光輻射起爆乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥同步性能

徐海斌， 楊軍， 仵可， 陳博， 隨亞光， 王等旺

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

0 引言

高功率密度的X射線輻照靶目標(biāo)表面會(huì)發(fā)生能量沉積，在很薄的一層物質(zhì)中將形成急劇溫升，使物質(zhì)發(fā)生液化、汽化現(xiàn)象，在靶內(nèi)形成一個(gè)熱擊波。汽化的物質(zhì)會(huì)向外噴射，產(chǎn)生一個(gè)脈沖沖量，并且作用于靶目標(biāo)。這種由于熱擊波的傳播引起的材料的前、后表面的層裂破壞及組合材料層間的分離等破壞效應(yīng)，稱為材料響應(yīng)，其中作用時(shí)間尺度為 μs級(jí)；脈沖沖量載荷作用于整個(gè)結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)、屈曲、大變形乃至破裂等破壞效應(yīng)，稱之為結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其中作用時(shí)間尺度為ms級(jí)。上述材料響應(yīng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)統(tǒng)稱為X光熱- 力學(xué)效應(yīng)?，F(xiàn)有條件下，研究人員主要采用化學(xué)爆炸模擬技術(shù)開(kāi)展X光熱- 力學(xué)結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究，相比其他化學(xué)爆炸模擬技術(shù)，光敏炸藥加載技術(shù)具有加載同時(shí)性好、載荷歷時(shí)短、比沖量幅值小等特點(diǎn)，可以更加逼真地模擬X光熱- 力學(xué)效應(yīng)[1-4]。

美國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究光敏炸藥加載技術(shù)[1-6]，并且建立了基于光敏炸藥的實(shí)驗(yàn)設(shè)施(LIHE)[7]，該設(shè)施于20世紀(jì)90年代初關(guān)閉，2002年重啟后進(jìn)行了設(shè)備更新和技術(shù)研發(fā)[8-11]，目前仍在發(fā)展和改進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)。但是從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看，作為光敏炸藥三大優(yōu)點(diǎn)之一，其面起爆同步性的研究工作仍然極少，主要通過(guò)爆炸后結(jié)構(gòu)表面留下的痕跡來(lái)判斷離散的起爆點(diǎn)數(shù)，再結(jié)合炸藥的傳爆速度研究光敏炸藥涂層光起爆的同步性[2-4]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于光敏炸藥加載技術(shù)的研究比較少見(jiàn)。胡明志[12]用強(qiáng)光引爆錐殼表面的光敏炸藥涂層開(kāi)展了結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。褚桂敏[13]將光敏炸藥用于小模型試驗(yàn)。毛勇建等[14]介紹了國(guó)內(nèi)外模擬X光噴射沖量的幾種加載技術(shù)及其優(yōu)劣。近幾年國(guó)內(nèi)開(kāi)始重視光敏炸藥加載技術(shù)研究，并取得了較大進(jìn)展，徐海斌等[15-16]開(kāi)展了乙炔銀- 硝酸銀合成工藝及優(yōu)化研究；裴明敬等[17]初步分析了乙炔銀- 硝酸銀的光起爆作用機(jī)制；楊軍等[18]研制了基于多普勒測(cè)速儀的新型沖量傳感器，獲取了光敏炸藥的比沖量。國(guó)內(nèi)關(guān)于光敏炸藥涂層光起爆同步性及其測(cè)試技術(shù)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

本文為了研究基于金屬絲電爆炸發(fā)光引爆光敏炸藥的閃光起爆技術(shù)及同步性能，擬研制一種成本較低的光纖鍍膜探針并用于測(cè)量金屬絲通電發(fā)光作用下的光敏炸藥涂層各點(diǎn)的起爆時(shí)間，研究光敏炸藥涂層的光起爆同步性及起爆延滯期，以及在電源不變情況下通過(guò)增加金屬絲數(shù)量?jī)?yōu)化電爆炸發(fā)光起爆光敏炸藥的同步性能。

1 鍍膜光纖探針測(cè)時(shí)系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍膜光纖探針工作原理

