Диплом Исследование распределения электропроводности в пересжатых детонационных волнах в конденсированн
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-24Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Введение
Литературный обзор
Несмотря на многочисленные исследования в области взрыва ряд физических процессов, сопутствующих детонации взрывчатых веществ, в настоящее время изучен недостаточно полно. К подобным явлениям относится высокая электропроводность продуктов взрыва в детонационной волне.
Полученные значения электропроводности лежат в интервале от 0.1 Ом-1см-1 до 100 Ом-1см –1. Такие значения величины электропроводности приведены в работах [1-8].
Электропроводность продуктов взрыва вблизи фронта детонации изучается уже более 50 лет, однако на данный момент нет единого мнения относительно природы этого явления, что в первую очередь объясняется отсутствием достаточного достоверного экспериментального материала, а также своеобразным состоянием вещества в детонационной волне.
Отсутствие общепризнанной модели проводимости сдерживает применение методов электропроводности к исследованию физики детонации и ударных волн, приводит к ошибочной интерпретации экспериментальных результатов, к спекуляциям при объяснении экспериментальных результатов, полученных методом электропроводности, сдерживает развитие взрывных технологий.
Интерес к исследованию электропроводности и её распределения в детонационных волнах в конденсированных ВВ вызван физикой детонации, электрическими свойствами вещества при высоких плотностях энергии, практическим применением ВВ для получения мощных электрических импульсов и сверхсильных магнитных полей, развитием взрывных технологий. Исследование электропроводности стимулировалось тем обстоятельством, что измеренная величина электропроводности оказалась на несколько порядков выше оценённой по температуре проуктов детонации [1]. Особый интерес к исследованию электропроводности в детонационных волнах вызван конденсацией свободного, химически не связанного углерода [21] и металлов из металлоорганических веществ в детонационных условиях [22]. Явления конденсации и электропроводности неразрывно связаны и механизм одних явлений может пролить свет на механизм других. Электропроводность следит за состоянием вещества в детонационной волне, следовательно, детально изучив явление электропроводности, можно получить информацию об экстремальном состоянии вещества.
В существующих работах в разное время рассматриваются следующие различные причины, приводящие к возникновению высокой электропроводности в продуктах детонации, такие как термическая ионизация, химическая реакция во фронте волны, увеличение плотности вещества под действием высоких давлений. Также предлагался механизм термоэмиссии электронов с углеродных частиц для тротила, а для тротила и смеси тротила c гексогеном ещё и механизм проводимости по образующейся «сетке» углеродных частиц. Авторами [5], без достаточного обоснования предложена гипотеза ионной проводимости, механизм которой не позволяет описать поведение электропроводности в детонационной волне. Для детонационных процессов давления составляют величины порядка 10 - 50 ГПа, массовые скорости порядка 2 км/с, температуры порядка 2500 – 4000 К и плотности вещества 1 – 3 г/см3. Такое экстремальное состояние вещества не позволяет широко применить теоретические методы исследования электрофизических свойств продуктов детонации. Поэтому в изучении электропроводности важное место занимают экспериментальные методы. Для исследования явления наиболее удобны электроконтактный и электромагнитный методы [1]. Электромагнитный метод труден для реализации [19], малодоступен для исследователей и не имеет преимуществ перед контактным методом, поэтому широкое распространение получил электроконтактный метод измерений, простой и удобный в применении.
Электроконтактный метод измерений основывается на регистрации напряжения, снимаемого с электродов, погружённых в продукты детонации [1]. Измерение быстроменяющегося во времени сопротивления проще всего осуществляется при помощи осциллографа со ждущей разверткой. Регистрация электрических явлений при взрыве имеет ряд особенностей, предъявляющих специальные требования к измерительной схеме. Значительные электрические заряды и электромагнитные возмущения, возникающие при взрыве и его инициировании, могут являться источниками электрических помех, искажающих осциллографическую запись и затрудняющих ее однозначную расшифровку. Подобные помехи особенно существенны при использовании измерительных схем с малыми амплитудами выходных сигналов, когда необходимо применять дополнительное усиление. Поэтому широко известные в практике электрических измерений различные мостовые схемы, где выходные напряжения составляют сотые и десятые доли вольта, мало пригодны для измерения электропроводности продуктов взрыва. Наиболее достоверные результаты оказывается возможным получить с помощью специальных измерительных схем, выходные напряжения которых для различных сопротивлений продуктов взрыва лежат в интервале 10—100 вольт и могут непосредственно регистрироваться осциллографом без предварительного усиления. Основные количественные закономерности выявляются при помощи прямых электроконтактных измерений электрического сопротивления продуктов взрыва.
Принципиальная схема метода показана на рис.1. Накопительный конденсатор предварительно заряжается до напряжения порядка 1 киловольта. При взрыве заряда напряжение подается на пусковой электрод тригатрона. При этом конденсатор разряжается через высоковольтное сопротивление, назовём его токовым, и два параллельно включенных сопротивления, исследуемое сопротивление продуктов детонации и шунтирующее измерительное сопротивление. Сопротивление продуктов детонации до прихода детонационной волны на электроды равно бесконечности и становится соизмеримым с сопротивлением шунта в момент, когда фронт детонации достигает вершин металлических электродов, введенных в исследуемый заряд с торца, противоположного точке инициирования. Параллельно сопротивлению шунта включен коаксиальный кабель, передающий напряжение на осциллограф. Если высоковольтное токовое сопротивление намного превышает сопротивление шунта и исследуемое сопротивление, то разрядный ток в цепи конденсатора практически не зависит от исследуемого сопротивления. Для определения сопротивления продуктов детонации можно с достаточно хорошим приближением использовать соотношение:
Rx = UxR
о
/(Uo - Ux), (1)
где Uo и Ux - соответственно напряжение на электродах до момента подхода детонационной волны к вершине электродов и после возникновения зоны высокой проводимости, R
о – сопротивление шунта. Особенность такого метода регистрации быстроменяющихся сопротивлений - отсутствие необходимости абсолютных измерений напряжений.
Анализ схемы рис. 1 показал, что наибольшая точность измерений достигается при шунтирующих сопротивлениях, близких по значениям к исследуемым сопротивлениям. Расширение предела измерений в область малых сопротивлений ограничивается скоростью нарастания тока в измерительном контуре, определяемой индуктивностью измерительной ячейки.
Описанной методикой разными авторами проведено множество основных экспериментов. В качестве электродов авторы применяли разведённые на расстояние
Применением проволочных электродов измеряется проводимость продуктов детонации в зоне, невозмущённой волнами боковой разгрузки, проводимость воздуха в боковой ударной волне, проводимость разлетающихся продуктов взрыва и оболочки заряда, причём ситуация усугубляется наличием краевого эффекта. В работе с короткими электродами вклад в измерения вносит ударная волна, отражённая от торца заряда [4,5]. Таким образом, трудно говорить о достоверности величин электропроводности исследуемых взрывчатых веществ, хотя электролитическое моделирование способно дать их оценку.
Восстановление распределения электропроводности по измеренной проводимости является обратной задачей. Решение обратных задач сопряжено со значительными трудностями. В связи с этим развитие экспериментальных методик приобретает важное, определяющее значение.
Авторами [1] исследована электропроводность в сплаве ТГ 50/50, в зарядах насыпной плотности ТГ 50/50, в гексогене, тротиле, тэне, тетриле и в азиде свинца, получены представления о распределении электропроводности за детонационным фронтом. Показано, что с точностью измерений 10-8с электропроводность возникает сразу за фронтом инициирующей ударной волны. Для сплава ТГ 50/50 изучено влияние давлений на поведение электропроводности (при 700 кбар электропроводность 100 Ом-1см-1).
Авторы [1] на основании своих результатов приходят к выводу, что в насыпных малоплотных зарядах ВВ основное влияние на образование зоны высокой электропроводности оказывают высокие температуры, в плотных зарядах высокие плотности при детонационных давлениях (металлизация).
Определённый интерес представляет работа [2]. В ней впервые сделана попытка исследования распределения электропроводности в детонационной волне. Измерения проводимости проводились с временным разрешением 0,25 нс. Однако, всё время измерений составило в ТНТ и нитрометане 20 нс, а в композите В 200 нс, что позволило произвести измерения только на участке нарастания электропроводности. В этой работе измерения проведены в жидком тротиле (»100 Ом-1см-1) и выдвинута гипотеза о проводимости продуктов детонации по „сетке” графитовых частиц в продуктах детонации тротила.
