利用光電探針技術測量沖擊加載下雙氧水的輻射歷史

程銳，劉福生，汪貽高，范茁寧，劉其軍

（西南交通大學物理科學與技術學院，四川成都，610031）

過氧化氫（H2O2）的分子結構簡單，其水溶液俗稱雙氧水。高濃度雙氧水具有高密度、高比熱、無毒、無污染等優點，可以作為一種理想的綠色推進劑[1,2]。Cynn和Yoo采用金剛石對頂砧技術研究了90 wt%過氧化氫在12 GPa壓力下的物理和化學變化[3]。研究發現，雙氧水在室溫和1.5GPa下將轉化為四方結構（H2O2-Ⅰ），當壓力增加到7.5GPa時轉為高壓H2O2-Ⅱ相。Chen等進一步研究了純的過氧化氫在高壓下的相變[4]。研究發現，純的過氧化氫在壓力直至13-18GPa時才由H2O2-Ⅰ相轉變為H2O2-Ⅱ相，并且當壓力達到15GPa時，仍然存在四方H2O2-Ⅰ相。當壓力高于18GPa時，H2O2-Ⅱ相才逐漸分解為水和氧的混合物。Armstrong等采用超快激光驅動沖擊波法觀察到沖擊壓縮未反應的過氧化氫在高達von Neumann壓力下產生的穩定爆炸波情況[5]。同時，針對沖擊波作用下雙氧水的壓縮過程也被報道[6,7]，這為沖擊加載下理解雙氧水的結構轉變或分解反應提供了依據，也為解釋含能材料的沖擊點火機理提供了參考。然而，當含能材料發生沖擊點火時，輻亮度會增強幾個數量級，熱輻射背景會掩蓋含能材料的拉曼峰[8]，進而導致利用點火前后樣品的拉曼光譜特征變化來分析樣品的分子結構和成分信息存在一定的困難。因此，在沖擊加載下研究含能材料的輻射歷史就顯得尤為重要。本文采用雙氧水為研究對象，研究了其在沖擊作用下的輻射歷史，為研究液態含能材料沖擊起爆機理提供了參考。

1 沖擊加載實驗及電探針工作原理

圖1 沖擊加載及測量方式示意圖

沖擊加載實驗基于二級輕氣炮平臺，同時結合了沖擊熱輻射原位測量技術研究了雙氧水的輻射歷史，沖擊加載方式如圖1所示[8-10]。本次實驗的高速飛片加載裝置為二級輕氣炮[8-10]，二級輕氣炮是通過火藥燃燒產生高溫高壓氣體推動泵管中的活塞運動，活塞壓縮泵管中的輕質氣體（多為氫氣或氮氣），利用氣體膨脹對彈丸做功，使得彈丸獲得超高初始速度的發射裝置。彈丸以高速和在靶室中的靶發生碰撞，可將靶中的樣品在極短的時間內加載到高溫高壓狀態，以此在樣品中引入沖擊波。本次實驗所用二級輕氣炮全長22m，允許通過的最大彈丸直徑為25mm。

實驗中采用了3mm厚銅材料為飛片，實驗靶由3mm厚鋁金屬前基板、2mm厚石英前窗口和2mm厚石英后窗口構成，其中鋁金屬前基板有2個對稱的電探針用于記錄沖擊波到達基板時刻。為了抑制基板與樣品界面處可能存在的氣泡或微噴射流效應帶來的干擾光，前后兩塊石英都精密拋光到了光學級別。實驗樣品為98%的H2O2，其被置于石英基板窗口與石英窗口之間，厚度為6mm。

電探針的工作原理見圖2所示[11]，將兩根電探針對稱布在鋁基板內部，布好探針后利用AB膠水對其進行密封固定，固定完畢后將銅箔按照圖2的樣式放置，銅箔的作用是將蓋板與基板分離開來，中間形成空隙。當飛片撞擊到蓋板上時產生沖擊波，沖擊波壓縮蓋板，迫使蓋板向前運動，當蓋板運動到基板界面時，兩根電探針通過蓋板相接觸，成為了連通狀態。通過示波器可以記錄下整個電壓變化過程，從而對這個時間點進行精準的判讀，本次實驗的示波器采樣率均為1GS/S，時間點判讀誤差不會超過2ns。

