1. Введение

2. Литературный обзор

Несмотря на многочисленные исследования в области взрыва ряд физических процессов, сопутствующих детонации взрывчатых веществ, в настоящее время изучен недостаточно полно. К подобным явлениям относится высокая электропроводность продуктов взрыва в детонационной волне.

Полученные значения электропроводности лежат в интервале от 0.1 Ом^-1см^-1 до 100 Ом^-1см ^–1. Такие значения величины электропроводности приведены в работах [1-8].

Электропроводность продуктов взрыва вблизи фронта детонации изучается уже более 50 лет, однако на данный момент нет единого мнения относительно природы этого явления, что в первую очередь объясняется отсутствием достаточного достоверного экспериментального материала, а также своеобразным состоянием вещества в детонационной волне.

Отсутствие общепризнанной модели проводимости сдерживает применение методов электропроводности к исследованию физики детонации и ударных волн, приводит к ошибочной интерпретации экспериментальных результатов, к спекуляциям при объяснении экспериментальных результатов, полученных методом электропроводности, сдерживает развитие взрывных технологий.

Интерес к исследованию электропроводности и её распределения в детонационных волнах в конденсированных ВВ вызван физикой детонации, электрическими свойствами вещества при высоких плотностях энергии, практическим применением ВВ для получения мощных электрических импульсов и сверхсильных магнитных полей, развитием взрывных технологий. Исследование электропроводности стимулировалось тем обстоятельством, что измеренная величина электропроводности оказалась на несколько порядков выше оценённой по температуре проуктов детонации [1]. Особый интерес к исследованию электропроводности в детонационных волнах вызван конденсацией свободного, химически не связанного углерода [21] и металлов из металлоорганических веществ в детонационных условиях [22]. Явления конденсации и электропроводности неразрывно связаны и механизм одних явлений может пролить свет на механизм других. Электропроводность следит за состоянием вещества в детонационной волне, следовательно, детально изучив явление электропроводности, можно получить информацию об экстремальном состоянии вещества.

В существующих работах в разное время рассматриваются следующие различные причины, приводящие к возникновению высокой электропроводности в продуктах детонации, такие как термическая ионизация, химическая реакция во фронте волны, увеличение плотности вещества под действием высоких давлений. Также предлагался механизм термоэмиссии электронов с углеродных частиц для тротила, а для тротила и смеси тротила c гексогеном ещё и механизм проводимости по образующейся «сетке» углеродных частиц. Авторами [5], без достаточного обоснования предложена гипотеза ионной проводимости, механизм которой не позволяет описать поведение электропроводности в детонационной волне. Для детонационных процессов давления составляют величины порядка 10 - 50 ГПа, массовые скорости порядка 2 км/с, температуры порядка 2500 – 4000 К и плотности вещества 1 – 3 г/см³. Такое экстремальное состояние вещества не позволяет широко применить теоретические методы исследования электрофизических свойств продуктов детонации. Поэтому в изучении электропроводности важное место занимают экспериментальные методы. Для исследования явления наиболее удобны электроконтактный и электромагнитный методы [1]. Электромагнитный метод труден для реализации [19], малодоступен для исследователей и не имеет преимуществ перед контактным методом, поэтому широкое распространение получил электроконтактный метод измерений, простой и удобный в применении.

Электроконтактный метод измерений основывается на регистрации напряжения, снимаемого с электродов, погружённых в продукты детонации [1]. Измерение быстроменяющегося во времени сопротивления проще всего осуществляется при помощи осциллографа со ждущей разверткой. Регистрация электрических явлений при взрыве имеет ряд особенностей, предъявляющих специальные требования к измерительной схеме. Значительные электрические заряды и электромагнитные возмущения, возникающие при взрыве и его инициировании, могут являться источниками электрических помех, искажающих осциллографическую запись и затрудняющих ее однозначную расшифровку. Подобные помехи особенно существенны при использовании измерительных схем с малыми амплитудами выходных сигналов, когда необходимо применять дополнительное усиление. Поэтому широко известные в практике электрических измерений различные мостовые схемы, где выходные напряжения составляют сотые и десятые доли вольта, мало пригодны для измерения электропроводности продуктов взрыва. Наиболее достоверные результаты оказывается возможным получить с помощью специальных измерительных схем, выходные напряжения которых для различных сопротивлений продуктов взрыва лежат в интервале 10—100 вольт и могут непосредственно регистрироваться осциллографом без предварительного усиления. Основные количественные закономерности выявляются при помощи прямых электроконтактных измерений электрического сопротивления продуктов взрыва.

