Исследование распределения электропроводности в пересжатых детонационных волнах в конденсированных взрывчатых веществах (стр. 8 из 10)
Рассмотрим убыль электронов только за счёт поглощения. За время Δt в единице объёма происходит (nvΔt)/lk столкновений электронов с частицами конденсированного углерода. При вероятности поглощения ß убыль электронов будет определяться соотношением Δn = - (ßnvΔt) /lk. В системе отсчёта, связанной с фронтом детонационной волны, оно примет вид
Δn/Δх = - (ßnv)/(ulk), где u – скорость продуктов детонации, а х – координата. Плотность электронов убывает по экспоненциальному закону на характерном расстоянии х0 = (ulk) /(ßv).
Если предложенная модель верна, то она позволяет оценить вероятность поглощения электронов конденсированными частицами
ß = (ulk)/(vх0) ≈ 10-8-10-7, вероятность оказывается действительно малой.
В [1] измерена электропроводность в детонационной волне в азиде свинца. Она оказалась того же порядка, что и при детонации тротила. Вполне возможно, что роль, аналогичную углероду, в таких веществах как азиды, играют металлы, имеющие низкий потенциал ионизации. В этом случае электроны могут возникать в результате термической ионизации атомов металлов, а рассеяние и поглощение их может происходить на макроскопических металлических частицах конденсированной фазы.
3.3 Электропроводность в неравновесных продуктах детонации
Объяснить высокие значения электропроводности в неравновесной зоне продуктов детонации оказывается возможным. Основанием для гипотезы о механизме неравновесной проводимости послужили эксперименты по исследованию сохраненных продуктов взрыва смеси гексогена и адамантана C10H16 . Углеродная структура адамантана напоминает структуру алмаза, но в случае адамантана углерод соединяется ещё и с атомом водорода. Интересно, что при ударном сжатии в сохраненных продуктах детонации были обнаружены чистые кристаллические алмазы. На основании этого можно сделать вывод о том, что при ударном сжатии рвутся преимущественно C-H связи. При этом молекула теряет атомы водорода, так как они легче чем атомы углерода. Далее предполагается образование высокой плотности положительно заряженных оторвавшихся атомов водорода – фактически протонов, которые быстро нейтрализуются в процессе химической реакции, но успевают внести свой вклад в проводимость неравновесной зоны продуктов детонации.
Оценим величину электропроводности, которую способны обеспечить оторванные протоны. Рассеивающими центрами будем считать атомы. Концентрация атомов n = 1023 см-3, длина свободного пробега l = 1/(nS0) ≈ 10-7 см , где S0 – сечение атома равное 1.55·10-16 см. Оценить электропроводность можно следующим образом –
,где Nат - количество атомов в молекуле вещества, NH– количество атомов водорода в молекуле вещества, l – длина свободного пробега, e – заряд электрона, m – масса протона. Примем mv = (mkT)1/2 , где Т ≈ 3·103 К. Тогдаmv≈ 10-18 см·г·с, а значение электропроводности σ ≈ (NH/ Nат)·10 3 Ом-1∙см-1. Коэффициент (NH/ Nат) в расчете электропроводности дает характеристику молекулы.Для октогена (NH/ Nат) = 8/28 судя по структуре C4H8O8N8 , для гексогена C3H6O6N6 кооффициент (NH/ Nат) = 6/22. Видно, что этот коэффициент большой роли при оценке электропроводности не играет. Величина электропроводности порядка 10 3 Ом-1∙см-1 получена для случая, когда в проводимости участвуют все атомы водорода, и существенно превышает полученные в экспериментах значения электропроводности неравновесных продуктов детонации. Однако, данная модель может иметь место если учитывать, что лишь часть оторванных протонов участвует в проводимости. Такая модель связывает исчезновение высокой электропроводности с окончанием химической реакции, когда все протоны водорода нейтрализованы.
3.4Вспомогательные исследования проводимости стеариновой кислоты
На рис.26 приведена осциллограмма эксперимента по измерению проводимости стеариновой кислоты. Стеариновая кислота – органическое соединение C18H36O2, порошкообразного типа на ощупь напоминающее воск. Методика эксперимента аналогична эксперименту по исследованию проводимости взрывчатого вещества при пересжатии. Внутрь цилиндрического измерительного электрода помещалось исследуемое вещество, в нашем случае стеариновая кислота. Остальной объем экспериментальной сборки заполнялся гексопластом.
