Методика тестирования композитов petn — al

Приоритетной задачей современных фундаментальных и прикладных исследований является снижение экологических рисков и минимизация опасности технологических катастроф [1]. Нарастающее использование инициирующих, смесевых и бризантных взрывчатых веществ (ВВ) в горной промышленности, строительстве и других производственных сферах является необходимостью современного времени [1]. Применение ВВ резко понижает стоимость проходческих работ, что определяет вектор использования ВВ: масштабы внедрения ВВ будут безусловно существенно расширяться в будущем. Самым интенсивно развиваемым способом повышения безопасности хранения, транспортировки и использования ВВ является разработка энергетических материалов селективно-чувствительных к нужному воздействию [1, 2]. Так материалы капсюля оптических детонаторов должны быть максимально чувствительны к лазерному воздействию, но инертны к удару, теплу, электрическим наводкам и другим сопутствующим воздействиям, способным привести к несанкционированному срабатыванию [1]. Уже созданные оптические детонаторы на основе инициирующих ВВ (азида серебра) обладают минимальными порогами срабатывания [3, 4], но повышенная чувствительность к лазерному импульсу в таких образцах принципиально неотделима от высокой опасности несанкционированного инициирования случайными воздействиями.

Для создания селективно чувствительных к лазерному излучению материалов предложено введение в существующие прозрачные ВВ светопоглощающих наночастиц [5-21]. Минимальная плотность энергии инициирования взрывчатого разложения штатных бризантных ВВ (PETN и гексоген) с добавками наночастиц алюминия [5-6], меди [7-10], серебра [11, 12], золота [13], хрома [14], никеля [15-17], олова [18], ванадия [19-21] и других металлов составляет величину порядка 1 Дж/см², что боле чем в сто раз меньше по сравнению с чистыми прессованными таблетками данного ВВ. Для поиска новых материалов для капсюлей оптических детонаторов реализован цикл экспериментальных исследований оптических и взрывных характеристик композитов PETN — наночастицы алюминия марки Alex в зависимости от массовой концентрации, длины волны монохроматического излучения и радиуса алюминия [1, 2, 22]. Показана возможность создания оптического детонатора на основе композитов PETN — наночастицы алюминия с импульсным источником инициирующего импульса на длинах волн 1064 нм и 532 нм. В первом случае (основная гармоника неодимового лазера) оптимальным радиусом наночастиц, обеспечивающим минимальный порог срабатывания, является 90 нм, во втором (на второй гармонике) — 45 нм [2]. Однако для промышленного внедрения оптических детонаторов необходимо разработать методику неразрушающего контроля актуальных составов композита на основе лабильной матрицы и активных наночастиц. Цель настоящей работы: начать разработку теоретических основ методики неразрушающего контроля композитов на основе прозрачной матрицы PETN и наночастиц алюминия. Для этого необходимо определить зависимости оптических свойств наночастиц алюминия актуальных радиусов в матрицах с различными коэффициентами преломления на основной и второй гармониках неодимового лазера.

Каждая задача в естественных науках может быть решена экспериментальными и теоретическими методами. Индивидуальные оптические свойства наночастиц металлов в прозрачных матрицах влияют на зависимости коэффициентов отражения и пропускания от толщины и массовой концентрации наночастиц [22]. Объем экспериментальных исследований и последующего теоретического анализа даже для одного радиуса наночастиц и одной матрицы очень большой и для стандартной лаборатории выполнение этих работ занимает не менее месяца. Следовательно, для решения задачи экспериментальными методами потребуется не один год напряженных (но достаточно однообразных) исследований. Существенные экспериментальные ресурсы лучше вводить после предварительных теоретических исследований, когда известна перспективная область исследований [4-8].

В [23] показана возможность теоретического решения поставленной в работе задачи с необходимой точностью даже в спектральном диапазоне проявления плазмонного резонанса. Сформулирована и апробирована методика расчета оптических свойств наночастиц металлов в вакууме и прозрачных матрицах, созданы пакеты прикладных программ [2-7]. Вначале необходима интерполяция комплексного показателя преломления (mi) на актуальные длины волн. Следующий этап — расчет оптических свойств наночастиц при выбранном радиусе металла, показателе преломления матрицы (m_a) и длине волны. Значения комплексных показателей преломления алюминия на длинах волн 1064 и 532 нм составляли mi = 1.67 ‑ 9.12i и mi = 0.71 ‑ 5.85i, соответственно [2].

