инициирования зарядов с диаметром более 12,5 мм использовались «генераторы плоской волны» (ГПВ).

_о

ю

I \ I \ I \ I \

Рис. 2. Схема экспериментов. В -фронта

последовательные моменты

времени 1, 2, 3; 4 - плоскость пучка СИ, 5 - заряд ВВ, Н - ширина пучка СИ, 6 - детектор Й1МЕХ, Ь -ширина канала детектора.

* 1 q ¥ "н г / * - - > -а • а ■ -с ■ о т— Е _ * i

J 1 1 t : А" лГ И я ( . Т>

/ г < * i

постановки положение детонации в

80 100 120 НО 160 100 JH) 220 240 260

¡Номера каналов

Рис. 3. Относительное изменение интенсивности вдоль оси заряда при детонации прессованного гексогена , По оси X приведены номера каналов детектора . Время между кадрами В, С, D, Е равно 0.5 мке

Схема постановки экспериментов показана на рис, 2. Заряд ВВ (5) располагался горизонтально, перпендикулярно сформированному пучку СИ (4) высотой 0,4 мм и шириной Н =18 мм. Плоскость пучка СИ проходила вдоль оси исследуемого заряда ВВ, Фронт детонации (Б) последовательно проходил положения 1, 2, 3 находясь в зоне пучка СИ в течение 2-3 мкс. Это позволяло сделать 3-5 снимков распределения проходящего излучения вдоль оси заряда с временем экспозиции 1 не.

Время между снимками определялось периодом вращения электронного сгустка в ускорителе и составляло 250 - 500 не Регистрация проходящего излучения велась детектором Б1МЕХ (6), который располагался параллельно оси заряда на расстоянии 1070 мм от объекта (5) Размер одного канала регистрации равен 0,1 мм вдоль оси заряда, общее число каналов 256 шт Детектор может записывать 32 кадра, накопленных в таком быстром режиме, и имеет эффективность регистрации ~ 50% для у-квантов с энергий -ЗОкэВ Запуск детектора осуществлялся замыканием контактного датчика, установленного на расстоянии 15 мм за зоной попадания пучка СИ

Коррекция измеряемого сигнала. Особенностью работы с детектором Б1МЕХ является «искажения» сигнала в случае их больших градиентов

Для исправления показаний детектора в зоне больших градиентов плотности была составлена вычислительная программа, корректирующая измеренную детектором интенсивность проходящего излучения Модельная проверка данного метода «исправления» показаний детектора показывает, что с помощью приведенных выше преобразований удается получить «восстановленные» значения показаний детектора с точностью до 1%

Восстановление массы вещества вдоль луча СИ. В процессе детонации ВВ и последующего разлета продуктов взрыва сильно меняется плотность вещества вдоль луча СИ, и, следовательно, меняется спектр поглощения Для исследуемых ВВ была проведена калибровка поглощения детектором Б1МЕХ в зависимости от массы вдоль луча СИ (или произведения плотности на толщину зарядов У= р (1, г/см2) Калибровались одновременно все каналы. Кривая поглощения хорошо интерполируется параболой, причем коэффициент при У2, более чем на порядок меньше, чем уУ

Для относительного увеличения массы на фронте можно получить

/ ^ / V

w,

\то

се.

2 а2 ■ т0

а,

к2а2 •т0

1

где g = ln( ) Здесь J Ы{оге и J интенсивности, регистрируемые

^before

детектором перед проведением, и во время эксперимента, mo =Yo= Ро d0, (ро

- начальная плотность и do - диаметр заряда), at и а2- интерполированные

коэффициенты поглощения

Измерение кривизны фронта детонации. Специфика использования малых диаметров зарядов ВВ приводит к необходимости

10

учета влияния кривизны фронта детонации. Радиус кривизны определялся путем фотосъемки торца заряда ВВ на СФР-2 в режиме фоторазвертки Таблица 1 _

Тротил Гексоген ТГ 50/50 ТГ 50/50

Диаметр заряда, мм 15 15 7 12 5

Скорость детонации, км/с 6,95 8,3 7,55 7,65

Радиус кривизны в диаметрах 2,Id 2,35d 1,9 d 2,04 d

В таблице 1 приведены полученные результаты измерения радиуса кривизны для исследуемых зарядов ВВ Инициирование производилось специально разработанным генератором плоской волны (ГПВ) Для ТГ 50/50 данные получены при инициировании детонатором ЭДВ-1. Длина зарядов выбиралась равной длине тех зарядов, на которых проводилось измерение проходящего синхротронного излучения, то есть 70 мм

Восстановление распределения плотности на фронте детонации. При вычислении распределения плотности предполагалось, что фронт детонации сферический и плотность зависит только от радиуса К На рисунках 5, 6 приведены распределения плотности для зарядов тротила и гексогена, и ТГ 50/50 разных диаметров

Рис 5 Распределение плотности Рис 6 Распределение плотности

на фронте детонации в на фронте при детонации ТГ

прессованном гексогене (В) и 50/50 диаметром В - 7 мм, С - 10

тротиле (С) мм, D-12,5 мм

Оценка точности методики. Точность определения плотности р складывается из погрешности показаний детектора AJ, погрешности AF разброса массы Аш из-за погрешности определения а\ и аг , погрешности AY, связанной с «размазыванием» показаний детектора, и погрешности Ad, связанной с неопределенностью истинного размера сжатой области из-за кривизны фронта детонации

Анализ показывает, что погрешность определения плотности в данной постановке в первых каналах детектора составляет

Др _ — , , _ • 2% +1 % + 0,8% +1 % = 4.8%

и + дг + дг + ьл

У а

Данная оценка справедлива до того номера канала, в котором регистрируется боковой разлет продуктов (в этот момент сферический фронт достигает боковой поверхности заряда) В дальнейшем добавляется погрешность, связанная с геометрией разлета продуктов детонации и неопределенностью параметров на боковой поверхности заряда ВВ.

