Ионизационный метод определения скорости детонации энергоемких материалов

В детонационной волне продукты взрыва, находящиеся под огромным давлением и при высокой температуре, сильно ионизированы. Электрическое сопротивление таких ионизированных продуктов мало, они являются сравнительно хорошими проводниками. Для обычных ВВ сопротивление промежутка между двумя токопроводящими проводниками, находящимися в продуктах взрыва, в момент прохождения детонационной волны составляет около 10—20 Ом /мм. Однако ВВ в исходном состоянии, как правило, сравнительно хорошие изоляторы и ток практически не проводят (сопротивление промежутка между проводниками, находящимися в ВВ, измеряется тысячами Ом/мм).

Резкое изменение электрического сопротивления в момент прохождения детонационной волны используют для определения скорости детонации. Для этого в исследуемом заряде ВВ на точно известном расстоянии друг от друга располагают два или более ионизационных датчиков (искровых промежутка), на которые подают определенное электрическое напряжение. В момент прохождения детонационной волны сопротивление ионизационного датчика меняется резким скачком, что вызывает скачок напряжения в специальной электрической схеме. Скачки напряжения на каждом ионизационном датчике регистрируют с помощью катодного осциллографа, осциллограмма позволяет определить промежуток времени между моментами замыкания датчиков.

Надо отметить, что во многих, ранних методах моменты прихода детонационной волны фиксировались по разрыву проволочек, заделанных в заряд. Однако неопределенность во времени разрушения проволочки значительно снижала точность измерения. Возникновение тока в искровом промежутке при приходе детонационной волны фиксируется значительно точнее, чем прекращение тока при разрыве проволочки.

Значительная ионизация и обусловленный ею резкий рост проводимости наблюдается не только в продуктах взрыва, но и в некоторых инертных (невзрывчатых) средах в момент прохождения фронта сильной ударной волны. Описываемый метод пригоден поэтому и для определения скоростей ударных волн.

Существует много схем, которые можно использовать.

На рисунке 1 приведен один из простейших вариантов метода.

В заряде ВВ находятся две проволоки (иглы), которые вместе с заземленным проводом 0 образуют искровые промежутки 1 и 2, находящиеся на расстоянии L друг от друга.

Электрическая схема включает конденсаторы малой емкости 3 и 4, зарядные сопротивления 5 и 6, сопротивление разряда конденсаторов 7 и источник напряжения 8.

Перед проведением опыта конденсаторы заряжаются от источника напряжения. Пусть детонация распространяется сверху вниз. При замыкании промежутка 1 конденсатор 3 начнет разряжаться через сопротивление 7 и промежуток 1, в цепи возникнет импульс тока. Через некоторое время замкнется промежуток 2, начнется разрядка конденсатора 4 и возникнет второй импульс тока.

Таким образом, с помощью подобной схемы при распространении детонации в электрической цепи получаются два или несколько последовательных импульсов тока, вызывающие соответствующие скачки напряжения, которые и фиксирует катодный осциллограф.

Сравнивая расстояние между двумя скачками напряжения с метками времени, можно с большой точностью определить интервал времени t между скачками. Скорость детонации в этом случае рассчитывается по формуле

где, L-расстояние между датчиками,

t-время прохождения детонационного процесса расстояния между датчиками

Точность измерения скорости детонации зависит от точности измерения базы и времени развертки катодного осциллографа. Применение горизонтального компаратора ИЗА-2 для измерения баз дает погрешность при измерении расстояния в несколько миллиметров между двумя иглами, не превышающую 0,1%.

При использовании осциллографа ОК-17, разработанного институтом химической физики АН СССР, у которого минимальное время развертки составляет 3 мкс, измерение скорости детонации на базе 20 мм можно провести с ошибкой, не превышающей 1%.

Еще большую точность можно получить, применяя осциллограф со спиральной разверткой, примером которого может служить осциллограф ОК-15, также разработанный в институте химической физики АН СССР. В этом осциллографе развертка луча на экране катодно-лучевой трубки идет по спирали, а скачки напряжения вследствие замыкания ионизационных промежутков детонационной волной дают отбросы луча в радиальном направлении. У осциллографа ОК-15 полный оборот луча происходит за 1 мкс, поэтому временной интервал можно зафиксировать с точностью 10^-8 с. С помощью осциллографа ОК-15 можно измерять скорость детонации на базе нескольких миллиметров с погрешностью около 1%.

Зарубежные исследователи широко используют растровую развертку луча на экране катодно-лучевой трубки, что позволяет использовать в одном опыте большое число ионизационных промежутков, поскольку полное время записи резко возрастает по сравнению с однократной разверткой.

В последние годы для измерения малых временных интервалов все более широкое применение находят электронные цифровые хронографы. Электронные цифровые устройства для измерения времени вытесняют более старые приборы повсюду, где можно отказаться от осциллографического воспроизведения измерительных сигналов, но в то же время требуется высокая относительная точность. Простоту в обращении с цифровыми хронографами (счетчиками -времени, счетчиками интервалов) едва ли можно превзойти. Они не требуют установки нуля и в нормальных условиях повторной тарировки. Данные измерений получаются непосредственно в числовом выражении и в случае надобности могут быть переданы прямо на присоединенный к прибору печатающий аппарат или персональный компьютер.

В современных образцах цифровых измерителей времени достигнута разрешающая способность в 10 нс, что вполне достаточно для измерения скоростей детонационных волн на базе нескольких миллиметров с высокой точностью.

Подводя итог вышесказанному, можно отметить, что электронные цифровые хронографы (частотомеры) являются наиболее удобными приборами для измерения скоростей детонации на зарядах с базой в несколько (20—30) миллиметров.