CC BY
15УДК 541.4+621.3
Г.Г. Савенков1, В.А. Морозов2, Г.В. Семашкин3, В.А.Соловьев4 В.А. Брагин5
Введение
В настоящее время при утилизации боеприпасов в ряде случаев применяются различные рентгеновские аппараты для просмотра состояния внутренних элементов взрывателей. В связи с этим возникает проблема определения стойкости взрывчатых веществ и пиротехнических (воспламенительных) составов к воздействию рентгеновского излучения, составной частью которого являются потоки электронов. Похожая проблема может возникнуть для энергетических материалов (например, ракетных топлив), находящихся в глубоком космосе при воздействии жесткой рентгеновской радиации в случае аномальных вспышек на Солнце. В этом случае потоки электронов аналогичны сильноточным электронным пучкам (СЭП), которые генерируются мощными электронными ускорителями [1]. Однако в научной литературе до сих пор обсуждалась только проблематика возбуждения с помощью СЭП наносекундной длительности детонации в однородных инициирующих и бризантных взрывчатых веществах (ВВ), при этом, по мнению авторов [2], основную роль в таком инициировании ВВ играет не столько электронный пучок, сколько катодный плазменный факел, который генерируется вслед за пучком и имеет скорость порядка 150 км/с. При рентгеновском излучении катодный факел, естественно, отсутствует.
Отсутствует катодный факел и при генерировании пучка электронов микросекундной длительности, когда
СТОЙКОСТЬ
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
ФГУП «Специальное конструкторско-технологическое бюро «Технолог»
192076, Санкт-Петербург, Советский пр., д. 33А
Санкт-Петербургский государственный университе 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., дом 28.
Научно-исследовательский институт «Поиск»
188662, Ленинградская обл., Всеволожский р-н, пос. Мурино, ул.Лесная, д. 3;
Представлены результаты экспериментальных исследований воздействия сильноточного электронного пучка наносекундной длительности на перхлорат аммония, огнетушащий состав СБК-3 и пиротехнические составы на основе свинцового сурика и пикрата калия. Показано влияние температуры вспышки составов на их стойкость к воспламенению
электронным пучком. Дано краткое расчётно-теоретическое описание воздействия пучка на высокоэнергетические материалы.
Ключевые слова: сильноточный электронный пучок, воспламенение, высокоэнергетические материалы, электромагнитное излучение.
происходит автоэмиссия электронов. Авторам настоящей статьи известны две работы, в которых рассматривается воздействие электронного пучка микросекундной длительности на энергетические материалы. В работе [3] приведены результаты исследований по воздействию такого пучка на однородные инициирующих взрывчатых веществ (ИВВ), а в работе [4] с его помощью воспламеняли образцы из нитрата целлюлозы. В обеих работах, по мнению авторов, были достигнуты положительные результаты, хотя времена индукции были очень большими (до десятков секунд), что весьма не характерно для ИВВ (для нитратов целлюлозы такие времена обычны).
Однако свойства ВВ (и, в особенности, ИВВ) и нитратов целлюлозы отличаются от свойств смесевых составов (например, типа пиротехнических составов) и других высокоэнергетических материалов (например, ракетных топлив), в которых отсутствуют в качестве компонентов индивидуальные взрывчатые вещества (октоген, например).
Таким образом, актуальность исследования возможностей инициирования (зажигания) высокоэнергетических материалов с помощью СЭП наносекундной длительности с целью выяснения условий и определения характеристик, влияющих на их стойкость к воздействию пучка, несомненна и является целью настоящей работы.
1 Савенков Георгий Георгиевич, д-р техн. наук, зам. главного конструктора ФГУП «СКТБ «Технолог», e-mail: [email protected]
2 Морозов Виктор Александрович, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. каф. физической механики СПбГУ
3 Семашкин Георгий Владимирович, канд. техн. наук, зам. директора ФГУП «СКТБ «Технолог», e-mail: [email protected]
4 Соловьев Владимир Александрович, начальник произв. участка, ФГУП «СКТБ «Технолог», e-mail: [email protected]
5 Брагин Владислав Александрович, канд. техн. наук, нач. отделения ФГУП «НИИ «Поиск»
Дата поступления - 12 сентября 2013 года
Образцы и методика эксперимента
В качестве энергетических материалов были выбраны четыре состава:
- состав на основе пикрата калия (I) со средним размером частиц ~100 мкм,
- перхлорат аммония (ПХА) (II) со средним размером частиц 8-12 мкм,
- состав на основе свинцового сурика с добавками циркония и коллоксилина (III) со средним размером зерна ~100 мкм
- огнетушащий состав СБК-3 (IV) (на основе нитрата калия с добавками диациндиамида и эпоксидной смолы) со средним размером зерна ~300 мкм.
