Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Свойства объектов 11
1.1. Зонная структура 11
1.2. Основные закономерности и существующие модели импульсного инициирования ATM 17
1.2.1. Экспериментальные исследования свечения, сопровождающего взрывное разложение ATM 24
1.2.2. Исследования проводимости, сопровождающей взрывное разложение AgN3 29
1.2.3. Исследование предвзрывного свечения азида серебра 32
1.2.4. Спектры свечения кристаллов ATM 34
1.2.5. Основная экзотермическая реакция разложения ATM 38
1.3. Постановка задачи 43
ГЛАВА 2. Экспериментальная методика 45
2.1. Объекты исследований 45
2.2. Источник возбуждения 47
2.3. Система регистрации электрических сигналов 50
2.4. Установка для измерения кинетики взрывных проводимости и люминесценции 54
2.5. Установка для синхронного измерения кинетики взрывного свечения и поглощения 59
2.6. Установка для исследования кинетики свечения с использованием фотохронографа 61
2.7. Установка для топографических исследований кинетики люминесценции 63
2.7.1. Стрик-камера "Взгляд-2А" 63
2.7.2. Схема установки 65
2.7.3. Калибровка 67
2.8. Экспериментальные ячейки 69
2.9. Основные результаты главы 74
ГЛАВА 3. Интегральная кинетика предвзрывных процессов в азиде серебра 75
3.1. Кинетика предвзрывных процессов при средних уровнях инициирования 75
3.1.1. Качественный вид кинетических зависимостей взрывных проводимости и люминесценции 76
3.1.2. Совпадающие кинетические характеристики предвзрывных процессов на стадии развившегося процесса 80
3.1.3. Отличия кинетики для разных предвзрывных явлений и стадий взрывного процесса 89
3.2. Кинетика предвзрывных процессов при высоких уровнях возбуждения 97
3.2.1. Кинетика предвзрывной проводимости при высоких уровнях возбуждения 98
3.2.2. Кинетика предвзрывной люминесценции при высоких плотностях возбуждения 105
3.3. Кинетика предвзрывных процессов при низких уровнях возбуждения 114
3.4. Обсуждение результатов 116
3.5. Основные результаты главы 119
ГЛАВА 4. Топография предвзрывной люминесценции 121
4.1. Топография взрывной люминесценции при предпороговых уровнях возбуждения 122
4.2. Топография взрывной люминесценции при надпороговых уровнях инициирования 128
4.3. Обсуждение результатов 137
4.4. Основные результаты главы 142
Заключение 144
Литература 146
- Экспериментальные исследования свечения, сопровождающего взрывное разложение ATM
- Система регистрации электрических сигналов
- Качественный вид кинетических зависимостей взрывных проводимости и люминесценции
- Кинетика предвзрывных процессов при низких уровнях возбуждения
Введение к работе
История изучения взрывного разложения азидов тяжелых металлов (ATM) продолжается уже около полувека [1, 2]. При обычной постановке экспериментальных исследований регистрируется некий набор параметров инициирующего импульса (энергия, мощность, спектральный состав в случае светового импульса и т.д.) и факт или, в лучшем случае, "момент" взрыва. Результаты такого рода экспериментов позволяют получить два вида зависимостей: зависимость вероятности взрыва от энергии или мощности инициирующего импульса и зависимость длительности индукционного периода от тех же параметров [3,4].
Понятно, что при такой постановке эксперимента из поля зрения исследователей выпадает главное: процессы, обуславливающие взрывное разложение. Для экспериментального изучения этих процессов необходимо регистрировать именно то, что не регистрируется в экспериментах такого сорта: изменение характеристик образца или некие соответствующие этому изменению явления в течение индукционного периода и на стадии быстрого разложения, предшествующего механическому разрушению (в реальном масштабе времени!).
Отсутствие таких данных определило единственную возможную в этих условиях стратегию: построение спекулятивных (умозрительных) моделей элементарного акта и кинетики взрывного разложения [5, 6].
