光輻射起爆乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥同步性能

徐海斌， 楊軍， 仵可， 陳博， 隨亞光， 王等旺

(西北核技術研究所， 陜西 西安 710024)

0 引言

高功率密度的X射線輻照靶目標表面會發(fā)生能量沉積，在很薄的一層物質(zhì)中將形成急劇溫升，使物質(zhì)發(fā)生液化、汽化現(xiàn)象，在靶內(nèi)形成一個熱擊波。汽化的物質(zhì)會向外噴射，產(chǎn)生一個脈沖沖量，并且作用于靶目標。這種由于熱擊波的傳播引起的材料的前、后表面的層裂破壞及組合材料層間的分離等破壞效應，稱為材料響應，其中作用時間尺度為 μs級；脈沖沖量載荷作用于整個結(jié)構，使結(jié)構發(fā)生振動、屈曲、大變形乃至破裂等破壞效應，稱之為結(jié)構響應，其中作用時間尺度為ms級。上述材料響應和結(jié)構響應統(tǒng)稱為X光熱- 力學效應。現(xiàn)有條件下，研究人員主要采用化學爆炸模擬技術開展X光熱- 力學結(jié)構響應研究，相比其他化學爆炸模擬技術，光敏炸藥加載技術具有加載同時性好、載荷歷時短、比沖量幅值小等特點，可以更加逼真地模擬X光熱- 力學效應[1-4]。

美國從20世紀60年代開始研究光敏炸藥加載技術[1-6]，并且建立了基于光敏炸藥的實驗設施(LIHE)[7]，該設施于20世紀90年代初關閉，2002年重啟后進行了設備更新和技術研發(fā)[8-11]，目前仍在發(fā)展和改進此項技術。但是從現(xiàn)有的文獻資料看，作為光敏炸藥三大優(yōu)點之一，其面起爆同步性的研究工作仍然極少，主要通過爆炸后結(jié)構表面留下的痕跡來判斷離散的起爆點數(shù)，再結(jié)合炸藥的傳爆速度研究光敏炸藥涂層光起爆的同步性[2-4]。

國內(nèi)關于光敏炸藥加載技術的研究比較少見。胡明志[12]用強光引爆錐殼表面的光敏炸藥涂層開展了結(jié)構響應研究。褚桂敏[13]將光敏炸藥用于小模型試驗。毛勇建等[14]介紹了國內(nèi)外模擬X光噴射沖量的幾種加載技術及其優(yōu)劣。近幾年國內(nèi)開始重視光敏炸藥加載技術研究，并取得了較大進展，徐海斌等[15-16]開展了乙炔銀- 硝酸銀合成工藝及優(yōu)化研究；裴明敬等[17]初步分析了乙炔銀- 硝酸銀的光起爆作用機制；楊軍等[18]研制了基于多普勒測速儀的新型沖量傳感器，獲取了光敏炸藥的比沖量。國內(nèi)關于光敏炸藥涂層光起爆同步性及其測試技術的研究還未見報道。

本文為了研究基于金屬絲電爆炸發(fā)光引爆光敏炸藥的閃光起爆技術及同步性能，擬研制一種成本較低的光纖鍍膜探針并用于測量金屬絲通電發(fā)光作用下的光敏炸藥涂層各點的起爆時間，研究光敏炸藥涂層的光起爆同步性及起爆延滯期，以及在電源不變情況下通過增加金屬絲數(shù)量優(yōu)化電爆炸發(fā)光起爆光敏炸藥的同步性能。