Приведенные оценки показывают хорошую точность измерения параметров, однако реальная пространственная точность определяется шагом детектора (Ь = 0,1 мм) и расплыванием электрического заряда внутри его («размазывание показаний») Поэтому пространственная погрешность измерений ограничивается и еще ±Ь, то есть ±0,1 мм

Рассчитанные по данным на рис 5-6 характеристики структуры фронта детонации приведены в таблице 2 Здесь рн - плотность в максимуме пика Неймана, т и Д — его длительность и ширина, рс] - плотность в плоскости Чепмена - Жуге, у - показатель политропы продуктов в плоскости Чепмена - Жуге В столбце Д1 приведены литературные экспериментальные данные о размерах зоны химического превращения, полученные различными методами, достаточно полная сводка которых представлена в [1] Таблица 2

ВВ Ри, г/см3 Рч> г/см Т, МКС Д, мм Д|_мм Р«/ рч

тг 2,64 2,16 0,065±0,013 0,5±0,1 0,1-0,8 1,22

Тротил 2,61 2,09 0,1 ±0,014 0,7±0,1 0,63-0,97 1,25

Гексоген 2,74 2,26 0,048±0,012 0,4±0,1 0,36-0,6 1,21

Сравнение Д и Д1 показывает, что параметры зоны реакции, определенные с помощью СИ, подтверждают аналогичные данные, полученные другими методами

В конце главы приведены результаты измерений эволюции плотности при развитии детонационного превращения в порошковых ВВ под действием высокоэнтальпийного газового потока Устройство, в котором осуществлялось инициирование переходного процесса состоит из двух трубок, разнесенных на расстояние 5-25 мм Взрывом дополнительного заряда в прочной трубке (корпус алюминиевого детонатора) формировался высокоскоростной поток продуктов взрыва, который воздействовал на торец исследуемого цилиндрического заряда насыпного тэна Диаметр заряда был равен 16 мм, плотность тэна 1 1 г/см3, диаметр частиц 0 1-03 мм, корпус изготовлен из лавсана толщиной 0 1 мм На записи видна динамика плотности при переходе горения в детонацию Исследование

этого же процесса другими методами не позволяет разрешить особенности формирования этого перехода.

В главе 3 приводится описание методики и результаты применения скоростной рентгеновской томографии для восстановления объемного распределения плотности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ по данным измерений одномерного детектора. Анализируются особенности использованной методики и полученного распределения.

Постановка экспериментов. Заряд ВВ (прессованный тротил с плотностью 1.6 г/см3 и скоростью детонации 6,95км/с) диаметром 12,5 мм и длиной 85 мм располагался вертикально. Пучок СИ размерами 0,1 мм высотой и 20 мм шириной формировался в диаметральной плоскости таким образом, что его середина находилась на оси заряда ВВ, Регистрация проходящего излучения велась детектором О [МЕХ, который располагался перпендикулярно оси заряда на расстоянии -1070 мм.

Запуск детектора осуществлялся замыканием контактного датчика, установленного на торце заряда. Для синхронизации работы детектора (временного положения первого кадра) с положением фронта детонации контактные датчики располагались на строго фиксированном расстоянии от плоскости пучка СИ (10 мм ±10мкм). В экспериментах измерялось также время между выходом импульса СИ (фаза ВЭППа) и временным положением первого кадра детектора.

Зная последовательные положения каждого кадра, можно посчитать минимальный координатный сдвиг (5) между ближайшим срезом плоскости СИ (кадром) и фронтом детонации (табл.3).

Рис. 1- Схема проведения экспериментов.

Рис. 8. Зависимость распределения интенсивности проходящего излучения от радиуса для одного кадра (среза).

Таблица 3 Расстояние от фронта детонации до первого кадра (Б) для десяти экспериментов (Ы)_

N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Б.тт 2 66 1 66 2 02 2 39 2 61 0 39 2 88 0 86 2 08 1 57

Общая погрешность времени привязки первого кадра детектора к фронту детонации составляет менее 20 не. Приведенные в таблице 3 данные, полученные в десяти экспериментах, позволяют уменьшить координатное разрешение между срезами с 3,5 мм до 0,7 мм, что позволяет улучшить временное разрешение с 500 не до 100 не, а также уменьшить статистическую ошибку путем сложения результатов нескольких экспериментов

Восстановление распределения плотности. Как один из вариантов, задачу о восстановлении распределения плотности в одном сечении можно свести к решению интегрального уравнения следующего вида

nx)=ftLp(^|x2+y2)dy,

V о

где р(г) искомая зависимость, Р(х) измеренная в эксперименте "тень" от цилиндра ограниченного радиуса Я0 (рис 8) Особенностью задачи является то, что значения тени известны только в равномерно

расположенных узлах, и точность этих измерений ограниченна, искомая же зависимость р(г) сильно зависит от тени, что приводит к большим ошибкам при восстановлении плотности.

Точность восстановления можно сильно улучшить используя априорную информацию о форме зависимости плотности от радиуса и времени В общем случае, зависимость р{г,() может характеризоваться набором вещественных параметров Необходимо варьированием этих параметров добиться хорошего соответствия теней, насчитанной по такой модельной плотности и измеренной в эксперименте

Рис 9 Интерполяционная сетка для восстановления плотности Квадратиками обозначены точки, лежащие на одном луче

Плотность сетки по пространственной и

временной координатам подбиралась с учетом двух факторов: узлов должно быть достаточно много

чтобы добиться хорошего соответствия теней, но и полученное решение должно быть достаточно гладким.

Распределение плотности от радиуса искалось в виде кубического сплайна проведенного через неравномерно расположенные узлы сетки сгущающейся к максимальному радиусу разлета (рис. 9). В данном случае варьируемыми параметрами являются значения плотности в каждом узле и начальный радиус заряда. При восстановлении использовались сетки с количеством параметров ог 20 до 40. За решение принималась плотность с набором параметров дающих минимальную сумму квадратов разностей экспериментальной и насчитанной теней. Результаты восстановления динамики плотности по такому методу нескольких представлены на рисунке 10.

Рис. 10, Пространственное распределение плотности продуктов детонации, а - вид в плоскости (г-г), б - объемный вид.

Метод позволяет использовать информацию с разных слоев по времени и даже из разных выстрелов, в частности, удалось использовать данные 10 разных экспериментов, эта улучшило статистику и временное разрешение. Также метод позволяет восстанавливать плотность, если граница разлета продуктов детонации немного превышает видимую детектором область. Иными словами метод обладает способностью "угадывать" распределение в невидимой области. Точность определения границы области разлета продуктов детонации ~ 0,2 мм, точность определения плотности ±0,2 г/см3, а области малых градиентов увеличивается до ±0,1 г/см3.

Полученные данные могут использоваться для тестирования уравнений состояния продуктов взрыва и определения свободных параметров в многопараметрических уравнениях состояния.

