Нормированная зависимость критерия взрывного разложения petn — v при инициировании лазерными импульсами различной длительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кемеровский государственный университет

Нормированная зависимость критерия взрывного разложения petn -- v при инициировании лазерными импульсами различной длительности

Радченко Кристина Анатольевна, магистр, студент

Аннотация

импульс критический композит наночастица

На основе анализа рассчитанных зависимостей критической плотности энергии инициирования композитов PETN от радиуса наночастиц металлов, при инициировании лазерными импульсами, высказана гипотеза о существовании универсальной кривой, независимой от длительности импульса. Введение относительных координат позволило с точностью более 99.999 % описать зависимости критерия инициирования от радиуса при длительностях импульса 12 нс и 20 нс одной кривой, что позволило сделать вывод о существовании универсальной кривой.

В настоящее время большое значение имеет повышение безопасности производства. В отраслях промышленности, в которых используются взрывчатые вещества (ВВ), это особенно важно [1]. Чтобы предотвратить чрезвычайные ситуации при использовании ВВ можно предложить переход от использования электро [2] - к оптическим детонаторам [3]. Задача оптимизации капсюля оптического детонатора является весьма актуальной. Основные требования - высокая селективность к оптическому излучению [4] с одновременной стойкостью к другим видам воздействия, минимальная плотность энергии инициирования состава [3-5]. Инициирующие взрывчатые вещества (в том числе - азид серебра [6]) удовлетворяют последнему критерию, но весьма чувствительны к нагреву, удару, электромагнитному полю [1, 2]. Ряд ученых предпочитают путь сенсибилизации хорошо исследованных штатных вторичных ВВ. Так, в работах [3, 7-8] для этого предлагается использовать смесевые составы тетранитропентаэритрита (PETN) с наночастицами металлов. Показано, что при использовании наночастиц алюминия, удается снизить порог лазерного зажигания композитов PETN-Al более чем в двести раз [8-10]. Для описания процесса используется модель теплового взрыва в микроочаговом варианте, в работах [8-10], удалось описать экспериментальные закономерности взрывного разложения PETN с наночастицами алюминия. Однако сложность процесса сказывается на затратах машинного времени, необходимого для расчетов критериев инициирования при различных радиусах металлов и длительности импульса. В работе [11] эта проблема решалась методом уменьшения точности расчета, однако кардинально решить проблему не удалось. Целью данной работы является исследование микроочаговой модели, для нахождения универсальной кривой, не зависящей от длительности импульса и в перспективе - от материала наночастиц.

В качестве исследуемых материалов выбраны PETN с наночастицами ванадия, т.к. по взрывному разложению данного штатного бризантного ВВ много экспериментальных данных [8-10, 12 - 14], а наночастицы ванадия перспективны для включений в матрицы ВВ [15], так как имеют большие коэффициенты эффективности поглощения [16] и рассеяния [17] на длинах волн неодимового лазера, и, следовательно, эффективно разогреваются в поле их излучения. Кроме того, ванадий является катализатором разложения нитратов (к классу которых относится PETN, последняя буква в аббревиатуре на это и указывает) и может существенно понизить температуру вспышки [15].

В работах [8, 9] сформулирован современный вариант микроочаговой модели теплового взрыва PETN с наночастицами ряда металлов и методика численного анализа эволюции системы [18, 19]. Теоретически описаны и рассчитаны критические параметры композитов на основе PETN и наночастиц меди [5, 20], хрома [21], алюминия [8, 9, 19], никеля [22], ванадия [15], золота [23], олова [24], кобальта [25]. При различных длительностях импульса рассчитаны зависимости минимальной (критической) плотности энергии инициирования взрывного разложения образца (H) от радиуса наночастиц (R), определены координаты минимумов (H_min) для различных включений при варьировании длительности импульса. Представление результатов в табличном и графическом виде показало однотипность зависимостей H(R):

· в области малых радиусов при R ~ 10 нм значения H при одинаковых длительностях импульса не зависят от природы включения и стремятся к одному предельному значению,

· далее значения порога инициирования уменьшаются до индивидуального для каждого металла значения H_min,

· после чего различия в значениях критической плотности энергии с увеличением радиуса наночастиц возрастают.

Однотипность зависимостей позволяет высказать гипотезу о существовании универсальной кривой, одинаковой для данного ВВ, независимо от природы включений и длительности импульса. Задача по нахождению универсальной кривой для наночастиц алюминия, никеля и ванадия поставлена в работе [26]. Рассчитаны зависимости H(R) композитов PETN с данными включениями при инициировании импульсами длительностью на полувысоте 12 нс. Получено описание трех зависимостей одной кривой с точностью более 99 %.

В настоящей работе определим возможность существования универсальной кривой при различных длительностях импульса. Математическую модель процесса позаимствуем из работы [27]. Рассчитаем для различных длительностей импульса зависимости критических плотностей энергии, которых необходимо сообщить образцу для начала взрывчатого разложения, от радиусов соответствующих наночастиц. Расчеты проводились в системе MatLab (лицензия № 824977) в созданном ранее пакете прикладных программ [28] в рамках учета теплофизических процессов, происходящих при нагревании наночастиц, находящихся в PETN лазерным импульсом с длительностью 12 нс и 20 нс.

