УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ
OPTICAL INITIATION DEVICE

Изобретение относится к средствам взрывания, а именно к оптическим средствам инициирования для использования в горнорудной и угледобывающей промышленности, сейсморазведке, нефтедобыче при перфорации скважин, строительстве и спецтехнике для подрыва одиночных и разнесенных зарядов при многоточечном инициировании.
Известны различные способы и устройства, в которых использованы волновые, оптические и электрические средства инициирования. Для передачи энергии к исполнительным устройствам применяются проводные или оптоволоконные линии связи.
Известно техническое решение [Патент РФ 2285897, Способ инициирования зарядов взрывчатых веществ], в котором используется электрическая проводная система, где инициирование осуществляется путем подачи в заданном интервале электрического импульса.
Основным недостатком способа с использованием электрических проводных систем является недостаточная помехозащищенность, т.е. возможность несанкционированного инициирования, обусловленная воздействием электромагнитных высокочастотных сигналов, статического электричества или наведенных ионизационных токов.
Известны способы и устройства, в которых инициирование процессов выполняют с использованием передачи оптической энергии при помощи оптоволоконных систем. К достоинствам использования оптоволоконных систем для передачи оптических сигналов можно отнести малое затухание сигнала, нечувствительность к электромагнитным помехам, отсутствие искрения и самовозгорания, малые габаритные размеры и масса кабелей. Оптоволоконный кабель защищен от внешних воздействий (температура, агрессивная среда, влажность, грунтовые воды, грызуны), более безопасен по сравнению с электрическим кабелем для обслуживающего персонала (по опасности поражения электрическим током, взрыво- и пожароопасности). Перечисленные достоинства позволяют использовать данные системы на опасных производствах и объектах, при взрывных работах, при разработке военной техники.
В качестве источников оптического излучения для инициирования взрывчатых веществ (ВВ) используются лазерные диоды [С.И. Герасимов, М.А. Илюшин, В.А. Кузьмин. Возможность инициирования полимерсодержащего энергонасыщенного состава комплексного перхлората ртути лучом лазерного диода // Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып. 7, C. 66-72], импульсные твердотельные лазеры [S.R. Ahmad, M. Cartwright, Laser ignition of energetic materials (John Wiley & Sons, Chichester, 2015], лампы-вспышки [С.И. Герасимов, М.А. Илюшин, П.Г. Кузнецов, С.М. Путис, С.А. Душенок, В.С. Роженцов. Инициирование детонации световым импульсом в тонком заряде пиротехнического состава ВС-2 // Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып. 3, с. 11-13].
-8
-3
Известны инициирующие взрывчатые вещества, используемые в оптических системах инициирования взрывчатых зарядов и имеющее низкий порог чувствительности к импульсному лазерному излучению в видимой и ближней ИК - области спектра [Патенты РФ 2225840, 2309139; Чернай А.В., Житник Н.Е., Илюшин М.А., Соболев В.В., Фомичев В.В. Патент Украины №17521А, 1997; Илюшин М.А., Целинский И.В. Энергоемкие металлокомплексы в средствах инициирования. // Российский химический журнал, 2001, №1, с.72-78.]. В зависимости от решения конкретных задач в качестве светочувствительных ВВ для светодетонаторов были предложены неорганические азиды и энергоемкие металлокомплексы с различными значениями порогов инициирования лазерным моноимпульсом (время импульса - 10с) или одиночным импульсом (время импульса до примерно 10с).
Известны устройства инициирования [Патент РФ 2554318, Устройство инициирования; Патент РФ 2684259, Способ и система инициирования зарядов], состоящее из блока управления, содержащего источник питания и лазеры, и блока инициирования, содержащего преобразователь энергии лазерного излучения в напряжение и фотоэлектронный ключ.
