脈沖激光起爆光敏炸藥特性

王等旺, 徐海斌, 馬澤龍, 徐暢, 劉小東, 張云峰, 趙奇峰

(西北核技術(shù)研究所 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國重點實驗室, 陜西 西安 710024)

0 引言

光敏炸藥(LIHE)是一種可行的高逼真模擬強脈沖X射線結(jié)構(gòu)響應(yīng)的實驗?zāi)M技術(shù)[1],可有效解決殼體異性復(fù)雜結(jié)構(gòu)、小比沖量模擬和大面陣同時加載等問題,而且這種模擬技術(shù)不僅可模擬X射線作用結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),也可以模擬X射線作用材料的材料響應(yīng)。

1966年,Brish等[2]利用Q開關(guān)式釹玻璃激光器起爆了疊氮化鉛和泰安(PETN)兩種炸藥。在激光起爆機理研究方面,Ewich[3]、Oestmark等[4]和孫承緯[5]建立了激光起爆模型。馮長根等[6]認(rèn)為激光起爆炸藥的過程是由于其吸收激光能量后,炸藥發(fā)生溫升超過了起爆臨界起爆溫度,是一種連續(xù)的熱點起爆過程。Liau[7]認(rèn)為存在熱積累的熱化學(xué)過程到自持化學(xué)反應(yīng)的二次燃燒或爆炸現(xiàn)象。

Ali等[8]利用二氧化碳紅外激光器開展了奧克托今(HMX)和1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯炸藥的實驗研究,獲得了激光功率與炸藥起爆延遲時間、激光能量與炸藥起爆溫度閾值的關(guān)系。?stmark等[9]開展了激光波長對炸藥起爆延遲時間、爆速等參數(shù)的影響規(guī)律研究,選用的激光器是紅外連續(xù)激光器。Aleksandrov等[10]開展了改變激光脈沖寬度(7.5～100 ns)起爆PETN的實驗研究,發(fā)現(xiàn)激光起爆能量密度隨激光脈寬的增大呈1.4倍正比增大。Aduev等[11]和Tarzhanov等[12]研究了不同濃度的Al、Ni-C和Al-C顆粒(100～220 nm)對PETN激光起爆特性的影響。Aluker等[13]和Aduev等[14-15]對激光起爆炸藥機理進行了探索研究,選用釹玻璃激光器和PETN炸藥,發(fā)現(xiàn)PETN炸藥起爆過程先是PETN分子發(fā)生光激發(fā),再是激光作用加熱使得PETN分子發(fā)生能級躍遷。Khokhlov等[16]開展了LIHE裝藥激光起爆的實驗,對直徑40 mm、厚度5 mm的平裝藥進行了爆轟轉(zhuǎn)化的研究,研究了由細(xì)粒黑索今(RDX)和鋁制成的低密度(ρ≈0.9 g/cm3)LIHE激光起爆特性。張陸等[17]通過分析鏈狀含氮化合物以及三唑、四唑、四嗪類化合物為配體的含能配合物的合成和激光起爆性能方面的發(fā)展現(xiàn)狀,分析了各類藥劑的優(yōu)點以及存在的問題,總結(jié)了部分激光起爆機理。馮長根等[18]通過在光敏物質(zhì)中摻雜熒光粉降低了火工品的激光起爆閾值。項仕標(biāo)等[19]開展了粒度對激光感度的影響分析。劉建等[20-21]采用飛行時間質(zhì)譜技術(shù)和Bruccton升降法,測試了波長分別為1 064 nm和532 nm兩種激光對PETN的解離譜圖和起爆閾值,分析了波長對起爆機理的影響。馮長根等[6]從激光點火的熱作用機理出發(fā),分析了激光強度對Zr/KClO4炸藥點火的影響,得出激光二極管點火時間與激光功率密度的關(guān)系。趙嘉琳等[22]利用含時密度泛函理論和分子動力學(xué)計算方法,研究了典型硝基類炸藥的激光激發(fā)解離過程,觀察了含能分子瞬時的結(jié)構(gòu)變化和分子能級隨時間的演化過程。章固丹[23]對激光起爆多氮含能配合物的光化學(xué)機理進行了理論分析和實驗研究,得到了該炸藥的激光起爆特性參數(shù)。