Рис. 1. Рассчитанные зависимости H(R) для композитов на основе PETN и наночастиц ванадия при инициировании импульсами на полувысоте 12 нс (сплошная кривая) и 20 нс (штрих пунктир). Точками (знаками «о» и «*») отмечены экстремумы соответствующих зависимостей.

Интенсивность от времени современных и созданных в двадцатом веке лазеров определяется функцией Гаусса [29]. Для каждого R в диапазоне 10 нм - 120 нм и длительностей импульса 12 нс и 20 нс рассчитаем с относительной точностью 10^-12минимальную плотность энергии импульса, при которой реализуется взрывной режим развития реакции. Как и в работах [18-21] использована методика расчета методом деления отрезка пополам, устойчивая для решения задач нахождения координат точек бифуркации [21-24]. На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости H(R) для композитов на основе PETN и наночастиц ванадия при инициировании импульсами на полувысоте 12 нс (сплошная кривая) и 20 нс (штрих пунктир). Точками (знаками «о» и «*») отмечены экстремумы соответствующих зависимостей.

Из рисунка 1 и работ [20-25, 30, 31] по моделированию закономерностей взрывного разложения PETN с включениями алюминия, никеля, меди, ванадия, серебра и др. металлов, видно, что во всем диапазоне радиусов зависимости ведут себя однотипно: В пределах от 10 до R_min, индивидуально для каждой длительности импульса и металла, зависимости уменьшаются, а достигая минимума (H_min) - увеличиваться.

При увеличении длительности импульса, как R_min, так и H_min увеличиваются. Для длительности импульса 12 нс R_min = 55.248 нм, H1_min =58.6 мДж/см², а для длительности импульса 20 нс R_min = 71.277 нм, H2_min = 72.6 мДж/см² (индекс 1 относится к длительности импульса на полувысоте 12 нс, 2 - 20 нс). В зависимости от длительности импульса значения критической плотности энергии (H_min) значительно (на 24 % для энергетического критерия и 30 % - для размерного) изменяются, в отличие от лазерного инициирования азида серебра, где критическая плотность энергии слабо зависела от длительности импульса.

В работах [20-25] в рамках микроочаговой модели теплового взрыва далее обычно проводилась аппроксимация рассчитанных зависимостей аналитическими выражениями, определялись подгоночные параметры процесса.

В настоящей работе мы на основании проведенного анализа рассчитанных зависимостей H(R) для системы PETN- наночастицы металлов, сформулируем гипотезу о существовании универсальной кривой [26], независимой от длительности импульса, и в перспективе - от материала включения.

Рисунок 2. Нормированные зависимости критической плотности энергии инициирования от радиуса наночастиц ванадия при длительности импульса 12 нс (сплошная кривая) и 20 нс (отмеченные плюсами).

Гипотеза основывается на качественно близких зависимостях H(R) для составов PETN и гексогена с наночастицами различных металлов [19-33]. Для подтверждения гипотезы рассчитанные зависимости критерия взрывного разложения PETN от радиуса наночастиц ванадия нормируем на соответствующие минимальные значения геометрического и энергетического критерия (R/R_min и H/H_min). Результатом нормировки являются кривые с более выраженным, чем на рисунке 1 минимумом, пересекающиеся в точке с координатами (1,1). Результаты расчета представлены на рисунке 2. Так как видимых различий зависимостей при варьировании длительностей импульса обнаружить не удается, применен вариант представления одной кривой (при длительности импульса 12 нс) сплошной линией, а другой (при 20 нс) маркерами рассчитанных точек.

Таблица 1. Рассчитанные зависимости относительной (H1/H1_min и H2/H2_min) критической плотности энергии инициирования композитов PETN от безразмерного радиуса (R/R_min) наночастиц ванадия, среднеквадратическое отклонение полученных величин в % (Sr_kv).

Наибольший интерес представляют правые и левые части характеристических кривых. Для удобства анализа полученные данные представлены в таблице 1. В первом столбце находятся относительные радиусы наночастиц (R/R_min) (деление радиусов для каждой длительности импульса происходит на свое значение R_min: 55.248 нм для 12 нс и 71.277 нм для 20 нс). В столбцах 2 и 3 приведены нормированные критические плотности энергии (H1/H1_min, H2/H2_min). В последней колонке выписаны рассчитанные среднеквадратичные в процентах отклонения нормированных критических плотностей энергии от среднего значения.