Работа устройства инициирования заключается в следующем. При подаче напряжения с источника питания в блоке управления включается лазер и энергия лазерного излучения передается на фотопреобразователь. Фотопреобразователь, получая энергию лазерного излучения, преобразует ее в напряжение, которое умножается и поступает на накопительный конденсатор. В таком состоянии, с заряженным конденсатором, устройство находится длительное время. При поступлении необходимой информации выдается команда на включение второго лазера, предназначенного для инициирования, срабатывает фотоключ, который замыкает контакт и подключает накопительный конденсатор к нагрузке. Т.к. конденсатор в блоке инициирования находится постоянно в заряженном состоянии любой наведенный заряд, обусловленный воздействием электромагнитного излучения в фотоключе, может привести к его несанкционированному срабатыванию и подключению накопительного конденсатора к нагрузке.
Известно многоканальное устройство лазерного инициирования горения и детонации взрывчатых веществ [патент РФ №83324]. Устройство содержит полупроводниковый лазер, блок питания лазерной системы, блок кодировки сигнала, фокусирующую оптическую систему, устройство передачи энергии лазерного излучения к детонатору, поворотное зеркало, оптические разветвители, оптические разъемы, оптоволокно. В этом устройстве излучение полупроводникового лазера преобразуется фокусирующей оптической системой и при помощи специального устройства передается в оптоволоконный канал. Коммутация излучения между каналами осуществляется поворотным зеркалом.
Недостатками устройства является его сложность (система преобразования и коммутации лазерного излучения содержат большое количество элементов), что усложняет сборку, юстировку и существенно сказывается на массогабаритных характеристиках устройства, а также низкая надежность работы системы инициирования за счет малой интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
Известен оптический передающий модуль, содержащий корпус, в котором соосно размещены лазерные излучатели, линзы и градиентные линзы, и оптоволокно [патент РФ №2201024]. На внутренней части основания корпуса установлен лазерный диод с монтажной пластиной из меди. На монтажной поверхности монтажной пластины закреплен инжекционный лазер. Корпус содержит элементы крепления, в один из которых вклеена цилиндрическая кварцевая микролинза. В другой элемент крепления вклеена фокусирующая градиентная линза 0,5Р. При расположении оптических элементов в модуле их оси помещают на оптической оси распространения пучка излучения лазера, т.е. на оптической оси модуля, лежащей в плоскости р-n перехода инжекционного лазера.
Данный оптический модуль обеспечивает ввод в оптическое волокно максимальной мощности излучения лазерного диода при минимальных затратах на изготовление элементов крепления, средства крепления и их юстировку, сборку.
Недостатком устройства является низкая надежность работы системы инициирования за счет недостаточной интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
Известен лазерный капсюль-детонатор [Патент РФ 2750750], содержащий корпус с зарядом взрывчатого вещества, оптический подпор, светочувствительное взрывчатое вещество с добавлением наноуглеродного компонента, инициируемый от лазерного диода с системой фокусировки. Источник излучения и система фокусировки вынесены из корпуса детонатора и соединены с ним посредством оптоволоконного кабеля через оптический ввод, представляющий собой полимерную втулку, закрепленную в снаряженной гильзе капсюля-детонатора. По центру втулки закреплен световод, который примыкает к оптическому подпору из фторопласта, вставленному в колпачок с запрессованными в него светочувствительным ВВ, инициирующим зарядом и бризантным ВВ.
Недостатком устройства является низкая надежность работы системы инициирования за счет малой интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
3
Известен «Детонатор на основе светочувствительного взрывчатого вещества», описанный в патенте РФ №2427786. Лазерный детонатор содержит установленные в корпусе соосно оптический подпор и заряд взрывчатого вещества, выполненный в виде инициирующей и выходной навесок взрывчатого вещества. В качестве светочувствительного состава использована смесь высокодисперсного ТЭНа с наноалюминием с размером частиц не более 60 нм при плотности запрессовки 0,9-1,1 г/см. Такой детонатор обладает высокой чувствительностью к одиночному импульсу неодимового лазера. Данный эффект связан с поглощением излучения непосредственно наночастицами с образованием «горячих точек», что приводит к инициированию экзотермической реакции в основном веществе.