Впервые распределение электропроводности в детонационной волне в насыпных тэне и гексогене получено авторами [9]. Эксперименты показали наличие в распределении зоны высокой электропроводности и зоны низкой остаточной. Из-за нецилиндричности волны и низкого качества зарядов пространственное разрешение оказалось низким.
Более качественные результаты (пространственное разрешение – доли мм) получены при использовании дифференциальной методики [10]. Эксперименты проводились с насыпным тэном и гексогеном в зарядах Æ6 мм, помещённых в массивную стальную оболочку. Полученные результаты подтвердили результаты [9]. Распределение электропроводности в детонационной волне имеет две зоны: зону высокой электропроводности шириной »
Большой объём исследований электропроводности продуктов детонации выполнен школой Дремина А.Н. [4]. Авторы использовали методику [1]. Электроды погружались в продукты детонации на глубину 3-
Заслуживает внимания тщательно выполненная работа [7]. В ней методом электропроводности исследована детонация тротила и его сплавов с гексогеном в зарядах диаметром
Современные работы предлагают методики свободные от присутствия в экспериментах трудностей связанных с краевыми эффектами и разлётом заряда [6]. Повышается временное разрешение, а времена дискретизации доводятся до 10 наносекунд. Однако усовершенствования утрачивают преимущества, имевшиеся ранее. Так в работе [6] отсутствует стационарность процесса детонации, что может привести к наблюдению совершенно других явлений, а с количеством взрывчатого вещества, применяемым в экспериментах, способна работать не каждая лаборатория. В частности, в начале измерений методика регистрирует проводимость ударно сжатого тротила без детонации. В продуктах детонации тротила получена максимальная электропроводность »250 Ом-1см-1.
В работе [13] качественно и количественно рассмотрено влияние ударно-волновых и краевых эффектов на измерение проводимости продуктов детонации контактной методикой. Экспериментально продемонстрирована „деформация” восстанавливаемого распределения электропроводности в зависимости от постановки эксперимента. В этой работе также подтверждено существование двух зон проводимости. Предложена постановка экспериментов для измерения проводимости невозмущенных, не затронутых волнами разгрузки продуктов детонации.
При рассмотрении процессов, сопровождающих исследования явления проводимости при детонации взрывчатых веществ, очевидны основные недостатки измерительного метода (рис.6). Помимо сопротивления продуктов детонации, незатронутых волнами боковой разгрузки, из-за наличия краевого эффекта при замыкании измерительных электродов меряется и сопротивление воздуха в ударной волне, и сопротивление разлетающихся продуктов детонации, и оболочки заряда. Присутствующий в измерениях краевой эффект учесть практически невозможно. Временное разрешение измерительной аппаратуры может быть недостаточным для регистрации сигналов в экспериментах. Разрешающая способность измерительной ячейки, определяемая временем нарастания тока в измерительном контуре, может не позволить наблюдать высокие значения электропроводности.
Следует понимать, что исследовать нужно проводимость невозмущённых продуктов детонации, так как именно электропроводность невозмущённых продуктов детонации несёт информацию о процессах, происходящих в детонационной волне.
В связи с вышеперечисленным, автор работы применил для исследований измерительную методику, свободную от вышеперечисленных недостатков, и позволяющую получить распределение и величину электропроводности невозмущённых продуктов детонации взрывчатого вещества. Данная методика измерений была опробована в экспериментах с октогеном в более ранней работе автора [13].
Задачи работы
Автору дипломной работы было предложено продолжить исследования электропроводности продуктов детонации. Основной задачей являлось перейти к изучению распределения электропроводности конденсированных взрывчатых веществ за фронтом пересжатой детонации. Объектом исследования выбраны такие взрывчатые вещества как октоген, гексоген, тэн и тотил. Цель исследований – получить информацию, способную выявить природу возникновения электропроводности за фронтом детонационной волны. В связи с этим автору необходимо было сравнить результаты, полученные при нормальной и пересжатой детонации взрывчатых веществ, а также посмотреть на свойства проводимости ударно сжатых органических веществ, на примере стеариновой кислоты и её солей.
Работа выполнялась в лаборатории физики взрыва Института гидродинамики СО РАН. Лаборатория имеет многолетний опыт в области экспериментального исследования быстропротекающих процессов, регистрации быстроизменяющихся сигналов. Необходимое для работы специальное оборудование, такое как взрывная камера, высоковольтные генераторы импульсов, регистрирующая аппаратура, лаборатория предоставила.
электропроводность детонация взрывчатое вещество
1. Методика эксперимента
1.1 Организация измерительной линии
Проведение экспериментов, связанных с исследованием взрывчатых веществ, сопряжено с рядом трудностей. Исследователю приходится иметь дело с высокоскоростными процессами с характерным временем десятые доли микросекунды и меньше. Для проведения работ экспериментатору требуются различные типы генераторов высоковольтных импульсов напряжения и отлаженные, синхронизированные по времени системы регистрации сигналов. Значительные заряды и электромагнитные возмущения, появляющиеся при взрыве, являются источниками электрических помех, поэтому измерительная линия должна быть тщательно согласована. Лаборатория обязана быть снабжена необходимой аппаратурой и оборудованием, неотъемлемым требованием является наличие взрывной камеры.
Взрывные работы проводились на объекте №8 Института гидродинамики СО РАН с использованием взрывной камеры №6, рассчитанной на подрыв заряда тротила, не превышающего
Высоковольтный генератор импульсов успевает выдать за 10 мксек ток порядка 1000 А, удовлетворяя требования подрыва применяемого высоковольтного детонатора ЭДВ-1. Генератор постоянного тока реализован на разрядке конденсатора ёмкости С = 100 мкФ через высоковольтное сопротивление таким образом, что характерное время разрядки RC контура много больше времени исследуемого процесса, а измеряемые сопротивления значительно меньше высоковольтного сопротивления [1], так что измерения осуществляются при практически постоянном токе. Напряжение заряженного конденсатора составляло 700 вольт, а значение высоковольтного резистора варьировалось от 7 Ом до 70 Ом, в зависимости от эксперимента. Для проведения экспериментов использовались коаксиальные кабеля «Nokia» с волновым сопротивлением 56 Ом. Осциллограф давал ограничение на измеряемый сигнал напряжения, который не должен был превышать значение 50 вольт, и обеспечивал дискретизацию по времени в 2 наносекунды.
1.2 Постановка эксперимента
Для исследования проводимости продуктов детонации применялся электроконтактный метод измерений. Схема, применяемая для измерения сопротивления продуктов взрыва, идейно не отличалась от измерительной схемы [1], показанной на рис.1. Изменилась лишь конфигурация измерительных электродов – внешний цилиндрический электрод, коаксиально расположенный по отношению к внутреннему заглубленному стержню.
Исследуемый цилиндрический заряд взрывчатого вещества инициируется с торца детонатором ЭДВ-1 с применением генератора плоской волны. Характерная экспериментальная сборка показана на рис.4. По взрывчатому веществу распространяется детонационная волна. Размеры заряда выбраны таким образом, что до её прихода на электроды успевает установиться стационарная детонация. В момент, когда фронт детонации достигает вершин электродов, введённых в исследуемый заряд с торца, проводящие продукты детонации замыкают электроды. Сопротивление продуктов детонации шунтируется сопротивлением Rо, с которого снимается сигнал напряжения. Сопротивление шунта Rо подбиралось равным сопротивлению Rx продуктов детонации и составляло значения от 0.1 Ома до 5 Ом в зависимости от проводимого эксперимента. Постоянный ток, подаваемый на измерительную ячейку, обеспечивается разрядом конденсатора большой ёмкости через высоковольтное сопротивление RВ, значительно большее, чемRо и Rx. Максимальное значение напряжения конденсатора составляло 700 вольт, а значения сопротивления RВ варьировались от 7 Ом до 70 Ом в зависимости от проводимого эксперимента. По измеряемому напряжению без труда вычисляется сопротивление продуктов детонации:
Rx = (RоUx + L(dU/dt))/(Uo - Ux) - r, (2)
где Uo и Ux - соответственно напряжение на электродах до момента подхода детонационной волны к вершине электродов и после возникновения зоны высокой проводимости, Rо – сопротивление шунта, r – паразитное сопротивление измерительных проводов, L – индуктивность измерительной ячейки.
