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

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

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.

3.  О природе электропроводности конденсированных взрывчатых веществ 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.

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 s 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

 , (5)

где μ – молекулярный вес молекул исходного взрывчатого вещества, N₀ – число Авогадро, ν – число атомов в исходной молекуле. Для всех рассмотренных взрывчатых веществ: тротила, октогена, гексогена, тэна - получаем n_a = 1,1·10²³ см^-3. Среднее расстояние между атомами a = (n_a)^-1/3 ≈ 2·10^{-8 см. Размеры атомов, входящих в молекулы взрывчатых веществ (}C, O, N, H) лежат в пределах (1-1,6)·10^{-8 см. Совпадение межатомных расстояний с характерными размерами атомов свидетельствуют о том, что энергия взаимодействия атома с атомами в молекуле имеет близкую величину, что и энергия взаимодействия атома с атомами соседних молекул. Именно это взаимодействие и облегчает ионизацию.}

Если считать молекулы равновесных продуктов детонации 3х атомными, тогда их число в единице объёма будет n_m = n_a/3 = 3,4 ·10²² см^-3. Среднее межмолекулярное расстояние a_m= (n_m)^-1/3 ≈ 3·10^{-8 см, совпадает с характерными размерами самих молекул.}

Уравнение состояния продуктов детонации для оценок возьмём в виде

 [38], (6)

где Е – внутренняя энергия единицы объёма продуктов детонации, P – давление, γ – показатель изоэнтропы. По данным [3] при ρ₀= 2 г/см³ давление в плоскости Чепмена-Жуге составляет примерно 300 кбар. Энергия W, приходящаяся на одну молекулу, будет

 , (7)

и при γ = 3 получим W ≈ 5 эВ. Поскольку тепловая энергия порядка kT = 0,3 эВ ( Т = 3,5 ·10⁵ К ) и кинетическая энергия как целого ρ₀u²/2n_m ≈ 0,5 эВ значительно меньше полной энергии молекулы W следует ожидать, что на близкую величину изменится энергия или потенциал ионизации.

Другая оценка снижения потенциала ионизации [31,37] может быть получена следующим образом. Молекула в условиях плотноупакованных продуктов детонации может считаться ионизованной, если электрон удалился от неё на a_m. Тогда снижение потенциала ионизации по абсолютной величине будет равно работе сил электрического поля при переносе электрона от a_m на бесконечность. Эта работа будет ΔI = e²/a_m = 5 эВ. По крайней мере, полученная величина снижения потенциала ионизации свидетельствует о решающей роли плотности продуктов детонации во влиянии на ионизацию, а, следовательно, и на концентрацию электронов (металлизация). Учёт диэлектрической постоянной ε порядка двойки уменьшает ΔI. Для оценок концентрации электронов будем считать ΔI = 5 эВ.

Потенциал ионизации свободных молекул, из которых состоят продукты детонации, I = (12-15) эВ. Эффективный потенциал ионизации будет I_eff = (7-10) эВ. Для указанного I_eff формула Саха

 (8)

даёт концентрацию электронов n, лежащую в пределах 10¹⁷ см^-3 ³ n ³ 10¹⁴ см^-3. Эти значения концентрации для равновесных продуктов детонации взрывчатых веществ типа октогена, гексогена, тэна. В продуктах детонации тротила концентрации будут несколько другими.

Тротил отличается от рассмотренных веществ повышенным содержанием свободного, химически не связанного углерода, конденсирующегося в углеродные частицы, в том числе и в частицы ультрадисперсного алмаза. Мы считаем, что конденсация углерода происходит не «мгновенно» [22] в зоне химической реакции, а продолжается в невозмущённых продуктах детонации и при разлёте. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов по малоугловому рентгеновскому рассеянию в детонационной волне в тротиле [39,40] и по нашим представлениям о поведении электропроводности в детонационной волне.

Каждая молекула тротила имеет 7 атомов углерода. В продуктах детонации их концентрациябудет n_С = 7ρ₀N₀/μ. Согласно [41] конденсированный углерод составляет практически 20% от веса заряда, что соответствует концентрации химически не связанных свободных атомов углерода ≈ 2·10²² см^-3.