Принципиальная схема метода показана на рис.1. Накопительный конденсатор предварительно заряжается до напряжения порядка 1 киловольта. При взрыве заряда напряжение подается на пусковой электрод тригатрона. При этом конденсатор разряжается через высоковольтное сопротивление, назовём его токовым, и два параллельно включенных сопротивления, исследуемое сопротивление продуктов детонации и шунтирующее измерительное сопротивление. Сопротивление продуктов детонации до прихода детонационной волны на электроды равно бесконечности и становится соизмеримым с сопротивлением шунта в момент, когда фронт детонации достигает вершин металлических электродов, введенных в исследуемый заряд с торца, противоположного точке инициирования. Параллельно сопротивлению шунта включен коаксиальный кабель, передающий напряжение на осциллограф. Если высоковольтное токовое сопротивление намного превышает сопротивление шунта и исследуемое сопротивление, то разрядный ток в цепи конденсатора практически не зависит от исследуемого сопротивления. Для определения сопротивления продуктов детонации можно с достаточно хорошим приближением использовать соотношение:

R_x = U_xR_о/(U_o - U_x), (1)

где U_o и U_x - соответственно напряжение на электродах до момента подхода детонационной волны к вершине электродов и после возникновения зоны высокой проводимости, R_о – сопротивление шунта. Особенность такого метода регистрации быстроменяющихся сопротивлений - отсутствие необходимости абсолютных измерений напряжений.

Анализ схемы рис. 1 показал, что наибольшая точность измерений достигается при шунтирующих сопротивлениях, близких по значениям к исследуемым сопротивлениям. Расширение предела измерений в область малых сопротивлений ограничивается скоростью нарастания тока в измерительном контуре, определяемой индуктивностью измерительной ячейки.

Описанной методикой разными авторами проведено множество основных экспериментов. В качестве электродов авторы применяли разведённые на расстояние 5 мм проволочные электроды, которые погружались в продукты детонации на 2 - 4 мм, что отмечено в работе [3,4], и около 20 мм [1], именно такую оценку даёт произведение временной длительности сигнала в проводимых экспериментах и характерная скорость детонации взрывчатых веществ ( 6,5 км/сек ) [1]. Заряды взрывчатого вещества инициировались детонаторами без применения генераторов плоской волны. Временная калибровка полученных сигналов напряжения производилась с использованием синусоидального сигнала с частотой в 1 МГц, что позволяет фиксировать временные интервалы в 0.25 мксек. На рис.2 приведена качественная зависимость напряжения от времени для наблюдаемого процесса. Переход от измеренных сопротивлений продуктов детонации к удельной электропроводности продуктов взрыва осуществлялся электролитическим моделированием. Для этой цели электроды при точном соблюдении взаимного положения погружались в электролитическую ванну. Измеряя межэлектродное сопротивление при различных плотностях электролита и разных глубинах погружения электродов, можно было оценить удельную электропроводность, соответствующую заданным значениям измеренного сопротивления продуктов взрыва. Видимо, поэтому авторы этих работы отмечают оценочность полученных результатов.

Применением проволочных электродов измеряется проводимость продуктов детонации в зоне, невозмущённой волнами боковой разгрузки, проводимость воздуха в боковой ударной волне, проводимость разлетающихся продуктов взрыва и оболочки заряда, причём ситуация усугубляется наличием краевого эффекта. В работе с короткими электродами вклад в измерения вносит ударная волна, отражённая от торца заряда [4,5]. Таким образом, трудно говорить о достоверности величин электропроводности исследуемых взрывчатых веществ, хотя электролитическое моделирование способно дать их оценку.

Восстановление распределения электропроводности по измеренной проводимости является обратной задачей. Решение обратных задач сопряжено со значительными трудностями. В связи с этим развитие экспериментальных методик приобретает важное, определяющее значение.

Авторами [1] исследована электропроводность в сплаве ТГ 50/50, в зарядах насыпной плотности ТГ 50/50, в гексогене, тротиле, тэне, тетриле и в азиде свинца, получены представления о распределении электропроводности за детонационным фронтом. Показано, что с точностью измерений 10^-8с электропроводность возникает сразу за фронтом инициирующей ударной волны. Для сплава ТГ 50/50 изучено влияние давлений на поведение электропроводности (при 700 кбар электропроводность 100 Ом^-1см^-1).

Авторы [1] на основании своих результатов приходят к выводу, что в насыпных малоплотных зарядах ВВ основное влияние на образование зоны высокой электропроводности оказывают высокие температуры, в плотных зарядах высокие плотности при детонационных давлениях (металлизация).

Определённый интерес представляет работа [2]. В ней впервые сделана попытка исследования распределения электропроводности в детонационной волне. Измерения проводимости проводились с временным разрешением 0,25 нс. Однако, всё время измерений составило в ТНТ и нитрометане 20 нс, а в композите В 200 нс, что позволило произвести измерения только на участке нарастания электропроводности. В этой работе измерения проведены в жидком тротиле (100 Ом^-1см^-1) и выдвинута гипотеза о проводимости продуктов детонации по „сетке” графитовых частиц в продуктах детонации тротила.

