Необходимость создания современных оптических детонаторов определяется возможностью революционного повышения безопасности взрывных работ в добывающей промышленности [1]. В настоящее время разрабатывается оптические детонаторы на основе инициирующих [2, 3] и бризантных взрывчатых веществ (ВВ) [1, 4]. В этих классах ВВ реализуются механизмы цепного и теплового взрывов, различающиеся механизмами положительной обратной связи [5]. Механизм разветвленной энергетической цепной реакции базируется на возможности в некоторых условиях неограниченного увеличения неравновесной концентрации реагентов практически без нагревания [5-7]. В кристаллах азида серебра под действием импульсного лазерного излучения формируется разветвленная твердофазная цепная реакция [5-8]. Механизм теплового взрыва основан на экспоненциальном увеличении скорости реакции в результате нагревания при наличии большой концентрации равновесных реагентов [5, 9]. В прессованных таблетках пентаэритриттетранитрата (PENT) с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля реализуется тепловой взрыв в микроочаговом варианте [1, 4, 10]. Для оптимизации капсюля оптического детонатора необходимо уменьшить критическую плотность энергии инициирования взрывного разложения (H) входящих в него составов. В работах [1, 4, 10, 11] особое внимание уделялось минимизации H при варьировании размера наночастиц, длины волны лазера и длительности импульса. Однако хорошо известно, что вблизи порога взрывное разложение имеет вероятностный характер, природа которого не исследована. Целью настоящей работы является исследование возможных причин вероятностного характера взрывного разложения нанокомпозитов PENT — Ni лазерным импульсом.
Предварительным этапом научного исследования является теоретический этап систематизации эксперимента. Реализация численного эксперимента позволяет значительно ускорить решение научных и производственных задач [1-14]. Переход реакции разложения энергетических материалов (как инициирующих, так и бризантных ВВ) в самоускоряющийся режим имеет одинаковые стадии [1-15]. Первичным является процесс поглощения энергии лазерного импульса с формированием очага взрывного разложения. В эксперименте на бризантных ВВ достаточно редко записывается форма импульса. Это связано с необходимостью занимать канал регистрации цифрового осциллографа, и (в меньшей степени) сложностью реализации процесса. Длина волны неодимового лазера (1064 нм) не попадает в видимую область спектра и не фиксируется фотоэлектронным усилителем. Форму лазера можно записать только импульсным фотоэлектронным калориметром. В тоже время длительность импульса на полувысоте может меняться в достаточно широких пределах. Обработка экспериментальных осциллограмм из работы [16] показало, что длительность импульса на полувысоте может изменяться от 12 нс, до 14 нс (длительность по паспорту лазерного стенда) и до 15.6 нс — максимально длинный импульс.
Рассчитаем зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения PENT от радиуса наночастиц никеля при двух достаточно близких длительностях импульса (12 и 15.6 нс). В работах [1, 4, 6, 10, 11, 14, 17-20] создана и реализована методика расчета пороговых параметров взрывного разложения композитов прозрачная матрица ВВ — наночастицы металлов. На сегодняшний день модель не учитывает процессы усиления освещенности за счет многократного рассеяния света [12, 21-23]. Воспользуемся моделью теплового взрыва композитов PENT — Ni в микроочаговом варианте, сформулированной в работах [1, 20, 22, 24-25]. Методика численного моделирования процесса взрывного разложения сформулирована в [16-21, 26-27]. Она заключается в разбиении пространства наночастицы и окружающей матрицы на отдельные ячейки, сведении системы дифференциальных уравнений в частных производных к очень большой (~500 уравнений) системе обыкновенных жестких ДУ Полученная система ОДУ решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени. Относительная погрешность на шаге интегрирования не превышала 10-14, при этом погрешность, оцениваемая по точности выполнения закона сохранения энергии 2.5∙10-10.
В работах [16-21, 26-27] рассчитывалась с точностью 0.01%. Актуальность исследования требует повышение точности расчета еще в 10000 раз до величины 10-8. Для каждого радиуса наночастицы никеля в диапазоне от 10 нм до 120 нм рассчитывалась минимальная плотность энергии инициирования взрывного разложения. Уменьшение H на 10-8 приводит к реализации допорогового режима протекания процесса, когда взрывного разложения не наблюдается. На рис. 1 приведены рассчитанные зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT — Ni (Hc) от радиуса наночастиц (R) при длительностях импульса 12 нс (сплошная кривая Н2) и 15.6 нс — штрих пунктир (H1). Так как и для длительностей импульса в 20 нс рассчитанные зависимости Hc(R) проходят через глобальный минимум. Для каждой зависимости на рис. 1 точками обозначены положения глобальных минимумов. Для длительности импульса на полувысоте 12 нс координаты минимума составили Hc = 68.0995854 мДж/см2 при радиусе 91.3 нм. Для 15.6 нс координаты минимума Hc = 72.797223 мДж/см2 при радиусе 92.1 нм. Кривые проходят друг над другом, т.е. для длительности импульса 12 нс Hc всегда меньше для любого радиуса, чем для 15.6 нс. С увеличением длительности импульса критическая плотность энергии увеличивается, как и значение оптимального радиуса. Всегда остается между кривыми рис. 1 некоторое расстояние, которое определяет вероятностный характер взрыва при неустойчивости его длительности. Количественная оценка эффекта иллюстрируется рис. 2. На нем показано относительное уменьшение в процентах критической плотности энергии при уменьшении длительности импульса по выражению (H1-H2)/H2*100 для каждого радиуса наночастиц в диапазоне от 10 до 120 нм.
Максимальная разность H достигает 21% при относительно небольшом изменении длительности импульса. Полностью определить вероятностный характер инициирования взрывного разложения исследованный в работе эффект не может, но для интерпретации полученных экспериментальных данных необходима обязательная фиксация формы импульса с определением длительности на полувысоте. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.