Изолированный атом углерода имеет потенциал ионизации I = 11,25 эВ. Эффективный потенциал ионизации будем считать I_eff = (6–7) эВ. Формула Саха дает оценку плотности электронов в продуктах детонации тротила 10¹⁷ см^-3 ³ n ³ 10¹⁶ см^-3.

Для оценок температуру в плоскости Чепмена – Жуге будем считать

Т = 3,5·10³ К. При максимальной плотности электронов n = 10¹⁷ см^-3 температура их вырождения [19] T* = 4,35·10¹¹·n^2/3 = 10 К << T. Электронный газ не вырожден и подчиняется статистике Больцмана. Тепловая скорость электронов v = 4·10⁷ см/с. Этой скорости соответствует длина волны электрона λ = h/p = 2 ·10^{-7 см (} h – постоянная Планка, p = mv – импульс электрона ). Длина волны электрона на порядок превосходит размер частиц и межчастичные расстояния. В силу этого взаимодействие электронов с молекулами продуктов детонации будет носить существенно квантовый характер. Рассмотрение [31] упругого рассеяния электронов на молекулах с сечением равным газокинетическому ≈ 10^-15 см² неправомерно.

Введём длину свободного пробега l электронов. Согласно [41] по своему физическому смыслу длина волны электрона не может быть больше или порядка длины свободного пробега. Для свободных электронов l >> λ = 2·10^{-7 см. Мы получили оценку длины свободного пробега снизу. Кроме того, соотношение} l >> λ позволяет считать движение электрона квазиклассическим.

Оценку длины свободного пробега сверху можно получить из экспериментальных результатов по электрическому пробою равновесных продуктов детонации. Согласно [34,35] можно считать электрическую прочность равновесных продуктов детонации Е ≈ 10⁶ В/см. Тогда с учётом снижения потенциала ионизации для длины свободного пробега электрона l_i по отношению к ионизации получим оценку l_i = I_eff/eE 10^{-5 см.}

В обычных случаях l_i³l . Таким образом в равновесных продуктах детонации 10^{-5 см} ³ l >> 2·10^{-7 см.}

Если, равновесные продукты детонации считать подчиняющимися закономерностям твёрдого тела, то рассеивающими образованиями могут быть фононы с длинами волн λ_f ³2λ. В этом случае сечение рассеяния будет pl_f²/4. Усреднённое по Дебаевскому спектру оно приводит к длине свободного пробега электрона l = 4n_aλ⁴/π³≈ 2·10^{-5 см. Мы для оценок будем пользоваться значением} l в пределах 10^{-5 см} ³ l >> 2·10^{-7 см.}

При максимально возможной плотности электронов n = 10¹⁷ см^-3 расстояние между заряженными частицами a_е = (n)^-1/3 ≈ 2·10^{-6 см. Поскольку} a_e >> λ, электроны можно считать независимыми. Энергия взаимодействия зарядов друг с другом W = e²/a_e ≈ 7·10^-2 эВ < kT = 0,3 эВ. Электронный газ будем считать идеальным. Дебаевский радиус экранирования » 10^{-6 см} £ a_e и заряды не экранированы. Время столкновения с нейтральными молекулами τ_a ~ a/v ≈ 10^-15 с, с ионами τ_i≈ e²/vkT ≈ 10^-14 с. Среднее время свободного пробега τ = l/v>>l/v ≈ 10^-14 с. Таким образом τ >> (τ_a ,τ_i). В условиях независимых электронов и редких столкновений для электропроводности σ верна формула Друде – Зомерфельда . Из этой формулы следует, что для обеспечения измеренной в равновесных продуктах детонации электропроводности σ = (0,1-1) Ом^-1∙см^-1 при l » 10^{-5 см необходима концентрация электронов 1017} см^-3 ³ n ³ 10¹⁵ см^-3. Иными словами, равновесная электропроводность продуктов детонации октогена, гексогена и тэна может быть электронной. Электроны возникают в результате термической ионизации, облегчённой высокими детонационными плотностями.

Формула Друде-Зоммерфельда вместе с полученным ранее выражением для длины свободного пробега электрона при рассеянии на фононах удовлетворительно объясняет поведение электропроводности продуктов детонации октогена, гексогена и тэна в волне разгрузки. На начальном этапе разгрузки, из-за основной составляющей упругой части внутренней энергии продуктов детонации, происходит значительное падение концентрации электронов и атомов, что приводит к убыли электропроводности. Температура продуктов детонации изменяется в начале незначительно. Формула Друде-Зоммерфельда объясняет увеличение электропроводности продуктов детонации в пересжатых детонационных волнах.