Сборка заряда взрывчатого вещества была различной в зависимости от цели проведения эксперимента. Так в экспериментах, где измерялась проводимость в условиях нормальной детонации, исследуемое взрывчатое вещество полностью заполняло оргстеклянную оболочку. Для измерения проводимости в условиях пересжатой детонации исследуемое взрывчатое вещество распологалось лишь внутри цилиндрического электрода, а остальной объем оргстеклянной оболочки заполняло более плотное взрывчатое вещество с большей скоростью детонации. Для данной работы таковым веществом был выбран гексопласт, ввиду удобства и простоты работы с ним.
В отдельных экспериментах проводилось рентгенографирование детонирующего заряда для исследования поведения электродов измерительной ячейки при прохождении детонационной волны. Рентгеновской съёмкой регистрировалось положение электродов цилиндрического заряда октогена диаметром
1.3 Измерение плотности и скорости детонации для использованных взрывчатых веществ
Результаты экспериментов и их повторяемость зависят от тщательности приготовления зарядов, поэтому процесс изготовления зарядов для каждого эксперимента обязан быть идентичным. Для получения одинаковых зарядов насыпных взрывчатых веществ применялся специальный метод. Объём, предназначенный для заполнения его взрывчатым веществом, находился под действием внешних механических колебаний. Колебания создавались источником вибрации – шэйкером. Вибрирующий объём медленно заполнялся взрывчатым веществом.
Аналогичная проблема идентичности возникает при изготовлении литых зарядов. Оказалось, что результаты экспериментов, выполненных с использованием зарядов литого тротила, приготовленных обычным способом, сильно различаются. Причина расхождений результатов содержится именно в способе заливки заряда. Приготовление литых зарядов методом медленной послойной заливки позволило добиться повторяемости экспериментальных данных.
В экспериментах с пересжатой детонацией использовался гексопласт, пластичное плотное взрывчатое вещество, и поэтому проблем с приготовлением зарядов не возникало.
Оценка идентичности зарядов проводилась по результатам измеренной плотности и скорости детонации получаемого заряда взрывчатого вещества.
Детонационные скорости определялись отношением длины измерительных электродов к времени прохождения детонационной волны по электродам. Для определения момента прохождения измерительных электродов детонационной волной использовался стандартный контактный датчик. Полученные значения скоростей детонации приведены в таблице 1.
Плотность взрывчатого вещества в приготовленном заряде определялась из отношения массы взрывчатого к объёму, занимаемому взрывчатым веществом. Масса измерялась на весах. Полученные значения плотностей приведены в таблице 1.
Значения полученных плотностей взрывчатых веществ и скоростей детонации в пределах погрешности измерений совпадают с данными по плотностям и скоростям детонации приведёнными в [3].
1.4 Индуктивность измерительной ячейки
Индуктивность измерительной ячейки влияет на время падения тока в шунтирующем сопротивлении Ro при подключении быстро меняющегося сопротивления продуктов детонации. Поэтому в экспериментах следует применять измерительную ячейку с наименее возможным значением индуктивности. Для этого, в итоговой измерительной ячейке сопротивление шунта Ro закреплялось непосредственно на самом заряде с соблюдением наименее возможных размеров измерительного контура. Таким образом, для получения результата сопротивлением Ro попросту жертвовали. Индуктивность коаксиальной измерительной ячейки складывается из индуктивности цилиндрической системы электродов и индуктивности присоединяемого контура, содержащего шунтирующее сопротивление. Конструкция измерительной ячейки изображена на рис.4.
Из-за невозможности измерения индуктивности контура шунтирующее сопротивление – измерительная ячейка ввиду её малости величина её определялась следующим образом. Строилась зависимость индуктивности измерительной ячейки от длины контура. Изначально была приготовлена измерительная ячейка, показанная на рис.7, с большой длиной контура. С постепенным уменьшением длины контура, приборно измерялась индуктивность. Полученная кривая хорошо ложится на прямую с наклоном dL/dx = 11 нГн/см, что показано на рис.7. Учитывая, что индуктивность цилиндрической системы оценена как 15 нГн, а индуктивность применяемого в экспериментах контура длиной
Индуктивность цилиндрической системы электродов в пренебрежении краевым эффектом оценивалась из выражения:
где b и а - диаметры наружного и внутреннего электродов, l – длина электродов.
1.5 Восстановление электропроводности продуктов детонации
Поведение электрических зарядов удовлетворяет уравнению непрерывности.
Время τ установления стационарного распределения электрического поля определяется электропроводностью продуктов детонации и оказывается равным 10-11-10-12с, что гораздо меньше всех детонационных времён.
Малость величины τ позволяет упростить уравнение непрерывности.
Тогда уравнение непрерывности выглядит таким образом
Использовав закон ома
перейдем к уравнению следующего вида
Откуда получаем уравнение
Член
где b и а - диаметры наружного и внутреннего электродов, D - скорость детонации, измеряемая в каждом эксперименте, l - проводимость, величина обратная сопротивлению. Аналогичным выражением для получения электропроводности пользуются авторы [7].
По сигналу напряжения вычислялось сопротивление продуктов детонации. Обратное значение сопротивления l - проводимость, которая воспроизводилась как кривая зависимости от времени. Использование цифровой аппаратуры в экспериментальных измерениях приводит к тому, что перед дифференцированием полученной зависимости проводимости от времени приходится обработать эту кривую специальным образом. Другими словами, для получения производной проводимости по времени, значения кривой проводимости усреднялись по соседним точкам. Во избежание потери информации при усреднении проводилось сравнение значений первых производных проводимости у экспериментальной кривой и обработанной кривой проводимости. Такой критерий оказался достаточным в рассматриваемой задаче получения распределения электропроводности.
2. Полученные результаты и их анализ
2.1 Результаты экспериментов при нормальной детонации октогена, гексогена и тэна
Осциллограмма, приведенная на рис.8 – результат эксперимента с насыпным октогеном при нормальной детонации. Первоначально постоянный ток протекает через шунтирующее сопротивление и напряжение постоянно. Затем детонационная волна достигает измерительных электродов, параллельно шунтирующему сопротивлению подключается сопротивление продуктов детонации, напряжение на измерительных электродах начинает изменяться. Сигнал напряжения быстро спадает за время 0,1 мксек, затем за 1 мксек, медленно меняясь, становится постоянным. Быстрый спад напряжения говорит о подключении к электродам узкой зоны проводимости. Выход сигнала на постоянное значение свидетельствует о стационарности распространения детонации и конечной зоне проводимости. На осциллограмме виден второй сигнал напряжения – это результат действия контактного датчика. Данная ячейка задумывалась таким образом, чтобы её индуктивность была как можно меньше. Для этого шунтирующее сопротивление устанавливалось непосредственно на самом заряде, таким образом, размеры измерительного контура были по возможности минимальными. В результате удалось зарегистрировать быстрое изменение сигнала напряжения, что отразилось в результатах, показанных на рис.9, где показано полученное для октогена распределение электропроводности. Распределение имеет зону высокой электропроводности шириной
Отдельно следует отметить участок шириной порядка
При выходе детонационной волны на торец из оргстекла в измерительной ячейке осциллограмма напряжения ведет себя следующим образом, а именно, напряжение резко возрастает, что свидетельствует о росте сопротивления или уменьшении проводимости измерительной ячейки.
На рис.10 – рис.13 приведены осциллограммы и распределения электропроводности в детонационных волнах, восстановленные по измеренной проводимости для продуктов детонации гексогена и тэна. Поведение полученных кривых подобно кривым насыпного октогена, результаты схожи, отличие лишь в величинах электропроводности и пространственных размеров. Электропроводность на расстоянии 0,1-
0,1 Ом-1см-1 и в гексогене, и в тэне и дальше остаётся практически постоянной. Основные полученные результаты отражены в таблице 1 и таблице 2.
Полученные результаты подтвердили результаты работ [9,10]. Распределение электропроводности в исследованных ВВ имеет две зоны электропроводности: зону высокой электропроводности и зону относительно низкой электропроводности в равновесных продуктах детонации.
2.2 Результаты экспериментов при нормальной детонации тротила
Об экспериментах с тротилом стоит поговорить отдельно. Постановка экспериментов аналогична описанной выше постановке с октогеном, гексогеном и тэном.