В главе 4 приведен краткий обзор работ по синтезу наноалмазов, даются сведения о мало-угловом рассеянии рентгеновского излучения на наночастицах Приведены результаты измерения динамики интегрального МУРР при детонации тротила, гексогена, ТГ50/50, а также этих ВВ с добавками наноалмазов

Мало-угловое рентгеновское рассеяние (МУРР) на наночастицах. Амплитуда рассеянного излучения /(з) плоской ЭМ волны на шаре (радиус Я) с электронной плотностью п равна [5]-"(З1п(^) - ¿ЛСофД))"

f(s,R) = (R3n)

Здесь s = к— к0 = 2kSinO - - вектор рассеяния, 29 - угол

Л

->

рассеяния, n(r) = n = const - плотность электронов

Интенсивность рассеянного излучения I0(s,R) пропорциональна

квадрату амплитуды волны Если рассеивающий шар находится в среде с электронной плотностью По, то амплитуда волны будет пропорциональна (п - По), а интенсивность - пропорциональна (п - По)2, или, как говорят, пропорциональна «флуктуации» электронной плотности В случае нейтрального (незаряженного) шара электронная плотность п~р -плотности рассеивающего шара В наших экспериментах максимальный регистрируемый угол рассеяния 2#max =0,014, минимальный

2втт = 0,0006 Интегрирование в этом диапазоне углов приводит к формуле для интегральной интенсивности МУРР:

I^,R)~{R')\p-pQ)2N (1)

Квадрат разности плотностей (р-р0)2 часто называют

«контрастностью»

Полный сигнал МУРР получается суммированием по всем длинам волн излучения согласно спектру излучения ускорителя ВЭПП-3

В проведенных экспериментах интенсивность в (1) складывается из рассеяния на атомах (молекулах) и рассеяния на наночастицах Анализ показывает, что рассеяние от атомов постоянно и мало ввиду сильной зависимости от размера в (1) Регистрируемую зависимость могут дать только сравнительно крупные частицы размером ~ 2-4 нм, В условиях поставленных экспериментов, минимальный размер регистрируемых частиц равен dmH1 = Х/0тах = 2,8 нм, где X = 0,04 нм - длина волны при энергии Е=30 кэВ

Максимальный размер частиц определяется минимально регистрируемым углом О^п , который задается точностью настройки

(положения) ножа, отсекающего прямой пучок СИ (примерно 0,5 мм) Для наших экспериментов dniax = X/0mm ~ 70 нм

Постановка экспериментов. Возможность использования СИ от ВЭПП-3 для исследования взрывных процессов вначале была проверена при регистрации МУРР в статических условиях от сохраненных в инертной газовой среде продуктов детонации ВВ ТГ 50/50 (шихты) Интенсивность МУРР продуктов (шихты) возрастает более чем на четыре порядка по сравнению с кривой МУРР исходного образца (ТГ 50/50) Оценки для интенсивности МУРР показали, что этой интенсивности от шихты достаточно, чтобы ее зарегистрировать за время одной вспышки СИ, то есть за 1 не

Для динамических экспериментов с регистрацией МУРР использовалась схема измерения, показанная на рис 11. Из пучка СИ с помощью нижнего (К^ и верхнего (К2) ножей (коллиматор Кратки) на центральной части заряда ВВ формировалось пятно размером 0,4-1 мм высотой и 3-12 ,мм шириной Перед детектором прямой пучок зарезался еще одним нижним ножом (К3) Отклоненные лучи МУРР регистрировались детектором Для дополнительного контроля на детектор также попадала через фильтр часть прямого пучка (через медную пластину толщиной 1 мм).

Рассеянное излучение регистрировалось в первых экспериментах фототранзистором ФТГ-3, с размерами приемной части 2x5 мм2 В дальнейшем, основным приемником МУРР (после доработки) стал газовый быстродействующий детектор DIMEX

использовались

перекристаллизованные тротил, гексоген и их сплавы диаметром от 10 мм до 19,5 мм Длина зарядов была равна 73 - 85 мм

Результаты измерений мало-углового рентгеновского рассеяния. Временная зависимость МУРР при детонации ТГ50/50 приведена на рис 12 (кривая С) Здесь же приведена зависимость проходящего излучения (кривая В) Измерение сигналов производилось дважды за оборот пучка - в моменты максимумов импульсов и в паузах между ними - полезный сигнал получается взятием разности между верхним и нижним сигналом

Рост сигнала МУРР начинается во время максимального сжатия в детонационной волне, и продолжается в течение ~ 2 мке Спад длится в

си

Рис 11 Схема регистрации мало-углового рассеяния СИ

t

В качестве заряда ВВ

течение сотен микросекунд. На рис. 13 приведены нормированные к одному току {100 мА) результаты экспериментов для тротила и его сплавов с гексогеном. Скорость нарастания, а также максимальное значение сигналов МУРР для этих В В очень хорошо коррелируют с выходом ультрадисперсных алмазов из этих ВВ [6]. Чистый гексоген имеет очень малый сигнал МУРР, еще меньше амплитуда МУРР только у тэна.

210

л

£ 180

о *

СП 150

120 90 60

0 2 < Время, МКС

Рис. 12. Зависимость сигналов с детекторов проходящего рентгеновского излучения (кривая В), МУРР (кривая С) и сигнала с контактных датчиков (Б) от времени.

■6 -3 0 3 6 9 12 15 Время, мке

Рис. (3. Изменение относительной интенсивности МУРР от времени при детонации тротила и его сплавов с гексогеном. В - ТГ70/30, С -ТГ50/50, О -ТНТ (р = 1,6), Е -ТГ60/40, Р — гексоген

Данная методика позволяет фиксировать динамику МУРР произвольных наночастиц, образующихся при взрывных и ударно-волновых процессах. Введение стеарата серебра в тэн (5%) при детонации вызывает появление наночастиц серебра. Высокая плотность этих наночастиц обеспечивает большой уровень сигнала МУРР. Измерена также динамика МУРР при ударно-волновом нагружении нафталина. Этот эксперимент интересен тем, что сигнал МУРР также растет в течение около 2 мке, но уже при практически постоянной плотности сжимаемой среды («контрастность» сигнала не изменяется)

Обсуждение результатов. Наиболее интересным фактом проведенных измерений стал длительный (» 2-4 мке) рост сигнала МУРР. До этого считалось, что взрывные наноалмазы образуются в зоне химической реакции (в течении - 0.5 мке) [6]. Одним из объяснений причин столь длительного роста сигнала МУРР в течение « 2 мке, по-йидимому, следует также считать повышение «контрастности» наночастиц конденсированного углерода в процессе разлета продуктов детонации. Плотность конденсированной фазы (в том числе и УДА) практически не меняется, а плотность разлетающихся продуктов детонации сильно падает. Если по данным разлета (рис. 12) численно оценить (по формуле (1)) влияние «контрастности» на МУРР, то

вычисленный МУРР также растет за время ~ 2 мкс Видимое совпадение кривых и стало основанием для вывода в [7] о том, что все наночастицы конденсированной фазы образуются в узкой зоне на фронте детонации

Поскольку в (1) зависимость от (р0 - р)2 проявляется гораздо сильнее, чем от числа наночастиц N, то по этим результатам решить вопрос о динамике числа наночастиц при детонации ТГ 50/50 можно лишь приближенно

В случае ударного сжатия нафталина такой же длительный рост сигнала МУРР вызывается уже не «контрастностью» (плотность практически постоянна), а длительными процессами превращения углерода Для ответа о причинах длительного роста МУРР потребовались дальнейшие исследования, в которых необходимо было улучшить временное разрешение между кадрами (~ 100 не), повысить чувствительность (чтобы фиксировать наноалмазы на фоне ударно сжатого вещества)

