Методика тестирования композитов petn — al

NovaInfo 48, с.29-36, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Физико-математические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

В работе начата разработка теоретических основ методики неразрушающего контроля композитов на основе прозрачной матрицы PETN и наночастиц алюминия. Предлагается использовать эффект изменения коэффициента преломления лабильной матрицы при частичном разложении. Определены зависимости оптических свойств наночастиц алюминия актуальных радиусов от коэффициента преломления матрицы для монохроматического излучения основной и второй гармоник неодимового лазера. Показано, что коэффициент эффективности рассеяния света, который определяет коэффициент отражения, существенно зависит от показателя преломления матрицы. Результаты работы необходимы для прогноза стабильности устройств нелинейной оптики на основе лабильной матрицы, в том числе капсюля оптического детонатора.

Ключевые слова

ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР, НАНОЧАСТИЦЫ АЛЮМИНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАССЕЯНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ, НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

Текст научной работы

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 (ma) 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 ma 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 ma 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.

Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения (⋅) и рассеяния (o) наночастиц алюминия радиусом 90 нм от коэффициента преломления матрицы.
Рисунок 1. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения (⋅) и рассеяния (o) наночастиц алюминия радиусом 90 нм от коэффициента преломления матрицы

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

Таблица 1. Значения Qabs и Qsca и среднего косинуса индикатрисы (Scos) наночастиц алюминия в прозрачных матрицах с различными ma на длинах волн 1064 нм (радиус 90 нм) и 532 нм (радиус 45 нм)

ma

Qabs

1064 нм

Qsca

1064 нм

Scos

1064 нм

Qabs

532 нм

Qsca

532 нм

Scos

532 нм

1

0.1165

0.3046

-0.1974

0.1249

0.3485

-0.1317

1.05

0.1297

0.3796

-0.1932

0.1442

0.4428

-0.1282

1.10

0.1444

0.4682

-0.1889

0.1664

0.5577

-0.1246

1.15

0.1606

0.5721

-0.1844

0.1918

0.6963

-0.1209

1.20

0.1785

0.6923

-0.1799

0.2207

0.8614

-0.1171

1.25

0.1980

0.8296

-0.1752

0.2532

1.0555

-0.1131

1.30

0.2191

0.9842

-0.1705

0.2891

1.2797

-0.1091

1.35

0.2415

1.1553

-0.1658

0.3280

1.5335

-0.1049

1.40

0.2650

1.3412

-0.1610

0.3692

1.8137

-0.1007

1.45

0.2891

1.5390

-0.1562

0.4114

2.1140

-0.0964

1.50

0.3134

1.7445

-0.1514

0.4532

2.4250

-0.0920

1.55

0.3371

1.9525

-0.1466

0.4927

2.7342

-0.0876

1.60

0.3597

2.1571

-0.1419

0.5282

3.0278

-0.0832

1.65

0.3805

2.3519

-0.1372

0.5580

3.2919

-0.0788

1.70

0.3990

2.5312

-0.1327

0.5811

3.5153

-0.0745

1.75

0.4148

2.6900

-0.1284

0.5972

3.6905

-0.0703

1.80

0.4278

2.8248

-0.1243

0.6066

3.8149

-0.0663

1.85

0.4378

2.9335

-0.1204

0.6103

3.8902

-0.0625

1.90

0.4452

3.0159

-0.1169

0.6094

3.9213

-0.0591

1.95

0.4502

3.0729

-0.1138

0.6056

3.9156

-0.0561

2.00

0.4532

3.1067

-0.1111

0.6003

3.8810

-0.0538

2.05

0.4547

3.1202

-0.1091

0.5949

3.8256

-0.0523

2.10

0.4553

3.1167

-0.1077

0.5910

3.7568

-0.0519

2.15

0.4555

3.0995

-0.1071

0.5896

3.6811

-0.0528

2.20

0.4555

3.0721

-0.1075

0.5918

3.6042

-0.0556

2.25

0.4561

3.0374

-0.1090

0.5989

3.5309

-0.0606

2.30

0.4574

2.9984

-0.1117

0.6117

3.4657

-0.0683

2.35

0.4599

2.9575

-0.1159

0.6314

3.4124

-0.0793

2.40

0.4638

2.9170

-0.1217

0.6590

3.3749

-0.0941

2.45

0.4695

2.8789

-0.1293

0.6951

3.3567

-0.1131

2.50

0.4772

2.8450

-0.1388

0.7404

3.3609

-0.1364

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

Рассмотрим закономерности коэффициента эффективности рассеяния света (Qsca) наночастицей алюминия радиуса 90 нм в различных матрицах (столбец 3 таблицы и кружки на рисунке 1). В диапазоне от ma = 1 до ma = 2.063 зависимость Qsca(ma) ярко выражена и почти линейно возрастающая от 0.3046 до 3.121 (более чем в 10 раз). Сечение рассеяния достигает половины геометрического сечения при ma = 1.116, геометрического сечения в матрицах с показателем преломления 1.305. Далее в практически важном диапазоне Qsca демонстрирует устойчивый рост (Qsca = 1.5 при ma = 1.44, 2 при ma = 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 Qsca, но и пространственной направленностью рассеяния — индикатрисой (столбец 4 таблицы 1). Программа для расчета характеристик индикатрисы создана в работах [31-33]. Средний косинус индикатрисы рассеяния (Scos) наночастиц алюминия радиуса 90 нм в вакууме равен -0.1974, знак «–» и достаточно большое по модулю значение Scos означает преимущественное рассеяние назад. Однако далее значение этого параметра приближается к –0.1, что позволяет характеризовать данную индикатрису при ma = 2.15 как почти сферическую.