На рис.14 показана осциллограмма, полученная в эксперименте с насыпным тротилом при нормальной детонации. В поведении зависимости напряжения есть характерные отличия от осциллограмм октогена, тэна и гексогена. Схожесть экспериментов в том, что участок с особенным поведением, где электропроводность падает до сравнительно малых значений, он отмечен стрелкой на рис.14. А отличие результатов в том, что при выходе детонации на торец оргстеклянной оболочки, напряжение начинает заметно убывать, а проводимость продуктов детонации, соответственно, возрастать.
На рис.15 показано полученное для насыпного тротила распределение электропроводности. Распределение имеет зону высокой электропроводности шириной
. На рис.16 показана осциллограмма, полученная в эксперименте с литым тротилом при нормальной детонации. В поведении зависимости напряжения заметны характерные отличия от осциллограмм, описанных ранее. Участок с особенным поведением, где электропроводность падает до сравнительно малых значений, отмечен стрелкой на рис.16. Визуально этот участок определить трудно, но он четко проявляется при обработке осциллограммы, а именно при дифференцировании.
По осциллограмме видно, что при выходе детонации на торец оргстеклянной оболочки, напряжение не возрастает, а наоборот уменьшается скачком, проводимость продуктов детонации, соответственно, увеличивается на порядки. Общая картина осциллограммы напоминает двойную ступеньку. Первый спад связан с приходом детонационной волны на измерительные электроды, второй спад связан с выходом детонации на торец заряда – где взрывчатое вещество контактирует с оргстеклом. Вторая ступенька напоминает первую, причем поведение спадов напряжения подобны. На спадах повторяется и особенность поведения электропроводности. Этот факт свидетельствует о неслучайном явлении особенности, а также особенность – это не паразитный электрический сигнал, который зависит от схемы эксперимента.
Второй факт в защиту особенности – это эксперимент с октогеном, в котором при одном подрыве взрывчатого вещества сначала измерялась электропроводность на замыкании измерительных электродов, а затем сразу же на размыкании этих электродов. Замыкание электродов – это появление зоны проводимости на измерительных электродах. Размыкание же – это исчезновение зоны проводимости на электродах, для этого электроды изолировались тонким слоем оргстекла. Особенность наблюдалась и в первом и во втором случае. Осциллограмма данного эксперимента приведена на рис.27, особенности указаны стрелками.
На рис.17 показано полученное для литого тротила распределение электропроводности. Распределение имеет зону высокой электропроводности шириной
Эксперименты с литым тротилом проводились при малых шунтирующих сопротивлениях, и поэтому влияние индуктивности измерительной ячейки оказалось существенным. Необходимо упомянуть, что величина пика электропроводности сильно зависит от индуктивности ячейки в данном случае. Поэтому следует помнить, что значение электропроводности 70 Ом-1см-1 среднее и лежит в интервале от 40 Ом-1см-1 до 100 Ом-1см-1. Основные полученные результаты отражены в таблице 1 и таблице 2.
2.3 О влиянии краевого эффекта
Влияние краевого эффекта не учитывалось при обработке экспериментов. В работе [7] дан математический расчет оценки влияния краевого эффекта и, как вывод, указано пространственное разрешение равное 2 –
2.4 Результаты экспериментов при пересжатой детонации октогена, гексогена, тэна и тротила
Пересжатая детонация исследуемого взрывчатого вещества осуществлялась следующим образом. Внутренний объем цилиндрического электрода полностью заполнялся исследуемым взрывчатым веществом, а остальной объем оргстеклянной оболочки заполнялся взрывчатым веществом гексопласт так, чтобы оно полностью окружало цилиндрический электрод. Скорость детонации гексопласта составила 7.6 км/с. Стационарная детонация исследуемого вещества внутри цилиндрического электрода устанавливалась на размере менее
На рис.18 – рис.25 показаны результаты, полученные в экспериментах с насыпными октогеном, гексогеном, тэном и тротилом при пересжатой детонации. В осциллограммах напряжения заметно характерное поведение кривых. При замыкании измерительных электродов детонационной волной напряжение падает очень быстро. Участки с особенным поведением, где электропроводность падает до сравнительно малых значений, отмеченные на рисунках стрелкой, выражены очень четко. По осциллограммам октогена, гексогена и тэна видно, что при выходе детонации на торец оргстеклянной оболочки, напряжение возрастает. На осциллограмме тротила напряжение наоборот спадает.
На рисунках приведены восстановленные распределения электропроводности. Ход распределений электропроводности в октогене, гексогене и тэне практически не изменился. Однако сильно выросли максимальные значения в пике, в октогене в 3 раза, в гексогене в 18 раз, в тэне в 37 раз. Практически на порядок, кроме октогена, выросла электропроводность в равновесных продуктах детонации. Каждое распределение имеет пик шириной
Максимальные значения электропроводности в пике 20 Ом-1см-1,
27 Ом-1см-1 и 35 Ом-1см-1 в октогене, гексогене и тэне соответственно. В равновесных продуктах детонации 1 Ом-1см-1,1 Ом-1см-1 и 4 Ом-1см-1 соответственно. Основные полученные результаты отражены в таблице 1, таблице 2 и таблице 3.
В насыпном тротиле электропроводность в пике выросла до 55 Ом-1см-1, более чем на порядок. Ширина пика, или другими словами падение электропроводности на порядок от максимальной, составила приблизительно
2.5 Анализ результатов
Приведённые выше результаты подтверждают наличие в детонационных волнах двух зон электропроводности. Зону высокой электропроводности скорее следует отнести к зоне деструкции вещества и химической реакции. Зона относительно низкой электропроводности в равновесных продуктах детонации отделена от зоны высокой электропроводности узкой областью с электропроводностью меньшей на порядок. Ширина этой особенности составляет около
Наблюдающийся факт изменения напряжения при выходе детонационной волны на торец оргстеклянной оболочки, уменьшение напряжения у тротила и увелечение у октогена, гексогена и тэна, говорит о различном поведении проводимости в волне разгрузки тротила и остальных исследованных веществ. Характер электропроводности октогена, гексогена и тэна одинаков. Стоит отметить, что при выходе детонации на торец из оргстекла в продукты детонации идет волна именно разгрузки. Этот факт был проверен в экспериментах по исследованию на синхротронном излучении ударного сжатия оргстекла, где на оргстекло падала детонационная волна насыпного тротила.
Продукты детонации насыпного тротила в равновесной зоне и при нормальной детонации и при пересжатии не дают сильного различия в величине электропроводности, а в октогене, гексогене и тэне отличия сильные. Это подтверждает факт о различных механизмах проводимости продуктов детонации тротила и продуктов детонации октогена, гексогена и тэна.
Механизмы проводимости в зоне неравновесных продуктов детонации и в зоне равновесных продуктов обязаны быть различными. В связи с изложенным, единым механизмом объяснить весь спектр электропроводности продуктов детонации невозможно.
Пик высокой электропроводности очень узкий, и химическая реакция, по-видимому, является фактором исчезновения пика. За химической реакцией продукты детонации находятся в равновесной зоне и обладают более низкой проводимостью и сравнительно широкой пространственной протяженностью. Переход от зоны равновесных продуктов к неравновесным сопровождается особенным участком, который, вероятно, отмечает конец химической реакции, и на котором величина электропроводности на порядки ниже величины остаточной равновесной проводимости.
Полученные данные о величинах электропроводности и о пространственной структуре зоны проводимости позволяют конкретнее проанализировать имеющиеся возможные механизмы проводимости, а также дают толчок к исследованию структуры самой детонационной волны.
3. О природе электропроводности конденсированных взрывчатых веществ
3.1 Гипотезы проводимости продуктов детонации
Основными вопросами, возникающими при исследовании проводимости вещества и продуктов детонации в том числе, являются тип носителей тока, их концентрация, природа возникновения и время релаксации или длина свободного пробега. Поскольку прямое экспериментальное определение типа носителей в продуктах детонации не произведено, речь может идти только о гипотезах механизмов проводимости продуктов детонации.
Как следует из приведённых выше результатов, в детонационных волнах исследованных взрывчатых веществ имеются две области электропроводности, высокой в неравновесных и низкой в равновесных продуктах детонации. Скорее всего, механизмы проводимости в них различны. По-видимому, в продуктах детонации тротила преобладает механизм проводимости, отличный от механизмов в продуктах других взрывчатых веществ. Единым механизмом объяснить весь спектр электропроводности продуктов детонации невозможно, но, тем не менее, стоит рассмотреть выдвинутые ранее и получившие наибольшее распространение гипотезы, с помощью которых предприняты попытки объяснения механизма проводимости продуктов детонации с единой точки зрения.