本文針對一種應(yīng)用于模擬強脈沖X射線結(jié)構(gòu)響應(yīng)的LIHE,開展激光起爆機理初步探索,以及不同波長條件下起爆閾值和光譜特性研究,所得成果可為大面積激光起爆同步加載提供技術(shù)支持。

1 激光與炸藥相互作用

通常當(dāng)激光作用到炸藥上時,激光與炸藥相互作用可分為熱、沖擊、光化學(xué)和電離4種情況,其起爆機理也大體可分為熱點起爆、沖擊機械起爆或者光化學(xué)反應(yīng)起爆等。這3種激光起爆機理可利用孫承緯[5]建立的激光起爆模型來表述,將上述3種熱起爆、沖擊機構(gòu)起爆和光化學(xué)反應(yīng)起爆很好地結(jié)合在一起,其激光起爆可表示為

(1)

式中:ρ為炸藥密度;C為炸藥熱容;T為起爆溫度;t為起爆時間;K為炸藥熱傳導(dǎo)系數(shù);x為激光作用厚度;a為樣品對激光的吸收系數(shù);I0為激光強度;Q為炸藥化學(xué)反應(yīng)熱;A時為頻率因子;E為炸藥活化能;R為摩爾氣體常數(shù)。激光起爆熱機理示意圖如圖1所示。

圖1 激光起爆熱機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal mechanism of laser initiation

下面針對LIHE的光吸收特性,分析其光化學(xué)作用。當(dāng)激光作用到乙炔銀-硝酸銀(SASN)分子時,SASN在吸收一定頻率的激光光子后發(fā)生離解反應(yīng),產(chǎn)生的活性能較高的SASN分子將進一步引發(fā)化學(xué)鏈反應(yīng),達到了起爆效果。以上所述就是激光起爆炸藥光化學(xué)反應(yīng)過程。Ag2C2·AgNO3的爆炸反應(yīng)式為

Ag2C2·AgNO3→3Ag+CO2+CO+N2

(2)

例如當(dāng)SASN受到波長為190 nm的激光照射時,有以下反應(yīng)發(fā)生:

Ag2C2+hv(波長為190 nm)→2Ag+2C

(3)

(4)

CO+O→CO2

(5)

N+N→N2

(6)

式中:h、v分別為普朗克常數(shù)和光子速度。波長為190 nm最終的結(jié)果為

Ag2C2·AgNO3+hv→3Ag+CO2+CO+N2

(7)

上述反應(yīng)過程是光化學(xué)引發(fā)的,并且包含鏈鎖機理。在激光作用SASN的過程中,存在SASN分子同時或不同時受到多個激光光子作用,引起多光子作用導(dǎo)致SASN分子離解的現(xiàn)象。式(8)給出了第n個光子的躍遷概率:

(8)

(9)

從式(9)中可知,第n個光子的躍遷概率與激光強度呈正比,也符合激光強度越大、越容易發(fā)生多光子吸收和離解過程、炸藥越容易起爆的一般規(guī)律。綜上,SASN可以發(fā)生光化學(xué)起爆的條件如下:

1)SASN的高吸收率光的波長要與激光波長相一致,有利于SASN受到激光作用發(fā)生共振引起光分解;

2)激光起爆能量需要達到一定程度。

2 脈沖激光起爆平臺

激光起爆平臺實驗系統(tǒng)由激光器、光路通道、SASN樣品、能量計、光譜儀、光電探頭、高速相機、實驗保護裝置組成,系統(tǒng)組成示意圖和實物如圖2、圖3所示。

圖2 平臺系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of platform system composition

圖3 不同激光器起爆平臺系統(tǒng)Fig.3 Different laser initiation platform systems

根據(jù)不同實驗需求,搭建兩套激光起爆平臺,激光器包括ArF準(zhǔn)分子激光器和Q-smat450脈沖激光,激光器基本參數(shù)如表1所示。其中ArF準(zhǔn)分子激光器的主要波長是193 nm紫外光,ArF激光器出口輸出能量為114 mJ±4 mJ,經(jīng)約1 m輸運距離和全反射濾光片,能量衰減到3.8 mJ±0.3 mJ,表明該激光器在空氣中衰減嚴(yán)重,雖然LIHE對紫外光吸收率高,不利于該激光器在本文系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

表1 選用激光器參數(shù)

圖4給出了Qsmart-450激光器不同波長能量二維、三維分布情況。從圖4中可以看出,在束斑范圍內(nèi),激光的能量平臺明顯,對于提高激光起爆LIHE的同步性加載是有利的。