В столбцах 5-7 таблицы 1 приведены рассчитанные значения Qabs, Qsca и Scos наночастиц алюминия радиуса 45 нм при варьируемых значениях ma. Отмеченные выше особенности рассчитанных зависимостей показывают возможности диагностировать изменение коэффициента преломления лабильной матрицы вследствие разложения двумя способами: измеряя коэффициенты отражения и пропускания. Уменьшение ma 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).

Читайте также

Список литературы

  1. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких металлических частиц //Химия в интересах устойчивого развития. 2015. Т. 23. № 2. С. 183-192.
  2. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
  3. Звеков А.А. Кинетические закономерности взрывного разложения азида серебра в условиях импульсного лазерного инициирования: автореф. дис. … канд. физ. - мат. наук. Кемерово. 2009.
  4. Ананьева М.В. Размерные эффекты разветвленных твердофазных цепных реакций: Дис. … канд. физ. - мат. наук. Кемерово, 2010. С. 142.
  5. Зыков И.Ю. Учет эффективности поглощения при разогреве нановключений лазерным излучением // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №3-6. С. 43-50.
  6. Зыков И.Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. Т. 1. № 1 (8). С. 79-84.
  7. Каленский А.В., Никитин А.П., Газенаур Н.В. Закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN - медь лазерным импульсом // Actualscience. 2015. Т. 1. № 4 (4). С. 52-57.
  8. Никитин А.П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди на разных длинах волн // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №4(11). С. 68-75.
  9. Газенаур Н.В., Никитин А.П. Инициирование взрывного разложения композитов PETN - наночастицы меди радиуса 50 нм // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 4 (19). С. 97-103.
  10. Никитин А.П., Газенаур Н.В. Расчет спектральных закономерностей коэффициентов эффективности поглощения наночастиц меди //Аспирант. 2015. № 5-2 (10). С. 73-76.
  11. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Кинетические закономерности лазерного инициирования композитов тэн-серебро // Nauka-rastudent.ru. 2015. №. 04(16). С. 46.
  12. Одинцова О.В. Инициирование композитов ТЭН -серебро первой и второй гармониками неодимового лазера // Аспирант. 2015. № 4. С. 50-54.
  13. Лукатова С.Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн на второй гармонике неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №1(12). С. 95 – 98.
  14. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  15. Иващенко Г.Э. Закономерности рассеяния света первой гармоники неодимового лазера наночастицами никеля в PETN // Actualscience. 2015. Т. 1. № 3 (3). С. 63-67.
  16. Иващенко Г.Э. Характеристики рассеяния света второй гармоники неодимового лазера наночастицами никеля в PETN //Аспирант. 2015. № 10. С. 84-89.
  17. Иващенко Г.Э. Кинетика образования очага взрывного разложения композитов PETN-Ni // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 33-40.
  18. Галкина Е.В., Радченко К.А. Модель инициирования композитов pent-олово импульсом неодимового лазера // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 9. С. 12.
  19. Радченко К.А. Комплексные показатели преломления ванадия на длинах волн современных лазеров // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 10. С. 32.
  20. Радченко К.А. Формирование очага взрывного разложения композитов PETN – ванадий // Nauka-Rastudent.ru. – 2015. – No. 11 (23).
  21. Радченко К.А. Критическая плотность закономерности инициирования взрывного разложения PETN-V неодимовым лазером длительностью 12 нс // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 40-46.
  22. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  23. Каленский А. В., Звеков А. А., Никитин А. П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. 2015. Т. 118. № 6. С. 1012-1021.
  24. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. Моделирование оптических свойств наночастиц никеля в среде гексогена// Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015.№ Специальный выпуск. С. 26-31.
  25. Газенаур Н.В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди// Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 8 (20). С. 27.
  26. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Оптические свойства наночастиц меди // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. № 8. С. 59-64.
  27. Никитин А.П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №4 (7) С. 81-86.
  28. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Сравнительное исследование закономерностей взрывного импульсного разложения пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота и серебра //Вестник КемГУ. 2015. № 4-3 (64). С. 172-176.
  29. Одинцова О.В. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра // Nauka-Rastudent.ru. 2015. № 5 (17). С. 41.
  30. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом//Аспирант. 2015. № 7. С. 73-78.
  31. Каленский А.В., Никитин А.П. Программный комплекс для расчета характеристик рассеяния лазерного излучения наночастицами алюминия // NovaInfo.Ru. 2015. Т. 1. № 38. С. 1-7.

Цитировать

Каленский, А.В. Методика тестирования композитов petn — al / А.В. Каленский. — Текст : электронный // NovaInfo, 2016. — № 48. — С. 29-36. — URL: https://novainfo.ru/article/7209 (дата обращения: 27.09.2022).

Поделиться