Использование синхротронного излучения для исследования взрывных процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Тен, Константин Алексеевич

• Тен, Константин Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тен, Константин Алексеевич

Введение

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

1.1. Введение.

1.2. Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом.

1.3. Импульсные рентгеновские установки на рентгеновских трубках.

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

1.5. Экспериментальная станция для исследования взрывных процессов.

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

2.1. Введение.

2.2. Постановка экспериментов.

2.3. Результаты измерений распределения проходящего излучения.

2.4. Коррекция измеряемого сигнала.

2.5. Восстановление массы вещества вдоль луча СИ.

2.6. Измерение кривизны фронта детонации.

2.7. Восстановление распределения плотности на фронте детонации.

2.8. Оценка точности методики.

2.9. Обсуждения результатов.

2.10. Восстановление плотности в нестационарных взрывных процессах.

2.11. Выводы.

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

3.1. Введение.

3.2. Постановка экспериментов.

3.3. Восстановление количества вещества на луче по данным детектора.

3.4. Восстановление радиального распределения плотности по «тени».

3.5. Обсуждение результатов.

3.6. Выводы.

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

4.1. Введение.

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

4.3. Постановка экспериментов.

4.4. Результаты измерений мало-углового рентгеновского рассеяния.

4.5. Обсуждение результатов измерения МУРР.

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование синхротронного излучения для исследования взрывных процессов»

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Тен, Константин Алексеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тен, Константин Алексеевич, 2007 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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