Рассмотрим поведение осциллограммы. Детонационная волна касается цилиндрического электрода – на осциллограмме это сопровождается затухающими колебаниями. Далее детонационная волна достигает внутреннего электрода – напряжение, как и следовало ожидать, уменьшается, но медленно. Затем заметен резкий спад и выход напряжения на постоянное значение. Эта картина отображает процесс установления стационарного режима при нагружении стеариновой кислоты. Резкий спад – выход на стационарный процесс. По этому спаду можно оценить величину электропроводности, возникающую при сжатии стеариновой кислоты мощным взрывчатым веществом. За время t ≈ 0.6 микросекунды сопротивление изменилось на величину R ≈ 0.03 Ома при скорости детонации D = 7.6 км/с. Тогда σ ≈ 1/RDt.
Оценка дает значение σ ≈ 500 Ом-1∙см-1. Следует ометить, что в стеариновой кислоте содержится огромное количество водорода, который потенциально способен обеспечить полученную величину электропроводности, что в свою очередь подтверждает механизм протонной проводимости.
Заключение
В процессе работы выполнено следущее:
- Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна при нормальной детонации с высоким временным разрешением;
- Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпного тротила и литого тротила при нормальной детонации с высоким временным разрешением;
- Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна и тротила при пересжатой детонации с высоким временным разрешением;
- Выявлена структура зоны проводимости, состоящая из двух зон электропроводности: зоны высокой электропроводности и зоны электропроводности равновесных продуктов детонации. Показано, что зоны проводимости имеют различные механизмы электропроводности и пространственно разделены особенной зоной с крайне низким значением электропроводности;
-Предложен механизм электронной проводимости в равновесной зоне продуктов детонации;
-Предложен механизм протонной проводимости в неравновесной зоне продуктов детонации;
-Проведены постановочные эксперименты по исследованию проводимости органических веществ, необладающих детонационными свойствами, при ударно волновом нагружении, свидетельствующие в пользу протонного механизма электропроводности;
-Увеличение электропроводности при пересжатии качественно объяснено электронной проводимостью равновесных продуктов детонации и протонной проводимостью в неравновесной зоне;
Благодарности
Автор выражает свою признательность Зубкову П.И. за научное руководство, Тен К.А. за помощь в организации и постановке экспериментов и участие в обсуждении результатов, а также благодарит Скоробогатых Н.Г. за своевременную подготовку экспериментов. Автор отмечает помощь Лукьянчикова Л.А. в решении отдельных организационных вопросов.
Литература
1. Бриш А.А., Тарасов М.С., Цукерман В.А. Электропроводность продуктов взрыва конденсированных взрывчатых веществ. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1959. Т.37. Вып. 6, С. 1543.
2. Hayes B. On the Electrical Conductivity of Detonation High Explosives // Proc. 4th Symposium (Internat.) on Detonation. White Oak, MD, 1965. Office of Naval Research, ACR-126. Washington. 1967. P.595-601.
3. Дрёмин А.Н., Савров С.Д., Трофимов В.С., Шведов К.К. Детонационные волны в конденсированных средах, М., «Наука», 1970.
4. Антипенко А.Г., Дрёмин А.Н., Якушев В.В. О зоне электропроводности при детонации конденсированных взрывчатых веществ. Доклады Академии наук, 1975, Т. 225, С. 1086.
5. Дрёмин А.Н., Якушев В.В. Природа электропроводности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Доклады Академии наук, 1975, Т. 221, С. 1143.
6. Гилёв С.Д., Трубачев А.М. Высокая электропроводность продуктов детонации тротила. Журнал технической физики, 2001, Т. 71, Вып. 9, С. 123.
7. Ершов А.П., Сатонкина Н.П., Дибиров О.А. и другие Исследование взаимодействия компонентов гетерогенных взрывчатых веществ методом электропроводности. Физика горения и взрыва, 2000, Т. 36, №5, С. 97.
8. Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Измерение ширины зоны проводимости в тэне. В сб.: Динамика сплошной среды. 1971, Институт гидродинамики, Новосибирск, Вып. 8, С. 177-182.
9. Новосёлов Б.С., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Электропроводимость в зоне детонации конденсированных взрывчатых веществ. Физика горения и взрыва, 1971, Т. 7, Вып. 2, С. 295 - 299.
10. Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Об измерениях профиля электропроводности во фронте детонации конденсированных ВВ // ФГВ. 1974. Т. 10, №6. С. 864-873.