Такая ситуация в той или иной степени, является обычным этапом исследований в различных областях физики и химии. Особенностью же ситуации в азидах тяжелых металлов, как нам представляется, является то, что этот этап слишком затянулся.
Переломным моментом, в этом плане, явилась пионерская работа СМ. Рябыха и B.C. Долганова [7], впервые применивших методический подход импульсного радиолиза для прямого экспериментального исследо- вания (в реальном масштабе времени!) быстрой стадии взрывного разложения ATM.
Исследования, выполненные за последние годы в лаборатории физики и химии быстропротекающих процессов КемГУ, подтвердили перспективность этого методического подхода. Были обнаружены новые явления: предврывные проводимость [8] и люминесценция [9], измерены спектры последней [10], предложена оригинальная модель взрывного разложения, непротиворечиво объясняющая полученные для стадии развившегося взрывного процесса результаты [11].
Однако, методические подходы для прямого экспериментального исследования процессов, происходящих во время индукционного периода, в перечисленных работах не были даже намечены. Анализируя такое положение с позиций основных представлений физики и химии твердого тела, необходимо признать, что это является серьезным пробелом в исследованиях, изложенных в [8 - 21]. Именно изучение процессов, происходящих на ранних стадиях, является, по-видимому, определяющим для поиска возможностей управления взрывным разложением ATM.
Кроме того, имеются серьезные основания (например, данные работы [22]) считать, что развитие взрыва в ATM может иметь гетерогенный характер. Если такая природа процесса действительно существует, то она неизбежно накладывает ряд ограничений на область применимости модели [11] к описанию реальной картины взрывного разложения изучаемого класса энергетических материалов.
В соответствии с изложенным, актуальность данной работы определяется необходимостью получения надежных экспериментальных данных, в первую очередь кинетических характеристик, по предвзрывным процессам в азиде серебра с акцентом на исследование особенностей ранних стадий взрывного разложения; а также прямых экспериментальных доказательств гетерогенной природы зарождения и развития реакции взрывного разложения.
Указанные данные могут послужить базой для выдвижения экспериментально обоснованных моделей механизмов импульсного лазерного инициирования ATM.
При постановке данной работы определены следующие цели исследования:
Разработка методик экспериментального исследования интегральной кинетики предвзрывных явлений в азиде серебра, а также пространственного распределения предвзрывной люминесценции на ранних стадиях взрывного разложения.
Измерение кинетических характеристик предвзрывной проводимости и люминесценции при широком диапазоне варьирования условий инициирования.
Измерение пространственного распределения предвзрывной люминесценции при широком диапазоне варьирования условий инициирования.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие конкретные задачи:
Разработка методики измерения кинетики предвзрывных явлений в азиде серебра на ранних стадиях взрывного разложения путем модернизации существующего лазерного спектрометра, обеспечивающей значительное улучшение временного разрешения и увеличение динамического диапазона измерений.
Разработка новой методики исследования топографии предвзрывной люминесценции в режиме реального времени.
Установление особенностей кинетических характеристик предвзрывных явлений в азиде серебра при различных плотностях энергии инициирования.
Измерение кинетики предвзрывной проводимости и люминесценции на ранних стадиях взрывного разложения.
Поиск областей локализации предвзрывной люминесценции, непосредственно связанной с протеканием цепной реакции в азиде серебра.
Научная новизна работы сводится к следующим положениям:
Впервые разработана методика, позволяющая регистрировать и измерять пространственную локализацию предвзрывной люминесценции ATM.
Впервые получены надежные данные по кинетике предвзрывной проводимости и люминесценции азида серебра на ранних стадиях взрывного разложения.
3. Впервые получены прямые экспериментальные доказательства оча гового зарождения реакции взрывного разложения азида серебра. Практическая значимость работы определяется следующими об стоятельствами:
Возможностью использования разработанных методик в исследованиях ранних стадий взрывного разложения инициирующих взрывчатых веществ (ИВВ).
Возможностью использования полученных данных для целенаправленного изменения свойств изучаемых объектов. Защищаемые положения по итогам работы:
Кинетика ранних стадий предвзрывной проводимости и люминесценции отличается от кинетики установившегося процесса и существенно отличается от образца к образцу.
