ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОЧАГА ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ КОМПОЗИТОВ PETN – МЕДЬ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ

Аннотация: Композиты на основе прозрачной матрицы и наночастиц меди перспективны для создания капсюля оптического детонатора. В работе рассчитаны закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN – наночастицы меди импульсами лазера длительностями на полувысоте 12 нс и 20 нс. С относительной точностью 10-8 определены значения минимальной плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов с радиусом наночастицы 100 нм на данных длительностях импульса. Показано, что увеличение длительности импульса приводит к увеличению критической плотности энергии с 69.32911165 мДж/см2 до 79.6117241 мДж/см2. Вблизи порога обнаружен режим, при котором максимальная температура очага после нагревания импульсом вначале уменьшается, потом увеличивается, проходя через локальный максимум.

Ключевые слова: лазерное излучение, наночастицы меди, оптический детонатор, пентаэритриттетранитрат

Создание оптического детонатора определяется необходимостью значительного повышения безопасности взрывных работ в добывающей промышленности . В настоящее время разрабатывается оптический детонатор на основе инициирующих  и бризантных взрывчатых веществ (ВВ) . В этих образцах различны механизмы положительной обратной связи: экспоненциальное увеличение неравновесной концентрации реагентов практически без увеличения температуры (по механизмам разветвленной энергетической цепной реакции ), или увеличение температуры . Нами показано, что в кристаллах азида серебра инициируется разветвленная твердофазная цепная реакция [3-4, 10], а в прессованных таблетках пентаэритриттетранитрата (PETN) с добавками наночастиц алюминия реализуется тепловой взрыв в микроочаговом варианте . В работе  показана перспективность создания оптического детонатора на основе прессованных таблеток PETN с наночастицами меди. Целью настоящей работы является моделирование процесса формирования очага взрывного разложения PETN с добавками наночастиц меди.

Реализация численного эксперимента значительно ускоряет решение сложных технологических задач, позволяя оценить диапазон параметров системы, в котором следует оптимизировать процесс [3-15]. Переход реакции разложения энергетических материалов (как инициирующих, так и бризантных ВВ) в самоускоряющийся режим имеет одинаковые стадии. Первичным является процесс поглощения энергии лазерного импульса с формированием очага взрывного разложения. В инициирующих ВВ (например в кристаллах азида серебра) в определенных условиях может реализоваться разветвленная цепная реакция [3-4, 10, 14]. После окончания импульса наблюдается выраженный индукционный период , когда даже многократное превышение пороговой плотности энергии инициирования (H) самоускоряющийся режим взрывного разложения начинается через несколько десятков нс (при длительности импульса порядка 10 нс это очень много). В работах [11, 16-21] показано, что в композитах PETN с добавками наночастиц различных металлов: алюминий, никель, медь, золото и др. при 2 - 5 процентных превышениях H переход в самоускоряющийся режим начинается во время действия импульса, отсутствует период с уменьшением температуры в очаге реакции. Это достаточно неожиданно, так как такие режимы характерны не только для цепных но и цепно-тепловых процессов взрывного разложения как конденсированных, так и газофазных ВВ .

Режим формирование очага взрывного разложения в квазистационарном режиме необходимо искать при пороговых интенсивностях воздействия, вблизи точки бифуркации. Вдали от нее такой режим не наблюдается. В работах [16-23] создана и реализована методика расчета критических параметров взрывного разложения композитов прозрачная матрица ВВ – наночастицы металлов. В модели отсутствует учет процесса усиления освещенности в образце за счет многократного рассеяния света . Этот процесс существенно влияет на величину H, но не на формирование очага взрывного разложения [16 - 26]. Воспользуемся моделью теплового взрыва в микроочаговом варианте, сформулированной в работах [5, 6, 9, 11, 12, 16-27]. Модель учитывает процессы кондуктивного теплопереноса в наночастице и в среде сферической симметрии, а также тепловыделение за счет химического разложения энергетического материала. Временная форма импульса задавалась функцией Гаусса (соответствует промышленным наносекундным лазерам, используемым в эксперименте ). Длительность импульса на полувысоте определяется дисперсией распределения. Методика численного моделирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), соответствующей модели, сформулирована в [5, 6, 9, 11, 12, 16-27]. Она заключается в сведении системы дифференциальных уравнений в частных производных к большой (~500 уравнений) системы обыкновенных ДУ. Полученная система ОДУ решается методом Рунге-Кутты 1-5 порядка точности с переменным шагом по времени. Относительная погрешность на шаге интегрирования не превышала 10-11, при этом интегральная относительная погрешность, оцениваемая по точности выполнения закона сохранения энергии, не превышает 2.5∙10-8.

Увеличение точности расчета необходимо для определения значения H со значительно большей точностью, по сравнению с предыдущими расчетами. В работах нашей лаборатории [6, 9, 11, 12, 16-27] H рассчитывалась с точностью 0.01 %. В этой работе необходимо повысить точность расчета еще в 10000 раз до величины 10-8.

Расчет выполнялся для 2 значений длительности импульса на полувысоте – 12 нс и 20 нс. Выбор длительностей импульсов определялся характеристиками существующих лазерных стендов, применяемым для экспериментального исследования закономерностей взрывного разложения бризантных и инициирующих ВВ. Моделирование процесса взрывного разложения осуществлялось для наночастиц меди радиуса 100 нм. Именно наночастицы различных металлов: алюминия , кобальта, никеля , меди , золота , серебра  в матрице PETN с радиусом около 100 нм формируют очаг взрывного разложения при наименьших значениях H при облучении импульсом первой гармонике неодимового лазера.