Проверка возможности выделения конденсированных наноалмазов (р0 ~ 3,5 г/см3) на фоне ударно сжатого ВВ (р ~ 2,1 г/см3 ) была осуществлена путем регистрации МУРР при детонации тротила и гексогена, в которые при прессовке были введены 8% (по весу) наноалмазов, произведенных в НПО «Алтай» Такое количество наноалмазов соответствует их выходу при детонации ТГ 50/50 [6] Поскольку длительность зоны химической реакции в ТГ 50/50 составляет ~ 0,1 мкс [1], измерения МУРР проводились в два раза чаще, то есть через 125 не Для этого в ускорителе ВЭПП-3 был реализован режим работы с двумя сгустками электронов, находящимися в диаметрально противоположных точках орбиты При этом была решена проблема размещения, фокусировки и фазовых характеристик банчей на орбите ускорителя Приемником рассеянного излучения служил детектор DIMEX

Рис 14 Зависимость интегрального малоуглового рассеяния от времени при детонации зарядов из тротила (В) и гексогена (D) с добавками 8% ультра дисперсных алмазов, а также у ТГ 50/50 (С)

Результаты измерений МУРР показывают, что методика измерения МУРР надежно фиксирует

взрывные наноалмазы на фоне сжатого в детонационной волне вещества (рис 14) Уровень уменьшения сигналов МУРР во время сжатия (В и D) соответствует уменьшению «контрастности» Также видно, что уровень

Время, мкс

сигнала МУРР в максимально сжатых ВВ на порядок превосходит уровень шумов, то есть, если бы при детонации ТГ 50/50 все наноалмазы образовывались бы в узкой зоне химической реакции, то в этой зоне должен был быть скачок сигнала МУРР, как у зарядов тротила и гексогена с введенными наноалмазами Поведение МУРР для ТГ 50/50 (кривая С) показывает, что в начальный момент МУРР при детонации ТГ 50/50 практически нулевой, а минимальный уровень кривых (В) и (D) достигается через = 0,75 мкс, что заметно превышает длительность зоны химической реакции Точность привязки данных различных опытов в этой постановке не хуже 20 не Сдвиг по фазе между кривыми (В) и (С) при одном и том же уровне интенсивности заметно превышает эту величину

Проведенные эксперименты показывают, что методика измерения МУРР надежно фиксирует взрывные наноалмазы на фоне сжатого в детонационной волне вещества При детонации ТГ 50/50 в зоне химической реакции отсутствуют наночастицы конденсированного углерода

В заключении подведены итоги исследований детонационных процессов с помощью СИ

Основные результаты и выводы.

1 Построена первая в мире экспериментальная станция для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с помощью СИ с возможностью регистрации наносекундных импульсов с частотой 8 МГц на базе ускорителя ВЭПП-3. На станции выполнены работы по измерению динамики распределения плотности в детонационной волне и конденсации наночастиц

2 Разработана методика измерения распределения плотности на фронте детонации цилиндрических зарядов малого диаметра с разрешением 100 мкм Измерено распределение плотности в зарядах из тротила, ТГ50/50, гексогена Ширина зоны химической реакции в гексогене составляет 0,4 ±0,1 мм, в ТГ50/50 - 0,5 ±0,1 мм и в тротиле - 0,7±0,1 мм Получены значения плотности в пике Неймана и в точке Жуге Эти данные дополняют известные в литературе

3 Предложен и реализован метод измерения объемного распределения плотности в разлетающихся продуктах стационарной детонации цилиндрических зарядов ВВ с помощью одномерного детектора Измерено распределение плотности разлетающихся продуктов при детонации цилиндрического заряда из прессованного тротила Точность определения плотности составляет ±0,2 г/см3, а области малых градиентов увеличивается до ±0,1 г/см3

4 Предложен и реализован метод повышения пространственного разрешения путем объединения измеренных распределений поглощения в разных экспериментах Точность синхронизации положения первого кадра

детектора к фронту волны составляет 20 не В серии из десяти экспериментов удалось повысить временное разрешение с 500 не до 100 не

5 Впервые измерено мало-угловое рассеянное рентгеновское рассеяние (МУРР) при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50 с частотой 4-8 МГц и экспозицией 1 не Показано, что в ТГ 50/50 величина МУРР связана с конденсацией углеродных наночастиц Впервые МУРР измерено одновременно с проходящим излучением Показано, что рост МУРР начинается на фронте детонации и продолжается 2-4 мкс. Столь длительный рост сигнала МУРР объясняется увеличением «контрастности» и продолжающейся конденсацией углерода

6 Эксперименты с введенными в ВВ наноалмазами показали, что в ТГ 50/50 большая часть взрывных наноалмазов начинает появляться за пределами зоны химической реакции

7 Измерены радиусы кривизны фронта детонации цилиндрических прессованных зарядов малого диаметра из гексогена, тротила и сплавов из ТГ 50/50 При диаметре зарядов 7-15 мм, радиус кривизны фронта детонации составляет от 1,9 до 2,34 диаметра заряда ВВ Эти данные необходимы для вычисления распределения плотности и имеют самостоятельный интерес

Список цитируемой литературы.

1 Б Г Лобойко, С Н Любятинский Зоны реакции детонирующих твердых взрывчатых веществ //ФГВ, 2000, т 36, № 6, стр 45-64

2 Г И Канель, С В Разоренов, А В Уткин, В Е Фортов Ударно-волновые явления в конденсированных средах // Москва, «Янус-К», 1996 г, 407 стр

3 Уткин А В , Колесников С А , Першин С А Структура зоны реакции в стационарных детонационных волнах в гетерогенных ВВ // ФГВ, 2002, Т38,№5,С 111

4 Комрачков В А , Ковтун А Д, Макаров Ю М Применение импульсной ренгенографии для исследования ударно-волнового инициирования ТАТБ //ФГВ 1999 Т 35 №2 С 96-101

5 L A Feigin, D I Svergun Structure Analysis by Small-Angle X-ray and Neutron Scattering Plenum Press New York. 1987 p 335

6 Титов В M , Анисичкин В Ф , Мальков И Ю Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах // ФГВ, 1989 Т 35, №3 С 117-126

7 А П Ершов Моделирование синхротронной диагностики взрыва// Письма в Журнал технической физики 2001 т27, вып 19 с.90-94

Основое содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1 А Н Алешаев, П И Зубков, Г Н Кулипанов, JI А Лукьянчиков, Н 3 Ляхов, С И Мишнев, К А Тен, В М Титов, Б П Толочко, М Г Федотов, М А Шеромов Применение синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов. //Физика горения и взрыва, 2001, т. 37, № 5, стр. 104-113

