Впервые удалось пронаблюдать процесс теплового взрыва в реальном времени

Рис. 1. A — схематический эскиз экспериментальной установки. Вещество октоген показано белым цветом. Алюминиевые цилиндры, куда заключено взрывчатое вещество, — полупрозрачным серым. B — экспериментальная установка, вид сверху. Белым цветом показан октоген, заключенный в цилиндрический кожух (золотистого цвета). Ряд параллельных линий — термопара. Золотистая нить, выходящая из центра цилиндра, — оптоволоконная нитка для передачи теплового импульса от лазера. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Группе исследователей из Лос-Аламосской национальной лаборатории при помощи метода протонной радиографии впервые в реальном времени удалось пронаблюдать эволюцию теплового взрыва. Ученые синхронизировали начало теплового взрыва с началом облучения экспериментальной установки протонами и получили ряд снимков и видеофильм этого крайне непродолжительного явления. Предполагается, что предложенная исследователями техника найдет применение в моделировании подобных процессов.

В физике существует особый раздел, который занимается процессами горения (см. также Combustion) и взрыва, и в этом разделе важное место принадлежит рассмотрению теплового взрыва. По сути, тепловой взрыв — это быстропротекающая химическая реакция, которая характеризуется помимо этого еще и образованием взрывной волны. Первые теоретические работы, посвященные этому явлению, появились еще в 1928 году, и принадлежат они советскому химику Николаю Семёнову (см. также статью «Теория цепных реакций» в журнале «Наука и жизнь»). Ему удалось рассчитать критические условия такого вида взрыва. Впоследствии эта работа, признанная первой количественной теорией в области горения, стала родоначальницей не только теории теплового взрыва, но и всей современной теории горения.

В вышедшей в журнале Physical Review Letters 4 июня статье под названием Direct Observation of the Phenomenology of a Solid Thermal Explosion Using Time-Resolved Proton Radiography ученым из Лос-Аламосской национальной лаборатории (штат Нью-Мексико, США) удалось впервые в реальном времени пронаблюдать эволюцию теплового взрыва продолжительностью около 100 микросекунд. Такая длительность была выбрана сознательно, так как она максимально приближена к реально протекающему взрыву.

Процесс теплового взрыва авторы этой работы наблюдали в веществе с аббревиатурой HMX (High-Molecular-weight rdX). Это взрывчатое вещество со сложным химическим названием 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан; его также называют циклотетраметилентетранитрамин или октоген. Экспериментальная установка представляла собой два спаянных правильных алюминиевых цилиндра диаметром 12,7 мм и, соответственно, такой же длины, заполненных октогеном. Толщина стенок цилиндра составляла 3,2 мм. Внутрь данного взрывчатого вещества вдоль оси цилиндров была введена оптоволоконная нитка толщиной 200 микрометров. Между двумя цилиндрами, перпендикулярно их осям, располагалась термопара, предназначенная для контроля температуры во время проведения эксперимента. Вся установка была заключена в жесткую конструкцию, закрепленную двумя болтами (см. рис. 1).

Для наблюдения за эволюцией теплового взрыва ученые использовали методику, предложенную ими ранее в статье под названием Laser synchronization of a thermal explosion, опубликованную в журнале Applied Physics Letter. В соответствии с этой методикой передача тепла октогену осуществлялась с помощью оптоволоконной нити, присоединенной к неодимовому лазеру, излучающему в инфракрасном (тепловом) диапазоне, с длиной волны 1064 нм. Изначально алюминиевый кожух был нагрет до температуры 205°C, температура оптоволоконной нитки поддерживалась тепловыми импульсами от лазера на уровне 220°C, постоянство этих температур контролировалось с помощью термопары. Ученые исследовали, как энергия теплового импульса лазера влияет на время, необходимое для воспламенения октогена. Полученные ими результаты были представлены в виде графика (см. рис. 2).