Недостатком данного устройства является низкая надежность работы системы инициирования за счет малой интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
Известна система инициирования пространственно разнесенных зарядов, которая включает в себя лазер, детонаторы, пучок оптических волокон в качестве светового тракта, которые связывают детонаторы с выходом лазера для передачи оптической энергии вдоль продольной оси оптического волокна до подрываемых детонаторов (зарядов) посредством передаваемой оптической энергии [патент США 3813783]. Каждый детонатор содержит корпус со снаряженным взрывчатым веществом и фокусирующую линзу, к которой подходит оптическое волокно. Поверхность взрывчатого вещества покрыта тонкой алюминиевой пленкой, которая испаряется при воздействии сфокусированного лазерного излучения. При этом образуется ударная волна, которая инициирует данное взрывчатое вещество.
К недостаткам данной системы инициирования следует отнести большие габариты устройства из-за больших габаритов фокусирующей линзы и невозможность сфокусировать лазерное излучение в фокальное пятно с размерами менее дифракционного предела, что уменьшает величину интенсивности оптического излучения на тонкой алюминиевой пленке.
Известен капсюль-детонатор лазерного инициирования взрывчатого вещества [Патент РФ 135789], который состоит из металлического корпуса с последовательно размещенными контактирующими друг с другом навесками основного заряда из бризантного взрывчатого вещества, промежуточной оболочки и инициирующего заряда бризантного взрывчатого вещества, замедлительного состава, зажигательного пиротехнического состава, байонетного крепления лазерного воспламенительного элемента с помещенным на него амортизатором с резьбовым каналом. Причем лазерный воспламенительный элемент установлен вплотную торцом к поверхности зажигательного пиротехнического состава.
Инициирование осуществляется с помощью лазерного диода с длиной волны излучения 808 нм, мощностью 1 Вт, работающего в непрерывном режиме. Фокусировка излучения лазера на поверхности заряда ВВ выполняется встроенной в капсюль-детонатор оптической системой, состоящей из коллимирующей и фокусирующей линз, а также сапфировым окном. Оптическое волокно не подходит вплотную к заряду ВВ и имеет диаметр сердцевины не менее 50 мкм.
К недостаткам данного капсюль-детонатора лазерного инициирования взрывчатого вещества следует отнести большие габариты устройства из-за больших габаритов фокусирующей линзы и не возможность сфокусировать лазерное излучение в фокальное пятно с размерами менее дифракционного предела, что уменьшает величину интенсивности оптического излучения на заряде взрывчатого вещества, а так же недостаточная надежность перехода горения в детонацию заряда взрывчатого вещества.
Известен оптический инициатор [Патент FR 2914056 A1], содержащий по меньшей мере один пиротехнический заряд или заряд взрывчатого вещества, инициируемый световой энергией, передаваемой оптическим волокном. Он содержит гильзу на резьбе с вкрученным соединителем с размещенным в нем кабелем оптоволокна, отполированный конец которого вклеен в кольцо и вплотную прилегает к пиротехнического заряду.
Луч света, проходя по оптическому волокну, зажигает пиротехнический заряд, тепловая энергия от сгорания которого прожигает дно колпачка и, проходя сквозь отверстие в металлической шайбе, воспламеняет заряд взрывчатого вещества в дне гильзы.
Недостатком данного устройства является низкая надежность работы системы инициирования за счет малой интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
В качестве прототипа выбрано устройство лазерного инициирования [Patent US 8915188, SECURITY DETONATOR], состоящее из металлического корпуса с последовательно размещенными в нем оптоволоконным кабелем, который своим концом непосредственно контактирует со светочувствительным зарядом инициирующего взрывчатого вещества или пиротехнического состава, на противоположном торце заряда размещается метаемая тонкая металлическая пластина и заряд бризантного взрывчатого вещества установленного с зазором с метаемой пластиной.
Лазерное излучение, проходя по оптоволоконному кабелю, зажигает первый заряд взрывчатого вещества устройства лазерного инициирования или заряд пиротехнической композиции, который приводит к движению метательной тонкой металлической пластины. Данная пластина перемещается через зазор и вызывает детонацию второго заряда взрывчатого вещества из-за ударного воздействия метаемой металлической пластины, что приводит к срабатыванию детонатора.
Недостатком данного устройства является низкая надежность работы системы инициирования за счет малой интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы системы инициирования за счет повышения интенсивности оптического излучения на заряде светочувствительного инициирующего взрывчатого вещества на основе эффекта фотонной струи.
