脈沖激光起爆光敏炸藥特性

王等旺, 徐海斌, 馬澤龍, 徐暢, 劉小東, 張云峰, 趙奇峰

(西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應全國重點實驗室, 陜西 西安 710024)

0 引言

光敏炸藥(LIHE)是一種可行的高逼真模擬強脈沖X射線結構響應的實驗模擬技術[1],可有效解決殼體異性復雜結構、小比沖量模擬和大面陣同時加載等問題,而且這種模擬技術不僅可模擬X射線作用結構的結構響應,也可以模擬X射線作用材料的材料響應。

1966年,Brish等[2]利用Q開關式釹玻璃激光器起爆了疊氮化鉛和泰安(PETN)兩種炸藥。在激光起爆機理研究方面,Ewich[3]、Oestmark等[4]和孫承緯[5]建立了激光起爆模型。馮長根等[6]認為激光起爆炸藥的過程是由于其吸收激光能量后,炸藥發生溫升超過了起爆臨界起爆溫度,是一種連續的熱點起爆過程。Liau[7]認為存在熱積累的熱化學過程到自持化學反應的二次燃燒或爆炸現象。

Ali等[8]利用二氧化碳紅外激光器開展了奧克托今(HMX)和1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯炸藥的實驗研究,獲得了激光功率與炸藥起爆延遲時間、激光能量與炸藥起爆溫度閾值的關系。?stmark等[9]開展了激光波長對炸藥起爆延遲時間、爆速等參數的影響規律研究,選用的激光器是紅外連續激光器。Aleksandrov等[10]開展了改變激光脈沖寬度(7.5～100 ns)起爆PETN的實驗研究,發現激光起爆能量密度隨激光脈寬的增大呈1.4倍正比增大。Aduev等[11]和Tarzhanov等[12]研究了不同濃度的Al、Ni-C和Al-C顆粒(100～220 nm)對PETN激光起爆特性的影響。Aluker等[13]和Aduev等[14-15]對激光起爆炸藥機理進行了探索研究,選用釹玻璃激光器和PETN炸藥,發現PETN炸藥起爆過程先是PETN分子發生光激發,再是激光作用加熱使得PETN分子發生能級躍遷。Khokhlov等[16]開展了LIHE裝藥激光起爆的實驗,對直徑40 mm、厚度5 mm的平裝藥進行了爆轟轉化的研究,研究了由細粒黑索今(RDX)和鋁制成的低密度(ρ≈0.9 g/cm3)LIHE激光起爆特性。張陸等[17]通過分析鏈狀含氮化合物以及三唑、四唑、四嗪類化合物為配體的含能配合物的合成和激光起爆性能方面的發展現狀,分析了各類藥劑的優點以及存在的問題,總結了部分激光起爆機理。馮長根等[18]通過在光敏物質中摻雜熒光粉降低了火工品的激光起爆閾值。項仕標等[19]開展了粒度對激光感度的影響分析。劉建等[20-21]采用飛行時間質譜技術和Bruccton升降法,測試了波長分別為1 064 nm和532 nm兩種激光對PETN的解離譜圖和起爆閾值,分析了波長對起爆機理的影響。馮長根等[6]從激光點火的熱作用機理出發,分析了激光強度對Zr/KClO4炸藥點火的影響,得出激光二極管點火時間與激光功率密度的關系。趙嘉琳等[22]利用含時密度泛函理論和分子動力學計算方法,研究了典型硝基類炸藥的激光激發解離過程,觀察了含能分子瞬時的結構變化和分子能級隨時間的演化過程。章固丹[23]對激光起爆多氮含能配合物的光化學機理進行了理論分析和實驗研究,得到了該炸藥的激光起爆特性參數。

本文針對一種應用于模擬強脈沖X射線結構響應的LIHE,開展激光起爆機理初步探索,以及不同波長條件下起爆閾值和光譜特性研究,所得成果可為大面積激光起爆同步加載提供技術支持。

1 激光與炸藥相互作用

通常當激光作用到炸藥上時,激光與炸藥相互作用可分為熱、沖擊、光化學和電離4種情況,其起爆機理也大體可分為熱點起爆、沖擊機械起爆或者光化學反應起爆等。這3種激光起爆機理可利用孫承緯[5]建立的激光起爆模型來表述,將上述3種熱起爆、沖擊機構起爆和光化學反應起爆很好地結合在一起,其激光起爆可表示為

(1)

式中:ρ為炸藥密度;C為炸藥熱容;T為起爆溫度;t為起爆時間;K為炸藥熱傳導系數;x為激光作用厚度;a為樣品對激光的吸收系數;I0為激光強度;Q為炸藥化學反應熱;A時為頻率因子;E為炸藥活化能;R為摩爾氣體常數。激光起爆熱機理示意圖如圖1所示。

圖1 激光起爆熱機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal mechanism of laser initiation

下面針對LIHE的光吸收特性,分析其光化學作用。當激光作用到乙炔銀-硝酸銀(SASN)分子時,SASN在吸收一定頻率的激光光子后發生離解反應,產生的活性能較高的SASN分子將進一步引發化學鏈反應,達到了起爆效果。以上所述就是激光起爆炸藥光化學反應過程。Ag2C2·AgNO3的爆炸反應式為