Разработанная методика измерения пространственного распределения предвзрывной люминесценции азидов тяжелых металлов с нано-секундным временным разрешением, основанная на регистрации двумерной картины пространственного распределения интенсивности по длине кристалла во времени. 3. Прямое экспериментальное доказательство очагового характера зарождения предвзрывной люминесценции, свидетельствующее о гетерогенном характере зарождения цепной реакции взрывного разложения ATM. Аппробация работы:
Материалы диссертации доложены на XXXVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 1999; 10-ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 1999; Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов" Выпуск 4. Москва, 2000; Уральском семинаре "Сцин-тилляционные материалы и их примннение". Scintmat'2000; XII Симпозиуме "Химическая физика процессов горения и взрыва", Черноголовка Московской области, 2000; областной научной конференции «Молодые ученые Кузбассу. Взгляд в XXI век» Химические науки, Кемерово, 2001; 8 Международной конференции "Физико-химические процессы в неорганических материалах", Кемерово, 2001; VII Всероссийской школе-семинаре "Люминесценция и сопутствующие явления", Иркутск, 2001; VIII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, 2002.
Объем и структура работы:
Диссертация содержит 160 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 2 таблицы.
Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 136 наименований. В заключении приведены основные результаты и выводы.
В первой главе изложен литературный обзор данных по зонно-энергической структуре, оптическим свойствам кристаллов AgN3, PbN6, T1N3 и экспериментальному исследованию свечения, вызываемого взрывным разложением этих материалов. Проведен анализ существующих представлений о механизмах импульсного инициирования ATM и основной экзотермической реакции их разложения.
Вторая глава посвящена разработанной нами методике и технике исследования кинетики процессов свечения, оптического поглощения и проводимости инициирующих взрывчатых веществ в процессе взрывного разложения. В начале главы дана краткая характеристика исследуемых объектов. Далее приведена схема модернизированного для целей эксперимента источника возбуждения — лазера на YAG:Nd3+, работающего в режиме самосинхронизации мод. Описаны оригинальная схема регистрации электрических сигналов и установок на ее основе для синхронного измерения кинетики взрывного свечения и/или кинетики тока проводимости, и кинетики синхронного измерения свечения с оптическим поглощением. Излагается принцип калибровки системы. Описана пикосекундная установка на основе фотохронографа "Агат-СФ" для регистрации коротких световых импульсов. Далее описана установка для изучения топографии свечения по длине образцов в режиме реального времени. На основе стрик-камеры "Взгляд-2А". Установка также позволяет получать моментальную фотографию свечения образца с выдержкой ~ 200 не. Описан принцип калибровки для учета зонной чувствительности фотокатода камеры и калибровки пространственного масштаба. В конце главы описаны разработанные конструкции экспериментальных ячеек для использования в различных типах экспериментов.
Третья глава посвящена изложению экспериментальных результатов по исследованию кинетик взрывных свечения и проводимости азида серебра. В начале главы описаны эксперименты по измерению взрывного свечения и проводимости нитевидных кристаллов AgN3 с применением разработанной усовершенствованной методики при средних энергиях возбуждения. Отдельное внимание уделено исследованию начальных стадий процессов. Далее описаны особенности предвзрывных процессов в более широком диапазоне плотностей возбуждения. Дополнительно начальные стадии люминесценции с пикосекундным разрешением были исследованы при помощи фотохронографа "Агат-СФ". В конце главы приведен анализ экспериментальных результатов. Показаны основные ограничения применимости используемой для описания процессов модели.
В четвертой главе, изложены топографические исследования люминесценции с высоким временным разрешением в разных плотностных диапазонах возбуждения. Обсуждаются полученные результаты с учетом поведения интегральных процессов (предвзрывных люминесценции и проводимости) в соответствующих интервалах плотности энергии возбуждения исследованных в третьей главе.