Технический результат достигается тем, что в устройстве оптического инициирования, включающего металлический корпус с последовательно размещенными в нем оптоволоконным кабелем, который своим концом непосредственно контактирует со светочувствительным зарядом инициирующего взрывчатого вещества или пиротехнического состава, на противоположном торце заряда размещается метаемая тонкая металлическая пластина и заряд бризантного взрывчатого вещества установленного с зазором с метаемой пластиной, новым является то, что на торце оптоволоконного кабеля, контактирующего со светочувствительным зарядом инициирующего взрывчатого вещества или пиротехнического состава расположена 2D матрица мезоразмерных диэлектрических устройств, формирующих фотонные струи.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На Фиг. 1 представлена схема устройства оптического инициирования.
На Фиг. 2 показано увеличенное изображение размещения 2D матрицы мезоразмерных диэлектрических устройств, формирующих фотонные струи.
На Фиг. 3 приведен пример моделирования формирования фотонной струи мезоразмерной диэлектрической сферической частицей диаметром 3λ, где λ длина волны оптического излучения в вакууме. Интенсивность оптического излучения в формируемой фотонной струе более чем в 30 раз превышает интенсивность падающего излучения.
Обозначения: 1 - оптическое излучение; 2 - металлический корпус оптического устройства инициирования; 3 - оптоволоконный кабель; 4 - 2D матрица мезоразмерных диэлектрических устройств, формирующих фотонную струю 5; 6 - первый светочувствительный заряд взрывчатого вещества или пиротехнический заряд; 7 - метаемая тонкая металлическая пластина; 8 - зазор между метаемой пластиной 7 и вторым зарядом взрывчатого вещества 9.
Из технической литературы известно, что фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических мезоразмерных частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. При этом поперечные размеры области фокусировки излучения менее размера определяемого дифракционным пределом [A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett, 89, 221118 (2006); Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. - Springer, 2016 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook ; Boris S. Luk’yanchuk, Ramón Paniagua-Domínguez, Igor Minin, Oleg Minin, and Zengbo Wang Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express Vol. 7, Issue 6, pp. 1820-1847 (2017) •https://doi.org/10.1364/OME.7.001820; Arash Darafsheh Photonic nanojets and their applications // J. Phys. Photonics 2021, 3, 022001].
Позднее, возможность получения фотонных струй, была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц, многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а так же полусфер, дисков [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol.61, No. 13, 1069-1076 (2014).].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например, куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook: V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin and О. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu. E. Geintz, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu. E. Geints, A. A. Zemlyanov and E. K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С. 4-10.
Также известны устройства, содержащие 2D матрицы диэлектрических мезоразмерных устройств, формирующих фотонные струи [патенты РФ 168081, 2672980] и расположенные на прозрачной для падающего излучения подложке.
Известно устройство для формирования наноотверстий на подложке, покрытой сферическими микрочастицами [Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk’yanchuk, Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Lett. 72(9), 457-459 (2000); H.-J. Münzer, M. Mosbacher, M. Bertsch, O. Dubbers, F. Burmeister, A. Pack, R. Wannemacher, B.-U. Runge, D. Bäuerle, J. Boneberg, and P. Leiderer, Optical near-field effects in surface nanostructuring and laser cleaning // Proc. SPIE 4426, 180 (2002).]. Эти отверстия были расположены непосредственно под сферическими частицами. Диаметры отверстий зависели от размера сферических частиц.
Теоретический анализ показал, что эти сферические частицы способны фокусировать свет в области с размерами, значительно меньшими дифракционного предела. Благодаря своей высокой интенсивности электромагнитного поля в области фокусировки излучения происходит абляция поверхности подожки из кремния и формируются отверстия в пластине. Таким образом, удается формировать отверстия нанометрового размера, вплоть до 30 нанометров в диаметре, см. [S. M. Huang, M. H. Hong, B. S. Luk'yanchuk, Y. W. Zheng, W. D. Song, Y. F. Lu, et al., Pulsed laser-assisted surface structuring with optical near-field enhanced effects // Journal of Applied Physics, vol. 92, pp. 2495-2500, Sep 2002.].