Первым этапом численного эксперимента являлся расчет для двух длительностей минимальных плотностей энергии импульса, которые приводят к взрывному разложению всего образца и максимальных плотностей энергии, которые не инициируют самоускоряющийся режим. При длительности импульса 12 нс этими параметрами получились следующие значения: 69.3291116(5) мДж/см2 и 69.3291115(8) мДж/см2.

Различия в значениях H незначительные, но специфика поведения сложных физико-химических систем вблизи точки бифуркации определяет существенно различную эволюцию системы в этих близких условиях. Рассчитаем кинетические зависимости температуры границы наночастица – PETN, где происходит поглощение энергии импульса. В этом месте на стадии развития процесса температура максимальна и характеризует процесс в целом. Выберем 4 значения плотностей энергии импульса: минимальная H соответствует 99 % от критической (68.63582053 мДж/см2), далее 69.32911158 мДж/см2 (максимальна H, при которой взрывной режим не наблюдается), 69.32911165 мДж/см2 (минимальная H, при которой реализуется взрывной режим) и последняя H соответствующая 1 % превышению критической плотности энергии (70.02240277 мДж/см2). На рис. 1 представлены рассчитанные при этих плотностях энергии импульса длительностью на полувысоте 12 нс.

 Начало времени совпадает с максимумом интенсивности импульса. Первая кинетическая зависимость (68.63582053 мДж/см2) подобна рассчитанным в работах [6, 9, 11, 12, 16-27] для PETN с алюминием, хромом и др. металлами. На начальном участке до 8.7 нс наблюдается увеличение температуры, связанное с действием лазерного излучения на композит и поглощением света наночастицами. Максимальная температура (1065.8 К) наблюдается при интенсивности импульса всего 23 % от максимальной. Дальнейшее уменьшение плотности энергии импульса (по функции Гаусса) приводит к быстрому остыванию очага реакции. Уменьшение температуры на сто градусов относительно максимальной наблюдается к моменту времени 15.9 нс (за 7.2 нс). Остывание на следующие 100 К будет достигнуто ко времени 21.3 нс (за 5.9 нс). Последующее остывание наночастицы до 600 К происходит к моменту времени 50.6 нс.

Наиболее интересными являются случаи с инициированием разложения образца импульсом с плотностями энергии 69.32911158 мДж/см2 и 69.32911165 мДж/см2. Такое микроскопическое изменение параметров импульса кардинально меняет кинетические температурные зависимости только через 30 нс после максимума интенсивности импульса. До этого момента эволюция системы идентична: на 11.2 нс наблюдается локальный максимум температуры (1089.6 К). Увеличение плотности энергии импульса на 1 % приводит к увеличению максимального нагрева (от 300 К) в системе более чем на 3 %. При этом максимальная температура наблюдается на 2.5 нс позже. Это достаточно много, к этому времени интенсивность импульса уменьшается до 9 % от максимальной. Дальнейшее медленное уменьшение температуры наблюдается в условиях значительного энерговыделения от протекающей реакции разложения. В течении 20 нс наблюдается паритетное уменьшение выделения энергии за счет химической реакции и теплопередачи. Первый фактор уменьшается за счет понижения температуры на 3 % до 1065 K, второй – еще и за счет увеличения размера очага. Дальнейшее остывание очага при плотности энергии 69.32911158 мДж/см2 идентично с первым случаем, однако начавшаяся реакция значительно сдвигает этот процесс по временной шкале. Так температура в 600 К опускается только к 94.3 нс на 43.7 нс позже первого случая. Один процент в плотности энергии приводит к таким последствиям.

Облучение образца импульсом с плотностью энергии 69.32911165 мДж/см2 сопровождается взрывным разложением образца. После достижения максимума температуры наблюдается медленное снижение температуры до 1074.1 К (на 15.5 К) к моменту времени 30.4 нс. Начало самоускоряющегося режима проходит в условиях, когда импульс уже давно закончился (в момент времени 6 нс интенсивность падает в 2 раза). Этот режим теплового взрыва симметричен условиям протекания цепно-теплового режима вблизи порога. Но в нашем случае он реализуется при микроскопических превышениях порога инициирования, а в цепно-тепловых режимах – до 5 %. В результате при инициировании взрывного разложения кристаллов азида серебра импульсом неодимового лазера кинетические задержки экспериментально наблюдались, а на исследуемых системах – пока нет.

Инициирование взрывного разложения образца импульсом с плотностью энергии 70.02240277 мДж/см2 приводит к взрывному разложению образца. При превышении пороговой плотности энергии инициирования взрывного разложения всего на 1 % самоускоряющийся режим начинается во время действия импульса и индукционный период выделить невозможно.

 Рассмотрим инициирование композита PETN – медь импульсом лазера с длительностью импульса на полувысоте 20 нс. Такие импульсы применялись в первых работах по инициированию прессованных таблеток PETN с светопоглощающими добавками. На рис. 2 представлены рассчитанные кинетические зависимости температуры на границе медь – PETN при инициировании импульсами с длительностью на полувысоте 20 нс и плотностями энергии 79.6117241 мДж/см2 (штрих) и 79.6117247 мДж/см2 (сплошная).