Экспериментальные исследования свечения, сопровождающего взрывное разложение ATM
Литературные данные по спектрально-кинетическим характеристикам взрывного свечения ATM, прямо связанные с темой данной работы и потому выделенные в отдельный подраздел, далеко не столь обширны, как, например, результаты, связанные с порогом инициирования. В самом деле, во всех цитированных ранее работах, например, [3, 4] взрывное свечение использовалось только как временной репер (причем, как показано в [9, 11], не самый удачный!) для определения задержки между инициированием и подрывом образца. Из известных нам работ отметим цикл исследований [67-73], в которых с помощью различных методик в вакуумной камере изучалась динамика распространения продуктов детонации порошкообразного PbN6 при инициировании взрыва наносекундным лазером. В работе [71] обнаружено, что взрывная люминесценция PbN6 состоит из двух компонентов (рис. 1.2.). Первый, более слабый, начинается через 1 +- 2 мкс после инициирования и длится 1 мкс. Второй компонент на протяжении нескольких микросекунд после спада первого проявляется на пределе чувствительности регистрирующей аппаратуры, затем быстро растет до высокого уровня интенсивности и постепенно ослабевает. Первый компонент авторы приписали возбужденным продуктам, сформированным у поверхности PbN6, и сколько-нибудь подробно не изучали. Второй компонент появляется через 2-М4мкс после инициирования, когда начинается образование облака продуктов. Скоростная фотография показывает распространяющееся облако продуктов колоколообраз-ной формы. Облако продуктов содержит как газ, так и твердые частицы, имеющие скорость распространения 4,5 и 3,8 км/с соответственно.
Кинетика второго компонента люминесценции исследовалась в зависимости от положения преграды, устанавливаемой на разной высоте относительно образца. Интенсивность и поведение второго компонента зависит от расстояния до образца азида свинца. Отмечено, что длительность свечения увеличивается, а интенсивность уменьшается с увеличением высоты преграды. Задержка начала резкого роста люминесценции максимальна ( 20 мкс), когда преградой является крышка основной экспериментальной ячейки. Имея ввиду наши результаты, приходится сожалеть, что нет никаких данных о поведении первого компонента, тем более, что временное разрешение используемой аппаратуры (высокоскоростная покадровая камера с минимальным временем экспозиции 300 нс/кадр) позволяло сделать хотя бы оценочные измерения кинетики этого компонента. Спектр люминесценции продуктов взрыва PbN6 в диапазоне 230 + 850 нм измерялся в [73] с помощью оптического многоканального анализатора на выходе из сопла, через которое продукты детонации выводились из основной ячейки в вакуумную камеру. В связи с направленностью [73] - поиск перспективных оптических переходов для реализации химического лазера видимого диапазона - особое внимание авторы уделили спектральным линиям возбужденных энергии электронно-возбужденного N2 и эффектом самопоглощения излучения ИЗ Р]0 В 3Р(),.2 состояния. В работе [22] Исследовалось воздействие низкоэнергетического излучения рубинового лазера в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации на монокристаллы /3-азида свинца при использовании высокоскоростной фотографии. Было установлено, что инициирование образца в режиме свободной генерации всегда происходит в дискретных локализованных участках. При инициировании кристаллов в режиме модуляции добротности, временного разрешения камеры не хватало, чтобы заметить очаговый характер инициирования. Авторы предполагают, что абсорбционные центры, возможно, являются металлическими включениями с размерами менее 1 мкм.