圖2 電探針工作原理圖

在沖擊波進入雙氧水后，可在納秒時間內將其加載到高溫高壓狀態，其產生的光信號透過后石英窗口由光纖接收，進入六通道瞬態高溫計將光信號轉化為電信號，傳輸至示波器中記錄下沖擊壓縮狀態下樣品的輻射歷史。

2 結果分析與討論

圖3 12.8GPa壓力下雙氧水的輻射歷史

圖3以12.8GPa壓力下雙氧水的輻射歷史為例說明沖擊波進入樣品時刻t2以及點火時刻t0。在該發實驗中，飛片的速度為1.70km/s，H2O2的單次沖擊加載壓力為12.8GPa。電壓值發生跳變的點即為沖擊波到達基板界面的時間點，兩根電探針對稱分布，取兩個探針信號的平均值為沖擊波到達鋁金屬前基板時刻t1（約為-593ns）。根據實驗材料的Hugoniot數據，可得到沖擊波在3mm厚鋁基板中傳播時間約為Δt1=442ns，在2mm厚石英基板中傳播時間約為Δt2=383ns，在6mm厚H2O2樣品中傳播時間約為Δt3=1159ns。因而，可以計算出沖擊波在鋁金屬前基板/石英后基板中傳播的總時間（ Δt1+Δt2）約為825ns，沖擊波進入樣品時刻t2=t1+Δt1+Δt2約為232ns，及沖擊波達到石英窗口的時刻t3=t2+Δt3約為1391ns。如圖3所示，沖擊波剛進入樣品（t2時刻）的曲線斜率先緩慢增大，大約經過104ns時曲線斜率有突然增大的趨勢，從同一發實驗中沖擊波進入樣品的輻射曲線圖的斜率變化來判斷樣品是否發生沖擊點火現象，并且把斜率的突變拐點認為是沖擊點火時刻 t0。

圖4 不同沖擊壓力下H2O2的輻射歷史

如圖4所示，為銅飛片碰撞速度分別是1.27km/s、1.47km/s、1.70km/s和1.95km/s時，相應的H2O2單次沖擊加載壓力分別約為8.7GPa、10.6GPa、12.8GPa和15.2GPa時的輻射歷史。飛片速度為1.27km/s，H2O2單次沖擊壓力為8.7GPa時，該發實驗未觀察到輻射斜率有突變的現象，可能未達到點火條件，并未發生突然點火的現象。在圖4中的另外三發實驗的輻射曲線中，均出現了斜率突變的拐點，可能發生了沖擊點火現象。值得注意的是，雙氧水的沖擊點火現象并不是出現在沖擊波剛到達樣品的時刻，而是經歷了一段誘導時間才發生的，且發生在沖擊波進入樣品不到1mm處，這就是H2O2的延遲點火現象。在點火反應誘導期間H2O2處于沉默惰性狀態，沖擊波大致壓縮H2O2到1mm左右發生沖擊點火，且發生在石英基板/樣品界面處或者靠近界面處。沖擊起爆是大量能量釋放的過程，考慮到H2O2的結構簡單，只有H和O兩種原子，并且水的生成熱比較低，所以在這個過程中最有可能出現H2O和O2。根據均質炸藥的沖擊起爆機理，沖擊波進入樣品，在沖擊作用下樣品被加熱，然后發生化學反應，產生水和氧氣，并釋放大量的熱。隨著壓強和溫度的不斷增大，化學發應和沖擊波壓縮效應幾乎同時完成，形成爆轟波并很快追上初始沖擊波，然后重合達到超爆狀態。當然，該現象還有待進一步的探索研究，但本實驗確實觀察到了雙氧水中的延遲點火現象，壓力為10.6GPa、12.8GPa和15.2GPa的延遲點火時間分別為121ns、104ns和99ns。