1 鍍膜光纖探針測時系統(tǒng)驗證實驗

1.1 鍍膜光纖探針工作原理

采用測時探針獲取涂層不同位置處的起爆時間，研究光敏炸藥涂層同步性能。通過各測點相互距離和起爆時間間隔可以判斷各測點起爆方式是傳爆還是獨立點火。爆炸力學領域中常用電探極作為測時方法，包括電探針、絲式電探極、箔式電探極。原本用漆包線制作的電探針是爆炸力學領域成本低廉的常用技術手段，但多次試驗結(jié)果表明大多數(shù)電探針在光敏炸藥涂層起爆過程中未能導通，即無法正常工作，其原因可能是厚度較薄的光敏炸藥涂層未能形成強電離層，使電探針處于導通狀態(tài)。其他探針方法有的成本較高、有的在電爆炸強磁環(huán)境下抗干擾能力差、有的敏感面較大不適用于精確測量點起爆時間[19]，基本不適用于光敏炸藥大面積多點起爆測時。例如現(xiàn)有的國外壓電測時探針雖然測時準確，可以用于光敏炸藥起爆時間測試，但作為一次性傳感器價格較高，大規(guī)模測時實驗成本較高，且采購渠道容易受國際政治因素影響。

為了解決上述問題，實現(xiàn)國產(chǎn)自主可控，自主研制了基于光子多普勒測速儀(PDV)的成本較低的鍍膜光纖探針，具有抗電磁干擾能力強、測點小、測時準確等特點，可以滿足低爆炸威力場景下如光敏炸藥起爆同步性研究的測時要求。其工作原理如圖1所示，1個激光器通過分光器可以分成8路激光，各路激光經(jīng)過環(huán)形器傳播到探頭鍍膜層后反射，反射的光信號經(jīng)環(huán)形器到光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍墒静ㄆ鬟M行記錄，已安裝固定在基板上的4個鍍膜光纖探針及其光纖如圖2所示。

圖1 8路鍍膜光纖探針測時原理圖

圖2 已安裝固定的4路鍍膜光纖探針及其光纖

鍍膜探頭外部為陶瓷插針、內(nèi)部為光纖，在探頭前端鍍了一層銀膜，實驗前將光敏炸藥噴涂在鍍膜上，光敏炸藥爆炸會使鍍膜光纖探針的銀膜產(chǎn)生變形乃至破壞，導致其反射率發(fā)生變化，引起光纖中的光信號發(fā)生頻率變化。根據(jù)這種多普勒頻移信號可以計算出對應的速度信號，用該速度信號起跳時刻作為爆炸加載時刻。

1.2 探針測時系統(tǒng)驗證實驗簡介

開展了鍍膜探針測時系統(tǒng)正確性驗證實驗。以壓電探針作為時間基準，對條狀的光敏炸藥涂層的爆轟波傳播到各測點的到時進行測量，驗證緊鄰壓電探針的鍍膜光纖探針及其測時系統(tǒng)的準確性和可靠性，為光起爆光敏炸藥同步性研究奠定基礎，見圖3所示。壓電探針由美國Dynasen公司生產(chǎn)，型號為CA1135，直徑為1.63 mm，黃銅外殼結(jié)構，壓力作用最大300 MPa，響應時間為10 ns。鍍膜探針直徑為φ1.25 mm，系統(tǒng)的測時誤差τ主要取決于光纖敏感面的響應時間τr1、光電轉(zhuǎn)換器的上升沿時間τr2、PDV系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理算法引入的誤差τr3等：

圖3 測時原理圖

(1)

式中：鍍膜探針光纖敏感面直徑為9 μm，以波速為 1 200 m/s[20]的爆轟波掃過整個敏感面作為其響應時間，則τr1為7.5 ns；光電轉(zhuǎn)換器上升沿時間τr2為0.35 ns；基于采樣率為5 GS/s的數(shù)據(jù)處理算法引入的誤差τr3為15 ns，代入(1)式，得到測時系統(tǒng)的測時誤差τ約為16.8 ns。