2 AN Aleshaev, А М. Batrakov, МG. Fedotov, GN Kulipanov, NZ Lyakhov, L A Luk'yanchikov, S I. Misnev, M.A. Sheromov, К A Ten, V M Titov, В P. Tolochko, P I. Zubkov. Methods of research of the detonation and shock wave processes with the help of SR Possibilities and prospects //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, September 1, 2001, Volume 470, Nos 1-2. pp 240-244

3. OV Evdokov, MG Fedotov, GN Kulipanov, NZ. Lyakhov, LA Luk'yanchikov, SI Misnev, MR Sharafutdmov, MA Sheromov, К A. Ten, V.M. Titov, В P Tolochko, P I. Zubkov Dynamics of the formation of the condensed phase particles at detonation of high explosives //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A, September 1, 2001, Volume 470, Nos 1-2 pp 236-239

4 V Aulchenko, Evdokov, S Ponomarev, L Shekhtman, К Ten, В Tolochko, I Zhogin, V Zhulanov Development of fast one-dimensional X-ray detector for imaging of explosions If Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2003, Vol A513, Issue 1-2, p 383-393

5 A Aulchenko, V. Zhulanov, L Shekhtman, В Tolochko, I Zhogin, О Evdokov, К Ten One-dimensional detector for study of detonation processes with synchrotron radiation beam. .11 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, 2005, Vol 543, Issue 1, 1 May, p 350-356.

6 Тен К A , Антохин E И., Гольденберг Б Г, Евдоков О В , Жогин И Л , Жуланов В В, Зубков П И, Каменецкий Ю.М, Кулипанов Г Н , Лукьянчиков Л А , Ляхов Н 3, Пирогов Б Я, Титов В М , Толочко Б П, Федотов М Г, Шарафутдинов М Р, Шеромов М А , Успенский А В Экспериментальная станция для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с помощью синхротронного излучения // Физика экстремальных состояний вещества -2003. Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, 2003 Стр 38-40

7. М G. Fedotov, G.N. Kulipanov, N Z Lyakhov, L A Luk'yanchikov, M R. Sharafutdmov, M A Sheromov, К A Ten, V M. Titov, B. P. Tolochko, P I Zubkov Dynamics of formation of particles of the condensed carbon phase at shock compression of organic matenals Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 2001, Volume 470, Nos 1-2 pp 245-248

8 Л А. Лукьянчиков , Л A . Мержиевский , А И. Анчаров,Б Б Бохонов, П И. Зубков, Н 3 Ляхов, Э.Р Прууэл, К А Тен, Толочко Б П , М А

Шеромов Взрывной синтез наночастиц // Экстремальные состояния вещества Детонация Ударные волны. Под редакцией Л J1 Михайлова Саров ВНИИЭФ 2005 г Стр 711-715

9 Чей КЛ, Lvdokov OV, Zhogin IL, Zhulanov VV, Zubkov PI, Kulipanov G N , Luk'yanchikov L A, Merzhievsky L A , Pirogov В Ya , Pruuel E R , Titov V M , Tolochko В P , Sheromov M Л Density distribution reconstruction of the detonation products of high explosives with using synchrotron radiation data// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, 2005, Vol 543, Issue 1, 1 May, p 170-174

10 Ten К A , Евдокоп OB, Жопш ИЛ, Жуланов BB, Зубков НИ, Кулиианов Г Н , Лукьянчиков Л А , Мержиевский Л А , Пирогов Б Я , Прууэл Э Р , Титов В М , Толочко Б П , М Р, Шеромов М А Измерение плотности в зоне реакции цилиндрических зарядов малого диаметра с помощью еннхротронного излучения // Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях Саров, 2005 г Под редакцией A JI Михайлова Саров ВНИИЭФ 2005 г Стр 675-680

11 К А 1ен, О В Евдоков, И Л Жогин, В В Жуланов, П И Зубков, Г II Кулнпанов, Л А Лукианчиков, Л А Мержиевский, Б Я Пироюв, Э Р Прууэл, В М Титов, Б П Толочко, М А Шеромов Распределение плотности во фронте детонации цилиндрических зарядов малою диаметра И Физика горения и взрыва, 2007, т43, № 2 С 91-99

12 ЭР Прууэл, Л А Мержиевский, К A Ten, II И Зубков, JI А Лукьянчиков, Б П Толочко, А.II Козырев, В В Литвенко Распределение плотности разлетающихся продуктоп стационарной детонации тротила // Физика горения и взрыва, 2007, т43, № 3 С 121131

13 V М Titov, BP Tolochko, KA Ten, LA Luk'yanchikov, P I Zubkov The Formation Kinetics of Detonation Nanodiamonds //DM Gnien et al (eds), Synthesis, Properties and Applications of Ultrananocrystalhne Diamond 2005, Springer, Netherland, p 169-180

14 Ten КД, Титов BM, Толочко БП, Жогин ИЛ, Лукьянчиков Л A Измерение динамики мало-углового рассеяния еннхротронного излучения у взрывчатых веществ с добавками наноалмазов // Физика экстремальных состояний вещества -2007 Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, 2007 С 146-148

1 ■ ' )

Подписано в печать 20 04 2007 Зак.н № 206

Формат бумш п 60x84 1/16 Объем 1,5 п л

Тирлж 75 экз Бесил,п но

Отпечатано на полиграфическом участке Института гидродинамики

им МЛ Лаврентьева СО РАН, 630090, Новосибирск, проси акад Лаврентьева, 15

Введение

Глава I. Использование рентгеновского и синхротронного излучений для изучения взрывных процессов

1.1. Введение.

1.2. Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом.

1.3. Импульсные рентгеновские установки на рентгеновских трубках.

1.4. Синхротронные источники рентгеновского излучения и детекторы для регистрации излучения.

1.5. Экспериментальная станция для исследования взрывных процессов.

Глава 2. Измерение распределения плотности на фронте детонации цилиндрических зарядов малого диаметра.

2.1. Введение.

2.2. Постановка экспериментов.

2.3. Результаты измерений распределения проходящего излучения.

2.4. Коррекция измеряемого сигнала.

2.5. Восстановление массы вещества вдоль луча СИ.

2.6. Измерение кривизны фронта детонации.

2.7. Восстановление распределения плотности на фронте детонации.

2.8. Оценка точности методики.

2.9. Обсуждения результатов.

2.10. Восстановление плотности в нестационарных взрывных процессах.

2.11. Выводы.

Глава 3. Измерение объемного распределения плотности разлетающихся продуктов стационарной детонации цилиндрических зарядов ВВ.

3.1. Введение.

3.2. Постановка экспериментов.

3.3. Восстановление количества вещества на луче по данным детектора.

3.4. Восстановление радиального распределения плотности по «тени».

3.5. Обсуждение результатов.

3.6. Выводы.

Глава 4. Измерение динамики конденсации углерода при детонации взрывчатых веществ.

4.1. Введение.

4.2. Мало-угловое рентгеновское рассеяние (МУРР) на наночастицах.