Также было показано, что при таких низкоэнергетических условиях излучения инициирование контролируется мощностью, а не энергией импульса. Изученная зависимость задержки от энергии луча предполагает, по мнению авторов, термический механизм инициирования. Эксперименты по изучению кинетики свечения ATM в процессе взрывного разложения проводились при инициировании образцов импульсами ускоренных электронов [46] и эксимерным лазером [74, 75]. Две последние работы были выполнены практически одновременно с нашими исследованиями. На рис 1.4 показана зависимость интенсивности свечения на длине волны 600 нм от времени для кристалла азида серебра размерами 1,7 х 1,5 х 0,6 мм и массой 4,35 мг, инициированного эксимерным лазером [75]. После воздействия импульса наблюдается индукционный период длительностью 0,02 - - 0,8 мкс, уменьшающийся с ростом энергии импульса; далее интенсивность свечения возрастает и достигает максимума через 1,5 3,2 мкс от начала инициирования, что связано авторами с распространением фронта реакции по кристаллу (длительность стадии роста и величина максимума свечения определяется линейными размерами
Система регистрации электрических сигналов
С целью улучшения временных и амплитудных характеристик, в работе была применена двухканальная схема регистрации электрических сигналов с повышеннным временным разрешением, суть которой состоит в регистрации и последующей компьютерной обработки изображения с экранов скоростных осциллографов. Блок-схема системы представлена на рис. 2.2. Установка состоит из двух скоростных осциллографов С7-19 (Oi и СЬ), предназначенных для исследования однократных импульсных сигналов в диапазоне амплитуд 0,17 100 В и длительностей 210 пс - - 0,6 мкс с полосой пропускания до 5 ГГц. Развертки осциллографов запускаются синхронизующим импульсом, и на экране отображается подаваемый на вход электрический сигнал. Изображение с экранов осциллографов 0\ и СЬ передается перископической системой (П) на телевизионную камеру (КТ) телевизионного считывающего устройства. Телевизионное считывающее устройство ПТУ-50 с расширенными возможностями обработки сигнала на основе видикона ЛИ421-1 состоит из следующих блоков: 1. Камера телевизионная КТП-73 (КТ), предназначенная для преобразования светового изображения наблюдаемого объекта в видеосигнал; 2. Источник высокого напряжения ИВН-5-2 (ИВН) для создания ускоряющего напряжения видикона до 5 кВ; 3. Блок канала УВ-103 (БК), предназначенный для усиления видеосигнала, поступающего с камеры, обработки и окончательного формирования телевизионного сигнала. В блоке канала происходит нелинейная обработка видеосигнала. С целью повышения контрастной чувствительности установки происходит регулируемое ограничение видеосигнала по "белому" и по "черному". Регулируемое ограничение видеосигнала позволяет выделить ту часть видеосигнала, в которой находится необходимая информация.
Далее происходит усиление и формирование полного телевизионного сигнала с компенсацией его фоновой неравномерности; 4. Пульт управления ПУ-82 (ПУ), предназначенный для дистанционного управления работой установки, с которого производится включение и выключение установки; 5. Видеоконтрольное устройство ВК50В100 (ВКУ), предназначенное для визуального контроля и просмотра изображения. Синхроимпульс с блока канала телевизионного считывающего устройства осуществляет запуск остальных частей измерительного комплекса в зависимости от типа эксперимента. Однако амплитуды синхроимпульса ( 1,5 В) недостаточно для запуска одновременно трех блоков питания квантронов лазера, поэтому этим импульсом во всех нижеописанных установках производится запуск генератора Г5-15, выдающий синхроимпульс регулируемой амплитуды, от которого и запускается лазер. Развертки осциллографов Oi и Ог запускаются электронной схемой лазера в момент выделения моноимпульса из цуга пикосекундных импульсов. Видеоизображение передается на компьютер IBM PC 386 DX 66 (ЭВМ) через плату оцифровки видеосигнала BWF-50, разработанную в ИСЭ СО РАН, ими же было разработано и программное обеспечение для управления данной платой. Плата BWF-50 позволяет оцифровывать и сохранять видеосигнал в виде графического растрового файла в формате PGM (Portable GrayMap) с параметрами 768 x 512 x 256, что вполне достаточно для получения качественного изображения. Для оцифровки изображения осциллограмм было использовано программное обеспечение, разработанное сотрудником лаборатории физико-химии быстропротекающих процессов Кемеровского государственного университета Швайко В.Н.