Температура вспышки Т1ё„ = 300^340 °С - для I и II, Т^„ = 180^220 °С для III и Т^„ = 280^300 °С для IV. Температура горения для I - Т/ = 2300^2400 °С, II - Т = 1000-н1110 °С, III - Т{ = 2270-н2360 °С, IV - Т = 1200 °С.
Составы запрессовывались в стальные кольца толщиной 2 мм с внешним диаметром 30 мм и внутренним 16 мм. Плотность запрессованных составов во всех случаях составляла для: I - 1,25 г/см3, II - 1,25 г/см3, III - 3,5 г/см3 и IV - 1,55 г/см3. Необходимо отметить, что перхлорат аммония горит только в достаточно узком диапазоне давлений 2-10 МПа [5].
В качестве источника возбуждения СЭП использовали импульсный сильноточный ускоритель электронов ГКВИ-300 со средней энергией электронов в спектре 180 кэВ и длительностью импульса напряжения на полувысоте 4060 нс. Диаметр пучка электронов - 10 мм. Воздействие электронного пучка на образцы осуществляли в в-2акуум-ной камере при давлении остаточных газов ~10-2 Па и температуре помещения 20 °С. Образец устанавливали в оправку перпендикулярно летящему пучку электронов (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема проведения эксперимента: 1 - вакуумная камера, 2 -катод, 3 - стальное кольцо-анод, 4 - образец, 5 - пояс Роговского (измеритель тока электронного пучка), 8 - кольца, 9 - майларовая напылённая алюминием плёнка или алюминиевая фольга
Поскольку в работе применяли в качестве источника электронов катод, работающий в режиме взрывной эмиссии, то, как говорилось выше, кроме электронного пучка существенный вклад в нагружение и нагрев образца может вносить металлическая плазма (так называемый катодный факел (КФ)), возникающая при генерации пучка и летящая вслед за пучком электронов со скоростью ~ 150 км/с [6]. Поэтому в работе плазма отсекалась с помощью экрана из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм (поз. 9
на рисунке 1), устанавливаемой перед образцом. Как показали эксперименты, проведенные для определения потерь пучка и плазмы при прохождении через экран, фольга пропускала 90 % электронов и только 15 % металлической плазмы, при этом скорость остатков плазмы резко падала до 5-6 км/с. Во всех случаях расстояние между катодом и образцом составляло 4 мм, а плотность потока8 мощности электронного пучка равнялась Ш =9,4'108 Вт/см2.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Действие на образцы с составми I, II и IV как электронного пучка без КФ, так и совместно с КФ, приводило только к образованию, под действием растягивающих напряжений, каверны в образце диаметром до 7 (для I) и до 3 (для II, IV) мм и глубиной до 2 мм, при этом следов воспламенения не наблюдалось (рисунок 2). Диаметр каверны при действии только электронного пучка был существенно меньше, чем при совместном действии пучка и КФ (рисунок 2 б и в). Воздействие СЭП на образцы с составом III приводило к его полному выгоранию, при этом на катоде образовывались пятна термического происхождения (рисунок 3).
Рисунок 2. Действие электронного пучка на составы: (а) и Ш(б, в): б) действие пучка и катодного факела, в) действие только электронного пучка
а
б
в
электронов рассеивается в более тонком слое (ТС) в ВС-2 и нагревает этот ТС до температуры вспышки. ТС воспламеняется и от него процесс горения распространяется на всю оставшуюся часть образца.
С целью проверки выдвинутой гипотезы проведём оценочные тепловые расчёты. Все параметры, необходимые для расчёта приведены в таблице. Методика расчёта аналогична методике, приведённой в работе [7].
Состав р, г/см3 с Дж/кп К heff, мм he max, мм W Вт/см2 Е кэВ tb нс
I 1,25 23G 0,3 0,13 9,4^108 180 б0
II 1,25 212,5 0,3 0,13 9,4^108 180 б0
III 3,5 851 0,10б 0,0457 9,4^108 180 б0
IV 1,55 292 G, 24 0,103 9,4^108 180 б0
Рисунок 3. Термическое пятно на катоде ускорителя после воздействия СЭП на состав III
Таким образом, можно констатировать, что с помощью электронного пучка и катодного факела удаётся воспламенить при вышеуказанных параметрах СЭП только энергетический состав с относительно низкой температурой вспышки (Тіп х 200 °С), очевидно, что для воспламенения трёх других составов нужны более высокие энергетические параметры импульсного электронного пучка. Следует отметить, что в отношении перхлората аммония такой вывод можно сделать с оговорками, вследствие узкого диапазона давлений, в котором происходит его горение.
