На рисунках приведены восстановленные распределения электропроводности. Ход распределений электропроводности в октогене, гексогене и тэне практически не изменился. Однако сильно выросли максимальные значения в пике, в октогене в 3 раза, в гексогене в 18 раз, в тэне в 37 раз. Практически на порядок, кроме октогена, выросла электропроводность в равновесных продуктах детонации. Каждое распределение имеет пик шириной 0,5 мм, зону перехода к электропроводности равновесных продуктов детонации. Между зоной перехода и остаточной электропроводностью ярко выраженная особенность. В пересжатых детонационных волнах во всех взрывчатых веществах она наблюдается в одном месте, приблизительно на 2,2 мм от момента возникновения электропроводности и выражена наиболее ярко.

Максимальные значения электропроводности в пике 20 Ом^-1см^-1,

27 Ом^-1см^-1 и 35 Ом^-1см^-1 в октогене, гексогене и тэне соответственно. В равновесных продуктах детонации 1 Ом^-1см^-1,1 Ом^-1см^-1 и 4 Ом^-1см^-1 соответственно. Основные полученные результаты отражены в таблице 1, таблице 2 и таблице 3.

В насыпном тротиле электропроводность в пике выросла до 55 Ом^-1см^-1, более чем на порядок. Ширина пика, или другими словами падение электропроводности на порядок от максимальной, составила приблизительно

2 мм. Характерно, что в равновесных продуктах детонации тротила электропроводность изменилась незначительно.

2. 2.5 Анализ результатов

Приведённые выше результаты подтверждают наличие в детонационных волнах двух зон электропроводности. Зону высокой электропроводности скорее следует отнести к зоне деструкции вещества и химической реакции. Зона относительно низкой электропроводности в равновесных продуктах детонации отделена от зоны высокой электропроводности узкой областью с электропроводностью меньшей на порядок. Ширина этой особенности составляет около 0,3 мм.

Наблюдающийся факт изменения напряжения при выходе детонационной волны на торец оргстеклянной оболочки, уменьшение напряжения у тротила и увелечение у октогена, гексогена и тэна, говорит о различном поведении проводимости в волне разгрузки тротила и остальных исследованных веществ. Характер электропроводности октогена, гексогена и тэна одинаков. Стоит отметить, что при выходе детонации на торец из оргстекла в продукты детонации идет волна именно разгрузки. Этот факт был проверен в экспериментах по исследованию на синхротронном излучении ударного сжатия оргстекла, где на оргстекло падала детонационная волна насыпного тротила.

Продукты детонации насыпного тротила в равновесной зоне и при нормальной детонации и при пересжатии не дают сильного различия в величине электропроводности, а в октогене, гексогене и тэне отличия сильные. Это подтверждает факт о различных механизмах проводимости продуктов детонации тротила и продуктов детонации октогена, гексогена и тэна.

Механизмы проводимости в зоне неравновесных продуктов детонации и в зоне равновесных продуктов обязаны быть различными. В связи с изложенным, единым механизмом объяснить весь спектр электропроводности продуктов детонации невозможно.

Пик высокой электропроводности очень узкий, и химическая реакция, по-видимому, является фактором исчезновения пика. За химической реакцией продукты детонации находятся в равновесной зоне и обладают более низкой проводимостью и сравнительно широкой пространственной протяженностью. Переход от зоны равновесных продуктов к неравновесным сопровождается особенным участком, который, вероятно, отмечает конец химической реакции, и на котором величина электропроводности на порядки ниже величины остаточной равновесной проводимости.

Полученные данные о величинах электропроводности и о пространственной структуре зоны проводимости позволяют конкретнее проанализировать имеющиеся возможные механизмы проводимости, а также дают толчок к исследованию структуры самой детонационной волны.

2. О природе электропроводности конденсированных взрывчатых веществ

1. 3.1 Гипотезы проводимости продуктов детонации

Основными вопросами, возникающими при исследовании проводимости вещества и продуктов детонации в том числе, являются тип носителей тока, их концентрация, природа возникновения и время релаксации или длина свободного пробега. Поскольку прямое экспериментальное определение типа носителей в продуктах детонации не произведено, речь может идти только о гипотезах механизмов проводимости продуктов детонации.