В тротиле при 10¹⁷ см^-3 ³ n ³ 10¹⁶ см^-3 и l £ 10^{-5 см электропроводность σ} £ (0,1-10) Ом^-1∙см^-1. Полученные значения электропроводности также позволяют считать, что и в тротиле необходимые концентрации электронов могут возникать в результате термической ионизации в основном свободного углерода.

Конденсация свободного углерода в продуктах детонации тротила может приводить к изменению механизма проводимости. При достижении размера частиц конденсированного углерода d £ λ = 2·10^{-7 см они будут являться центрами рассеяния и поглощения электронов. Поскольку} d ≈ λ, будем считать вероятность поглощения малой.

Исследования синтеза ультрадисперсных алмазов [41], образующихся в детонационной волне в тротиле и его сплавах с гексогеном, показали, что их средний размер практически не зависит от условий проведения экспериментов и составляет d ³ (4-5)·10^{-7 см. Если считать, что и другие частицы конденсированного углерода имеют такой же размер, то для плотности} n_кчастиц конденсированного углерода получим n_k ≈ (10¹⁹ – 10¹⁸) см^-3. Алмазы получены после обработки сохранённых продуктов детонации в кислотах, следовательно, следует считать спектр частиц по размерам более широким, а концентрацию частиц n_k > (10¹⁹ – 10¹⁸) см^-3.

При размере конденсированных частиц углерода d > λ ≈ 2 ·10^-7 «квантовый» для молекул электрон становится «классическим» для частиц конденсированного углерода. Длина свободного пробега l электрона будет определяться рассеянием на конденсированных частицах, их сечением и плотностью l_k = 4/(n_kπd²), откуда для электропроводности σ получим выражение . Из этого выражения при n_k = 10¹⁸ см^-3, n = 10¹⁷ см^-3, d = 5·10^-7 и σ ≈ 0,3 Ом^-1см^-1. Таким образом, вглубь продуктов детонции тротила электропроводность убывает. Основными причинами, приводящими к убыли σ, являются рост концентрации частиц конденсированной фазы, увеличение их размера, уменьшение концентрации электронов. Одной из причин уменьшения плотности электронов является поглощение их углеродными частицами.

Поглотившая электрон частица создаёт вокруг себя электрическое поле ~ 4e/d². Дебаевский радиус экранирования r » 10^{-6 см оказывается того же порядка, что и расстояние между конденсированными частицами (}n_k)^-1/3 ≈ 10^{-6 см. Частицы конденсированного углерода, поглотившие электрон, не экранированы. Возникает ионный ток на конденсированную частицу. Характерное время нейтрализации частицы будет τ}_n = 1/(4πσ_i), где σ_i– ионная (С⁺) электропроводность. Считая, что ионы рассеиваются на нейтральных молекулах с газокинетическим сечением ≈ 10^-15 см², а их плотность n_i = n, получим оценку для времени нейтрализации τ_n ≈ (10^-9 - 10^-8)с, что значительно меньше характерных детонационных времён и позволяет считать частицы конденсированной фазы в любой момент времени нейтральными.

Рассмотрим убыль электронов только за счёт поглощения. За время Δt в единице объёма происходит (nvΔt)/l_k столкновений электронов с частицами конденсированного углерода. При вероятности поглощения ß убыль электронов будет определяться соотношением Δn = - (ßnvΔt) /l_k. В системе отсчёта, связанной с фронтом детонационной волны, оно примет вид

Δn/Δх = - (ßnv)/(ul_k), где u – скорость продуктов детонации, а х – координата. Плотность электронов убывает по экспоненциальному закону на характерном расстоянии х₀ = (ul_k) /(ßv).

Если предложенная модель верна, то она позволяет оценить вероятность поглощения электронов конденсированными частицами

ß = (ul_k)/(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 N_ат - количество атомов в молекуле вещества, N_H– 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. Тогда mv ≈ 10^-18 см·г·с, а значение электропроводности σ ≈ (N_H/ N_ат)·10 ³ Ом^-1∙см^-1. Коэффициент (N_H/ N_ат) в расчете электропроводности дает характеристику молекулы.Для октогена (N_H/ N_ат) = 8/28 судя по структуре C₄H₈O₈N₈ , для гексогена C₃H₆O₆N₆ кооффициент (N_H/ N_ат) = 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.