采用測(cè)時(shí)探針獲取涂層不同位置處的起爆時(shí)間，研究光敏炸藥涂層同步性能。通過(guò)各測(cè)點(diǎn)相互距離和起爆時(shí)間間隔可以判斷各測(cè)點(diǎn)起爆方式是傳爆還是獨(dú)立點(diǎn)火。爆炸力學(xué)領(lǐng)域中常用電探極作為測(cè)時(shí)方法，包括電探針、絲式電探極、箔式電探極。原本用漆包線制作的電探針是爆炸力學(xué)領(lǐng)域成本低廉的常用技術(shù)手段，但多次試驗(yàn)結(jié)果表明大多數(shù)電探針在光敏炸藥涂層起爆過(guò)程中未能導(dǎo)通，即無(wú)法正常工作，其原因可能是厚度較薄的光敏炸藥涂層未能形成強(qiáng)電離層，使電探針處于導(dǎo)通狀態(tài)。其他探針?lè)椒ㄓ械某杀据^高、有的在電爆炸強(qiáng)磁環(huán)境下抗干擾能力差、有的敏感面較大不適用于精確測(cè)量點(diǎn)起爆時(shí)間[19]，基本不適用于光敏炸藥大面積多點(diǎn)起爆測(cè)時(shí)。例如現(xiàn)有的國(guó)外壓電測(cè)時(shí)探針雖然測(cè)時(shí)準(zhǔn)確，可以用于光敏炸藥起爆時(shí)間測(cè)試，但作為一次性傳感器價(jià)格較高，大規(guī)模測(cè)時(shí)實(shí)驗(yàn)成本較高，且采購(gòu)渠道容易受國(guó)際政治因素影響。

為了解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控，自主研制了基于光子多普勒測(cè)速儀(PDV)的成本較低的鍍膜光纖探針，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)點(diǎn)小、測(cè)時(shí)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可以滿足低爆炸威力場(chǎng)景下如光敏炸藥起爆同步性研究的測(cè)時(shí)要求。其工作原理如圖1所示，1個(gè)激光器通過(guò)分光器可以分成8路激光，各路激光經(jīng)過(guò)環(huán)形器傳播到探頭鍍膜層后反射，反射的光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器到光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)由示波器進(jìn)行記錄，已安裝固定在基板上的4個(gè)鍍膜光纖探針及其光纖如圖2所示。

圖1 8路鍍膜光纖探針測(cè)時(shí)原理圖

圖2 已安裝固定的4路鍍膜光纖探針及其光纖

鍍膜探頭外部為陶瓷插針、內(nèi)部為光纖，在探頭前端鍍了一層銀膜，實(shí)驗(yàn)前將光敏炸藥噴涂在鍍膜上，光敏炸藥爆炸會(huì)使鍍膜光纖探針的銀膜產(chǎn)生變形乃至破壞，導(dǎo)致其反射率發(fā)生變化，引起光纖中的光信號(hào)發(fā)生頻率變化。根據(jù)這種多普勒頻移信號(hào)可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的速度信號(hào)，用該速度信號(hào)起跳時(shí)刻作為爆炸加載時(shí)刻。

1.2 探針測(cè)時(shí)系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

開(kāi)展了鍍膜探針測(cè)時(shí)系統(tǒng)正確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。以壓電探針作為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)條狀的光敏炸藥涂層的爆轟波傳播到各測(cè)點(diǎn)的到時(shí)進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證緊鄰壓電探針的鍍膜光纖探針及其測(cè)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，為光起爆光敏炸藥同步性研究奠定基礎(chǔ)，見(jiàn)圖3所示。壓電探針由美國(guó)Dynasen公司生產(chǎn)，型號(hào)為CA1135，直徑為1.63 mm，黃銅外殼結(jié)構(gòu)，壓力作用最大300 MPa，響應(yīng)時(shí)間為10 ns。鍍膜探針直徑為φ1.25 mm，系統(tǒng)的測(cè)時(shí)誤差τ主要取決于光纖敏感面的響應(yīng)時(shí)間τr1、光電轉(zhuǎn)換器的上升沿時(shí)間τr2、PDV系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理算法引入的誤差τr3等：

圖3 測(cè)時(shí)原理圖

(1)

式中：鍍膜探針光纖敏感面直徑為9 μm，以波速為 1 200 m/s[20]的爆轟波掃過(guò)整個(gè)敏感面作為其響應(yīng)時(shí)間，則τr1為7.5 ns；光電轉(zhuǎn)換器上升沿時(shí)間τr2為0.35 ns；基于采樣率為5 GS/s的數(shù)據(jù)處理算法引入的誤差τr3為15 ns，代入(1)式，得到測(cè)時(shí)系統(tǒng)的測(cè)時(shí)誤差τ約為16.8 ns。

實(shí)驗(yàn)前，沿涂層中心間隔60 mm分布4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均包括一根鍍膜光纖探針和一根壓電探針，將壓電探針和鍍膜探針敏感面與基板平齊安裝并用膠封固，兩根探針中心的橫向間距2 mm；再將光敏炸藥噴涂在敏感面所在平板表面后烘干待起爆，如圖4所示；稱取炸藥噴涂前和炸藥干燥后基板的總質(zhì)量分別為193.07 g和198.10 g，則炸藥涂層平均面密度為52.83 mg/cm2。

