Исследование распределения электропроводности в пересжатых детонационных волнах в конденсированных взрывчатых веществах

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. Особый интерес к исследованию электропроводности в детонационных волнах вызван конденсацией свободного, химически не связанного углерода и металлов из металлоорганических веществ в детонационных условиях. 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. 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. 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:

R_x = U_xR_о/(U_o — U_x), (1)

где U_o и U_x — 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 5 мм проволочные электроды, которые погружались в продукты детонации на 2 — 4 мм, что отмечено в работе [3,4], и около 20 мм [1], именно такую оценку даёт произведение временной длительности сигнала в проводимых экспериментах и характерная скорость детонации взрывчатых веществ (6,5 км/сек). Заряды взрывчатого вещества инициировались детонаторами без применения генераторов плоской волны. Временная калибровка полученных сигналов напряжения производилась с использованием синусоидального сигнала с частотой в 1 МГц, что позволяет фиксировать временные интервалы в 0.25 мксек. На рис. 2 приведена качественная зависимость напряжения от времени для наблюдаемого процесса. Переход от измеренных сопротивлений продуктов детонации к удельной электропроводности продуктов взрыва осуществлялся электролитическим моделированием. Для этой цели электроды при точном соблюдении взаимного положения погружались в электролитическую ванну. Измеряя межэлектродное сопротивление при различных плотностях электролита и разных глубинах погружения электродов, можно было оценить удельную электропроводность, соответствующую заданным значениям измеренного сопротивления продуктов взрыва. Видимо, поэтому авторы этих работы отмечают оценочность полученных результатов.

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 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 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. 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. 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. Эксперименты проводились с насыпным тэном и гексогеном в зарядах 6 мм, помещённых в массивную стальную оболочку. Полученные результаты подтвердили результаты. Распределение электропроводности в детонационной волне имеет две зоны: зону высокой электропроводности шириной 1 мм, коррелирующую с шириной зоны химической реакции [7], электропроводность в этой зоне названа неравновесной, зона низкой электропроводности в равновесных продуктах детонации названа равновесной. Поставлен и исследован вопрос о влиянии распределения электропроводности на распределение напряженности электрического поля, сформулированы требования к измерительной ячейке.

Большой объём исследований электропроводности продуктов детонации выполнен школой Дремина А. Н. Авторы использовали методику. Электроды погружались в продукты детонации на глубину 3−4 мм, что не позволило выявить зону высокой электропроводности. В связи с этим авторы считали, что имеется только зона равновесной электропроводности, определяемая высокими давлениями. Несовпадение результатов с [9,23] вызвало дискуссию, которая вместе с ионной гипотезой проводимости, выдвинутой авторами, не закончена и к настоящему времени. Здесь следует отметить, что внимательный анализ экспериментальных осциллограмм свидетельствует о существовании узкой зоны высокой электропроводности и в экспериментах.

Заслуживает внимания тщательно выполненная работа. В ней методом электропроводности исследована детонация тротила и его сплавов с гексогеном в зарядах диаметром 10 мм в толстостенной металлической оболочке. Полученная максимальная электропроводность (25 Ом^-1см^-1) в тротиле в 5 раз превосходит величину, полученную в. Добавление гексогена уменьшает величину электропроводности и ширину зоны высокой проводимости. Авторы связывают это с образованием алмазной фазы конденсированного углерода. Работа подтверждает наличие двух зон проводимости. Полученные результаты авторы объясняют с точки зрения «сеточной» проводимости по графитовым частицам. В этой работе измерительные электроды выполнены в виде центрального проводящего стержня и соосного с ним цилиндра [7,9]. Такая методика обладает рядом недостатков, не позволяющих получить достоверное распределение электропроводности продуктов детонации. Учесть краевые эффекты и разлёт заряда взрывчатого вещества очень непросто, а их влияние, как оказывается, существенно. Если для авторов работ [1,4,5] разрешающая способность измерительной ячейки, определяемая её индуктивностью, не являлось помехой для измерений, то, рассматривая работы [7,9], следует помнить о времени нарастания тока в измерительном контуре, которое может не позволить зарегистрировать высокую электропроводность. Времена дискретизации в рассматриваемых работах были доведены до 50 наносекунд.

