Одной из задач современной науки является развитие методов неразрушающего контроля исполнительных устройств. Кроме контроля сохранения необходимых потребительских свойств изделия, исследование в процессе эксплуатации используемых в промышленности составов взрывчатых веществ (ВВ) необходимо для снижения рисков несанкционированного срабатывания (взрыва) изделия с опасностью последующих техногенных катастроф [1]. В настоящее время разработаны оптические детонаторы на основе инициирующего ВВ азида серебра [1-4]. Контроль качества осуществляется методикой измерения убыли азид анионов и концентрации кластеров серебра — продукта разложения энергетического материала [4, 5]. Дополнительно, методами импульсного фотолиза можно получить сведения о работоспособности оптического детонатора [5, 6]. В настоящее время разрабатываются составы капсюлей оптических детонаторов на основе селективно чувствительных к лазерному воздействию прессованных таблеток на основе вторичного ВВ PETN с наночастицами алюминия [7-10], кобальта [11], никеля [12-14]. Целью настоящей работы является разработка теоретических основ неразрушающего контроля качества этих материалов.
Опасность взрывного разложения образца накладывает особые ограничения на разрабатываемые методы неразрушающего контроля, исключающие возможность взрыва [1-10, 12-14]. Облучение импульсом небольшой мощности и фиксирование свечения образца является перспективным методом, однако для чистых кристаллов азида серебра увеличение оптического отклика является признаком чрезмерного разложения образца [1-5]. В прессованных таблетках PETN с наночастицами металлов импульсное свечение свежеприготовленного образца очень большое и практически не зависит от радиуса наночастиц [10, 15-17]. Одним из следствий хранения оптических детонаторов является уменьшение радиуса наночастиц вследствие процессов окисления. Поэтому в задачи разрабатываемого метода неразрушающего контроля должен входить контроль как количества наночастиц, так и их радиуса.
В работах [17-19] разработана методика экспериментального определения оптических характеристик светопоглощающих наночастиц в прозрачной матрице. Так как оптические характеристики зависят от радиуса наночастиц, особенно в области плазмонного резонанса [20, 21], то оценка этих величин означает определение радиуса. Экспериментально определяются зависимости коэффициентов пропускания и суммы коэффициентов пропускания и поглощения света определенной длины волны в прессованных образцах тетранитропентаэритрита (PETN), содержащих наночастицы металла от толщины таблетки и массовой доли наночастиц в ней [18, 19]. Математическое моделирование процесса поглощения и рассеяния света в этих системах с привлечением уравнения переноса излучения и теории Ми позволяет определить оптические характеристики наночастиц [18 — 24]. Однако экспериментальная установка достаточно сложна, содержит фотометрический шар, требует нескольких измерений образца различной оптической толщины. Данное условие напрямую можно достичь, варьируя толщину таблетки, или изменяя массовую концентрацию наночастиц в образце [18, 19]. Этот метод хорош для оценки качества исходных ингредиентов оптического детонатора: наночастиц металлов и порошка ВВ.
Проведенные эксперименты и математическое моделирование распространение света в системах на основе прозрачной матрицы с незначительными (менее 0.5% по массе) добавками наночастиц металлов показали возможность оценки размеров наночастиц по эффективному (измеряемому в эксперименте) коэффициенту отражения света [18-24]. Интенсивное рассеяние света наночастицами приводит не только к повышению коэффициента освещенности в образце, но и повышению вероятности выхода света назад через переднюю грань [17, 25]. Данное обстоятельство фиксируется как увеличение коэффициента отражения образца. Напыляя наночастицы серебра [26], золота [27] или меди [28] (которые в видимом диапазоне обладают хорошими рассеивающими свойствами) на стекло можно получить зеркало с коэффициентом отражения более 99%.
Проведенное в работах [28-30] исследование оптических свойств наночастиц металлов в прозрачной матрице показало возможность гигантского рассеяния назад (против первоначального распространения света) света с определенной длиной волны наночастицами металла достаточно узкого распределения по радиусам. Так наночастицы радиуса 145- 150 нм в матрице PETN отражают назад 95% энергии света второй гармоники неодимового лазера (532 нм) [29]. Такое «резонансное» рассеяние света против первоначального распространения света приводит в существенному увеличению коэффициента света образцов на основе прозрачной матрицы и наночастиц металла данного радиуса. Таким образом, предлагаемая методика неразрушающего контроля качества исполнительных устройств на основе прозрачной матрицы и светопоглощающих наночастиц, состоит в определении коэффициента отражения на определенной длине волны и сравнении с эталонным. Численный эксперимент позволяет в нашем случае предварительно оценить оптимальные спектральные диапазоны для конкретного образца и таким образом значительно ускорить решение производственных задач [6-29]. Последовательное проведение теоретического исследования сложных физико-химических процессов с постановкой точечного эксперимента позволило оптимизировать состав капсюля оптического детонатора на отсеве инициирующего [1-6] и вторичных ВВ [7-10, 12, 13, 25, 26] в достаточно ограниченном временном интервале.
Первым этапом создания теоретических основ методики неразрушающего контроля капсюлей оптических детонаторов является теоретических расчет рассеивающих свойств наночастиц и определение спектральных областей для экспериментальных исследований.