4.3. Постановка экспериментов.

4.4. Результаты измерений мало-углового рентгеновского рассеяния.

4.5. Обсуждение результатов измерения МУРР.

4.6. Измерение динамики МУРР у взрывчатых веществ с добавками наноалмазов.

4.7. Выводы. 103 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 104 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106 Список литературы.

Актуальность. Исследование поведения материалов в экстремальных условиях приобретает все большее значение для как предсказания их поведения в подобных условиях, так и для получения новых материалов. Правомерность такого подхода доказывается уже полученными успехами при взрывном синтезе алмазов и других сверхтвердых материалов, получением новых материалов при сварке взрывом и взрывном компактировании и т. д. Именно свойства взрывчатых веществ (ВВ), являющиеся в этих случаях источником определяющего энергетического воздействия, в основном и определяют успех этих методов, так как позволяют реализовать эти экстремальные условия хотя и на короткое время, но с хорошей воспроизводимостью. Целенаправленное изменения параметров детонации ВВ позволяет организовать управление каждым конкретным процессом, решая задачу его оптимизации.

Активные исследования в области физики ударных и детонационных волн были начаты вскоре после второй мировой войны с целью получения термодинамических уравнений состояния конденсированных сред (в том числе и взрывчатых веществ) в широком диапазоне давлений и температур. Для проведения необходимых измерений в этот период были разработаны дискретные методы измерения скорости ударных волн и скорости движения поверхности образца. Логика дальнейшего развития экспериментальной техники привела к разработке способов непрерывной регистрации давления и массовой скорости, что открыло новые возможности для исследований механических и кинетических свойств различных материалов и химически активных веществ в условиях ударно-волнового нагружения [1,2].

Рентгеновское излучение для исследования взрывных процессов используют с ~ 1940 г. [3, 19] в основном для фиксации положения плотных сред (кумулятивных струй, осколков). Метод импульсной рентгенографии позволяет определять распределение плотности вещества снаружи (вне объекта), не внося дополнительных искажений в исследуемом веществе. Получаемые зависимости р(х) качественно отличаются от зависимостей, получаемых с помощью различных датчиков, так как значения плотности связаны с пространственной координатой, а не с временной [16]. Однако, качество расходящегося излучения, генерируемого стандартными рентгеновскими трубками не позволяет получить пространственное разрешение метода достаточное для исследования фронта детонации.

Совершенно другое качество имеет рентгеновское излучение, возникающее при движении сгустков электронов (банчей) по криволинейной траектории в ускорителе. Такое излучение называют синхротронным (СИ). В Институте ядерной физики СО РАН накоплен огромный опыт его применения для исследования статических объектов, в которых регистрировалась флуктуация электронной плотности, приводящая к малоугловому рассеиванию пучка исходных рентгеновских фотонов, а также фиксировалась дифракция на периодических структурах, определяющая эволюцию молекулярного строения вещества. Прогресс в данном направлении определялся совершенствованием качества излучения и разработкой все более совершенных детекторов, регистрирующих рассеянное излучение. К концу 90-х годов был накоплен положительный опыт диагностики достаточно быстрых процессов (процессов горения с временным о разрешением ~ 10" с). Для динамических экспериментов по исследованию взрывных процессов необходимо было увеличить временное разрешение до ~ 0,1 мкс и пространственное до ~ 0.1 мм. Поэтому одной из главных целей работы стала разработка методики, позволяющей осуществлять с помощью СИ динамическую диагностику детонационных процессов, в которой информация получалась уже от излучения единичного банча (длительность импульса - 1 не) без накопления информации в детекторе.

Цель работы. Разработка методики использования синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов. Измерение распределения плотности на фронте и в разлетающихся продуктах детонации цилиндрических зарядов малого диаметра. Измерение динамики конденсации углерода при детонации конденсированных взрывчатых веществ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Построена первая в мире экспериментальная станция для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с помощью СИ с возможностью регистрации наносекундных импульсов с частотой до 8 МГц на базе ускорителя ВЭПП-3. На станции выполнены работы по измерению динамики распределения плотности в детонационной волне и конденсации наночастиц.

2. Разработана методика измерения распределения плотности на фронте детонации цилиндрических зарядов малого диаметра с разрешением 100 мкм. Измерено распределение плотности в зарядах из тротила, ТГ50/50, гексогена. Ширина зоны химической реакции в гексогене составляет 0,4 ±0,1 мм, в ТГ50/50 - 0,5 ±0,1 мм и в тротиле - 0,7±0,1 мм. Получены значения плотности в пике Неймана и плоскости Жуге. Эти данные дополняют известные в литературе.

3. Предложен и реализован метод измерения объемного распределения плотности в разлетающихся продуктах стационарной детонации цилиндрических зарядов ВВ с помощью одномерного детектора. Сравнение полученных распределений плотности для продуктов детонации тротила с расчетными литературными данными дают 10% совпадение.

4. Предложен и реализован метод повышения пространственного разрешения путем объединения измеренных распределений поглощения в разных экспериментах. Точность синхронизации положения первого кадра детектора к фронту волны составляет 20 не. Данная методика позволяет значительно улучшить временное и пространственное разрешение при измерении объемного распределения плотности. (В серии из десяти экспериментов удалось повысить временное разрешение с 500 не до 100 не.)

5. Впервые измерено мало-угловое рассеянное рентгеновское рассеяние (МУРР) при детонации тротила, гексогена и ТГ50/50 с частотой 4-8 МГц и экспозицией 1 не. Показано, что в ТГ 50/50 величина МУРР связана с конденсацией углеродных наночастиц. Впервые МУРР измерено одновременно с проходящим излучением. Показано, что рост МУРР начинается на фронте детонации и продолжается 2-4 мкс. Столь длительный рост сигнала МУРР объясняется увеличением «контрастности» и продолжающейся конденсацией углерода.

6. Эксперименты с введенными в ВВ наноалмазами показали, что в ТГ 50/50 большая часть взрывных наноалмазов начинает появляться за пределами зоны химической реакции.

7. Измерены радиусы кривизны фронта детонации цилиндрических прессованных зарядов малого диаметра из гексогена, тротила и сплавов из ТГ 50/50. При диаметре зарядов 7-15 мм, радиус кривизны фронта детонации составляет от 1,9 до 2,34 диаметра заряда ВВ. Эти данные необходимы для вычисления распределения плотности и имеют самостоятельный интерес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе впервые реализована возможность использования СИ от ускорителей для исследования взрывных и ударно-волновых процессов. Особенностью использования СИ является возможность измерения динамики диффракционных сигналов во взрывных процессах. Последовательная регистрация МУРР позволяет исследовать динамику роста наночастиц во взрывных процессах. Методика в целом и полученные результаты могут быть использованы для исследования новых ВВ, тестирования, уточнения известных и построения новых уравнений состояния продуктов детонации.