Программное обеспечение позволяет при помощи различных инструментов ("вычитание фона видеокамеры", "удаление снега" и др.) легко произвести оцифровку изображения в систему координат (X, Y) и произвести корректировку по оси Хна время, а по оси Y на напряжение. Таким образом, на выходе данной программы получается осциллограмма (двумерный массив точек) в реальном масштабе. В зависимости от стоящей перед экспериментом задачи, полученные осциллограммы подвергались дальнейшей обработке при помощи других программных средств. Калибровка временных коэффициентов системы регистрации осуществлялась следующим образом: на вход осциллографов подавался синусоидальный сигнал с высокочастотного генератора сигналов Г4-107, частота которого контролировалась электронно-счетным частотомером 43-63. Зарегистрированная осциллограмма оцифровывалась и определялся масштабный коэффициент (точек/не). Для калибровки амплитудных коэффициентов системы регистрации, на осциллограф подавалось постоянное напряжение со стабилизированного источника питания постоянного тока Б5-31, контролируемое универсальным вольтметром ВУ-15. По отклонению луча на оцифрованных осциллограммах определялся амплитудный коэффициент (точек/В). Погрешность измерения амплитуды импульса при измерениях на установке составляет 12 - 14 %. В эту погрешность входит неточность измерения амплитуды из-за конечной толщины луча осциллографа, статистический разброс из-за импульсного характера измерений. При 10 единичных
Качественный вид кинетических зависимостей взрывных проводимости и люминесценции
В данной главе приведены результаты, полученные, в основном, на лазерном спектрометре в различных модификациях (параграфы 2.3 - 2.6 главы 2). Термин «интегральная» используется для того, чтобы подчеркнуть сущность описываемых ниже экспериментов: измерялись кинетические характеристики образцов в целом. Для сигнала проводимости такая методология вытекает из природы изучаемого явления (измеряется сквозной ток через образец) и дополнительных комментариев не требует. Люминесценция же различных участков кристалла, как показано в следующей главе, может при определенных условиях различаться по интенсивности. В результате измеряемый фотоприемником сигнал представляет собой некую суммарную характеристику взрывного свечения. Это обстоятельство необходимо иметь ввиду при интерпретации полученных данных. Основная часть представленных в данной главе результатов получена на нитевидных кристаллах AgN3, за исключением отдельных экспериментов, описанных в 3.1.2 и 3.2.2. Экспериментальные результаты, описанные в данном разделе, получены при «естественных» условиях инициирования: облучение исследуемых объектов проводилось несфокусированным лазерным пучком при плотностях энергии W —30 + 100 мДж/см". Нижняя граница указанного диапазона определялась необходимостью обеспечить при серийных изме рениях близкую к единице вероятность подрыва образцов, верхняя граница - максимальной рабочей энергией лазера. 3.1.1. Качественный вид кинетических зависимостей взрывных проводимости и люминесценции Детальные исследования кинетики предвзрывных процессов в азиде серебра были начаты с качественного изучения временной зависимости взрывных проводимости и люминесценции в целом.
Типичная форма импульса предвзрывной проводимости (рис. 3.1а) представляет собой несколько асимметричный колокол с затянутым задним фронтом. Повторный рост сигнала проводимости связан продуктами взрыва. В небольшом числе случаев ( 5 % от общего числа образцов) наблюдаются импульсы, на которых достаточно отчетливо выражено плато (рис. 3.16). Наиболее вероятной причиной спада импульса является нарушение сплошности образца в результате механического разрушения. По-видимому, в подавляющем числе случаев ( 95 %) разрушение начинается до выхода проводимости на плато, что и обуславливает форму асимметричного колокола (рис. 3.1а). В - 5 % случаев разрушение начинается после выхода проводимости на плато (рис. 3.15). Доводом в пользу правильности такой интерпретации является меньшая величина максимального значения проводимости для импульсов гипа рис. 3.1а, чем для импульсов