Чтобы не потерять точность при нормировки зависимостей, R_min определялась до тысячных долей нм. Такие геометрические параметры недостижимы в эксперименте. Однако меньшая точность расчета оптимальных форм - размерных и энергетических критериев приносит существенный вклад в точность описания универсальной кривой и не позволяет отличить ошибку расчета от отклонения процесса. Максимальное среднеквадратичное отклонение наблюдается для малых радиусов наночастиц. С последующим увеличением радиуса разница в относительных плотностях энергии уменьшается с минимумом в точке (1,1), где точки пересекаются и среднеквадратичное отклонение равно 0. На всем диапазоне рассчитанных радиусов среднее значение среднеквадратичных отклонений составила величину 0.000743 %, что позволяет считать функцию (H/H_min) (R/R_min) универсальной кривой микроочаговой модели теплового взрыва для композитов на основе PETN и включений ванадия. Насколько на вид универсальной кривой влияет природа материала наночастицы и длительность импульса при широком варьировании последней необходимо выяснять в следующих работах, так как полученные результаты важны для оптимизации состава капсюля оптического детонатора, значительно сокращая объем первичных, наиболее длительных расчетов зависимости критерия инициирования от радиуса наночастицы и длительности импульса. Автор выражает благодарность научному руководителю к.ф-м.н. А.П. Боровиковой.

Список литературы

1. Сугатов Е.В., Кузьмина Л.В., Газенаур Е.Г. и др. Влияние концентрации примеси железа и свинца на магнитный порог магнитопластического эффекта в кристаллах азида серебра// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 4-2. С. 610-613.

2. Rodzevich A.P., Gazenaur E.G., Belokurov G.M. The technology of production and treatment of materials in the electric field // Applied Mechanics and Materials. 2014. Т. 682. С. 206-209.

3. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. №7. С. 5-12.

4. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Оптические свойства наночастиц меди // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. № 8. С. 59-64.

5. Каленский А.В., Никитин А.П., Газенаур Н.В. Закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN - медь лазерным импульсом // Actualscience. 2015. Т. 1. № 4 (4). С. 52-57.

6. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Вероятность генерации дефектов по Френкелю при разложении азида серебра// ХФ. 2015. Т. 34. № 3. С. 3-9.

7. Иващенко Г.Э. Зависимость критической плотности энергии инициирования PETN-никель от размера наночастицы // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 9. С. 10.

8. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. 2015, Т. 85. № 3. С. 119-123.

9. Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.

10. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Температурная зависимость порога инициирования композита тетранитропентаэритрит-алюминий второй гармоникой неодимового лазера // ХФ. 2015. Т. 34. № 7. С. 54-57.

11. Радченко К. А. Влияние относительной погрешности на шаге интегрирования на точность математического моделирования // Nauka-Rastudent.ru. 2015. №. 12 (24) С. 39.

12. Иващенко Г.Э. Закономерности рассеяния света первой гармоники неодимового лазера наночастицами никеля в PETN // Actualscience. 2015. Т. 1. № 3 (3). С. 63-67.

13. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.

14. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Определение оптических свойств светорассеивающих систем с помощью фотометрического шара// Приборы и техника эксперимента, 2015, № 6, с. 60-66.

15. Радченко К.А. Критическая плотность закономерности инициирования взрывного разложения PETN-V неодимовым лазером длительностью 12 нс // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 40-46.

16. Радченко К. А. Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 10. С. 32.

17. Радченко К.А. Оптические характеристики наночастиц ванадия на первой гармонике неодимового лазера. // NovaInfo.Ru. - 2015. - Т. 2. - № 39. - С. 11-17.

18. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 375-382.

19. Козленко Е.А. Формирование очага взрывного разложения композитов ТЭН - алюминий импульсом неодимового лазера //Аспирант. 2015. № 9. С. 48-51.

20. Газенаур Н.В., Никитин А.П. и др. Температурная зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастиц меди // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № Специальный выпуск. С. 22-26.

21. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. № 2 (9). С. 29-34.

22. Каленский А.В., Зыков И.Ю. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген - никель // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 12-3. С. 147-151.

23. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Кригер В.Г. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования тэна, содержащего наночастицы золота // Вестник КемГУ. 2014. № 3-1(59). С. 218-223.

24. Галкина Е. В., Радченко К. А. Модель инициирования композитов PENT-олово импульсом неодимового лазера // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 9. С. 12.

25. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V., Zvekov A. A. и др. The optical properties of the cobalt nanoparticles in the transparent condensed matrices // Наносистемы: физика, химия, математика. 2015. Т. 6. № 5. С. 628 - 636.

26. Никитин А.П., Радченко К.А., Иващенко Г.Э. Универсальная кривая критических параметров инициирования взрыва PETN - наночастицы металлов //Nauka-Rastudent.ru. 2016. № 8. С. 10.

27. Радченко К.А. Формирование очага взрывного разложения композитов PETN - ванадий // Nauka-Rastudent.ru. 2015. No. 11 (23).

28. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом// Аспирант. 2015. № 7. С. 73-78.

29. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Временная форма импульса первой гармоники неодимового лазера// Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 2 (17). С. 43-48.

30. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Кинетические закономерности лазерного инициирования композитов тэн-серебро // Nauka-rastudent.ru. 2015. №. 04(16). С. 46.

31. Иващенко Г.Э. Кинетика образования очага взрывного разложения композитов PETN-Ni // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 33-40.

32. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. Моделирование оптических свойств наночастиц никеля в среде гексогена// Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015.№ Специальный выпуск. С. 26-31.

33. Зыков И. Ю., Каленский А. В. Расчет спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 1 (16). С. 37-42.

Размещено на Allbest.ru