1. Д. А Уртьев, Р. М. Эриксон, Б. Хейс, M. JL Паркер. Измерение давления и массовой скорости в твердых телах при динамическом нагружении.//ФГВ, т.22, № 5, 1986, стр. 113-126.

2. Г.И. Канель, C.B. Разоренов, A.B. Уткин, В.Е. Фортов. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. Москва, «Янус-К»,1996. -408 стр

3. Под редакцией H.A. Златина. Физика быстро протекающих процессов. Том 1. //Мир, Москва, 1971. -520 с.

4. A.N.Dremin, S.V.Pershin, V.E. Pogorelov.// Comb. Expl. And Shock Waves, 1965. v.l, N4, p.ll

5. Г.И. Канель, В.Е. Фортов.//Успехи механики. 1987.Т.10. С 3

6. Альтшулер JÏ.B., Ашаев В. К., Балаклаев В.В. и др. Параметры и режимы в детонационных волнах. // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, №4. С. 153-159.

7. Ашаев В. К., Доронин Г. С, Левин А. Д. О структуре детонационного фронта в конденсированных ВВ // Физика горения и взрыва. 1988. Т. 24, № 1. С. 95-99.

8. Ашаев В. К., Левин А. Д., Миронов О. Н. Оптический метод измерения параметров ударных волн // Письма в ЖТФ. 26 августа 1980. Т. 6, вып. 16. С 1005-1009

9. B.B. Даниленко, Н.И. Куракин, Н.П. Козерук. Электроконтактная методика регистрации (х, t) диаграмм.// Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25, №5. С. 89-92.

10. A.B. Федоров, A.B. Меньших, Н.Б. Ягодин. Структура детонационного фронта в гетерогенных ВВ. //Химическая физика, 1999, том 18, № 11, с. 64-68. (ORVIS)

11. А.В.Уткин, С.А. Колесников, C.B. Першин. Влияние начальной плотности на структуру детонационных волн в гетерогенных взрывчатых веществах.// ФГВ, 2002, т. 38, № 5, с. 111 118.

12. Уткин A.B., Канель Г.И., Фортов В.Е. Эмпирическая макрокинетика разложения флегматизированного гексогена в ударных и детонационных волнах.// ФГВ, 1989, т. 25, № 5, с. 115 122.

13. Гогуля М. Ф., Долгобородов А. Ю. Индикаторный метод исследования ударных и детонационных волн // Хим. физика. 1994. Т. 13, № 12. С. 118-127.

14. Б.Г. Лобойко, С.Н. Любятинский. Зоны реакции детонирующих твердых взрывчатых веществ. ФГВ, 2000, т. 36, № 6, стр. 45-64.

15. Л.В. Альтшулер, Г.С. Доронин, B.C. Жученко. Режимы детонации и параметры Жуге конденсированных взрывчатых веществ. ФГВ, 1989, т. 25, №2, с. 84-103.

16. Комрачков В.А., Ковтун А.Д., Макаров Ю.М. Применение импульсной ренгенографии для исследования ударно-волнового инициирования ТАТБ. //ФГВ. 1999. Т. 35. № 2. С. 96-101.

17. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Гостехиздат, Москва. 1950 г.

18. Ц у к е р м а н В. А., Манак о в а М. A, Proc. IV Intern. Congress on High Speed Photography, 1959, Darmstadt, p. 118.

19. В. А Цукерман, З.М. Азарх. Люди и взрывы. //ВНИИЭФ, Арзамас-16, 1994. 157 с.

20. Егоров JI.A., Баренбойм А.И., Макеев Н.Г., Мохова В.В., Румянцев В.Г., «Рентгенодифракционные исследования структуры динамически сжатых Be, Al, LiF, КС1, и Fe+3%Si», ЖЭТФ, 1993, V. 103, вып.1, с. 135.

21. Aulchenko V. M., Feldman I. G., Khabakhpashev A. G. et al. / Nucl. Instr. Meth.—1986.—V. A26L— P. 78—81

22. Boldyrev, V.V., Aleksandrov, V.V., Korchagin, M.A., Tolochko, B.P., Gusenko, S.N., Sokolov, A.S., Sheromov M.A. and Lyakhov N.Z. (1981). Dokl. Akad. Nauk SSSR, 259, p.722

23. Aleksandrov, V.V., Korchagin, M.A., Tolochko B.P. and Sheromov M.A. (1983) . Fizika Gorenia i Vzryva, 19(4), p.65

24. Merzhanov A.G. (1990). Self-propagating high-temperature synthesis: Twenty years of search and findings.// Combustion and Plasma Synthesis of High-Temperature Materials, eds. Z. A. Munir and J. B. Holt, VCH Publishers, New York, USA, p.l. "

25. Wong J., Larson, E.M., Holt J.B. (1990). Science, 249, p.1406.

26. Held O., Gras Ch., Chariot F., Vrel D., and Gachon J.C. Combustion synthesis of Al25-xNixTi75 (Osxs 10) by time-resolved x-ray diffraction.x±u1.t. J. of Self-propagating High-temperature Synthesis 2000. V.9. No.3. P.321-330

27. Bernard, F., Gauthier V., Gaffet E., Larpin J.P. (2000). Int. J. of Self-propagating High-temperature Synthesis, 9, p.281-295

28. N.S.P. King, E. Abies, Ken Adams, K.R. Alrick, J.F. Amann, Stephen

29. Balzar, P.D. Barnes Jr., M.L. Crow, S.B. Cushing, J.C. Eddleman,

30. T.T. Fife, Paul Flores, D. Fujino, R.A. Gallegos, N.T. Gray, E.P.

31. Hartouni, G.E. Hogan, V.H. Holmes, S.A. Jaramillo, J.N. Knudsson,

32. R.K. London, R.R. Lopez, T.E. McDonald, J.B. McClelland, F.E.

33. Merrill, K.B. Morley, C.L. Morris, F.J. Naivar, E.L. Parker, H.S. Park,

34. P.D. Pazuchanics, C Pillai, CM. Riedel, J.S. Sarracino, F.E. Shelley

35. Jr., H.L. Stacy, B.E. Takala, Richard Thompson, H.E. Tucker, GJ.

36. Yates, H.-J. Ziock, J.D. Zumbro. An 800-MeV proton radiographyinfacility for dynamic experiments. I I Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 424,1999, p. 84-91.

37. Ann Parker. X-Ray, Detonation, and Dead Zones. //Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-52000-04-12, December 7, 2004.

38. Титов В. М., Анисичкин В.Ф., Мальков И.Ю. Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах. // ФГВ, 1989. Т. 35, № 3. С. 117-126.

39. Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. Получение алмазов из взрывчатых веществ. // ДАН СССР, 1988, т. 302, N 3. С. 611-614.

40. Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. // Москва, 2003. Энергоатомиздат. 2003. 272 стр.