Показатели преломления матрицы в настоящих расчетах изменялись от 1 до 2.5 с шагом 0.05. Начальное значение m_a соответствует вакууму, следующие — плотному газу, показатели преломления от 1.3 до 1.8 –соответствуют важным органическим ВВ, включая PETN и гексоген [24], некоторые инициирующие ВВ (азид свинца). У азида серебра показатель преломления около 2 [3,4]. Для построения достоверных рядовых зависимостей в интервал продолжен до матрицы с показателем преломления 2.5. Отсутствие у m_a комплексной составляющей означает пренебрежение примесным поглощением, характерным для частично разложенных инициирующих ВВ. При хранении ВВ при повышенных температурах и радиационном фоне возможно существенное разложение матрицы, и разрабатываемая методика неразрушающего контроля должна определять степень деградации матрицы. Радиус наночастиц алюминия на основной гармонике неодимового лазера выбран равным 90 нм, так как наночастицы такого радиуса целой группы исследованных металлов наилучшим образом поглощают излучение основной гармоники неодимового лазера в матрице PETN [5-21]. Для второй гармонике соответствующий радиус составляет 45 нм по аналогичной причине. Результаты работы для второй гармоники возможно интерполировать на металлы подгруппы железа, для которых плазмонный пик далеко от 532 нм. Для наночастиц меди, серебра и золота, плазмонный пик либо совпадает, либо достаточно близко от частоты второй гармоники [23 -25], что сопровождается существенным уменьшением оптимального радиуса наночастиц до 20 -30 нм [25 -29]. Поэтому результаты расчетов для длины волны 532 нм на этих системах переносить требуется достаточно осторожно.

Расчеты проводились в лицензионном (№ 824977) математическом пакете MatLab. Методика расчета приведена в [30, 31]. Рассчитанные оптические свойства наночастиц алюминия радиуса 90 нм приведены в таблице 1 и на рисунке 1.

В первом столбце таблицы 1 приведены аргументы зависимости — значения показателей преломления матрицы (m_a), при которых проводились расчеты оптических свойств наночастиц алюминия радиуса 90 нм. Во втором — значения коэффициентов эффективности поглощения (Q_abs) наночастиц. Звездочками на рисунке 1 отмечены рассчитанные значения Q_abs, линия — сплайн через 0.001 для определения особенностей исследуемой зависимости. Рассчитанная зависимость Q_abs(m_a) представляется достаточно неожиданной: начальный рост m_a приводит к почти линейному увеличению Q_abs.

Обращает внимание, что сечение поглощения наночастицы алюминия радиусом 90 нм при всех значениях m_a значительно меньше геометрического. В вакууме коэффициент эффективности поглощения составляет величину всего 0.1165 и далее медленно увеличивается. Данная значение Q_abs означает, что только восьмая часть падающего на наночастицу излучения поглощается. Однако далее этот параметр почти линейно увеличивается. Q_abs = 0.2 (пятая часть — поглощается) достигается в матрицах с m_a = 1.255, а 0.3 — при m_a = 1.472. Увеличение коэффициента эффективности поглощения при значении 0.4555 переходит в точку перегиба, когда от m_a = 2.11 до 2.22 изменения Q_abs не происходит. Нам важно, что в практически важной области коэффициентов преломления матриц от 1.5 до 1.6 поглощающие свойства наночастиц существенно изменяются, поэтому уменьшение m_a для лабильных матриц будет сопровождаться уменьшением коэффициента пропускания образца. Абсолютный максимум Q_abs = 0.4771 достигается на границе рассматриваемой области m_a = 2.5.

Рассмотрим закономерности коэффициента эффективности рассеяния света (Q_sca) наночастицей алюминия радиуса 90 нм в различных матрицах (столбец 3 таблицы и кружки на рисунке 1). В диапазоне от m_a = 1 до m_a = 2.063 зависимость Q_sca(m_a) ярко выражена и почти линейно возрастающая от 0.3046 до 3.121 (более чем в 10 раз). Сечение рассеяния достигает половины геометрического сечения при m_a = 1.116, геометрического сечения в матрицах с показателем преломления 1.305. Далее в практически важном диапазоне Q_sca демонстрирует устойчивый рост (Q_sca = 1.5 при m_a = 1.44, 2 при m_a = 1.561, 2.5 при 1.691 и 3 при 1.889). Такое увеличение проявляется в росте коэффициента отражения и, следовательно, в дополнение к рассмотренной выше причине — к уменьшению коэффициента пропускания.

Рассеивающие свойства наночастиц характеризуются не только Q_sca, но и пространственной направленностью рассеяния — индикатрисой (столбец 4 таблицы 1). Программа для расчета характеристик индикатрисы создана в работах [31-33]. Средний косинус индикатрисы рассеяния (S_cos) наночастиц алюминия радиуса 90 нм в вакууме равен -0.1974, знак «–» и достаточно большое по модулю значение S_cos означает преимущественное рассеяние назад. Однако далее значение этого параметра приближается к –0.1, что позволяет характеризовать данную индикатрису при m_a = 2.15 как почти сферическую.

В столбцах 5-7 таблицы 1 приведены рассчитанные значения Q_abs, Q_sca и S_cos наночастиц алюминия радиуса 45 нм при варьируемых значениях m_a. Отмеченные выше особенности рассчитанных зависимостей показывают возможности диагностировать изменение коэффициента преломления лабильной матрицы вследствие разложения двумя способами: измеряя коэффициенты отражения и пропускания. Уменьшение m_a должно сопровождаться уменьшением коэффициента отражения и увеличением коэффициента пропускания. Большая величина эффекта для наночастиц алюминия позволяет рассчитывать на возможность создания портативного варианта анализатора. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (НИР № 3603 по заданию №2014/64).