Экспериментальные методы исследования ударно-волновых и детонационных процессов Лекция

Экспериментальные методы исследования ударно-волновых и детонационных процессов Лекция 2 1

План лекции Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул. Люминесцентные методы исследования ударных волн в газах и твердых телах. Электрические методы исследования ударноволновых и детонационных процессов. Пьезорезестивные, пьезоэлектрические и емкостные диэлектрические преобразователи для измерения динамического давления. Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости. 2

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул По областям электромагнитного излучения спектроскопия разделяется на следующие основные виды: • резонансная -спектроскопия, длины волн 10 -10… 10 -11 м; • рентгеновская спектроскопия, длины волн 10 -8… 10 -10 м; • оптическая спектроскопия, длины волн 10 -3… 10 -8 м; • радиоспектроскопия, (в нее включается микроволновая спектроскопия, спектроскопия парамагнитного резонанса и спектроскопия ядерного магнитного резонанса), длины волн 10 -4… 10 -2 м. 3

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Распределение интенсивностей в полосах поглощения и люминесценции можно описать следующими выражениями: где ЕKOL, – колебательные подуровни нижнего и верхнего электронного состояния, – вероятность перехода с испусканием кванта, – вероятности перехода с поглощением кванта света, N – концентрация молекул сложных органических веществ, , – распределение молекул по колебательным уровням. 4

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Форма линии фотохимического прожигания в спектре поглощения А ( ) на частоте L может быть описана следующим образом: где С – константа, g( ) – функция, описывающая форму линии поглощения индивидуальных молекул, N( ) – распределения молекул, подвергнутых фотовыжиганию. Зависимость g( ) от давления незначительна. Асимметричное уширение от давления равно Относительное уширение спектра выжигания АГ/Г будет определяться как где Г – уширение, р – изменение давления, а – находится в интервале 1, 5… 2, 5 (в зависимости от природы молекул органических веществ). 5

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Рисунок 1 – Зависимость ширины «спектра выжигания» фталационина в полиэтилене от давления 6

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Рисунок 2 – Зависимость положения максимума поглощения изомеров кристаллического фиолетового в зависимости от давления 7

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Степень изомеризации раствора К где XA и ХB – мольные доли А и Б изомеров. Связь между этими величинами определяется следующим уравнением: где R – газовая постоянная. 8

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Рисунок 3 – Нормированное значение константы равновесия в зависимости от давления для изомеров КФ в PMMA (1) и PC (2). 9

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Таблица 1 Константы тушения KT для систем пирен-иодистый этил и пиренчетырехбромистый углерод и диффузионные константы KDIF для различных давлений Тушитель Иодистый этил Давление, Мпа 49 98 147 196 245 294 343 8, 8 KDIF/107 м-1 с-1 0, 1 9, 5 10, 2 10, 9 11, 6 12, 3 12, 9 13, 6 905 684 558 448 356 297 1930 1230 Константа тушения по диффузионному механизму где – динамическая вязкость. 10

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Для анализа давления в конденсированной среде используют константу равновесия между мономерами и эксиплексами К, которая зависит от величины изменения объема V (а значит и давления): здесь n – различие между числом молекул, участвующих в реакции, и продукта (в случае эксиплекса n=1). 11

Методы молекулярной спектроскопии в исследовании взрывных процессов. Влияние ударных волн на спектральные характеристики примесных молекул Рисунок 4 – Зависимость константы равновесия образования эксиплексов пирена и этилйодида от давления К = -6, 5 ± 0, З см 3/(м моль) 12

Люминесцентные методы исследования ударных волн в газах и твердых телах Размеры атома намного меньше длины волны излучения, пространственное разрешение (RПР) определяется дифракционными потерями, т. е. RПР ~ 0, 5 (где – длина волны излучения). Распределение в спектре спонтанного излучения за счет процессов экситонного рассеяния для полупроводников определяется из следующего соотношения где p(E)d. E – число мод фотона в кристалле в интервале энергий от Е до Е+d. E, когда р(Е) Е 2; ЕX – энергия IS эксистона при К=0, Еb – энергия связи эксистонов, ЕX=ЕK–Еb, ТX – температура эксистона, а и поляризуемость эксистона и диэлектрическая 13 постоянная среды, соответственно.

Люминесцентные методы исследования ударных волн в газах и твердых телах Доплеровское уширение спектра фотолюминесценции при температуре ТX за счет теплового движения излучающих экситонов будет определяться следующей формулой: где – положение максимума спектра фотолюминесценции полупроводника, МX – масса экситона. 14

Люминесцентные методы исследования ударных волн в газах и твердых телах Рисунок 5 – Спектры фотолюминесценции Ga. Se при атмосферном давлении (1) и 17 кбар (2). Рисунок 6 – Зависимость уширения спектра фотолюминесценции Ga. Se от давления. 15

Люминесцентные методы исследования ударных волн в газах и твердых телах При воздействии давления Р 0 на кристаллиты с координатой r 0 давление Р на поверхности кристаллита с координатой r равно где d – размер кристаллита. 16