圖4 噴涂在探針與基板表面的光敏炸藥涂層

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用遮光板將大部分(右側(cè))的涂層與起爆金屬絲隔離，僅留出左側(cè)20 mm左右的涂層曝露在起爆金屬絲的光照范圍內(nèi)，這樣可以確保僅炸藥涂層左邊先發(fā)生爆炸，實(shí)現(xiàn)單方向傳爆。之后，爆轟波沿著炸藥涂層從左向右傳播，由兩種探針?lè)謩e記錄爆轟波到達(dá)各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間。通過(guò)比較兩種探針在4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)在一發(fā)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證多根自研的鍍膜光纖探針測(cè)時(shí)的正確性。電爆炸閃光裝置在金屬絲通電爆炸的同時(shí)輸出一路0～5 V的電壓信號(hào)至同步機(jī)，由同步機(jī)分別同步觸發(fā)各示波器，即示波器記錄波形的“零時(shí)”為金屬絲通電時(shí)刻；連接壓電探針和鍍膜探針的示波器采樣率分別為100 MS/s、5 GS/s，記錄長(zhǎng)度分別為1 MS和10 MS。

1.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為壓電探針實(shí)測(cè)的電壓波形(e probe)和鍍膜探針實(shí)測(cè)的電壓波形PDV及其換算后的速度- 時(shí)間信號(hào)(PDV-vt)，其中壓電探針4在安裝過(guò)程中已損壞導(dǎo)致實(shí)測(cè)波形異常。兩種探針?lè)謩e實(shí)測(cè)到的各測(cè)點(diǎn)爆轟波到時(shí)如表1所示。

圖5 傳感器實(shí)測(cè)爆轟波到達(dá)各測(cè)點(diǎn)時(shí)的脈沖波形

由表1可見(jiàn)，兩種探針及其測(cè)試系統(tǒng)工作正常且信號(hào)準(zhǔn)確，均能夠測(cè)量光敏炸藥爆轟波到時(shí)。在同一測(cè)點(diǎn)處兩種探針各自波形的起跳時(shí)刻非常接近，兩者相差0.073～0.148 μs，如果按照國(guó)外文獻(xiàn)的爆轟波速1 200 m/s[20]對(duì)兩種探針半徑差 0.19 mm 引入的測(cè)時(shí)偏差進(jìn)行修正，則兩種探針測(cè)得的時(shí)間偏差約為0.001～0.085 μs，說(shuō)明兩種探針的測(cè)時(shí)一致性較好，并驗(yàn)證了光纖鍍膜探針測(cè)時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表1 各測(cè)點(diǎn)爆轟波到時(shí)

2 光起爆光敏炸藥同步性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

利用光纖鍍膜探針測(cè)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)展SASN光起爆同步性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)布局如圖6(a)所示，發(fā)生電爆炸的鎢絲有效長(zhǎng)度為15 cm、直徑0.3 mm，布置在光敏炸藥涂層和鋁板的正上方6 cm處，光敏炸藥主要成分為乙炔銀- 硝酸銀(Ag2C2·AgNO3)，性能參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15-16]；將自研的不銹鋼膜片厚度為 50 μm 的薄膜式壓力探頭固定在金屬絲上方6 cm處，用來(lái)監(jiān)控閃光起爆光敏炸藥過(guò)程的壓力變化時(shí)序，該探頭工作原理和性能介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21]；另外在金屬絲上方安裝有光電探測(cè)器ET-2030(帶寬>1.2 GHz)用于監(jiān)測(cè)金屬絲發(fā)光過(guò)程，記錄薄膜式壓力探頭和光電探測(cè)器信號(hào)的示波器的觸發(fā)方式與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中其他示波器一樣，由金屬絲通電觸發(fā)同步機(jī)后再觸發(fā)示波器，采樣率均為100 MS/s，記錄長(zhǎng)度均為1 MS。

圖6 強(qiáng)閃光起爆光敏炸藥同步性實(shí)驗(yàn)布局示意圖

實(shí)驗(yàn)前，將16根鍍膜光纖探針以間隔2 cm均勻布置在方形鋁板上，用來(lái)監(jiān)測(cè)光敏炸藥涂層測(cè)點(diǎn)處的起爆時(shí)間，其前端與方板平齊，共4排4列，如圖6(b)所示；然后，再將光敏炸藥噴涂在鍍膜光纖探針?biāo)趨^(qū)域的鋁板表面，形成9 cm×9 cm炸藥涂層。