實驗前，沿涂層中心間隔60 mm分布4個測點，每個測點均包括一根鍍膜光纖探針和一根壓電探針，將壓電探針和鍍膜探針敏感面與基板平齊安裝并用膠封固，兩根探針中心的橫向間距2 mm；再將光敏炸藥噴涂在敏感面所在平板表面后烘干待起爆，如圖4所示；稱取炸藥噴涂前和炸藥干燥后基板的總質(zhì)量分別為193.07 g和198.10 g，則炸藥涂層平均面密度為52.83 mg/cm2。

圖4 噴涂在探針與基板表面的光敏炸藥涂層

實驗時，用遮光板將大部分(右側(cè))的涂層與起爆金屬絲隔離，僅留出左側(cè)20 mm左右的涂層曝露在起爆金屬絲的光照范圍內(nèi)，這樣可以確保僅炸藥涂層左邊先發(fā)生爆炸，實現(xiàn)單方向傳爆。之后，爆轟波沿著炸藥涂層從左向右傳播，由兩種探針分別記錄爆轟波到達各測點的時間。通過比較兩種探針在4個測點處的測量結(jié)果，實現(xiàn)在一發(fā)實驗中驗證多根自研的鍍膜光纖探針測時的正確性。電爆炸閃光裝置在金屬絲通電爆炸的同時輸出一路0～5 V的電壓信號至同步機，由同步機分別同步觸發(fā)各示波器，即示波器記錄波形的“零時”為金屬絲通電時刻；連接壓電探針和鍍膜探針的示波器采樣率分別為100 MS/s、5 GS/s，記錄長度分別為1 MS和10 MS。

1.3 驗證實驗結(jié)果

圖5為壓電探針實測的電壓波形(e probe)和鍍膜探針實測的電壓波形PDV及其換算后的速度- 時間信號(PDV-vt)，其中壓電探針4在安裝過程中已損壞導致實測波形異常。兩種探針分別實測到的各測點爆轟波到時如表1所示。

圖5 傳感器實測爆轟波到達各測點時的脈沖波形

由表1可見，兩種探針及其測試系統(tǒng)工作正常且信號準確，均能夠測量光敏炸藥爆轟波到時。在同一測點處兩種探針各自波形的起跳時刻非常接近，兩者相差0.073～0.148 μs，如果按照國外文獻的爆轟波速1 200 m/s[20]對兩種探針半徑差 0.19 mm 引入的測時偏差進行修正，則兩種探針測得的時間偏差約為0.001～0.085 μs，說明兩種探針的測時一致性較好，并驗證了光纖鍍膜探針測時系統(tǒng)的準確性。

表1 各測點爆轟波到時

2 光起爆光敏炸藥同步性實驗

2.1 實驗簡介

利用光纖鍍膜探針測時系統(tǒng)開展SASN光起爆同步性實驗。實驗布局如圖6(a)所示，發(fā)生電爆炸的鎢絲有效長度為15 cm、直徑0.3 mm，布置在光敏炸藥涂層和鋁板的正上方6 cm處，光敏炸藥主要成分為乙炔銀- 硝酸銀(Ag2C2·AgNO3)，性能參數(shù)詳見文獻[15-16]；將自研的不銹鋼膜片厚度為 50 μm 的薄膜式壓力探頭固定在金屬絲上方6 cm處，用來監(jiān)控閃光起爆光敏炸藥過程的壓力變化時序，該探頭工作原理和性能介紹詳見文獻[21]；另外在金屬絲上方安裝有光電探測器ET-2030(帶寬>1.2 GHz)用于監(jiān)測金屬絲發(fā)光過程，記錄薄膜式壓力探頭和光電探測器信號的示波器的觸發(fā)方式與驗證實驗中其他示波器一樣，由金屬絲通電觸發(fā)同步機后再觸發(fā)示波器，采樣率均為100 MS/s，記錄長度均為1 MS。