Первая гипотеза призвана объяснить „аномально” высокую, как считалось ранее, электропроводность тротила. Она основана на относительно высоком содержании в продуктах детонации конденсированной фазы свободного, химически не связанного, углерода. Считалось, что в детонационной волне в тротиле углерод конденсируется в графит, имеющий электропроводность порядка 103 Ом-1см-1. Гипотеза высказана Хейзом [2]. Высокая электропроводность продуктов детонации тротила вызвана возникновением контактов между графитовыми частицами, иными словами образуется „сетка” из графитовых частиц, высокая же электропроводность графита обеспечивает по „сетке” высокую электропроводность продуктов детонации тротила. Гипотеза подкупает своей простотой и наглядностью.
Однако, гипотеза „сеточной” проводимости имеет ряд недостатков. Во-первых, согласно [24] графита в конденсированной фазе углерода сохранённых продуктов детонации тротила нет, имеются ультрадисперсные алмазы, луковичные структуры и аморфный углерод, все они имеют заведомо более низкую электропроводность, чем графит. Далее, для токопроводящих контактов между конденсированными частицами углерода необходимы силы, прижимающие их к друг другу. В продуктах детонации таких сил нет. Измеренная электропроводность сохранённых твёрдых продуктов детонации тротила при давлении в 3,6 кбар составила 7 Ом-1см-1, электропроводность графита в тех же условиях составила 44 Ом-1см-1. Кроме того, „сетка” должна разрушаться при разлёте продуктов детонации. Поведение же электропроводности при детонации тротила не коррелирует с газодинамикой разлёта продуктов детонации. Более того, как показывали проведенные исследования проводимости в тротиле, по крайней мере, в начале разгрузки продуктов детонации тротила электропроводность возрастает на порядок, что коренным образом противоречит проводимости по „сетке”. Наличие же особенности на поведении электропроводности совершенно невозможно объяснить „сеточной” проводимостью. В связи с изложенным, „сеточный” механизм проводимости будем считать маловероятным.
Вторая гипотеза, гипотеза ионной проводимости продуктов детонации, предложена авторами [5], и далее развита в [25,26]. Гипотеза возникла в результате того, что авторы [5] не обнаружили в своих экспериментах зону высокой электропроводности в детонационном фронте. Поэтому электропроводность связывалась не с химической реакцией, а с областью высоких давлений.
В основу гипотезы ионной проводимости положены: возникновение электрических сигналов на разнородных металлических электродах, погруженных в продукты детонации, высокая ( порядка 10 Ом-1см-1 при давлении порядка 200 кбар) электропроводность ударно сжатой воды и прозрачность для видимого света продуктов детонации смеси нитрометана с тетранитрометаном в определённой пропорции [27].
Что касается прозрачности для видимого света продуктов детонации, то надо заметить сразу, авторы ионной гипотезы или не знакомы с работой [27], на которую они ссылаются, или лукавят. В работе [27] приведены результаты исследований заряда толщиной
Сигналы порядка 1 В, возникающие на разнородных металлах, погруженных в продукты детонации, не могут свидетельствовать в пользу ионной гипотезы, поскольку являются проявлением поверхностного эффекта, в противоположность электропроводности, связанной с объёмными свойствами вещества. Электрические сигналы на разнородных металлических электродах 1-3 В возникают при погружении их в ударносжатые газы [28], в которых механизм проводимости заведомо электронный. Таким образом, и этот аргумент не имеет отношения к гипотезе ионного механизма проводимости.
Ударно сжатая вода [29] до давлений в 200 кбар имеет электропроводность равную по величине 10 Ом-1см-1. Вода присутствует во всех продуктах детонации взрывчатых веществ состава CNHO, её доля составляет 10-40%. Диссоциация воды при высоких давлениях на ионы H3O+ и OH– по мнению авторов [25] может объяснить электропроводность в 1-4 Ом-1см-1, если считать её ионной. При этом авторы [25] полагают подвижность ионов в ударно сжатой воде и в ПД одинаковой.
Сравнение электропроводности ударно сжатой воды с электропроводностью продуктов детонации не правомерно. Во-первых, механизм проводимости ударно сжатой воды дискуссионный. В частности он может быть перескоковым из-за близости ионов друг к другу, а значит электронным. В продуктах детонации ионы разрознены и такой механизм маловероятен. Во-вторых, ионы в ударно сжатой воде окружены ионами, в отличие от продуктов детонации, где они окружены в основном нейтральными молекулами. В результате подвижности ионов должны резко отличаться.
Гипотеза ионной проводимости испытывает трудности при объяснении устойчивости отрицательных ионов в детонационных условиях, не объясняет возникновения проводимости при детонации взрывчатых веществ, не содержащих водорода, противоречит уменьшению электропроводности с ростом воды при детонации смесей тротила с гексогеном [30], не может объяснить даже качественно увеличение электропроводности в равновесных продуктах детонации при добавлении малых долей легко ионизуемых инертных добавок. Ионная проводимость продуктов детонации неприемлема для объяснения явления, при этом гипотеза электронной проводимости может иметь место при объяснении электропроводности продуктов детонации.
Наиболее детально электронный механизм проводимости равновесных продуктов детонации рассмотрен в [31]. Считалось, что электроны проводимости возникают в результате термической ионизации, поддержанной высокими плотностями при детонационных давлениях (металлизация). Рассеяние электронов в основном происходит на нейтральных молекулах с сечением рассеяния, равном газокинетическому (10-15 см2). Такое рассмотрение рассеяния неправомерно, оно приводит к длине свободного пробега порядка 3·10-
В пользу электронного механизма проводимости говорят следующие факты: отражение электромагнитных волн от фронта детонации [32], непрозрачность для видимого света продуктов детонации исследованных взрывчатых веществ, практически независимость электропроводности от величины напряженности электрического поля [33], сравнительно низкая (105-106 В/см) электрическая прочность продуктов детонации [34,35], эмиссия электронов из фронта детонации [36]. Кроме того, гипотеза электронного механизма проводимости позволяет непротиворечиво объяснить поведение электропроводности и её величину в равновесных продуктах детонации.
3.2 Электропроводность в равновесных продуктах детонации
Будем считать твёрдо установленным фактом существование в нормальных детонационных волнах двух зон электропроводности [9,10]: зоны высокой электропроводности, связанной с химической реакцией, и низкой - в равновесных продуктах детонации. Поскольку зона высокой электропроводности связана с существенно неравновесной областью в детонационной волне, мы остановимся на электропроводности в равновесных продуктах детонации.
Предполагая электронный механизм проводимости для объяснения экспериментальных результатов необходимо рассмотреть природу возникновения электронов, их концентрацию и длину свободного пробега. Иными словами необходимо объяснить величину s в равновесных продуктах детонации порядка 0,1-1 Ом-1см-1 и её экспоненциальный спад в продуктах детонации тротила.
Продукты детонации являются сложным объектом для исследования, поэтому автор отдает себе отчёт, что приводимое ниже рассмотрение носит оценочный характер.
Концентрация электронов в плотных газах обычно находят с помощью изменённой формулы Саха [19,31,37]. Изменение заключается во введении эффективного потенциала ионизации Ieff. Значительное взаимодействие молекул продуктов детонации облегчает ионизацию, иными словами уменьшает потенциал ионизации.
Оценим концентрацию атомов и молекул в продуктах детонации и характерные размеры. Для оценок будем считать плотность равновесных продуктов детонации в плоскости Чепмена-Жуге равной ρ0 = 2 г/см3. Число атомов в единице объёма будет равно
где μ – молекулярный вес молекул исходного взрывчатого вещества, N0 – число Авогадро, ν – число атомов в исходной молекуле. Для всех рассмотренных взрывчатых веществ: тротила, октогена, гексогена, тэна - получаем na = 1,1·1023 см-3. Среднее расстояние между атомами a = (na)-1/3 ≈ 2·10-
Если считать молекулы равновесных продуктов детонации 3х атомными, тогда их число в единице объёма будет nm = na/3 = 3,4 ·1022 см-3. Среднее межмолекулярное расстояние am= (nm)-1/3 ≈ 3·10-
Уравнение состояния продуктов детонации для оценок возьмём в виде
где Е – внутренняя энергия единицы объёма продуктов детонации, P – давление, γ – показатель изоэнтропы. По данным [3] при ρ0 = 2 г/см3 давление в плоскости Чепмена-Жуге составляет примерно 300 кбар. Энергия W, приходящаяся на одну молекулу, будет
и при γ = 3 получим W ≈ 5 эВ. Поскольку тепловая энергия порядка kT = 0,3 эВ ( Т = 3,5 ·105 К ) и кинетическая энергия как целого ρ0u2/2nm ≈ 0,5 эВ значительно меньше полной энергии молекулы W следует ожидать, что на близкую величину изменится энергия или потенциал ионизации.