Рис. 2. Зависимость времени, необходимого для начала воспламенения октогена, от энергии теплового импульса лазера (измеряется в миллиджоулях, мДж). Точки на графике соответствуют экспериментальным данным. Сплошная кривая — полиномиальная аппроксимация данных по эксперименту. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Например, энергия теплового импульса лазера 25 мДж приводила к взрыву через 350 мкс с момента подачи теплового импульса и соответствовала скачку температуры оптоволоконной нити в 230°C до конечной температуры 450°C. В данном эксперименте тепловой импульс от лазера составлял 50 мДж, что, как можно увидеть из графика на рис. 2, приводило к воспламенению октогена через 75 мкс. Именно момент воспламенения октогена, зафиксированный термопарой как значительное увеличение температуры, и будет в дальнейшем считаться временной точкой отсчета эксперимента.

В обсуждаемой статье ученым удалось уже синхронизировать во времени начало воспламенения октогена с устройством протонной радиографии (Proton Radiography). Иными словами, начало взрыва и начало облучения экспериментальной установки протонами совпадало во времени.

Метод протонной радиографии заключается в следующем. Исследуемый образец «освещают» параллельным пучком протонов. Большое значение кинетической энергии позволяет им проникнуть чрезвычайно близко к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку образца. Рассеиваясь на ядрах в различных направлениях, протоны проходят сквозь кристалл, далее частично выходят из него и засвечивают расположенную за образцом фотопластинку, на которой получается специфическая сетка ярких линий с пятнами разных размеров.

Приблизительно такую же картину можно наблюдать при дифракции электронов или рентгеновских лучей на кристаллах. Однако это подобие — исключительно внешнее, поскольку принципиально различны механизмы получения изображения. Если электроны и рентген ведут себя подобно волновому процессу, то при протонной радиографии протоны и ядра исследуемого объекта взаимодействуют между собой как частицы. Это отличие дает определенное преимущество: повышая энергию протонов, мы увеличиваем глубину их проникновения в образец, не ухудшая при этом (что очень важно) их способность «видеть» атомы.

Отсюда вытекают и возможности протонографии. Благодаря ей можно определить тип структуры кристалла, кристаллографическую ориентацию, углы между кристаллографическими осями. Протонография чрезвычайно чувствительна к малейшим искажениям (деформациям) кристаллической решетки. Она также способна регистрировать точечные дефекты. Важным преимуществом является и возможность послойного анализа микроструктуры кристаллических образцов без их разрушения: повышая энергию протонов, можно проникать всё глубже и глубже.

Рис. 3. Схематический рисунок процесса протонной радиографии, предложенной в 1995 году физиками из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Рис. с сайта www.llnl.gov

Надо заметить, что метод протонной радиографии долгое время считался неперспективным из-за размытости получаемых с его помощью изображений. Но в 1995 году физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории придумали для улучшения контрастности изображения использовать магнитные линзы (см. рис. 3). Так что на вопрос, почему же была выбрана именно протонная радиография, а не «близкая по сути» к ней нейтронография, можно ответить, что это своего рода традиция. Ведь исследования теплового взрыва проводились также в Лос-Аламосской лаборатории.

Снимки, полученные методом протонографии, охватывали область размером 46?46 мм и имели разрешающую способность около 100 микрометров. Кинетическая энергия протонов составляла значительную величину 800 МэВ. Полученные с помощью протонной радиографии результаты позволили ученым создать небольшой фильм, где показана в замедленном повторе эволюция теплового взрыва. Видеофайл представляет собой анимацию изображений экспериментальной установки (вид сбоку), полученных с интервалом 2 мкс. Небольшая щель, наблюдаемая в начале эксперимента, — место спайки двух цилиндров (там же расположена и термопара для контроля температуры). Ось цилиндров проходит в горизонтальной плоскости и перпендикулярна щели.

Также исследователи получили дополнительно несколько изображений процесса распространения взрывной волны с видом на цилиндры сверху.

Рис. 4. Снимки эволюции теплового взрыва, полученные с помощью метода протонной радиографии (вид сверху). Потемнение участков изображений соответствует увеличению количества прошедших через цилиндры протонов (уменьшение плотности взрывчатого вещества). В правом нижнем углу каждого снимка показано время, прошедшее с момента подачи теплового импульса. Координата 0 соответствует оси цилиндров, отрицательные координаты — левой половине цилиндров, положительные — правой. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Цвет снимков был «нормирован» на изображение до начала взрыва. Это означает, что потемнение (даже незначительное) снимков соответствует увеличению числа прошедших через цилиндры с октогеном протонов. А значит, как видно из снимков на рис. 4, с ростом времени происходит и уменьшение плотности вещества внутри цилиндров. Более глубокий анализ данных протонной радиографии позволил авторам построить графики распределения (см. рис. 5, ломаные кривые) прошедших через экспериментальную установку протонов в зависимости от радиальной координаты x (расстояния от оси цилиндров вдоль их радиусов до некоторой заданной точки).