3.4 Вспомогательные исследования проводимости стеариновой кислоты

На рис.26 приведена осциллограмма эксперимента по измерению проводимости стеариновой кислоты. Стеариновая кислота – органическое соединение C₁₈H₃₆O_2, 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:

q  Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна при нормальной детонации с высоким временным разрешением;

q  Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпного тротила и литого тротила при нормальной детонации с высоким временным разрешением;

q  Получено распределение электропроводности невозмущённых продуктов детонации насыпных октогена, гексогена, тэна и тротила при пересжатой детонации с высоким временным разрешением;

q  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;

q Предложен механизм электронной проводимости в равновесной зоне продуктов детонации;

q Предложен механизм протонной проводимости в неравновесной зоне продуктов детонации;

q Проведены постановочные эксперименты по исследованию проводимости органических веществ, необладающих детонационными свойствами, при ударно волновом нагружении, свидетельствующие в пользу протонного механизма электропроводности;

q 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.

11.  Зубков П.И., Тен К.А., Свих В.Г. Распределение электропроводности за детонационным фронтом в насыпном октогене. Тезисы XV Международной конференции "Уравнения состояния вещества". Терскол, 2000 г. Стр. 111 - 113.

12.  Зубков П. И., Свих В. Г., Тен К. А. Электропроводность за фронтом детонации в насыпном октогене. Пятая Международная конференция «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике». Тезисы докладов. 2000, Новосибирск, Россия. С. 164.

13.  Зубков П. И., Карташов А. М., Свих В. Г., Тен К. А. Влияние краевых и ударно волновых эффектов на измерение проводимости продуктов детонации конденсированных ВВ. Международная конференция III Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. Сборник тезисов докладов. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001. Стр. 29-31.

14.  Зубков П. И., Лукьянчиков Л. А., Тен К. А., Карташов А. М., Свих В. Г. О некоторых систематических ошибках при измерении проводимости продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Тезисы XVI Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество». Эльбрус, 2001. Стр. 41-42.

15.  П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, К.А. Тен. Электропроводность продуктов, измеренная вдоль распространения детонации. Международная конференция VI Забабахинские научные чтения. 24-28 сентября 2001 г. Тезисы. Снежинск, Челябинской обл. Россия. Стр.72.

16.  П.И. Зубков, П.И. Иванов, Л.А. Лукьянчиков, В.Г. Свих, К.А. Тен. Электропроводность октогена за фронтом пересжатой детонационной волны. Международная конференция VI Забабахинские научные чтения. 24-28 сентября 2001 г. Тезисы. Снежинск, Челябинской обл. Россия. Стр. 45.

17.  П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, В. Г. Свих, К.А. Тен. Измерение проводимости в пересжатой детонации. Тезисы XVII Международной конференции «Уравнения состояния вещества». 1- 6 марта 2002 г. Эльбрус, Кабардино-Балкария, Россия. Стр.65-66.

18.  П.И. Зубков, П.И. Иванов, А.М. Карташов, Л.А. Лукьянчиков, В. Г. Свих, К.А. Тен. Измерение проводимости в пересжатой детонации. Физика экстремальных состояний вещества – 2002. Эльбрус, 2002. Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, 2002 г. Россия. Стр. 93 - 94.

19.  Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных явлений. «Наука» Москва, 1966.

20.  Ершов А.П. Диссертация на соискание степени к.ф.-м.н. Исследование электропроводности за фронтом детонации конденсированных взрывчатых веществ. Новосибирск, 1977.

21.  П. И. Зубков, Б. Д. Янковский. К электронному механизму проводимости продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ. Тезисы XV Международной конференции "Уравнения состояния вещества". Терскол, 2000 г. Стр. 109-111.

22.  Лямкин А.И., Петров Е.А., Ершов А.П. и др. // Докл. АН СССР. 1988. Т. 302, №3. С. 611 - 613.