圖6 強閃光起爆光敏炸藥同步性實驗布局示意圖

實驗前，將16根鍍膜光纖探針以間隔2 cm均勻布置在方形鋁板上，用來監(jiān)測光敏炸藥涂層測點處的起爆時間，其前端與方板平齊，共4排4列，如圖6(b)所示；然后，再將光敏炸藥噴涂在鍍膜光纖探針所在區(qū)域的鋁板表面，形成9 cm×9 cm炸藥涂層。

實驗共計2發(fā)，第1發(fā)采用1根金屬絲通電起爆光敏炸藥，該發(fā)實驗中光敏炸藥的平均面密度約為32.59 mg/cm2；第2發(fā)采用與涂層表面平行的 2根相距2 cm的金屬絲起爆光敏炸藥，該發(fā)實驗中光敏炸藥的平均面密度約為20.33 mg/cm2。實驗采用峰值功率為百兆瓦的脈沖功率源作為高壓放電裝置，2發(fā)實驗金屬絲通電條件均為30 kV高電壓。

2.2 實驗結(jié)果及分析

圖7為光電探測器測得的典型的金屬絲電爆炸時產(chǎn)生等離子體光輻射過程。金屬絲通電后約3 μs時開始發(fā)光，約160 μs時光照強度達到頂峰，約 9 ms時閃光過程結(jié)束。

圖7 光電探測器實測的電爆炸發(fā)光過程

圖8為驗證實驗中薄膜壓力探頭測量的電壓波形。由圖8可見：波形在0 μs時刻存在信號干擾；在約 6 μs時信號開始跳動，應該是電爆炸產(chǎn)生強光輻射在探頭薄膜后熱量在薄膜表面積聚，產(chǎn)生熱應力使薄膜發(fā)生變形所致，說明此時已出現(xiàn)等離子體的光輻射；在約104.5 μs時波形頻率突然增高，表明薄膜產(chǎn)生了較大的加速度，分析認為電爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波在該時刻到達薄膜使其產(chǎn)生位移，可以得到?jīng)_擊波作用到薄膜產(chǎn)生的反射超壓峰值約為 271.7 kPa。

圖8 薄膜壓力探頭實測的電壓波形

第1發(fā)實驗中，采用單金屬絲起爆(見圖9(a))，用4×4排列的鍍膜光纖探針獲得的光敏炸藥涂層各點起爆時間分布如圖9(b)所示。光起爆延滯期定義為從光開始作用于炸藥表面到炸藥發(fā)生自持化學反應的時間。由圖9(b)可見：光輻照光敏炸藥的起爆延滯期約為33.7～57.7 μs之間；各測點起爆時間最小相差約0.6 μs，最大時間差約 24 μs，整體上基本呈對稱分布，各測點起爆呈現(xiàn)中間快左右兩邊慢、下側(cè)快上側(cè)慢的現(xiàn)象；在金屬絲正下方的起爆早于兩側(cè)，即在靠近金屬絲的測點或區(qū)域的起爆時間早于相對較遠的測點，尤其是圖中上側(cè)左右兩邊與下側(cè)各點起爆時間相差較大，取光敏炸藥傳爆速度為 1 200 m/s，大致估算兩點直接傳爆需用時16.7 μs，結(jié)合時間差和距離，基本可以判定中心附近的起爆點向上傳爆引爆了上側(cè)左右兩邊的光敏炸藥。

圖9 單金屬絲電爆炸起爆光敏炸藥涂層

分析認為，金屬絲屬于線光源，其正下方的光敏炸藥受到的光照度最大且滿足起爆要求，兩側(cè)的光敏炸藥受到的光照度相對較低、不能實現(xiàn)快速起爆，說明光照度對光敏炸藥起爆同步性有重要影響，光敏炸藥光起爆延滯期隨著光照度的增加而減小。上部區(qū)域起爆時間顯著晚于下部，原因可能是金屬絲安裝時未能與炸藥表面保持平行，導致上部區(qū)域距金屬絲更遠、光照度略低，發(fā)生了傳爆而非閃光起爆。從側(cè)面說明光敏炸藥閃光起爆閾值在該起爆工況附近，導致起爆時間容易隨光照度微小變化而發(fā)生顯著變化。金屬絲起爆時刻早于光脈沖波形到達峰值時間，即在光強達到峰值前光敏炸藥已經(jīng)起爆，說明光強已滿足部分區(qū)域的光敏炸藥起爆要求，可以適當增加金屬絲數(shù)量，提高光照度的均勻性。