Современные работы предлагают методики свободные от присутствия в экспериментах трудностей связанных с краевыми эффектами и разлётом заряда. Повышается временное разрешение, а времена дискретизации доводятся до 10 наносекунд. Однако усовершенствования утрачивают преимущества, имевшиеся ранее. Так в работе 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 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.

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 200 г по массе. На рис. 3 показан вариант применённой измерительной линии. С генератора импульса запуска Г5−15 сигнал подавался на высоковольтный генератор импульсов и на генератор постоянного тока. По сигналу запуска высоковольтный генератор импульсов вырабатывает за короткое время сильный ток, который подаётся на детонатор, расположенный во взрывной камере, в результате чего детонатор подрывается и инициирует детонацию взрывчатого вещества. Одновременно с детонатором срабатывают генератор постоянного тока, подаваемого во взрывную камеру и пропускаемого через измерительную ячейку, зондирующую исследуемое взрывчатое вещество. Сигналы напряжения, возникающие на электродах измерительной ячейки в процессе детонации заряда, передаются на осциллограф, и информация автоматически записывается в виде файла на персональный компьютер.

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 R_о, с которого снимается сигнал напряжения. Сопротивление шунта R_о подбиралось равным сопротивлению R_x 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 R_В, значительно большее, чем R_о и R_x. Максимальное значение напряжения конденсатора составляло 700 вольт, а значения сопротивления R_В варьировались от 7 Ом до 70 Ом в зависимости от проводимого эксперимента. По измеряемому напряжению без труда вычисляется сопротивление продуктов детонации:

R_x = (R_оU_x + L(dU/dt))/(U_o - U_x) — r, (2)

где U_o и U_x — соответственно напряжение на электродах до момента подхода детонационной волны к вершине электродов и после возникновения зоны высокой проводимости, R_о — 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 30 мм с коаксиальными электродами длиной 40 мм. Цилиндрическим электрод имел диаметр 10 мм, внутренний стержень имел диаметр 1 мм. Снимки фиксировали положение электродов и фронта детонационной волны в различные моменты времени. На рис. 5 видно, что положение электродов не меняется в течение времени, необходимого для проведения измерений проводимости продуктов детонации.

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.

1.4 Индуктивность измерительной ячейки

Индуктивность измерительной ячейки влияет на время падения тока в шунтирующем сопротивлении R_o 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 R_o закреплялось непосредственно на самом заряде с соблюдением наименее возможных размеров измерительного контура. Таким образом, для получения результата сопротивлением R_o 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 1,5 см при dL/dx = 11 нГн/см составляет 16,5 нГн, индуктивностью измерительной ячейки следует считать L = 32 нГн. При этом следует помнить о погрешности измерений индуктивности и сборки измерительной ячейки, которая, в свою очередь, дает ошибку в 30%. Поэтому индуктивность ячейки составляет L = 30 10 нГн. Такая величина индуктивности заметно сказывалась в экспериментах с малыми шунтирующими сопротивлениями порядка R_о = 0.1 Ом.

Индуктивность цилиндрической системы электродов в пренебрежении краевым эффектом оценивалась из выражения:

(3)

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 ф установления стационарного распределения электрического поля определяется электропроводностью продуктов детонации и оказывается равным 10^-11-10^-12с, что гораздо меньше всех детонационных времён.

Малость величины ф позволяет упростить уравнение непрерывности.

Тогда уравнение непрерывности выглядит таким образом

.

Использовав закон ома

перейдем к уравнению следующего вида

.

Откуда получаем уравнение

.

Член для применённой цилиндрической геометрии существенен только в краевом эффекте. Для того, чтобы получить полезную информацию при восстановлении электропроводности, умышленно не учитывался краевой эффект. Это позволяет, используя уравнение Лапласа, получить для восстановления электропроводности выражение:

(4)

где b и, а — диаметры наружного и внутреннего электродов, D — скорость детонации, измеряемая в каждом эксперименте, — проводимость, величина обратная сопротивлению. Аналогичным выражением для получения электропроводности пользуются авторы.