23.  Анчаров А.И., Зубков П.И., Иванов П.И. и др. Получение наночастиц серебра и исследование динамики их развития при ударно-волновом нагружении стеарата серебра. // Вещества, материалы и конструкции при интенсивных динамических воздействиях: Труды международной конференции V Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 17-21 марта 2003 г. Под редакцией А.Л. Михайлова. Саров. ВНИИЭФ. 2003 г. С. 141-144.

24.  Титов В.М., Анисичкин В.Ф., Мальков И.Ю. Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах // ФГВ. 1989.
Т. 35, №3. С.117.

25.  Антипенко А.Г., Якушев В.В. Природа электропроводности продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ // В сб. Детонация: Материалы 5 Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Одесса, 1977. ОИХФ АН СССР, Черноголовка, 1977. С. 93-96.

26.  Якушев В.В. Электрические измерения в динамическом эксперименте // ФГВ. 1978. Т. 14, №2. С. 3-19.

27.  Mallory H.D., Plauson R.A. Liquid explosives with transparent detonation products // Nature. 1963. 199, P. 58-59.

28.  Зубков П.И. Электрические сигналы на медно-магниевой паре электродов в ударно сжатых газах // ЖТФ, 1897. Т. 57, №9. С. 1866-1867.

29.  Haman S.D., Linton M. Electrical conductivitiesof aqueous solutions of KCl, KOH and HCl, and the ionization of water at high shock pressures // Trans. Farad. Soc., 1969. 65, p. 2186-2196.

30.  Ставер А.М., Ершов А.П., Лямкин А.И. Исследование детонационных превращения конденсированных ВВ методом электропроводности // ФГВ. 1984. Т. 20, №3. С. 79-83.

31.  Ершов А.П. Ионизация при детонации конденсированных ВВ // ФГВ. 1975. Т. 11, №6. С. 864-873.

32.  Елькинд А.И., Гусар Ф.Н. Измерение на СВЧ электропроводности за фронтом детонационной волны в тротиле // ФГВ. 1986. Т. 22, №5. С. 144-149.

33.  Ершов А.П., Зубков П.И., Лукьянчиков Л.А. Электрофизические свойства детонационной плазмы и быстродействующие взрывные размыкатели тока // ПМТФ. 1977. №6. С. 19-23.

34.  Корольков В.Л., Мельников Л.А., Цыпленко А.П. Электрический пробой продуктов детонации // ЖТФ. 1974. Т. 44, №12. С.2537-2538.

35.  Зубков П.И., Лукъянчиков Л.А., Рябинин Ю.В. Электрическая прочность разлетающихся продуктов детонации // ПМТФ. 1976. №1. С. 134-138.

36.  Матыцин А.И., Ставер А.М., Лямкин А.И. Эмиссия электронов при действии ударных волн на пористое вещество // III Всес. симпозиум по импульсным давлениям: Тез. докл. М., 1979. С.81-82.

37.  Тиман Б.Л. Влияние взаимодействия частиц на ионизационное равновесие в термически ионизованном газе // ЖЭТФ. 1953. Т. 25, №6(12). С.733.

38.  Физика взрыва. Под ред. К.П. Станюкевича. М.: Наука, 1975.

39.  O.V. Evdokov, M.G. Fedotov, G.N. Kulipanov. et al. Dynamics of the formation of the condensed phase particles at detonation of high explosives // Proceedings of the 13th National Synchrotron Radiation Conference. Novosibirsk, Russia, July 17 – 21, 2000. Nuclear instruments & methods in physics research. 2001. V.470, Nos.1 – 2, P.236 – 239.

40.  Алешаев А.Н., Зубков П.И., Кулипанов Г.Н., Применение синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов // ФГВ. 2001. Т. 37, №5. С. 104.

41.  I.Yu. Mal’kov and V.M. Titov. Structure and properties of detonation soot particles. 1996, page 783.

Приложение   Перечень рисунков и таблиц

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Рис.8

Рис.9

Рис.10

Рис.11

Рис.12

Рис.13

Рис.14

Рис.15

Рис.16

Рис.17

Рис.18

Рис.19

Рис.20

Рис.21

Рис.22

Рис.23

Рис.24

Рис.25

Рис.26

Рис.27

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Схема электроконтактного метода измерения электропроводности продуктов взрыва.

Рис.1

Типичная осциллограмма, получаемая при использовании

контактного метода.