為了驗證這一結(jié)論，在第2發(fā)同步性實驗中，采用2根金屬絲起爆光敏炸藥，其余參數(shù)不變，如圖10(a)所示，起爆后的鋁板表面和各測點起爆時刻分別如圖10(b)、圖10(c)所示。由圖10可見：雙金屬絲的同步起爆效果明顯好于單金屬絲，證明了適當增加金屬絲數(shù)量提高光照度的均勻性有利于改善光敏炸藥的光起爆同步性；用雙金屬絲代替單金屬絲后，光敏炸藥的起爆延滯期下降顯著，由33.7～57.7 μs減少為13.0～20.4 μs；各測點同步性顯著提高，測點起爆最大時間差由24 μs減少為7.4 μs，明顯小于兩點相互傳爆所需16.7 μs。在 6 cm×6 cm、4 cm×4 cm范圍內(nèi)間隔2 cm正交布設的探針實測光敏炸藥起爆同步性分別低于6.4 μs和4 μs，部分間隔2 cm的探針實測起爆時間相差小于0.1 μs，上述結(jié)果表明采用金屬絲電爆炸產(chǎn)生強閃光起爆光敏炸藥時各點起爆同步性較好。

圖10 雙金屬絲電爆炸起爆光敏炸藥涂層

單金屬絲屬于線光源，其中間位置正下方的光敏炸藥受到的光照度最大，因此該處的起爆時間最早，實驗結(jié)果與此相符。雙金屬絲起爆時，在兩根金屬絲之間正下方的光敏炸藥受到的光照度最大，更容易發(fā)生起爆，因此位于雙絲正下方的測點起爆時間相對更早；在金屬絲中段附近的光照度次之，起爆時間略晚；方形涂層4個角的起爆時間較為滯后，應是金屬絲線光源輻照在這些位置的光照度明顯低于靠中心位置；光敏炸藥涂層起爆同步性沿雙絲基本呈對稱分布，但整體向左偏移，可能是由于金屬絲在炸藥涂層上方?jīng)]有對稱布置；光敏炸藥起爆時間基本隨光照度的減小而增大。

3 結(jié)論

以現(xiàn)有的高壓放電裝置(30 kV高電壓)通過長度為15 mm鎢絲放電后，鎢絲發(fā)生電爆炸引爆6 cm外的乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥涂層，用薄膜式光纖壓力探頭和光電探測器分別測量了電爆炸過程和等離子體發(fā)光時間歷程，用自研的光纖鍍膜探針每隔2 cm測量了涂層各測點的起爆時間，結(jié)果表明：

1)金屬絲電爆炸產(chǎn)生光輻射成功起爆乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥，相鄰測點最小時差可達0.1 μs；光照度對乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥起爆延滯期有重要影響，光照度越高則光起爆延滯期越短，最小光起爆延滯期可低至13 μs。

2)適當增加金屬絲數(shù)量有利于改善光起爆同步性；雙金屬絲的同步起爆效果明顯好于單金屬絲，相鄰測點最小起爆時差由0.6 μs降為0.1 μs，各測點起爆延滯期下降顯著，由33.7～57.7 μs減少為13.0～20.4 μs。

3)自研的光纖鍍膜探針測時方法具有成本低、抗輻射干擾能力強、測點小、測時精度高等特點，滿足電爆炸光輻射乙炔銀- 硝酸銀光敏炸藥涂層各點起爆測時要求，可以用于大面積同步性起爆實驗研究。