圖4 Q-smart450激光器波長2D/3D能量分布(上為2D能量分布,下為3D能量分布)Fig.4 2D/3D energy distribution of Q-Smart450 laser at wavelength(The upper is two-dimensional energy distrubution, and the lower is three-dimensional energy distrubution)

3 LIHE SASN性質(zhì)

本文中LIHE是一種乙炔銀和硝酸銀的絡(luò)合物,分子式為Ag2C2·AgNO3。在強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)全國重點實驗室內(nèi)自行制備SASN材料,采用方式是將乙炔氣體通入硝酸銀的水溶液中,經(jīng)過一段反應(yīng)時間,生成一種白色絮狀沉淀物,該物質(zhì)就是實驗所需炸藥SASN,其化學(xué)反應(yīng)過程如下:

C2H2+3AgNO3→Ag2C2·AgNO3↓+2HNO3

(10)

SASN是一種不穩(wěn)定的物質(zhì),在強光照射下會分解、生成大量的氣體,并釋放熱量,其分解反應(yīng)式為

Ag2C2·AgNO3→3Ag+CO2+CO+N2+773 kJ

(11)

利用掃描電鏡(SEM)表征不同分辨率下樣品的表面形貌,如圖5所示,樣品由球形納米顆粒組成,顆粒直徑約為90 nm,晶型工整、表面光滑、大小分布規(guī)律均勻,這些都有利于同步起爆加載。

圖5 不同分辨率下樣品的SEM圖Fig.5 SEM of sample in different resolution ratios

利用X射線衍射(XRD)表征測試(掃描范圍5°～90°),測試結(jié)果如圖6所示,表明樣品衍射峰的出現(xiàn)位置與SASN的XRD衍射峰位置基本保持一致,驗證了該LIHE的組成成分。

圖6 樣品1的XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of sample 1

圖7 樣品的FT-ER圖譜Fig.7 FT-ER pattern of samples

圖8為SASN全波段吸收光譜曲線,可知對波長190～300 nm的紫外光具有很好的吸收率,300～450 nm之間SASN的吸收率快速下降,大于450 nm SASN吸收不明顯。

圖8 SASN全波段吸收光譜曲線Fig.8 SASN full-band absorption spectrum curve

4 激光起爆實驗研究

LIHE試樣如圖9所示,試樣參數(shù)如表2所示,在鋁制平板中心處滴制mg級SASN,最中心處安置Dynasen壓力探針,表征壓力和到達時間。該探針是一個小型同軸探針,當(dāng)置于電離面或沖擊面時將會產(chǎn)生電信號,響應(yīng)時間10 ns,作用范圍0～300 kbar。SASN面密度10～70 mg/cm2,對應(yīng)不同的加載載荷。

圖9 SASN試樣Fig.9 SASN specimen

表2 SASN試樣參數(shù)

4.1 起爆閾值

表3給出了不同激光器起爆實驗參數(shù),圖10給出了激光起爆SASN的實驗閾值。

圖10 激光起爆SASN實驗閾值Fig.10 Threshold of laser initiated SASN from experiments

表3 不同激光器起爆實驗參數(shù)

從實驗結(jié)果來看,不同波長脈沖激光均能夠可靠起爆SASN,193 nm能量密度大于5.07 mJ/mm2就可完全起爆,266 nm能量密度大于6.77 mJ/mm2就可完全起爆,532 nm能量密度大于7.21 mJ/mm2就可完全起爆,1 064 nm能量密度大于10.61 mJ/mm2就可完全起爆,也驗證了SASN光吸收率隨著波長而降低的特性(見圖10)。但355 nm能量密度需大于29.04 mJ/mm2才可完全起爆,與其他波長相比355 nm具有更高的起爆閾值,與SASN光吸收率的特性規(guī)律慣性認(rèn)知不符。

由于SASN是一種硝基類炸藥,硝基的π反鍵軌道是一個未被占據(jù)的低能軌道,低能分子在受到激光激發(fā)時電子主要被激發(fā)到該軌道上,因此硝基會顯著影響含能分子的光致解離過程。由圖6、圖7所示X射線衍射和紅外光譜結(jié)果看,硝酸銀分子在光熱等外界條件誘惑下引發(fā)爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)第1步是C—N共價鍵斷裂,并形成含有不成對電子的硝基自由基中間態(tài)。從圖8全波段吸收光譜來看,SASN對紫外波長吸收率更高,對應(yīng)硝基譜帶強度降低以及硝酸根離子(NO3)的形成,紫外激光更易誘導(dǎo)N—NO2鍵斷裂作為主要解離途徑。