Ag2C2·AgNO3→3Ag+CO2+CO+N2

(2)

例如當SASN受到波長為190 nm的激光照射時,有以下反應發生:

Ag2C2+hv(波長為190 nm)→2Ag+2C

(3)

(4)

CO+O→CO2

(5)

N+N→N2

(6)

式中:h、v分別為普朗克常數和光子速度。波長為190 nm最終的結果為

Ag2C2·AgNO3+hv→3Ag+CO2+CO+N2

(7)

上述反應過程是光化學引發的,并且包含鏈鎖機理。在激光作用SASN的過程中,存在SASN分子同時或不同時受到多個激光光子作用,引起多光子作用導致SASN分子離解的現象。式(8)給出了第n個光子的躍遷概率:

(8)

(9)

從式(9)中可知,第n個光子的躍遷概率與激光強度呈正比,也符合激光強度越大、越容易發生多光子吸收和離解過程、炸藥越容易起爆的一般規律。綜上,SASN可以發生光化學起爆的條件如下:

1)SASN的高吸收率光的波長要與激光波長相一致,有利于SASN受到激光作用發生共振引起光分解;

2)激光起爆能量需要達到一定程度。

2 脈沖激光起爆平臺

激光起爆平臺實驗系統由激光器、光路通道、SASN樣品、能量計、光譜儀、光電探頭、高速相機、實驗保護裝置組成,系統組成示意圖和實物如圖2、圖3所示。

圖2 平臺系統組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of platform system composition

圖3 不同激光器起爆平臺系統Fig.3 Different laser initiation platform systems

根據不同實驗需求,搭建兩套激光起爆平臺,激光器包括ArF準分子激光器和Q-smat450脈沖激光,激光器基本參數如表1所示。其中ArF準分子激光器的主要波長是193 nm紫外光,ArF激光器出口輸出能量為114 mJ±4 mJ,經約1 m輸運距離和全反射濾光片,能量衰減到3.8 mJ±0.3 mJ,表明該激光器在空氣中衰減嚴重,雖然LIHE對紫外光吸收率高,不利于該激光器在本文系統的實際應用。

表1 選用激光器參數

圖4給出了Qsmart-450激光器不同波長能量二維、三維分布情況。從圖4中可以看出,在束斑范圍內,激光的能量平臺明顯,對于提高激光起爆LIHE的同步性加載是有利的。

圖4 Q-smart450激光器波長2D/3D能量分布(上為2D能量分布,下為3D能量分布)Fig.4 2D/3D energy distribution of Q-Smart450 laser at wavelength(The upper is two-dimensional energy distrubution, and the lower is three-dimensional energy distrubution)

3 LIHE SASN性質

本文中LIHE是一種乙炔銀和硝酸銀的絡合物,分子式為Ag2C2·AgNO3。在強脈沖輻射環境模擬與效應全國重點實驗室內自行制備SASN材料,采用方式是將乙炔氣體通入硝酸銀的水溶液中,經過一段反應時間,生成一種白色絮狀沉淀物,該物質就是實驗所需炸藥SASN,其化學反應過程如下:

C2H2+3AgNO3→Ag2C2·AgNO3↓+2HNO3

(10)

SASN是一種不穩定的物質,在強光照射下會分解、生成大量的氣體,并釋放熱量,其分解反應式為

Ag2C2·AgNO3→3Ag+CO2+CO+N2+773 kJ

(11)

利用掃描電鏡(SEM)表征不同分辨率下樣品的表面形貌,如圖5所示,樣品由球形納米顆粒組成,顆粒直徑約為90 nm,晶型工整、表面光滑、大小分布規律均勻,這些都有利于同步起爆加載。

圖5 不同分辨率下樣品的SEM圖Fig.5 SEM of sample in different resolution ratios

利用X射線衍射(XRD)表征測試(掃描范圍5°～90°),測試結果如圖6所示,表明樣品衍射峰的出現位置與SASN的XRD衍射峰位置基本保持一致,驗證了該LIHE的組成成分。

圖6 樣品1的XRD圖譜Fig.6 XRD pattern of sample 1

圖7 樣品的FT-ER圖譜Fig.7 FT-ER pattern of samples

圖8為SASN全波段吸收光譜曲線,可知對波長190～300 nm的紫外光具有很好的吸收率,300～450 nm之間SASN的吸收率快速下降,大于450 nm SASN吸收不明顯。

圖8 SASN全波段吸收光譜曲線Fig.8 SASN full-band absorption spectrum curve

4 激光起爆實驗研究

LIHE試樣如圖9所示,試樣參數如表2所示,在鋁制平板中心處滴制mg級SASN,最中心處安置Dynasen壓力探針,表征壓力和到達時間。該探針是一個小型同軸探針,當置于電離面或沖擊面時將會產生電信號,響應時間10 ns,作用范圍0～300 kbar。SASN面密度10～70 mg/cm2,對應不同的加載載荷。