Как следует из приведённых выше результатов, в детонационных волнах исследованных взрывчатых веществ имеются две области электропроводности, высокой в неравновесных и низкой в равновесных продуктах детонации. Скорее всего, механизмы проводимости в них различны. По-видимому, в продуктах детонации тротила преобладает механизм проводимости, отличный от механизмов в продуктах других взрывчатых веществ. Единым механизмом объяснить весь спектр электропроводности продуктов детонации невозможно, но, тем не менее, стоит рассмотреть выдвинутые ранее и получившие наибольшее распространение гипотезы, с помощью которых предприняты попытки объяснения механизма проводимости продуктов детонации с единой точки зрения.

Первая гипотеза призвана объяснить „аномально” высокую, как считалось ранее, электропроводность тротила. Она основана на относительно высоком содержании в продуктах детонации конденсированной фазы свободного, химически не связанного, углерода. Считалось, что в детонационной волне в тротиле углерод конденсируется в графит, имеющий электропроводность порядка 10³ Ом^-1см^-1. Гипотеза высказана Хейзом [2]. Высокая электропроводность продуктов детонации тротила вызвана возникновением контактов между графитовыми частицами, иными словами образуется „сетка” из графитовых частиц, высокая же электропроводность графита обеспечивает по „сетке” высокую электропроводность продуктов детонации тротила. Гипотеза подкупает своей простотой и наглядностью.

Однако, гипотеза „сеточной” проводимости имеет ряд недостатков. Во-первых, согласно [24] графита в конденсированной фазе углерода сохранённых продуктов детонации тротила нет, имеются ультрадисперсные алмазы, луковичные структуры и аморфный углерод, все они имеют заведомо более низкую электропроводность, чем графит. Далее, для токопроводящих контактов между конденсированными частицами углерода необходимы силы, прижимающие их к друг другу. В продуктах детонации таких сил нет. Измеренная электропроводность сохранённых твёрдых продуктов детонации тротила при давлении в 3,6 кбар составила 7 Ом^-1см^-1, электропроводность графита в тех же условиях составила 44 Ом^-1см^-1. Кроме того, „сетка” должна разрушаться при разлёте продуктов детонации. Поведение же электропроводности при детонации тротила не коррелирует с газодинамикой разлёта продуктов детонации. Более того, как показывали проведенные исследования проводимости в тротиле, по крайней мере, в начале разгрузки продуктов детонации тротила электропроводность возрастает на порядок, что коренным образом противоречит проводимости по „сетке”. Наличие же особенности на поведении электропроводности совершенно невозможно объяснить „сеточной” проводимостью. В связи с изложенным, „сеточный” механизм проводимости будем считать маловероятным.

Вторая гипотеза, гипотеза ионной проводимости продуктов детонации, предложена авторами [5], и далее развита в [25,26]. Гипотеза возникла в результате того, что авторы [5] не обнаружили в своих экспериментах зону высокой электропроводности в детонационном фронте. Поэтому электропроводность связывалась не с химической реакцией, а с областью высоких давлений.

В основу гипотезы ионной проводимости положены: возникновение электрических сигналов на разнородных металлических электродах, погруженных в продукты детонации, высокая ( порядка 10 Ом^-1см^-1 при давлении порядка 200 кбар) электропроводность ударно сжатой воды и прозрачность для видимого света продуктов детонации смеси нитрометана с тетранитрометаном в определённой пропорции [27].

Что касается прозрачности для видимого света продуктов детонации, то надо заметить сразу, авторы ионной гипотезы или не знакомы с работой [27], на которую они ссылаются, или лукавят. В работе [27] приведены результаты исследований заряда толщиной 3,2 мм. На приведённых в этой работе снимках хорошо видно, что на расстоянии 4-5 толщин заряда за фронтом детонации продукты детонации непрозрачны для видимого света. Продукты детонации других исследованных взрывчатых веществ непрозрачны. Непрозрачность продуктов детонации может свидетельствовать о значительной концентрации свободных электронов.

Сигналы порядка 1 В, возникающие на разнородных металлах, погруженных в продукты детонации, не могут свидетельствовать в пользу ионной гипотезы, поскольку являются проявлением поверхностного эффекта, в противоположность электропроводности, связанной с объёмными свойствами вещества. Электрические сигналы на разнородных металлических электродах 1-3 В возникают при погружении их в ударносжатые газы [28], в которых механизм проводимости заведомо электронный. Таким образом, и этот аргумент не имеет отношения к гипотезе ионного механизма проводимости.

Ударно сжатая вода [29] до давлений в 200 кбар имеет электропроводность равную по величине 10 Ом^-1см^-1. Вода присутствует во всех продуктах детонации взрывчатых веществ состава CNHO, её доля составляет 10-40%. Диссоциация воды при высоких давлениях на ионы H₃O⁺ и OH^– по мнению авторов [25] может объяснить электропроводность в 1-4 Ом^-1см^-1, если считать её ионной. При этом авторы [25] полагают подвижность ионов в ударно сжатой воде и в ПД одинаковой.