ЧЕ МэВ-см2 ,
<* ’ г |
Рисунок 4. Распределение поглощенной энергии одного электрона по толщине образца
На основании полученных результатов можно предложить следующий механизм воспламенения (или не воспламенения) исследованных энергетических материалов. В соответствии с графиком на рисунке 4, полученного путём численного решения системы уравнений движения электрона в веществе по модели отрезков (согласно этой модели траектория движения электронов разбивается на отрезки, на которых энергия потерянная электроном составляет Д [7]), эффективная длина пробега электронов составляет для I, II hf х 0,3 мм, для III heff х 0,11 мм, для IV hf х 0,24 мм, при этом, глубина максимального энерговыделения для одного электрона соответственно равна he max = 0,13 мм, he max = 0,05 ,мм и he max = 0,24 мм. Тогда можно предполагать, что большая часть энергии
В результате расчётов получено, что повышение температуры в слое максимального энерговыделения составляет для: I ДГ = 141 градус, II - ДГ = 148 градусов, III - ДГ = 237 градусов, IV - ДГ = 112 градусов. То есть, оценочные расчёты подтверждают выдвинутую гипотезу о механизме воспламенения энергетических материалов сильноточным электронным пучком (для ПХА этот вывод следует применять с оговорками).
Заключение
Воспламенение энергетических материалов сильноточным электронным пучком при минимальных параметрах пучка возможно только в случае невысоких (не более 200 °С) температур вспышки материала. Для материалов с высокой температурой вспышки энергия пучка электронов должна быть либо значительно выше, чем использованная в настоящей работе, либо в энергетический материал необходимо добавлять полупроводящие или проводящие наноразмерные или ультрадисперсные добавки (металлические порошки) [8, 9], которые являются центрами притяжений для летящих электронов, как материалы с повышенной плотностью и проводимостью. И, кроме того, они же (нано или ультрадисперсные металлические порошки) являются добавками к горючему (а в ПХА оно вообще отсутствует), которые горят с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов горения. Влияние размеров порошка связано с увеличением их химической активности при уменьшении размеров до указанных значений.
Литература
1 Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука, 2000. 424 с.
2. Морозов В.А., Савенков Г.Г. К вопросу о возбуждении детонации в бризантных взрывчатых веществах сильноточным электронным пучком // Хим. физика. 2013. Т. 27. № 6. С. 69-77.
3. Рябых С. М., Жуланова В. П., Холодковская Н.В. [и др.]. Возбуждение взрыва инициирующих взрывчатых веществ импульсами электронов микросекундной длительности // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32. № 3. С. 113-118.
4. Матухин ЕЛ, Якушев Х.А, Васильев Н.К. Воспламенение нитратов целлюлозы электронами высокой энергии // Матер. Всерос. науч.-техн. и уч.-метод. конф. «Воспламенение и горение конденсированных систем, излучение их пламен» сентябрь 1999 г., г. Казань. Казань: изд-во КГТУ, 2001. С. 54-55.
5. Иващенко Ю.С, Садырин А.Л, Павленко В.Л. Исследование электропроводности поверхности горения ПХА // Физика горения и взрыва. 1986. № 4. С. 30-33.
6. Мещеряков ЮИ, Морозов В.А. О взаимодействии волн сжатия, инициируемых сильноточным импульсным пучком электронов в твердых телах // Журн. техн. физики. 1979. Т. 49. Вып. 9. С. 1982-1986.
7. Морозов В.А, Савенков Г. Г., Брагин В.А. [и др.] Проблема возбуждения детонации в бризантных взрывчатых веществах сильноточным электронным пучком // Журн. техн. физики. 2012. Т. 82. Вып. 5. С. 129-134.
8. Савенков Г. Г., Морозов В.А, Брагин В.А, [и др.]. Влияние полупроводниковых наноразмерных добавок на свойства энергоаккумулирующих фазовых материалов при облучении сильноточным электронным пучком // Журн. техн. физики. 2013. Т. 83. Вып. 7. С. 96-99.
9. Архипов В.А, Коротких А.Г., Гольдин В.Д. Оценка влияния дисперсности и содержания порошка алюминия на скорость горения гетерогенных конденсированных систем // Хим. физика и мезоскопия. 2012. Т. 14.№ 2. С. 161-174.