типа рис. 3.16. Наглядным подтверждением правильности такой трактовки является :опоставление формы импульсов проводимости образцов, закрепленных в зоздушном зазоре между электродами и наклеенных на диэлектрическую юдложку (рис. 3.2). Видно, что наличие подложки, не меняя переднего })ронта импульса, приводит к обязательному появлению плато, причем, как травило, это плато оказывается длиннее, чем для образцов, закрепленных в Рис. 3.2. воздушном зазоре. Очевидно, что наличие подложки, препятствует механическому разрушению образца и обуславливает, в связи с этим, практиче-:ки гарантированный выход на плато и, соответственно, его удлинение. проводимости, зарегистрированного на держателе с прорезью, (рис. 3.1). Кривая рис. 3.3 существенно отличается от данных, полученных в [79] (рис. 1.9): на рис. 3.3 совершенно не проявляется второй максимум, отнесенный в [79] к свечению продуктов взрыва. Другое подтверждение справедливости представлений, развиваемых в [20, 99, 106] о сущности взрывного разложения ATM, получено при выполнении данной работы. Мы предположили, что качественные отличия рис. 3.3 и рис. 1.9 объясняются прежде всего особенностями регистрации световых сигналов в конкретных экспериментах. Если это предположение справедливо, то при определенных условиях возможно осуществить надежное разделение предвзрывнои люминесценции и свечения продуктов взрыва по кинетике светового сигнала. Такие условия позволяет обеспечить идея измерения спектра продуктов реакции на прозрачной преграде, реализованная в [67 - 73]. В нашем случае образец располагался непосредственно на стеклянной подложке (схема измерений рис. 2.14), взаимодействуя с которой интенсивно высвечиваются продукты взрыва (область 2 на рис. 3.4). Естественно, что проведение такого эксперимента требует выделения спектральной линии, соответствующей одной из линий продуктов взрывного разложения (в данном случае это Хо= 545 нм для линии Ag 546,5 нм). Как нам представляется, результат на рис. 3.4 настолько нагляден, что подобный метод определения временной точки начала собственно взрывного разложения можно использовать как простой репер выделения из полной кинетики измеряемых сигналов участков, заведомо относящихся к предвзрывным процессам. Такой репер в экспериментальной практике намного удобнее, чем использование для тех же целей сигнала акустического датчика [8], так как позволяет проводить серийные эксперименты.
Хорошей иллюстрацией сказанному является рис. 3.5, на котором приведены одновременно зарегистрированные сигналы проводимости и люминесценции с одного образца. Участки кривых до момента времени t\ описывают кинетические зависимости предвзрывных процессов. Многократные измерения, подобные представленным на рис. 3.5, показали, что при плотности энергии инициирования W 50 мДж/см" и в случае выхода сигнала проводимости на плато (по типу рис. 3.2) передний фронт проводимости и часть плато относятся к предвзрывным участкам полной кинетики. Более высокая точность измерений и улучшенное временное разрешение, обеспечиваемые описанным в главе 2 модернизированным лазерным спектрометром (по сравнению с аппаратурой, использованной в [79]), позволили осуществить надежное количественное измерение параметров кинетики предвзрывной проводимости и люминесценции [107 - 109] . Простейший вариант описания кинетики предвзрывной проводимости типа рис. 3.16: где п - концентрация активных частиц. Решение этого уравнения (уравнение Бернулли) при начальном условии где поо- концентрация на плато. Считая, что в нашем случае активными частицами являются электроны (дырки) и используя известное выражение (1.3), получаем: Результат аппроксимации экспериментальных кривых выражением (3.4) представлен на рис. 3.6 [109]. Смысл величин, входящих в (3.4) ясен из рис. 3.6. Особо подчеркнем, что в качестве /0 при аппроксимации выбирался момент времени, к которому проводимость достигла надежно измеряемой величины J() «10%ffo. Следует подчеркнуть, что параметры to, (Jo, 0а входящие в (3.4), бе-зутся непосредственно из экспериментальной кривой (рис. 3.6) и единственным подгоночным параметром в (3.4) является а.