Впервые распределение электропроводности в детонационной волне в насыпных тэне и гексогене получено авторами [9]. Эксперименты показали наличие в распределении зоны высокой электропроводности и зоны низкой остаточной. Из-за нецилиндричности волны и низкого качества зарядов пространственное разрешение оказалось низким.

Более качественные результаты (пространственное разрешение – доли мм) получены при использовании дифференциальной методики [10]. Эксперименты проводились с насыпным тэном и гексогеном в зарядах 6 мм, помещённых в массивную стальную оболочку. Полученные результаты подтвердили результаты [9]. Распределение электропроводности в детонационной волне имеет две зоны: зону высокой электропроводности шириной 1 мм, коррелирующую с шириной зоны химической реакции [7], электропроводность в этой зоне названа неравновесной, зона низкой электропроводности в равновесных продуктах детонации названа равновесной. Поставлен и исследован вопрос о влиянии распределения электропроводности на распределение напряженности электрического поля, сформулированы требования к измерительной ячейке.

Большой объём исследований электропроводности продуктов детонации выполнен школой Дремина А.Н. [4]. Авторы использовали методику [1]. Электроды погружались в продукты детонации на глубину 3-4 мм, что не позволило выявить зону высокой электропроводности. В связи с этим авторы считали, что имеется только зона равновесной электропроводности, определяемая высокими давлениями. Несовпадение результатов с [9,23] вызвало дискуссию, которая вместе с ионной гипотезой проводимости, выдвинутой авторами, не закончена и к настоящему времени. Здесь следует отметить, что внимательный анализ экспериментальных осциллограмм свидетельствует о существовании узкой зоны высокой электропроводности и в экспериментах [4].

Заслуживает внимания тщательно выполненная работа [7]. В ней методом электропроводности исследована детонация тротила и его сплавов с гексогеном в зарядах диаметром 10 мм в толстостенной металлической оболочке. Полученная максимальная электропроводность (25 Ом^-1см^-1) в тротиле в 5 раз превосходит величину, полученную в [1]. Добавление гексогена уменьшает величину электропроводности и ширину зоны высокой проводимости. Авторы связывают это с образованием алмазной фазы конденсированного углерода. Работа подтверждает наличие двух зон проводимости. Полученные результаты авторы объясняют с точки зрения „сеточной” проводимости по графитовым частицам. В этой работе измерительные электроды выполнены в виде центрального проводящего стержня и соосного с ним цилиндра [7,9]. Такая методика обладает рядом недостатков, не позволяющих получить достоверное распределение электропроводности продуктов детонации. Учесть краевые эффекты и разлёт заряда взрывчатого вещества очень непросто, а их влияние, как оказывается, существенно. Если для авторов работ [1,4,5] разрешающая способность измерительной ячейки, определяемая её индуктивностью, не являлось помехой для измерений, то, рассматривая работы [7,9], следует помнить о времени нарастания тока в измерительном контуре, которое может не позволить зарегистрировать высокую электропроводность. Времена дискретизации в рассматриваемых работах были доведены до 50 наносекунд.

Современные работы предлагают методики свободные от присутствия в экспериментах трудностей связанных с краевыми эффектами и разлётом заряда [6]. Повышается временное разрешение, а времена дискретизации доводятся до 10 наносекунд. Однако усовершенствования утрачивают преимущества, имевшиеся ранее. Так в работе [6] отсутствует стационарность процесса детонации, что может привести к наблюдению совершенно других явлений, а с количеством взрывчатого вещества, применяемым в экспериментах, способна работать не каждая лаборатория. В частности, в начале измерений методика регистрирует проводимость ударно сжатого тротила без детонации. В продуктах детонации тротила получена максимальная электропроводность 250 Ом^-1см^-1.

В работе [13] качественно и количественно рассмотрено влияние ударно-волновых и краевых эффектов на измерение проводимости продуктов детонации контактной методикой. Экспериментально продемонстрирована „деформация” восстанавливаемого распределения электропроводности в зависимости от постановки эксперимента. В этой работе также подтверждено существование двух зон проводимости. Предложена постановка экспериментов для измерения проводимости невозмущенных, не затронутых волнами разгрузки продуктов детонации.

При рассмотрении процессов, сопровождающих исследования явления проводимости при детонации взрывчатых веществ, очевидны основные недостатки измерительного метода (рис.6). Помимо сопротивления продуктов детонации, незатронутых волнами боковой разгрузки, из-за наличия краевого эффекта при замыкании измерительных электродов меряется и сопротивление воздуха в ударной волне, и сопротивление разлетающихся продуктов детонации, и оболочки заряда. Присутствующий в измерениях краевой эффект учесть практически невозможно. Временное разрешение измерительной аппаратуры может быть недостаточным для регистрации сигналов в экспериментах. Разрешающая способность измерительной ячейки, определяемая временем нарастания тока в измерительном контуре, может не позволить наблюдать высокие значения электропроводности.