實(shí)驗(yàn)共計(jì)2發(fā)，第1發(fā)采用1根金屬絲通電起爆光敏炸藥，該發(fā)實(shí)驗(yàn)中光敏炸藥的平均面密度約為32.59 mg/cm2；第2發(fā)采用與涂層表面平行的 2根相距2 cm的金屬絲起爆光敏炸藥，該發(fā)實(shí)驗(yàn)中光敏炸藥的平均面密度約為20.33 mg/cm2。實(shí)驗(yàn)采用峰值功率為百兆瓦的脈沖功率源作為高壓放電裝置，2發(fā)實(shí)驗(yàn)金屬絲通電條件均為30 kV高電壓。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7為光電探測(cè)器測(cè)得的典型的金屬絲電爆炸時(shí)產(chǎn)生等離子體光輻射過(guò)程。金屬絲通電后約3 μs時(shí)開(kāi)始發(fā)光，約160 μs時(shí)光照強(qiáng)度達(dá)到頂峰，約 9 ms時(shí)閃光過(guò)程結(jié)束。

圖7 光電探測(cè)器實(shí)測(cè)的電爆炸發(fā)光過(guò)程

圖8為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中薄膜壓力探頭測(cè)量的電壓波形。由圖8可見(jiàn)：波形在0 μs時(shí)刻存在信號(hào)干擾；在約 6 μs時(shí)信號(hào)開(kāi)始跳動(dòng)，應(yīng)該是電爆炸產(chǎn)生強(qiáng)光輻射在探頭薄膜后熱量在薄膜表面積聚，產(chǎn)生熱應(yīng)力使薄膜發(fā)生變形所致，說(shuō)明此時(shí)已出現(xiàn)等離子體的光輻射；在約104.5 μs時(shí)波形頻率突然增高，表明薄膜產(chǎn)生了較大的加速度，分析認(rèn)為電爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波在該時(shí)刻到達(dá)薄膜使其產(chǎn)生位移，可以得到?jīng)_擊波作用到薄膜產(chǎn)生的反射超壓峰值約為 271.7 kPa。

圖8 薄膜壓力探頭實(shí)測(cè)的電壓波形

第1發(fā)實(shí)驗(yàn)中，采用單金屬絲起爆(見(jiàn)圖9(a))，用4×4排列的鍍膜光纖探針獲得的光敏炸藥涂層各點(diǎn)起爆時(shí)間分布如圖9(b)所示。光起爆延滯期定義為從光開(kāi)始作用于炸藥表面到炸藥發(fā)生自持化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間。由圖9(b)可見(jiàn)：光輻照光敏炸藥的起爆延滯期約為33.7～57.7 μs之間；各測(cè)點(diǎn)起爆時(shí)間最小相差約0.6 μs，最大時(shí)間差約 24 μs，整體上基本呈對(duì)稱分布，各測(cè)點(diǎn)起爆呈現(xiàn)中間快左右兩邊慢、下側(cè)快上側(cè)慢的現(xiàn)象；在金屬絲正下方的起爆早于兩側(cè)，即在靠近金屬絲的測(cè)點(diǎn)或區(qū)域的起爆時(shí)間早于相對(duì)較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，尤其是圖中上側(cè)左右兩邊與下側(cè)各點(diǎn)起爆時(shí)間相差較大，取光敏炸藥傳爆速度為 1 200 m/s，大致估算兩點(diǎn)直接傳爆需用時(shí)16.7 μs，結(jié)合時(shí)間差和距離，基本可以判定中心附近的起爆點(diǎn)向上傳爆引爆了上側(cè)左右兩邊的光敏炸藥。

圖9 單金屬絲電爆炸起爆光敏炸藥涂層

分析認(rèn)為，金屬絲屬于線光源，其正下方的光敏炸藥受到的光照度最大且滿足起爆要求，兩側(cè)的光敏炸藥受到的光照度相對(duì)較低、不能實(shí)現(xiàn)快速起爆，說(shuō)明光照度對(duì)光敏炸藥起爆同步性有重要影響，光敏炸藥光起爆延滯期隨著光照度的增加而減小。上部區(qū)域起爆時(shí)間顯著晚于下部，原因可能是金屬絲安裝時(shí)未能與炸藥表面保持平行，導(dǎo)致上部區(qū)域距金屬絲更遠(yuǎn)、光照度略低，發(fā)生了傳爆而非閃光起爆。從側(cè)面說(shuō)明光敏炸藥閃光起爆閾值在該起爆工況附近，導(dǎo)致起爆時(shí)間容易隨光照度微小變化而發(fā)生顯著變化。金屬絲起爆時(shí)刻早于光脈沖波形到達(dá)峰值時(shí)間，即在光強(qiáng)達(dá)到峰值前光敏炸藥已經(jīng)起爆，說(shuō)明光強(qiáng)已滿足部分區(qū)域的光敏炸藥起爆要求，可以適當(dāng)增加金屬絲數(shù)量，提高光照度的均勻性。