Известно устройство, содержащее оптическое волокно, на торце которого размещена 2D матрица диэлектрических мезоразмерных устройств, формирующих фотонные струи [Hui Yang, Matteo Cornaglia, and Martin A. M. Gijs. Photonic Nanojet Array for Fast Detection of Single Nanoparticles in a Flow // Nano letters, 2015, 15, 1730-1735, DOI: 10.1021/nl5044067]. Устройство, формирующее фотонную струю представляло собой сферу, диаметром от нескольких λ до нескольких десятков длин волн, где λ - длина волны излучения в вакууме и выполненной из материала с относительным показателем преломления по отношению к окружающей среде менее 2, например, из полидиметилсилоксана с показателем преломления порядка 1,40.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что диэлектрическая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса или цилиндра и формирующая непосредственно на своей теневой границе фотонную струю, в зависимости от характерного размера частицы (от λ до примерно 200λ), относительного коэффициента преломления (примерно от 1,2 до 1,8), формы частицы возможно получение увеличения интенсивности оптического излучения на образце, примерно, от 10 до 1000 и более. При этом повышение усиления интенсивности оптического излучения увеличивается с увеличением характерного размера частицы.
Работа устройства оптического инициирования осуществляется следующим образом:
Оптическое излучение 1, сформированное лазером или лазерным по оптоволоконному кабелю 3, направляется к первому светочувствительному заряду инициирующего взрывчатого вещества или пиротехническому заряду 6. На торце оптоволоконного кабеля 3 размещается 2D матрица мезоразмерных диэлектрических устройств 4, формирующих фотонную струю 5. Таким образом, осуществляется преобразование оптического излучения 1, распространяющегося по оптоволоконному кабелю 3 в матрицу фотонных струй 5 имеющих высокую интенсивность излучения и расположенных с шагом примерно равным характерному размеру мезоразмерных диэлектрических частиц 4. Фотонные струи 5 формируют на поверхности первого светочувствительного заряда взрывчатого вещества 6 матрицу «горячих точек», что приводит к надежному инициированию процесса дефлаграции первого заряда взрывчатого вещества. Зажигание первого заряда взрывчатого вещества 6 начинается в «горячих точках». Концентрация «горячих точек» зависит от числа и характерного размера мезоразмерных диэлектрических устройств 4, а также мощности оптического источника излучения.
Например, для диаметра сердцевины оптоволоконного кабеля порядка 50 мкм и характерном размере диэлектрических мезоразмерных устройств, формирующих фотонные струи порядка 3λ, где λ=0,5 мкм, длина воны излучения, 2D матрица мезоразмерных диэлектрических устройств будем содержать порядка 1000 фотонных струй с шагом 1,5 мкм. Повышенная интенсивность оптического поля в области фотонной струи достигается за счет субволновой фокусировки излучения.
Горение первого светочувствительного заряда 6 вызывает метание тонкой металлической пластины 7 через зазор 8 в сторону второго заряда взрывчатого вещества 9. При ударе металлической пластины 7 о поверхность второго заряда взрывчатого вещества 9 возникает ударная волна, которая вызывает детонацию последнего, что приводит к срабатыванию оптического инициатора.
2
В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO с коэффициентом преломления 1,538 на длине волны 0,7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1,59 на длине волны 0,532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов / Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1,2 до 1,8.
Одним из примеров диэлектрических частичек, например, микросфер, которые могут быть использованы для производства таких фотонных струй, являются стекловолокно из боросиликатного стекла серии 9000 и микросферы из натрий-кальциевого стекла, продаваемые Duke Scientific Corporation.
Показатель преломления материала диэлектрических частиц будет различным для разных длин волн оптического излучения, например, для диэлектрических частичек из боросиликатного стекла показатель преломления на разных длинах волн может составлять: 1,60425 при 400 нм, 1,56442 при 632,8 нм и 1,56031 при 700 нм.
Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ №2350996], 3D-принтера и т.д.
Высокая надежность работы устройства оптического инициирования зарядов обусловлена высокой концентрацией формируемых «горячих точек» и высокой интенсивностью излучения в области формируемых фотонных струй.