Другая оценка снижения потенциала ионизации [31,37] может быть получена следующим образом. Молекула в условиях плотноупакованных продуктов детонации может считаться ионизованной, если электрон удалился от неё на am. Тогда снижение потенциала ионизации по абсолютной величине будет равно работе сил электрического поля при переносе электрона от am на бесконечность. Эта работа будет ΔI = e2/am = 5 эВ. По крайней мере, полученная величина снижения потенциала ионизации свидетельствует о решающей роли плотности продуктов детонации во влиянии на ионизацию, а, следовательно, и на концентрацию электронов (металлизация). Учёт диэлектрической постоянной ε порядка двойки уменьшает ΔI. Для оценок концентрации электронов будем считать ΔI = 5 эВ.
Потенциал ионизации свободных молекул, из которых состоят продукты детонации, I = (12-15) эВ. Эффективный потенциал ионизации будет Ieff = (7-10) эВ. Для указанного Ieff формула Саха
даёт концентрацию электронов n, лежащую в пределах 1017 см-3 ³ n ³ 1014 см-3. Эти значения концентрации для равновесных продуктов детонации взрывчатых веществ типа октогена, гексогена, тэна. В продуктах детонации тротила концентрации будут несколько другими.
Тротил отличается от рассмотренных веществ повышенным содержанием свободного, химически не связанного углерода, конденсирующегося в углеродные частицы, в том числе и в частицы ультрадисперсного алмаза. Мы считаем, что конденсация углерода происходит не «мгновенно» [22] в зоне химической реакции, а продолжается в невозмущённых продуктах детонации и при разлёте. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов по малоугловому рентгеновскому рассеянию в детонационной волне в тротиле [39,40] и по нашим представлениям о поведении электропроводности в детонационной волне.
Каждая молекула тротила имеет 7 атомов углерода. В продуктах детонации их концентрация будет nС = 7ρ0N0/μ. Согласно [41] конденсированный углерод составляет практически 20% от веса заряда, что соответствует концентрации химически не связанных свободных атомов углерода ≈ 2·1022 см-3.
Изолированный атом углерода имеет потенциал ионизации I = 11,25 эВ. Эффективный потенциал ионизации будем считать Ieff = (6–7) эВ. Формула Саха дает оценку плотности электронов в продуктах детонации тротила 1017 см-3 ³ n ³ 1016 см-3.
Для оценок температуру в плоскости Чепмена – Жуге будем считать
Т = 3,5·103 К. При максимальной плотности электронов n = 1017 см-3 температура их вырождения [19] T* = 4,35·1011·n2/3 = 10 К << T. Электронный газ не вырожден и подчиняется статистике Больцмана. Тепловая скорость электронов v = 4·107 см/с. Этой скорости соответствует длина волны электрона λ = h/p = 2 ·10-
Введём длину свободного пробега l электронов. Согласно [41] по своему физическому смыслу длина волны электрона не может быть больше или порядка длины свободного пробега. Для свободных электронов l >> λ = 2·10-
Оценку длины свободного пробега сверху можно получить из экспериментальных результатов по электрическому пробою равновесных продуктов детонации. Согласно [34,35] можно считать электрическую прочность равновесных продуктов детонации Е ≈ 106 В/см. Тогда с учётом снижения потенциала ионизации для длины свободного пробега электрона li по отношению к ионизации получим оценку li = Ieff/eE
В обычных случаях li³l . Таким образом в равновесных продуктах детонации 10-
Если, равновесные продукты детонации считать подчиняющимися закономерностям твёрдого тела, то рассеивающими образованиями могут быть фононы с длинами волн λf ³ 2λ. В этом случае сечение рассеяния будет plf2/4. Усреднённое по Дебаевскому спектру оно приводит к длине свободного пробега электрона l = 4naλ4/π3 ≈ 2·10-
При максимально возможной плотности электронов n = 1017 см-3 расстояние между заряженными частицами aе = (n)-1/3 ≈ 2·10-
Формула Друде-Зоммерфельда вместе с полученным ранее выражением для длины свободного пробега электрона при рассеянии на фононах удовлетворительно объясняет поведение электропроводности продуктов детонации октогена, гексогена и тэна в волне разгрузки. На начальном этапе разгрузки, из-за основной составляющей упругой части внутренней энергии продуктов детонации, происходит значительное падение концентрации электронов и атомов, что приводит к убыли электропроводности. Температура продуктов детонации изменяется в начале незначительно. Формула Друде-Зоммерфельда объясняет увеличение электропроводности продуктов детонации в пересжатых детонационных волнах.
В тротиле при 1017 см-3 ³ n ³ 1016 см-3 и l £ 10-
Конденсация свободного углерода в продуктах детонации тротила может приводить к изменению механизма проводимости. При достижении размера частиц конденсированного углерода d £ λ = 2·10-
Исследования синтеза ультрадисперсных алмазов [41], образующихся в детонационной волне в тротиле и его сплавах с гексогеном, показали, что их средний размер практически не зависит от условий проведения экспериментов и составляет d ³ (4-5)·10-
При размере конденсированных частиц углерода d > λ ≈ 2 ·10-7 «квантовый» для молекул электрон становится «классическим» для частиц конденсированного углерода. Длина свободного пробега l электрона будет определяться рассеянием на конденсированных частицах, их сечением и плотностью lk = 4/(nkπd2), откуда для электропроводности σ получим выражение
Поглотившая электрон частица создаёт вокруг себя электрическое поле ~ 4e/d2. Дебаевский радиус экранирования r » 10-
Рассмотрим убыль электронов только за счёт поглощения. За время Δt в единице объёма происходит (nvΔt)/lk столкновений электронов с частицами конденсированного углерода. При вероятности поглощения ß убыль электронов будет определяться соотношением Δn = - (ßnvΔt) /lk. В системе отсчёта, связанной с фронтом детонационной волны, оно примет вид
Δn/Δх = - (ßnv)/(ulk), где u – скорость продуктов детонации, а х – координата. Плотность электронов убывает по экспоненциальному закону на характерном расстоянии х0 = (ulk) /(ßv).
Если предложенная модель верна, то она позволяет оценить вероятность поглощения электронов конденсированными частицами
ß = (ulk)/(vх0) ≈ 10-8-10-7, вероятность оказывается действительно малой.
В [1] измерена электропроводность в детонационной волне в азиде свинца. Она оказалась того же порядка, что и при детонации тротила. Вполне возможно, что роль, аналогичную углероду, в таких веществах как азиды, играют металлы, имеющие низкий потенциал ионизации. В этом случае электроны могут возникать в результате термической ионизации атомов металлов, а рассеяние и поглощение их может происходить на макроскопических металлических частицах конденсированной фазы.
3.3 Электропроводность в неравновесных продуктах детонации
Объяснить высокие значения электропроводности в неравновесной зоне продуктов детонации оказывается возможным. Основанием для гипотезы о механизме неравновесной проводимости послужили эксперименты по исследованию сохраненных продуктов взрыва смеси гексогена и адамантана C10H16 . Углеродная структура адамантана напоминает структуру алмаза, но в случае адамантана углерод соединяется ещё и с атомом водорода. Интересно, что при ударном сжатии в сохраненных продуктах детонации были обнаружены чистые кристаллические алмазы. На основании этого можно сделать вывод о том, что при ударном сжатии рвутся преимущественно C-H связи. При этом молекула теряет атомы водорода, так как они легче чем атомы углерода. Далее предполагается образование высокой плотности положительно заряженных оторвавшихся атомов водорода – фактически протонов, которые быстро нейтрализуются в процессе химической реакции, но успевают внести свой вклад в проводимость неравновесной зоны продуктов детонации.