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，在第2發(fā)同步性實(shí)驗(yàn)中，采用2根金屬絲起爆光敏炸藥，其余參數(shù)不變，如圖10(a)所示，起爆后的鋁板表面和各測(cè)點(diǎn)起爆時(shí)刻分別如圖10(b)、圖10(c)所示。由圖10可見(jiàn)：雙金屬絲的同步起爆效果明顯好于單金屬絲，證明了適當(dāng)增加金屬絲數(shù)量提高光照度的均勻性有利于改善光敏炸藥的光起爆同步性；用雙金屬絲代替單金屬絲后，光敏炸藥的起爆延滯期下降顯著，由33.7～57.7 μs減少為13.0～20.4 μs；各測(cè)點(diǎn)同步性顯著提高，測(cè)點(diǎn)起爆最大時(shí)間差由24 μs減少為7.4 μs，明顯小于兩點(diǎn)相互傳爆所需16.7 μs。在 6 cm×6 cm、4 cm×4 cm范圍內(nèi)間隔2 cm正交布設(shè)的探針實(shí)測(cè)光敏炸藥起爆同步性分別低于6.4 μs和4 μs，部分間隔2 cm的探針實(shí)測(cè)起爆時(shí)間相差小于0.1 μs，上述結(jié)果表明采用金屬絲電爆炸產(chǎn)生強(qiáng)閃光起爆光敏炸藥時(shí)各點(diǎn)起爆同步性較好。

圖10 雙金屬絲電爆炸起爆光敏炸藥涂層

單金屬絲屬于線光源，其中間位置正下方的光敏炸藥受到的光照度最大，因此該處的起爆時(shí)間最早，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此相符。雙金屬絲起爆時(shí)，在兩根金屬絲之間正下方的光敏炸藥受到的光照度最大，更容易發(fā)生起爆，因此位于雙絲正下方的測(cè)點(diǎn)起爆時(shí)間相對(duì)更早；在金屬絲中段附近的光照度次之，起爆時(shí)間略晚；方形涂層4個(gè)角的起爆時(shí)間較為滯后，應(yīng)是金屬絲線光源輻照在這些位置的光照度明顯低于靠中心位置；光敏炸藥涂層起爆同步性沿雙絲基本呈對(duì)稱分布，但整體向左偏移，可能是由于金屬絲在炸藥涂層上方?jīng)]有對(duì)稱布置；光敏炸藥起爆時(shí)間基本隨光照度的減小而增大。

3 結(jié)論

以現(xiàn)有的高壓放電裝置(30 kV高電壓)通過(guò)長(zhǎng)度為15 mm鎢絲放電后，鎢絲發(fā)生電爆炸引爆6 cm外的乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥涂層，用薄膜式光纖壓力探頭和光電探測(cè)器分別測(cè)量了電爆炸過(guò)程和等離子體發(fā)光時(shí)間歷程，用自研的光纖鍍膜探針每隔2 cm測(cè)量了涂層各測(cè)點(diǎn)的起爆時(shí)間，結(jié)果表明：

1)金屬絲電爆炸產(chǎn)生光輻射成功起爆乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥，相鄰測(cè)點(diǎn)最小時(shí)差可達(dá)0.1 μs；光照度對(duì)乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥起爆延滯期有重要影響，光照度越高則光起爆延滯期越短，最小光起爆延滯期可低至13 μs。

2)適當(dāng)增加金屬絲數(shù)量有利于改善光起爆同步性；雙金屬絲的同步起爆效果明顯好于單金屬絲，相鄰測(cè)點(diǎn)最小起爆時(shí)差由0.6 μs降為0.1 μs，各測(cè)點(diǎn)起爆延滯期下降顯著，由33.7～57.7 μs減少為13.0～20.4 μs。

3)自研的光纖鍍膜探針測(cè)時(shí)方法具有成本低、抗輻射干擾能力強(qiáng)、測(cè)點(diǎn)小、測(cè)時(shí)精度高等特點(diǎn)，滿足電爆炸光輻射乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥涂層各點(diǎn)起爆測(cè)時(shí)要求，可以用于大面積同步性起爆實(shí)驗(yàn)研究。