Сравнение электропроводности ударно сжатой воды с электропроводностью продуктов детонации не правомерно. Во-первых, механизм проводимости ударно сжатой воды дискуссионный. В частности он может быть перескоковым из-за близости ионов друг к другу, а значит электронным. В продуктах детонации ионы разрознены и такой механизм маловероятен. Во-вторых, ионы в ударно сжатой воде окружены ионами, в отличие от продуктов детонации, где они окружены в основном нейтральными молекулами. В результате подвижности ионов должны резко отличаться.

Гипотеза ионной проводимости испытывает трудности при объяснении устойчивости отрицательных ионов в детонационных условиях, не объясняет возникновения проводимости при детонации взрывчатых веществ, не содержащих водорода, противоречит уменьшению электропроводности с ростом воды при детонации смесей тротила с гексогеном [30], не может объяснить даже качественно увеличение электропроводности в равновесных продуктах детонации при добавлении малых долей легко ионизуемых инертных добавок. Ионная проводимость продуктов детонации неприемлема для объяснения явления, при этом гипотеза электронной проводимости может иметь место при объяснении электропроводности продуктов детонации.

Наиболее детально электронный механизм проводимости равновесных продуктов детонации рассмотрен в [31]. Считалось, что электроны проводимости возникают в результате термической ионизации, поддержанной высокими плотностями при детонационных давлениях (металлизация). Рассеяние электронов в основном происходит на нейтральных молекулах с сечением рассеяния, равном газокинетическому (10^-15 см²). Такое рассмотрение рассеяния неправомерно, оно приводит к длине свободного пробега порядка 3·10^-8 см, равной размеру молекулы или межмолекулярному расстоянию. В таких условиях теряет смысл длина свободного пробега. Кроме того, необходимые для обеспечения наблюдаемой в продуктах детонации электропроводности концентрации электронов не могут быть обеспечены термической ионизацией. И только в продуктах детонации тротила, в предположении о термоэмиссии электронов с графитовых частиц конденсированного углерода обеспечивалась необходимая концентрация электронов. Электрон в продуктах детонации – существенно квантовый объект, его взаимодействие с молекулами, а, следовательно, и рассеяние необходимо рассматривать с квантово-механических позиций.

В пользу электронного механизма проводимости говорят следующие факты: отражение электромагнитных волн от фронта детонации [32], непрозрачность для видимого света продуктов детонации исследованных взрывчатых веществ, практически независимость электропроводности от величины напряженности электрического поля [33], сравнительно низкая (10⁵-10⁶ В/см) электрическая прочность продуктов детонации [34,35], эмиссия электронов из фронта детонации [36]. Кроме того, гипотеза электронного механизма проводимости позволяет непротиворечиво объяснить поведение электропроводности и её величину в равновесных продуктах детонации.

1. 3.2 Электропроводность в равновесных продуктах детонации

Будем считать твёрдо установленным фактом существование в нормальных детонационных волнах двух зон электропроводности [9,10]: зоны высокой электропроводности, связанной с химической реакцией, и низкой - в равновесных продуктах детонации. Поскольку зона высокой электропроводности связана с существенно неравновесной областью в детонационной волне, мы остановимся на электропроводности в равновесных продуктах детонации.

Предполагая электронный механизм проводимости для объяснения экспериментальных результатов необходимо рассмотреть природу возникновения электронов, их концентрацию и длину свободного пробега. Иными словами необходимо объяснить величину в равновесных продуктах детонации порядка 0,1-1 Ом^-1см^-1 и её экспоненциальный спад в продуктах детонации тротила.

Продукты детонации являются сложным объектом для исследования, поэтому автор отдает себе отчёт, что приводимое ниже рассмотрение носит оценочный характер.

Концентрация электронов в плотных газах обычно находят с помощью изменённой формулы Саха [19,31,37]. Изменение заключается во введении эффективного потенциала ионизации I_eff. Значительное взаимодействие молекул продуктов детонации облегчает ионизацию, иными словами уменьшает потенциал ионизации.

Оценим концентрацию атомов и молекул в продуктах детонации и характерные размеры. Для оценок будем считать плотность равновесных продуктов детонации в плоскости Чепмена-Жуге равной ρ₀ = 2 г/см³. Число атомов в единице объёма будет равно