Оценим величину электропроводности, которую способны обеспечить оторванные протоны. Рассеивающими центрами будем считать атомы. Концентрация атомов n = 1023 см-3, длина свободного пробега l = 1/(nS0) ≈ 10-
где Nат - количество атомов в молекуле вещества, NH – количество атомов водорода в молекуле вещества, l – длина свободного пробега, e – заряд электрона, m – масса протона. Примем mv = (mkT)1/2 , где Т ≈ 3·103 К. Тогдаmv ≈ 10-18 см·г·с, а значение электропроводности σ ≈ (NH/ Nат)·10 3 Ом-1∙см-1. Коэффициент (NH/ Nат) в расчете электропроводности дает характеристику молекулы.Для октогена (NH/ Nат) = 8/28 судя по структуре C4H8O8N8 , для гексогена C3H6O6N6 кооффициент (NH/ Nат) = 6/22. Видно, что этот коэффициент большой роли при оценке электропроводности не играет. Величина электропроводности порядка 10 3 Ом-1∙см-1 получена для случая, когда в проводимости участвуют все атомы водорода, и существенно превышает полученные в экспериментах значения электропроводности неравновесных продуктов детонации. Однако, данная модель может иметь место если учитывать, что лишь часть оторванных протонов участвует в проводимости. Такая модель связывает исчезновение высокой электропроводности с окончанием химической реакции, когда все протоны водорода нейтрализованы.
3.4 Вспомогательные исследования проводимости стеариновой кислоты
На рис.26 приведена осциллограмма эксперимента по измерению проводимости стеариновой кислоты. Стеариновая кислота – органическое соединение C18H36O2, порошкообразного типа на ощупь напоминающее воск. Методика эксперимента аналогична эксперименту по исследованию проводимости взрывчатого вещества при пересжатии. Внутрь цилиндрического измерительного электрода помещалось исследуемое вещество, в нашем случае стеариновая кислота. Остальной объем экспериментальной сборки заполнялся гексопластом.
Рассмотрим поведение осциллограммы. Детонационная волна касается цилиндрического электрода – на осциллограмме это сопровождается затухающими колебаниями. Далее детонационная волна достигает внутреннего электрода – напряжение, как и следовало ожидать, уменьшается, но медленно. Затем заметен резкий спад и выход напряжения на постоянное значение. Эта картина отображает процесс установления стационарного режима при нагружении стеариновой кислоты. Резкий спад – выход на стационарный процесс. По этому спаду можно оценить величину электропроводности, возникающую при сжатии стеариновой кислоты мощным взрывчатым веществом. За время t ≈ 0.6 микросекунды сопротивление изменилось на величину R ≈ 0.03 Ома при скорости детонации D = 7.6 км/с. Тогда σ ≈ 1/RDt.
Оценка дает значение σ ≈ 500 Ом-1∙см-1. Следует ометить, что в стеариновой кислоте содержится огромное количество водорода, который потенциально способен обеспечить полученную величину электропроводности, что в свою очередь подтверждает механизм протонной проводимости.
Заключение
В процессе работы выполнено следущее:
q Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна при нормальной детонации с высоким временным разрешением;
q Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпного тротила и литого тротила при нормальной детонации с высоким временным разрешением;
q Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна и тротила при пересжатой детонации с высоким временным разрешением;
q Выявлена структура зоны проводимости, состоящая из двух зон электропроводности: зоны высокой электропроводности и зоны электропроводности равновесных продуктов детонации. Показано, что зоны проводимости имеют различные механизмы электропроводности и пространственно разделены особенной зоной с крайне низким значением электропроводности;
q Предложен механизм электронной проводимости в равновесной зоне продуктов детонации;
q Предложен механизм протонной проводимости в неравновесной зоне продуктов детонации;
q Проведены постановочные эксперименты по исследованию проводимости органических веществ, необладающих детонационными свойствами, при ударно волновом нагружении, свидетельствующие в пользу протонного механизма электропроводности;
q Увеличение электропроводности при пересжатии качественно объяснено электронной проводимостью равновесных продуктов детонации и протонной проводимостью в неравновесной зоне;
Благодарности
Автор выражает свою признательность Зубкову П.И. за научное руководство, Тен К.А. за помощь в организации и постановке экспериментов и участие в обсуждении результатов, а также благодарит Скоробогатых Н.Г. за своевременную подготовку экспериментов. Автор отмечает помощь Лукьянчикова Л.А. в решении отдельных организационных вопросов.
Литература
1. Бриш А.А., Тарасов М.С., Цукерман В.А. Электропроводность продуктов взрыва конденсированных взрывчатых веществ. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1959. Т.37. Вып. 6, С. 1543.
2. Hayes B. On the Electrical Conductivity of Detonation High Explosives // Proc. 4th Symposium (Internat.) on Detonation. White Oak, MD, 1965. Office of Naval Research, ACR-126. Washington. 1967. P.595-601.
3. Дрёмин А.Н., Савров С.Д., Трофимов В.С., Шведов К.К. Детонационные волны в конденсированных средах, М., «Наука», 1970.
4. Антипенко А.Г., Дрёмин А.Н., Якушев В.В. О зоне электропроводности при детонации конденсированных взрывчатых веществ. Доклады Академии наук, 1975, Т. 225, С. 1086.
5. Дрёмин А.Н., Якушев В.В. Природа электропроводности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Доклады Академии наук, 1975, Т. 221, С. 1143.
6. Гилёв С.Д., Трубачев А.М. Высокая электропроводность продуктов детонации тротила. Журнал технической физики, 2001, Т. 71, Вып. 9, С. 123.
7. Ершов А.П., Сатонкина Н.П., Дибиров О.А. и другие Исследование взаимодействия компонентов гетерогенных взрывчатых веществ методом электропроводности. Физика горения и взрыва, 2000, Т. 36, №5, С. 97.
8. Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Измерение ширины зоны проводимости в тэне. В сб.: Динамика сплошной среды. 1971, Институт гидродинамики, Новосибирск, Вып. 8, С. 177-182.
9. Новосёлов Б.С., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Электропроводимость в зоне детонации конденсированных взрывчатых веществ. Физика горения и взрыва, 1971, Т. 7, Вып. 2, С. 295 - 299.
10. Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Об измерениях профиля электропроводности во фронте детонации конденсированных ВВ // ФГВ. 1974. Т. 10, №6. С. 864-873.
11. Зубков П.И., Тен К.А., Свих В.Г. Распределение электропроводности за детонационным фронтом в насыпном октогене. Тезисы XV Международной конференции "Уравнения состояния вещества". Терскол,
12. Зубков П. И., Свих В. Г., Тен К. А. Электропроводность за фронтом детонации в насыпном октогене. Пятая Международная конференция «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике». Тезисы докладов. 2000, Новосибирск, Россия. С. 164.
13. Зубков П. И., Карташов А. М., Свих В. Г., Тен К. А. Влияние краевых и ударно волновых эффектов на измерение проводимости продуктов детонации конденсированных ВВ. Международная конференция III Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Сборник тезисов докладов. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001. Стр. 29-31.
14. Зубков П. И., Лукьянчиков Л. А., Тен К. А., Карташов А. М., Свих В. Г. О некоторых систематических ошибках при измерении проводимости продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ.Тезисы XVI Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». Эльбрус, 2001. Стр. 41-42.
15. П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, К.А. Тен. Электропроводность продуктов, измеренная вдоль распространения детонации.Международная конференция VI Забабахинские научные чтения. 24-28 сентября
16. П.И. Зубков, П.И. Иванов, Л.А. Лукьянчиков, В.Г. Свих, К.А. Тен. Электропроводность октогена за фронтом пересжатой детонационной волны.Международная конференция VI Забабахинские научные чтения. 24-28 сентября
17. П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, В. Г. Свих, К.А. Тен. Измерение проводимости в пересжатой детонации.Тезисы XVII Международной конференции «Уравнения состояния вещества». 1- 6 марта
18. П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, В. Г. Свих, К.А. Тен. Измерение проводимости в пересжатой детонации.Физика экстремальных состояний вещества – 2002. Эльбрус, 2002. Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка,
19. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных явлений. «Наука» Москва, 1966.
20. Ершов А.П. Диссертация на соискание степени к.ф.-м.н. Исследование электропроводности за фронтом детонации конденсированных взрывчатых веществ. Новосибирск, 1977.
21. П. И. Зубков, Б. Д. Янковский. К электронному механизму проводимости продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Тезисы XV Международной конференции "Уравнения состояния вещества". Терскол,
22. Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. // Докл. АН СССР. 1988. Т. 302, №3. С. 611 - 613.
23. Анчаров А.И., Зубков П.И., Иванов П.И. и др. Получение наночастиц серебра и исследование динамики их развития при ударно-волновом нагружении стеарата серебра. // Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях: Труды международной конференции V Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 17-21 марта
24. Титов В.М., Анисичкин В.Ф., Мальков И.Ю. Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах // ФГВ. 1989.