圖9 SASN試樣Fig.9 SASN specimen

表2 SASN試樣參數

4.1 起爆閾值

表3給出了不同激光器起爆實驗參數,圖10給出了激光起爆SASN的實驗閾值。

圖10 激光起爆SASN實驗閾值Fig.10 Threshold of laser initiated SASN from experiments

表3 不同激光器起爆實驗參數

從實驗結果來看,不同波長脈沖激光均能夠可靠起爆SASN,193 nm能量密度大于5.07 mJ/mm2就可完全起爆,266 nm能量密度大于6.77 mJ/mm2就可完全起爆,532 nm能量密度大于7.21 mJ/mm2就可完全起爆,1 064 nm能量密度大于10.61 mJ/mm2就可完全起爆,也驗證了SASN光吸收率隨著波長而降低的特性(見圖10)。但355 nm能量密度需大于29.04 mJ/mm2才可完全起爆,與其他波長相比355 nm具有更高的起爆閾值,與SASN光吸收率的特性規律慣性認知不符。

由于SASN是一種硝基類炸藥,硝基的π反鍵軌道是一個未被占據的低能軌道,低能分子在受到激光激發時電子主要被激發到該軌道上,因此硝基會顯著影響含能分子的光致解離過程。由圖6、圖7所示X射線衍射和紅外光譜結果看,硝酸銀分子在光熱等外界條件誘惑下引發爆炸的鏈式反應第1步是C—N共價鍵斷裂,并形成含有不成對電子的硝基自由基中間態。從圖8全波段吸收光譜來看,SASN對紫外波長吸收率更高,對應硝基譜帶強度降低以及硝酸根離子(NO3)的形成,紫外激光更易誘導N—NO2鍵斷裂作為主要解離途徑。

經分析,認為可能是SASN起爆方式發生改變,193 nm、266 nm和355 nm紫外激光起爆方式以光化學點火為主,綠光532 nm激光以熱點點火為主,上述結論需要后續進一步開展相應的理化微觀分析和過程光譜分析進行驗證。

4.2 激光起爆爆速測量

為判斷激光起爆SASN是否完全起爆,而不是燃燒起爆,對其爆速進行測量,由多次結果來看,爆速在1.32～1.46 km/s之間,與美國Sandia實驗室數據[24]提到的1.2 km/s相似。爆速結果見表4,測量系統及波形如圖11所示。

圖11 測量系統及實測波形Fig.11 Measurement system and measurement waveform

表4 爆速測量結果

4.3 起爆過程光譜分析

采用光纖光譜儀測量激光起爆LIHE爆轟過程的輻射光譜,其中圖12為ArF激光(193 nm)激發炸藥爆炸所產生的輻射光譜,圖13為Q-smart激光三倍頻(355 nm)激發炸藥爆炸所產生的輻射光譜。所測光譜主要包括連續譜和特征線譜,連續光譜主要由爆炸的高溫灰體輻射產生,特征線譜主要由爆炸場中的某種元素或分子在高溫條件下或化學反應產生的輻射光譜。所測譜線對應的元素初步判斷主要包括Ag、Na、K等。對應的波長位置分別為Ag:520.9 nm和546.5 nm;Na:589 nm;K:766.5 nm和769.3 nm。另外,部分實驗測量得到了499 nm附近的特征輻射譜,但該光譜對應哪種元素或分子尚不明確。光譜強度大小并不代表實驗中該元素的含量多少,僅代表該光譜儀對該元素有更高的吸收率,如果定標元素含量與強度的關系,則需要后續對該光譜儀進行更嚴格的標定。

圖12 ArF193 nm激光器實驗光譜數據Fig.12 Experimental spectral data of ArF 193 nm laser

圖13 Q-smart 355 nm激光器實驗光譜數據Fig.13 Experimental spectral data of Q-Smart 355 nm laser

從光譜結果來看,并沒有獲得全部的SASN起爆化學放熱反應中的元素光譜,給分析SASN放熱反應過程帶來了難度,這與實驗環境開放、氣體元素雜亂有關,后續可考慮用密封實驗環境(激光傳輸利用光纖),容器內充滿惰性氣體。

5 結論

本文分析了激光起爆模型和SASN的光化學作用過程,建立了低功率激光起爆SASN實驗平臺,獲得了不同波長激光起爆SASN功率密度閾值、爆速、光譜等特性參數,為化學爆炸方式模擬強脈沖X射線結構響應提供了技術參考。得到以下主要結論:

1)通過探索脈沖激光起爆LIHE機理,針對其光吸收特性和光化學反應過程,提出了光化學作用起爆條件。

2)在波長190～300 nm紫外光段SASN具有很好的吸收率,300～450 nm之間SASN吸收率快速下降,大于450 nm SASN吸收不明顯;SASN面密度10～70 mg/cm2,爆速在1.32～1.46 km/s之間。

3)不同波長脈沖激光均能夠可靠起爆SASN,193 nm激光起爆閾值為5.07 mJ/mm2,266 nm激光起爆閾值為6.77 mJ/mm2,532 nm激光起爆閾值為7.21 mJ/mm2,1 064 nm激光起爆閾值為10.61 mJ/mm2,驗證了SASN光吸收率隨著波長而降低的特性。