По сигналу напряжения вычислялось сопротивление продуктов детонации. Обратное значение сопротивления — 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 0.5 мм с максимумом 6 Ом^-1см^-1 и зону остаточной электропроводности со средним значением 0,5 Ом^-1см^-1. Данная измерительная ячейка свободна от влияния на измерения паразитной проводимости возмущённых продуктов детонации, проводимости ударно сжатого воздуха и продуктов разлёта, а также не чувствительна к кривизне детонационного фронта. Полученное распределение является распределением электропроводности невозмущённых продуктов детонации.

Отдельно следует отметить участок шириной порядка 0.3 мм, который занимает переход от высокого значения электропроводности до значения остаточной электропроводности .На осциллограмме заметна особенность на резком падении напряжения. На осциллограмме рис. 8 она отмечена стрелкой. Особенность соответствует участку со значительно меньшей электропроводностью, по сравнению с областью до особенности и после. Наблюдаемая особенность разделяет спад напряжения на осциллограмме на крутой и более медленный. Обнаруженная особенность не была выявлена в экспериментах автором ранее из-за недостаточного временного разрешения оборудования.

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 0,1−0,2 мм быстро нарастает до максимального значения 1,5 Ом^-1см^-1 и 0,9 Ом^-1см^-1 в гексогене и тэне соответственно. Затем резко спадает. Ширина пика высокой электропроводности 0,5 мм. За пиком находится область шириной 1−1,5 мм медленного спада электропроводности. Далее следует область особенности с электропроводностью на несколько порядков меньше максимальной. Ширина этой области 0,3 мм. Затем электропроводность нарастает до значения

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 0.5 мм с максимумом 4 Ом^-1см^-1 и зону остаточной электропроводности со средним значением 0.5 Ом^-1см^-1. Переход от зоны высокой электропроводности к зоне остаточной электропроводности сопровождается участком очень малой электропроводности шириной 0.3 мм.

. 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 0.5 мм с максимумом 70 Ом^-1см^-1 и зону остаточной электропроводности со средним значением 5 Ом^-1см^-1. Переход от зоны высокой электропроводности к зоне остаточной электропроводности сопровождается участком очень малой электропроводности шириной 0.3 мм.

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 дан математический расчет оценки влияния краевого эффекта и, как вывод, указано пространственное разрешение равное 2 — 3 мм. Полученные же распределения электропроводности указывают, что учёт его необходим при увеличении пространственного разрешения до 0,1 мм. Это связано с тем, что утопленный центральный электрод существенно уменьшает влияние краевого эффекта, да и пространственный размер зоны высокой электропроводности составляет величину порядка 0.5 мм. Другими словами, природа сама помогает избежать влияния краевого эффекта. Делая вывод, можно считать, что на данном этапе работ пренебрежение краевым эффектом приемлемо.

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 10 мм. Таким образом к центральному утопленному электроду приходила волна детонации исследуемого взрывчатого вещества со скоростью детонации гексопласта.

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 0,5 мм, зону перехода к электропроводности равновесных продуктов детонации. Между зоной перехода и остаточной электропроводностью ярко выраженная особенность. В пересжатых детонационных волнах во всех взрывчатых веществах она наблюдается в одном месте, приблизительно на 2,2 мм от момента возникновения электропроводности и выражена наиболее ярко.

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 мм. Характерно, что в равновесных продуктах детонации тротила электропроводность изменилась незначительно.

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 0,3 мм.

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. 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 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 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.

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 приведены результаты исследований заряда толщиной 3,2 мм. На приведённых в этой работе снимках хорошо видно, что на расстоянии 4−5 толщин заряда за фронтом детонации продукты детонации непрозрачны для видимого света. Продукты детонации других исследованных взрывчатых веществ непрозрачны. Непрозрачность продуктов детонации может свидетельствовать о значительной концентрации свободных электронов.

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.