Т. 35, №3. С.117.
25. Антипенко А.Г., Якушев В.В. Природа электропроводности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ // В сб. Детонация: Материалы 5 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Одесса, 1977. ОИХФ АН СССР, Черноголовка, 1977. С. 93-96.
26. Якушев В.В. Электрические измерения в динамическом эксперименте // ФГВ. 1978. Т. 14, №2. С. 3-19.
27. Mallory H.D., Plauson R.A. Liquid explosives with transparent detonation products // Nature. 1963. 199, P. 58-59.
28. Зубков П.И. Электрические сигналы на медно-магниевой паре электродов в ударно сжатых газах // ЖТФ, 1897. Т. 57, №9. С. 1866-1867.
29. Haman S.D., Linton M. Electrical conductivitiesof aqueous solutions of KCl, KOH and HCl, and the ionization of water at high shock pressures // Trans. Farad. Soc., 1969. 65, p. 2186-2196.
30. Ставер А.М., Ершов А.П., Лямкин А.И. Исследование детонационных превращения конденсированных ВВ методом электропроводности // ФГВ. 1984. Т. 20, №3. С. 79-83.
31. Ершов А.П. Ионизация при детонации конденсированных ВВ // ФГВ. 1975. Т. 11, №6. С. 864-873.
32. Елькинд А.И., Гусар Ф.Н. Измерение на СВЧ электропроводности за фронтом детонационной волны в тротиле // ФГВ. 1986. Т. 22, №5. С. 144-149.
33. Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Электрофизические свойства детонационной плазмы и быстродействующие взрывные размыкатели тока // ПМТФ. 1977. №6. С. 19-23.
34. Корольков В.Л., Мельников Л.А., Цыпленко А.П. Электрический пробой продуктов детонации // ЖТФ. 1974. Т. 44, №12. С.2537-2538.
35. Зубков П.И., Лукъянчиков Л.А., Рябинин Ю.В. Электрическая прочность разлетающихся продуктов детонации // ПМТФ. 1976. №1. С. 134-138.
36. Матыцин А.И., Ставер А.М., Лямкин А.И. Эмиссия электронов при действии ударных волн на пористое вещество // III Всес. симпозиум по импульсным давлениям: Тез. докл. М., 1979. С.81-82.
37. Тиман Б.Л. Влияние взаимодействия частиц на ионизационное равновесие в термически ионизованном газе // ЖЭТФ. 1953. Т. 25, №6(12). С.733.
38. Физика взрыва. Под ред. К.П. Станюкевича. М.: Наука, 1975.
39. O.V. Evdokov, M.G. Fedotov, G.N. Kulipanov. et al. Dynamics of the formation of the condensed phase particles at detonation of high explosives // Proceedings of the 13th National Synchrotron Radiation Conference. Novosibirsk, Russia, July 17 – 21, 2000. Nuclear instruments & methods in physics research. 2001. V.470, Nos.1 – 2, P.236 – 239.
40. Алешаев А.Н., Зубков П.И., Кулипанов Г.Н., Применение синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов // ФГВ. 2001. Т. 37, №5. С. 104.
41. I.Yu. Mal’kov and V.M. Titov. Structure and properties of detonation soot particles. 1996, page 783.
Приложение
Перечень рисунков и таблиц
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис.7
Рис.8
Рис.9
Рис.10
Рис.11
Рис.12
Рис.13
Рис.14
Рис.15
Рис.16
Рис.17
Рис.18
Рис.19
Рис.20
Рис.21
Рис.22
Рис.23
Рис.24
Рис.25
Рис.26
Рис.27
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Схема электроконтактного метода измерения электропроводности продуктов взрыва.
Рис.1
Типичная осциллограмма, получаемая при использовании
контактного метода.
Рис.2
Блок-схема измерительной линии:
1 – сигнал на запуск осциллографа
2 – сигнал на запуск генератора импульсов для подрыва детонатора
3 – сигнал на запуск генератора тока
4 – инициирующий сигнал на подрыв детонатора
5 – подача постоянного тока на измерительный контур
6 – сигнал напряжения на измерительных электродах
7 – загрузка результатов на персональный компьютер
Рис.3
Геометрия итоговой измерительной ячейки.
Рис.4
Регистрация положения электродов методом рентгенографии при детонации заряда в различные моменты времени (стрелка указывает на фронт детонации)
Рис.5
|
|
|
|
|
Разлет продуктов детонации:
1 – продукты детонации, затронутые волной разгрузки
2 – продукты детонации, незатронутые волной разгрузки
3 – измерительные электроды и характерное растекание тока
4 – невозмущенное взрывчатое вещество
5 – ударная волна в воздухе
Рис.6
а) вариация длины измерительного контура измерительной ячейки в опытах по измерению индуктивности контура.
б) зависимость индуктивности измерительной ячейки от длины контура, экстраполированная прямой линией.
Рис.7
Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при нормальной детонации.
Рис.8
Распределение электропроводности в насыпном октогене при нормальной детонации.
Рис.9
Осциллограмма эксперимента с насыпным гексогеном при нормальной детонации.
Рис.10
Распределение электропроводности в насыпном гексогене при нормальной детонации.
Рис.11
Осциллограмма эксперимента с насыпным тэном при нормальной детонации.
Рис.12
Распределение электропроводности в насыпном тэне при нормальной детонации.
Рис.13
Осциллограмма эксперимента с насыпным тротилом при нормальной детонации.
Рис.14
Распределение электропроводности в насыпном тротиле при нормальной детонации.
Рис.15
Осциллограмма эксперимента с литым тротилом при нормальной детонации.
Рис.16
Распределение электропроводности в литом тротиле при нормальной детонации.
Рис.17
Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при пересжатой детонации.
Рис.18
Распределение электропроводности в насыпном октогене при пересжатой детонации.
Рис.19
Осциллограмма эксперимента с насыпным гексогеном при пересжатой детонации.
Рис.20
Распределение электропроводности в насыпном гексогене при пересжатой детонации.
Рис.21
Осциллограмма эксперимента с насыпным тэном при пересжатой детонации.
Рис.22
Распределение электропроводности в насыпном тэне при пересжатой детонации.
Рис.23
Осциллограмма эксперимента с насыпным тротилом при пересжатой детонации.
Рис.24
Распределение электропроводности в насыпном тротиле при пересжатой детонации.
Рис.25
Осциллограмма эксперимента с насыпной стеариновой кислотой.
Рис.26
Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при нормальной детонации с появлением и исчезновением электропроводности.
Рис.27
Таблица 1
| взрывчатое вещество | плотность, ρ , г/см3 | Δ ρ / ρ , % | скорость детонации, D , км/сек | Δ D / D , % |
| Октоген | 1.29 | 7 | 6.9 | 2 |
| Гексоген | 1.12 | 7 | 6.37 | 2 |
| Тэн | 1.05 | 7 | 5.7 | 4 |
| Литой тротил | 1.629 | 7 | 6.85 | 2 |
| Гексопласт | 1.42 | 7 | 7,6 | 1 |
Таблица 2
| взрывчатое вещество при нормальной детнации | максимальное значение электро-проводности, σ, Ом-1см –1 | среднее значение равновесной электро-проводности, σ, Ом-1см –1 | ширина зоны высокой проводимости, l 1 , мм | ширина особенности проводимости, l 2 , мм |
| Октоген | 6 | 0.5 | 0.6 | 0.2 |
| Гексоген | 1,5 | 0.1 | 0.7 | 0.4 |
| Тэн | 0.9 | 0.1 | 0.7 | 0.4 |
| Литой тротил | 70 | 5 | 0.6 | 0.2 |
| Насыпной тротил | 4 | 0.5 | 0.6 | 0.3 |
Таблица 3
| взрывчатое вещество при пересжатой детонации | максимальное значение электро-проводности, σ, Ом-1см –1 | среднее значение равновесной электро-проводности, σ, Ом-1см –1 | ширина зоны высокой проводимости, l 1 , мм | ширина особенности проводимости, l 1 , мм |
| Октоген | 20 | 1 | 0.5 | 0.3 |
| Гексоген | 27 | 1 | 0.5 | 0.3 |
| Тэн | 35 | 4 | 1 | 0.3 |
| Насыпной тротил | 55 | 4 | 2 | 0.3 |
Размещено на Allbest.ru