經(jīng)分析,認(rèn)為可能是SASN起爆方式發(fā)生改變,193 nm、266 nm和355 nm紫外激光起爆方式以光化學(xué)點火為主,綠光532 nm激光以熱點點火為主,上述結(jié)論需要后續(xù)進一步開展相應(yīng)的理化微觀分析和過程光譜分析進行驗證。

4.2 激光起爆爆速測量

為判斷激光起爆SASN是否完全起爆,而不是燃燒起爆,對其爆速進行測量,由多次結(jié)果來看,爆速在1.32～1.46 km/s之間,與美國Sandia實驗室數(shù)據(jù)[24]提到的1.2 km/s相似。爆速結(jié)果見表4,測量系統(tǒng)及波形如圖11所示。

圖11 測量系統(tǒng)及實測波形Fig.11 Measurement system and measurement waveform

表4 爆速測量結(jié)果

4.3 起爆過程光譜分析

采用光纖光譜儀測量激光起爆LIHE爆轟過程的輻射光譜,其中圖12為ArF激光(193 nm)激發(fā)炸藥爆炸所產(chǎn)生的輻射光譜,圖13為Q-smart激光三倍頻(355 nm)激發(fā)炸藥爆炸所產(chǎn)生的輻射光譜。所測光譜主要包括連續(xù)譜和特征線譜,連續(xù)光譜主要由爆炸的高溫灰體輻射產(chǎn)生,特征線譜主要由爆炸場中的某種元素或分子在高溫條件下或化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的輻射光譜。所測譜線對應(yīng)的元素初步判斷主要包括Ag、Na、K等。對應(yīng)的波長位置分別為Ag:520.9 nm和546.5 nm;Na:589 nm;K:766.5 nm和769.3 nm。另外,部分實驗測量得到了499 nm附近的特征輻射譜,但該光譜對應(yīng)哪種元素或分子尚不明確。光譜強度大小并不代表實驗中該元素的含量多少,僅代表該光譜儀對該元素有更高的吸收率,如果定標(biāo)元素含量與強度的關(guān)系,則需要后續(xù)對該光譜儀進行更嚴(yán)格的標(biāo)定。

圖12 ArF193 nm激光器實驗光譜數(shù)據(jù)Fig.12 Experimental spectral data of ArF 193 nm laser

圖13 Q-smart 355 nm激光器實驗光譜數(shù)據(jù)Fig.13 Experimental spectral data of Q-Smart 355 nm laser

從光譜結(jié)果來看,并沒有獲得全部的SASN起爆化學(xué)放熱反應(yīng)中的元素光譜,給分析SASN放熱反應(yīng)過程帶來了難度,這與實驗環(huán)境開放、氣體元素雜亂有關(guān),后續(xù)可考慮用密封實驗環(huán)境(激光傳輸利用光纖),容器內(nèi)充滿惰性氣體。

5 結(jié)論

本文分析了激光起爆模型和SASN的光化學(xué)作用過程,建立了低功率激光起爆SASN實驗平臺,獲得了不同波長激光起爆SASN功率密度閾值、爆速、光譜等特性參數(shù),為化學(xué)爆炸方式模擬強脈沖X射線結(jié)構(gòu)響應(yīng)提供了技術(shù)參考。得到以下主要結(jié)論:

1)通過探索脈沖激光起爆LIHE機理,針對其光吸收特性和光化學(xué)反應(yīng)過程,提出了光化學(xué)作用起爆條件。

2)在波長190～300 nm紫外光段SASN具有很好的吸收率,300～450 nm之間SASN吸收率快速下降,大于450 nm SASN吸收不明顯;SASN面密度10～70 mg/cm2,爆速在1.32～1.46 km/s之間。

3)不同波長脈沖激光均能夠可靠起爆SASN,193 nm激光起爆閾值為5.07 mJ/mm2,266 nm激光起爆閾值為6.77 mJ/mm2,532 nm激光起爆閾值為7.21 mJ/mm2,1 064 nm激光起爆閾值為10.61 mJ/mm2,驗證了SASN光吸收率隨著波長而降低的特性。