Применимость теории Ми для решения данной задачи доказано в работах [21-23]. Выбран спектральный диапазон от 500 нм до 1000 нм, так как меньшие длины волн лежат вблизи края собственного поглощения PETN, а индикатриса рассеяния света в ИК области близка к сферической. В работах [12-16 ] показана перспективность использования наночастиц никеля радиуса 100 нм для использования в оптическом детонаторе на основе PETN. В данной работе расчеты проведем для наночастиц никеля. Методика расчета сформулирована в работах [21, 22], и в дальнейшем успешно используемой для расчета оптических свойств наночастиц ряда металлов в прозрачных матрицах [8-15, 18-24, 27-31]. Использование малых интенсивностей воздействия позволяет игнорировать изменение оптических свойств наночастицы из-за нагревания [32 — 34] и использовать комплекс прикла методику [35]. Коэффициент эффективности рассеяния (Qsca) равен отношению сечения к геометрическому сечению наночастицы (πR2). Рассеяние света является характеризуется не только сечением, но и направленностью рассеяния (индикатрисой) [36]. Индикатриса рассеяния (I) света — функция, связывающее угол (направление в пределах полного телесного угла) и интенсивность рассеянного излучения [36]. Как Qsca, так и I зависят как от длины волны (λ), так от природы и радиуса (R) наночастицы (диапазон от 50 до 120 нм).
Прозрачную матрицу характеризует показатель преломления среды (1.54), соответствующий типичным диэлектрикам, в том числе — PETN, исследуемого для создания капсюля оптического детонатора [7-10, 12, 13]. Комплексные показатели преломления никеля для длин волн от 500 нм до 1000 нм с шагом 50 нм определен в работе [37]: [1.8238-3.2760i 1.9221-3.6162i 1.9783-3.9126i 1.9865-4.2057i 2.0530-4.4794i 2.1215-4.7062i 2.2131-4.8941i 2.3243-5.0764i 2.4102-5.2586i 2.4523-5.4327i 2.4986-5.6058i].
На рисунке 1 приведены рассчитанная спектральная зависимость коэффициента эффективности рассеяния наночастицы никеля радиуса 100 нм в прозрачной матрице с оптической плотностью 1.54 (PENT) Точки — расчет, линии — аппроксимация сплайном. Мы видим, что в выбранном диапазоне длин волн Qsca значительно больше 1, следовательно, сечение рассеяния больше геометрического. Глобальный максимум спектральной на 950 нм является слабо выраженным и всего на 20% больше минимума данной зависимости.
Для изменения коэффициента отражения образца необходимо не только большое значение Qsca, но и направленность индикатрисы рассеяния назад. Проведем расчет в рамках теории Ми нормированной индикатрисы рассеяния. Так как гол θ, от которого зависит I, изменяется от 0 до π, — значение интеграла . Визуальная форма индикатрисы характеризуется несколькими количественными характеристиками. Традиционно рассчитывается среднее значение косинуса угла: [36]. Индикатриса рассеяния солнечного света атмосферой зависит от длины волны рассеиваемого света, времени суток и облачности, и для летнего дня больше 0.8 [36].
Для решения нашей задачи воспользуемся предложенной в работе [32] характеристикой , определяющей относительную часть рассеянной назад энергии света. На рисунке 2. представлена рассчитанная спектральная зависимость произведения Qsca, и S- (Smax) для наночастицы никеля радиуса 100 нм в PETN. Именно эта величина определяет увеличение коэффициента отражения композитной матрицы с наночастицами металла. В исследуемом спектральном диапазоне выделяются две области в районе 550 нм и 950 нм, в районе которых изменение коэффициента отражения будут максимальными.
Разрабатываемый метод неразрушающего контроля качества капсюлей оптических детонаторов на основе прозрачной матрицы и светопоглощающих наночастиц должен быть чувствителен к изменению (уменьшении) радиуса наночастиц в результате процессов окисления. Процессы агломерации, приводящие к увеличению размеров наночастиц, существенны в системах наночастицы — жидкость (гель). В конденсированной матрице подвижность отдельных наночастиц весьма ограничена. Рассмотрение возможности увеличения радиуса наночастиц в процессе хранения капсюлей оптических детонаторов становится излишней.
Рассчитаем, как рассевающие характеристики наночастиц зависят от радиуса наночастицы. Для этого рассчитаем величину , определяющую относительную часть рассеянной вперед энергии света. На рисунке 3. представлены рассчитанные зависимости отношения S- к S+ наночастиц никеля для длин волн 550 нм (⋅) и 950 нм (о).
Для ИК области (950 нм) индикатриса рассеяния не очень сильно отличается от сферической, что плохо для разрабатываемой методики. Рассчитываемый параметр слабо зависит от радиуса наночастицы, следовательно, отслеживать радиус наночастицы по отражению ИК не удастся. Зависимость S- / S+(R) для длины волны 550 нм («⋅» на рисунке 3.) в районе радиуса 100 нм имеет выраженный восходящий участок. Это означает, что уменьшение радиуса наночастица приведет к заметному уменьшению коэффициента отражения. Теоретические расчеты являются важным этапом создания и оптимизации исполнительных устройств, однако решающее значение имеет дальнейшее экспериментальное исследование эффекта. Вывод: в работе определен перспективный спектральный диапазон (около 550 нм), в котором необходимо проводить дальнейшие экспериментальные исследования. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.