Рис.2

Блок-схема измерительной линии:

1 – сигнал на запуск осциллографа

2 – сигнал на запуск генератора импульсов для подрыва детонатора

3 – сигнал на запуск генератора тока

4 – инициирующий сигнал на подрыв детонатора

5 – подача постоянного тока на измерительный контур

6 – сигнал напряжения на измерительных электродах

7 – загрузка результатов на персональный компьютер

Рис.3

Геометрия итоговой измерительной ячейки.

Рис.4

 

Регистрация положения электродов методом рентгенографии при детонации заряда в различные моменты времени (стрелка указывает на фронт детонации)

Рис.5

5

4

3

2

1

Разлет продуктов детонации:

1 – продукты детонации, затронутые волной разгрузки

2 – продукты детонации, незатронутые волной разгрузки

3 – измерительные электроды и характерное растекание тока

4 – невозмущенное взрывчатое вещество

5 – ударная волна в воздухе

Рис.6

а) вариация длины измерительного контура измерительной ячейки в опытах по измерению индуктивности контура.

б) зависимость индуктивности измерительной ячейки от длины контура, экстраполированная прямой линией.

Рис.7

Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при нормальной детонации.

Рис.8

Распределение электропроводности в насыпном октогене при нормальной детонации.

Рис.9

Осциллограмма эксперимента с насыпным гексогеном при нормальной детонации.

Рис.10

Распределение электропроводности в насыпном гексогене при нормальной детонации.

Рис.11

Осциллограмма эксперимента с насыпным тэном при нормальной детонации.

Рис.12

Распределение электропроводности в насыпном тэне при нормальной детонации.

Рис.13

Осциллограмма эксперимента с насыпным тротилом при нормальной детонации.

Рис.14

Распределение электропроводности в насыпном тротиле при нормальной детонации.

Рис.15

Осциллограмма эксперимента с литым тротилом при нормальной детонации.

Рис.16

Распределение электропроводности в литом тротиле при нормальной детонации.

Рис.17

Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при пересжатой детонации.

Рис.18

Распределение электропроводности в насыпном октогене при пересжатой детонации.

Рис.19

Осциллограмма эксперимента с насыпным гексогеном при пересжатой детонации.

Рис.20

Распределение электропроводности в насыпном гексогене при пересжатой детонации.

Рис.21

Осциллограмма эксперимента с насыпным тэном при пересжатой детонации.

Рис.22

Распределение электропроводности в насыпном тэне при пересжатой детонации.

Рис.23

Осциллограмма эксперимента с насыпным тротилом при пересжатой детонации.

Рис.24

Распределение электропроводности в насыпном тротиле при пересжатой детонации.

Рис.25

Осциллограмма эксперимента с насыпной стеариновой кислотой.

Рис.26

Осциллограмма эксперимента с насыпным октогеном при нормальной детонации с появлением и исчезновением электропроводности.

Рис.27

Таблица 1

взрывчатое вещество	плотность, ρ, г/см3	Δρ/ρ, %	скорость детонации, D , км/сек	ΔD/D, %
Октоген	1.29	7	6.9	2
Гексоген	1.12	7	6.37	2
Тэн	1.05	7	5.7	4
Литой тротил	1.629	7	6.85	2
Гексопласт	1.42	7	7,6	1

Таблица 2

взрывчатое вещество при нормальной детнации	максимальное значение электро-проводности, σ, Ом-1см –1	среднее значение равновесной электро-проводности, σ, Ом-1см –1	ширина зоны высокой проводимости, l1 , мм	ширина особенности проводимости, l2 , мм
Октоген	6	0.5	0.6	0.2
Гексоген	1,5	0.1	0.7	0.4
Тэн	0.9	0.1	0.7	0.4
Литой тротил	70	5	0.6	0.2
Насыпной тротил	4	0.5	0.6	0.3

Таблица 3

взрывчатое вещество при пересжатой детонации	максимальное значение электро-проводности, σ, Ом-1см –1	среднее значение равновесной электро-проводности, σ, Ом-1см –1	ширина зоны высокой проводимости, l1 , мм	ширина особенности проводимости, l1 , мм
Октоген	20	1	0.5	0.3
Гексоген	27	1	0.5	0.3
Тэн	35	4	1	0.3
Насыпной тротил	55	4	2	0.3