41. А. Н. Алешаев, O.E. Евдоков, .Зубков П. И., Кулипанов Г.Н., Лукьянчиков Л.А., Ляхов Н.З., С. И. Мишнев, Тен К.А., Титов11Z

42. В.М., Толочко Б. П., Федотов М. Г., Шарафутдинов М. Р., Шеромов M. А. Применение синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов. Препринт Института ядерной физики 2000-92, Новосибирск, 2000. 52 стр.

43. Тен K.A., Антохин Е.И., Гольденберг Б.Г., Евдоков О.В., Жогин И.Л., Жуланов В.В., Зубков П.И., Каменецкий Ю.М., Кулипанов Г.Н., Лукьянчиков Л.А., Ляхов Н.З, Пирогов Б.Я., Титов В.М.,

44. K.K. Шведов. Некоторые вопросы детонации конденсированных взрывчатых веществ. Химическая физика, 2004, т. 23, № 1, с. 27 -49.

45. А.В.Уткин, С.А. Колесников, В.Е. Фортов. Структура стационарной детонационной волны в прессованном гексогене. Доклады АН, 2001, т. 381, № 6, с. 760 762.

46. Дж. Дэннис, Р. Шнабель. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. Москва, «Мир», 1988, стр. 138-180.

47. А.Н. Дремин, С.Д. Савров, .B.C. Трофимов, К.К. Шведов. Детонационные волны в конденсированных средах. М, Наука, 1970, 172 с.

48. М.А. Cook. The science of high explosives. 1958, New York, 440 p

49. A.B. Федоров. Структура и параметры фронта детонационной волны конденсированных ВВ. Химическая физика, 2002, т.21, № 8, с.66 — 71.

50. Ч. Мейдер. Численное моделирование детонации. М., Мир, 1985,

51. К. А. Тен, О. В. Евдоков, И. JI. Жогин, В. В. Жуланов, П. И. Зубков, Г. Н. Кулипанов, JI. А. Лукианчиков, Л. А. Мержиевский, Б. Я. Пирогов, Э. Р. Прууэл, В. М. Титов,

52. Б. П. Толочко, М. А. Шеромов. Распределение плотности во фронте детонации цилиндрических зарядов малого диаметра // Физика горения и взрыва, 2007, т.43, № 2. С.91-99.

53. Э.Р.Прууэл, В.В.Григорев, Л.А.Лукьянчиков, А.А.Васильев. Инициирование пористого взрывчатого вещества продуктами пересжатой газовой детонации.// Физика горения и взрыва. 2002. Т.37. № 5. С.90-97.

54. Тен К.А., Аульченко В.М., Евдоков О.В., Жогин И.Л.,

55. Э.Р. Прууэл, Л.А. Мержиевский, К.А. Тен, П.И. Зубков,

56. Л.А. Лукьянчиков, Б. П. Толочко, А.Н. Козырев,

57. В.В. Литвиненко Распределение плотности разлетающихсяпродуктов стационарной детонации тротила // Физика горения и взрыва, 2007, т.43, № 3.

58. Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович, Р.П. Челышев, Б.И.

59. Шехтер. Физика взрыва. 2-изд. Москва. Наука. 1975.

60. Зельдович Я.Б. О распределении давления и скорости в продуктахдетонационного взрыва, в частности, при сферическом распространении детонационной волны. ЖЭТФ, 1942, т.12, в.9, С.389 406.

61. Taylor G.I. The dynamics of the combustion products behind planeand spherical detonation fronts in explosives. Proceedings of the Royal Society, A, v. cc, 1950, p. 235 247.

62. Володин Г.Т. Распределение параметров продуктов детонации конденсированных ВВ. ФГВ, 1991, т. 27, № 1, с. 123 127.

63. Зельдович Я.Б., Компанеец A.C. Теория детонации. М., ГИТТЛ,1955.

64. Зельдович Я.Б. О распределении давления и скорости в продуктахдетонационного взрыва, в частности, при сферическом распространении детонационной волны. ЖЭТФ, 1942, т.12, в.9, с.389-406.

65. Дорохин В.В., Зубарев В.Н., Орекин Ю.К. и др. Исследованиедвижения продуктов взрыва за фронтом детонационной волны. // Физика горения и взрыва. 1985. Т. 21, № 4,. С 100 104.

66. Бахрах С.М., Евстигнеев А.А., Зубарев В.Н., Шанин А.А. Влияние конечной скорости разложения ВВ на определение детонационных параметров. // Физика горения и взрыва, 1981, т. 17, № 6, с. 117-121.

67. M.S. Shaw, J.D. Jonson. Carbon clustering in detonations. J. Appl. Phys. 1987. v. 62. N 5, p. 2080-2085

68. А.П. Ершов, А.Л.Куперштох, B.H Коломийчук. Образование фрактальных структур при взрыве. Письма в журнал технической физики. 1990. т. 16, вып. 3, с. 42-46.

69. J.A. Vieccelli, F.H. Ree. Carbon clustering kinetics in detonation wave propagation. J. Appl. Phys. 1999. v. 86, № 1, p. 237-248. .

70. А.Л. Куперштох, А.П. Ершов, Д.А. Медведев. Модель коагуляции углеродных кластеров при высоких плотностях и температурах. //Физика горения и взрыва. 1998. Т.34, № 4. С. 102-109.

71. J.A. Vieccelli, F.H. Ree. Carbon particle phase transformation kinetics in detonation waves . J. Appl. Phys. 2000. v. 88, № 2, p. 683-690.

72. B.B. Даниленко. Фазовая диаграмма наноуглерода. Физика горения и взрыва. 2005. т. 41, № 4. с. 110-116.

73. Feigin L.A. & Svergun D.I. Structure Analysis by Small-Angle X-Ray and Neutron Scattering. // NY, Plenum Press. 1987. P.335.

74. A.M. Батраков, E.A. Дементьев, Э.А. Купер, O.B. Евдоков, С.М.

75. Пищенюк, К.А. Тен, Б.П. Толочко, М.Г. Федотов, П.И. Зубков,

76. М.Р. Шарафутдинов. Твердотельные микростриповые детекторы для быстрой записи рентгеновского излучения. //Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях. Под редакцией A.JI. Михайлова. Саров. ВНИИЭФ. 2003 г. Стр. 448-452.

77. Мальков И.Ю. Образование ультрадисперсной алмазной фазы углерода в условиях детонации гетерогенных смесевых составов.//ФГВ, 1991. Т.27, №5, стр.136-140.

78. Коломийчук В.Н., Мальков И.Ю. Исследование синтеза ультрадисперсной алмазной фазы в условиях детонации смесевых составов. //ФГВ, 1993. Т.29, №1, стр. 120-128.

79. А.П. Ершов. Моделирование синхротронной диагностики взрыва. Письма в журнал технической физики. 2001. т. 277, вып. 19, с. 90