На ранних этапах изучаемого процесса — от 2 до 9 мкс, прошедших от начала воспламенения, — во всей области цилиндров наблюдается относительно статическая картина и только лишь относительно острый «горб» функции количества прошедших протонов вблизи оси экспериментальной установки в интервале координаты от –1 мм до +1 мм говорит о зарождении взрывной волны. Приблизительно на 16-й микросекунде количество прошедших протонов начинает увеличиваться, что говорит об увеличении области, охваченной тепловым взрывом, и, соответственно, об уменьшении плотности вещества внутри цилиндров. Через 37 микросекунд взрывная волна теплового взрыва достигает стенок цилиндров.

Рис. 5. Количество протонов, прошедших через цилиндры, для разных моментов времени, отсчитываемых от начала теплового взрыва. Количество прошедших протонов нормировано на количество протонов, которые прошли через цилиндры до начала теплового взрыва. «Ломаные» кривые отвечают экспериментальным данным. «Гладкие» кривые посчитаны в рамках модели, предложенной авторами работы (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Дальнейший анализ показывает, что к 51-й микросекунде уменьшение плотности (увеличение количества прошедших протонов) замедляется — кривая становится не такой выпуклой как была в начале. Казалось бы, наблюдаемый эффект должен быть связан с тем, что в это время происходит выброс вещества из цилиндров из-за разрушения их стенок, поэтому плотность вещества должна заметно уменьшиться. Но авторы приводят контраргумент предложенной гипотезе: стенки цилиндров начали разлетаться раньше, через 45 микросекунд после подачи теплового импульса.

По мнению исследователей, всё это связано со сложным процессом теплопередачи внутри цилиндров при взрыве: образующаяся при химической реакции под действием теплового импульса от лазера газовая среда вблизи оси цилиндров конвективным образом передает тепло через весь материал и вызывает его дальнейшую детонацию. Остаток октогена, который не успел детонировать, взрывается благодаря уже обычному процессу теплопроводности.

Основываясь на экспериментальных данных, ученые при помощи метода Монте-Карло построили модель уменьшения плотности вещества внутри цилиндров со временем в процессе теплового взрыва («гладкие» кривые на рис. 5). Отсюда также можно получить еще одну интересную характеристику взрыва — его скорость. Нетрудно посчитать (см. рис. 5), что она составляла 165 м/с — в два раза меньше скорости звука в воздухе.

Таким образом, впервые ученым с помощью своего уникального метода по синхронизации процессов начала детонации взрывчатого вещества и протонной радиографии удалось пронаблюдать эволюцию теплового взрыва и построить его модель. И в частности, выяснить, как происходит процесс теплопередачи и как изменяется со временем плотность вещества в тепловом взрыве. Сами авторы считают, что данная работа и прежде всего данный метод исследования должны помочь в моделировании теплового взрыва, а также в решении проблемы обеспечения безопасности при работе с взрывчатыми веществами.

Источники:
1) L. Smilowitz, B. F. Henson, J. J. Romero, B. W. Asay, C. L. Schwartz, A. Saunders, F. E. Merrill, C. L. Morris, K. Kwiatkowski, G. Hogan, P. Nedrow, M. M. Murray, T. N. Thompson, W. McNeil, P. Rightley, M. Marr-Lyon, pRad Collaboration. Direct Observation of the Phenomenology of a Solid Thermal Explosion Using Time-Resolved Proton Radiography // Physical Review Letters 100, 228301 (4 June 2008); doi: 10.1103/PhysRevLett.100.228301.
2) L. Smilowitz, B. F. Henson, M. M. Sandstrom, J. J. Romero, B. W. Asay. Laser synchronization of a thermal explosion // Applied Physics Letters 90, 244102 (12 June 2007); DOI: 10.1063/1.2747661 .

Юрий Ерин

<< Назад