Электрические методы исследования ударноволновых и детонационных процессов Ударно-волновые и детонационные процессы характеризуются механическими и термодинамическими параметрами: u, D, р, , Т. Для измерения этих параметров необходимы измерительные преобразователи – устройства, преобразующие изменение перечисленных выше неэлектрических величин в электрический сигнал. Емкостные преобразователи превращают изменение измеряемой величины, как правило, смещение проводящей поверхности в изменение электрической емкости. Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют приложенное к пьезоэлементу давление в электрический заряд, а пьезорезистивные преобразователи изменяют электрическое сопротивление под действием приложенного давления. В магнитоэлектрических преобразователях при перемещении чувствительного элемента в магнитном поле генерируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения. 17

Электрические методы исследования ударноволновых и детонационных процессов Для измерения временных интервалов в ударно-волновом эксперименте используют различные электроконтактные, ионизационные и другие типы датчиков, срабатывающих в момент прихода ударной или детонационной волны. Как правило, эти датчики работают в дискретном режиме. Свойства измерительных преобразователей определяются их статическими и динамическими характеристиками. К статическим характеристикам относятся точность, разрешающая способность, линейность, чувствительность, гистерезис, повторяемость характеристик преобразователя. Динамические характеристики определяют свойства преобразователя, работающего в условиях быстрого изменения измеряемой величины. 18

Пьезорезестивные, пьезоэлектрические и емкостные диэлектрические преобразователи для измерения динамического давления В конденсированных инертных и реагирующих средах давление измеряют пьезорезистивными измерительными преобразователями на основе манганина – манганиновыми датчиками давления. Конструктивно датчик представляет собой пьезорезистор сопротивлением 5… 50 Ом, изготавливаемый фототравлением из фольги толщиной 10… 30 мкм (реже из расплющенной манганиновой проволоки). Фольговые манганиновые датчики размещаются внутри исследуемой среды, например, заряда ВВ. Основное расчетное соотношение между измеряемым электрическим напряжением U(t) и давлением p(t) на контактной поверхности имеет вид где k. П – пьезомодуль, SD – площадь датчика, h. D – толщина датчика, cl – продольная скорость звука в пьезоматериале, RH – сопротивление нагрузки. 19

Пьезорезестивные, пьезоэлектрические и емкостные диэлектрические преобразователи для измерения динамического давления Давление в ударных и детонационных волнах в газах измеряют с помощью пьезоэлектрических датчиков давления, работающих, как правило, в квазистатических условиях. Толщина измерительного преобразователя h. D выбирается небольшой, чтобы период собственных колебаний датчика ТD = 2 h. D / cl был много меньше характерного времени ударно-волнового процесса, например, длительности положительной фазы сжатия. Измеряемой величиной является электрический заряд q. D, возникающий на обкладках датчика при его нагружении ударной волной, пропорциональный приложенному давлению q. D = k. ПSDp. 20

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Рисунок 7 – Схема магнитоэлектрического метода измерения массовой скорости в продуктах детонации: 1 – генератор плоской детонационной волны, 2 – нагружающий заряд ВВ, 3 – датчик скорости (измерительный преобразователь), 4 – исследуемый заряд ВВ, 5 – коаксиальный кабель. 21

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Если проводник длиной l. D движется со скоростью u(t) перпендикулярно линиям постоянного магнитного поля с индукцией В, то индуцируемая ЭДС будет равна Для получения сигнала амплитудой 0, 1… 1 В при l. D = 10 мм в диапазоне скоростей 100… 5000 м/с необходимо магнитное поле с индукцией ~0, 1 Тл. Создание магнитного поля возможно путем использования электромагнитов, через обмотки которых пропускают или постоянный стабилизированный ток, или импульсный. При работе с алюминиевым датчиком толщиной 50 мкм удовлетворительные результаты получаются при сопротивлении среды не ниже 0, 1 Ом/см. 22

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Рисунок 8 – Конструкции измерительных преобразователей – датчиков скорости. 23

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Рисунок 9 – Многоэлементный плоский пакет датчиков массовой скорости с отметчиком положения фронта ударной волны (а); схема размещения датчиков (б). 1 – верхняя часть исследуемого образца; 2 – датчики; 3 – нижняя часть образца; 4 – измерительная сборка. 24

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Рисунок 10 – Регистрация поля массовых скоростей при осесимметричном движении сплошной среды. ЭДС, возникающая на концах датчика: где r(t) – радиальное смещение рамки в процессе регистрации. 25

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Исходя из геометрии движения среды, можно получить следующее выражение для ЭДС: Если r<

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Для плоского одномерного движения уравнение движения в лагранжевых координатах имеет следующий вид где h – пространственная лагранжева координата частицы сплошной среды, равная ее начальной координате. 27

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Интегрирование уравнения движения от h 0 до h дает Так как h и t – независимые переменные и пределы интегрирования фиксированы, то операцию дифференцирования можно вынести за знак интеграла: Существенной особенностью данного уравнения является то, что величина и dh, представляющая полный импульс движущейся среды, заключенной в области (h 0, h 1), может быть измерена экспериментально. 28

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Рисунок 11 – Магнитоэлектрический измерительный преобразователь для измерения давления за фронтом ударной волны. d 2 S = dxdy 29

Магнитоэлектрический метод измерения массовой скорости Так как рассматриваемый элемент преобразователя движется только в направлении движения фронта ударной волны с местной скоростью u, то dx = udt, dy = l {h 1–h 0)-1 dh, Для разности давлений в сечениях h 0 и h 1 имеем следующее выражение: 30

Литература Кобылкин И. Ф. , Селиванов В. В. , Соловьев В. В. , Сысоев Н. Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2004. 31