Кинетика предвзрывных процессов при низких уровнях возбуждения
Для исследования кинетики предвзрывных процессов при низких уровнях возбуждения {W 30 мДж/см ) было проведено сравнительно небольшое число экспериментов. Выделение их описания в отдельный раздел работы мотивируется важностью полученного в ходе этих исследований качественно нового результата. Уже в первых экспериментах при переходе к низким уровням возбуждения наглядно подтвердилась обнаруженная при снижении плотности энергии инициирования тенденция к проявлению регистрируемого сигнала тока проводимости как проводимости, связанной с продуктами взрывного разложения (рис. 3.16). На рис. 3.31 приведена типичная осциллограмма, совместного измерения проводимости и люминесценции при инициировании кристаллов из-лучением W 15 мДж/см". Видно, что сигнал проводимости появляется в момент резкого роста люминесцентного сигнала, связанного со свечением продуктов взрыва ( 3.1.1). Такой ход кинетических кривых характерен при указанных условиях возбуждения для 90 % случаев из серии Л = 20 образцов. Уже такая кинетика регистрируемых сигналов не позволяет надежно идентифицировать наблюдаемую проводимость как пред-взрывную. Вышеуказанная тенденция наиболее ярко проявилась с переходом к предпороговым (W 5 мДж/см ) плотностям энергии возбуждения (порог инициирования понимается в общепринятом смысле - как плотность энергии, которой соответствует 50 % вероятность подрыва образцов [3, 4]). При таких условиях инициирования практически всегда наблюдается ситуация, когда сигнал проводимости однозначно связан с проводимостью возбужденных продуктов взрыва. Это положение иллюстрирует рис. 3.32, на котором сигнал проводимости появляется в момент достижения максимального значения для светового сигнала, вызванного продуктами взрывного разложения.
Обсуждение полученного результата перенесено в следующий раздел данной главы. Обработка данных рис. 3.21, 3.22 в соответствии с вышеописанной процедурой обработки уже упомянутых результатов (например, рис. 3.21) показала, что для люминесцентного сигнала также можно выделить начальный участок кинетической кривой со значением а, примерно вдвое превышающим соответствующую величину для развившегося процесса. 3.4. Обсуждение результатов Установленный факт отсутствия предвзрывной проводимости при инициировании AgN3 излучением предпороговой плотности энергии не может быть объяснен с позиций модели взрывного разложения, приведенной в [99, 106, 107, 120]. Представляется необходимым признать, что указанная модель удовлетворительно описывает экспериментальные резуль таты по изучению взрывного процесса ATM в режиме реального времени с определенными ограничениями. Первое ограничение уже фактически сформулировано в предыдущих разделах главы: указанная модель удовлетворительно соотносится с полученными данными только для стадии уже развившегося взрывного процесса (рис. 3.6, 3.9-3.11). Все обнаруженные в данной работе особенности кинетики предвзрывных процессов на ранних стадиях (рис. 3.13, 3.15, 3.21, 3.29) моделью [99, 106, 107, 120] не описываются даже на качественном уровне. Второе ограничение связано со всей совокупностью результатов по совместному измерению кинетики предвзрывной проводимости и люминесценции (рис. 3.5, 3.16 и 3.32). Сформулированные в [99, 106, 107, 120] модельные представления не объясняют ни причину временного несовпадения максимумов люминесценции и проводимости (рис. 3.5), ни причину отсутствия при определенных условиях инициирования предвзрывной проводимости, как явления (в наиболее явном виде это показывают результаты предыдущего раздела - рис. 3.32). Первое ограничение может быть снято учетом влияния конкурирующих с основной реакцией каналов. Простейший вариант рассмотрения этих процессов в рамках уравнения (3.1) - это запись величины а в этом уравнении в виде ot=f-g{f), где/- вероятность захвата дырки на катион-ную вакансию, обеспечивающая ветвление цепи, g(t) - зависящая от времени вероятность захвата на конкурирующий центр, обеспечивающая обрыв цепи. Зависимость g(t) может, например, обеспечиваться изменением концентрации (выгоранием) этих центров в процессе инициирования. Другая трактовка особенностей ранних стадий предвзрывных процессов в ATM, как это уже упомянуто в 3.1.3, может быть выработана путем построения принципиально более сложной модели, но основывающейся на той же идеологии, что и использованной в [99, 106, 107, 120].
