利用光电探针技术测量冲击加载下双氧水的辐射历史

程锐，刘福生，汪贻高，范茁宁，刘其军

（西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都，610031）

过氧化氢（H2O2）的分子结构简单，其水溶液俗称双氧水。高浓度双氧水具有高密度、高比热、无毒、无污染等优点，可以作为一种理想的绿色推进剂[1,2]。Cynn和Yoo采用金刚石对顶砧技术研究了90 wt%过氧化氢在12 GPa压力下的物理和化学变化[3]。研究发现，双氧水在室温和1.5GPa下将转化为四方结构（H2O2-Ⅰ），当压力增加到7.5GPa时转为高压H2O2-Ⅱ相。Chen等进一步研究了纯的过氧化氢在高压下的相变[4]。研究发现，纯的过氧化氢在压力直至13-18GPa时才由H2O2-Ⅰ相转变为H2O2-Ⅱ相，并且当压力达到15GPa时，仍然存在四方H2O2-Ⅰ相。当压力高于18GPa时，H2O2-Ⅱ相才逐渐分解为水和氧的混合物。Armstrong等采用超快激光驱动冲击波法观察到冲击压缩未反应的过氧化氢在高达von Neumann压力下产生的稳定爆炸波情况[5]。同时，针对冲击波作用下双氧水的压缩过程也被报道[6,7]，这为冲击加载下理解双氧水的结构转变或分解反应提供了依据，也为解释含能材料的冲击点火机理提供了参考。然而，当含能材料发生冲击点火时，辐亮度会增强几个数量级，热辐射背景会掩盖含能材料的拉曼峰[8]，进而导致利用点火前后样品的拉曼光谱特征变化来分析样品的分子结构和成分信息存在一定的困难。因此，在冲击加载下研究含能材料的辐射历史就显得尤为重要。本文采用双氧水为研究对象，研究了其在冲击作用下的辐射历史，为研究液态含能材料冲击起爆机理提供了参考。

1 冲击加载实验及电探针工作原理

图1 冲击加载及测量方式示意图

冲击加载实验基于二级轻气炮平台，同时结合了冲击热辐射原位测量技术研究了双氧水的辐射历史，冲击加载方式如图1所示[8-10]。本次实验的高速飞片加载装置为二级轻气炮[8-10]，二级轻气炮是通过火药燃烧产生高温高压气体推动泵管中的活塞运动，活塞压缩泵管中的轻质气体（多为氢气或氮气），利用气体膨胀对弹丸做功，使得弹丸获得超高初始速度的发射装置。弹丸以高速和在靶室中的靶发生碰撞，可将靶中的样品在极短的时间内加载到高温高压状态，以此在样品中引入冲击波。本次实验所用二级轻气炮全长22m，允许通过的最大弹丸直径为25mm。

实验中采用了3mm厚铜材料为飞片，实验靶由3mm厚铝金属前基板、2mm厚石英前窗口和2mm厚石英后窗口构成，其中铝金属前基板有2个对称的电探针用于记录冲击波到达基板时刻。为了抑制基板与样品界面处可能存在的气泡或微喷射流效应带来的干扰光，前后两块石英都精密抛光到了光学级别。实验样品为98%的H2O2，其被置于石英基板窗口与石英窗口之间，厚度为6mm。

电探针的工作原理见图2所示[11]，将两根电探针对称布在铝基板内部，布好探针后利用AB胶水对其进行密封固定，固定完毕后将铜箔按照图2的样式放置，铜箔的作用是将盖板与基板分离开来，中间形成空隙。当飞片撞击到盖板上时产生冲击波，冲击波压缩盖板，迫使盖板向前运动，当盖板运动到基板界面时，两根电探针通过盖板相接触，成为了连通状态。通过示波器可以记录下整个电压变化过程，从而对这个时间点进行精准的判读，本次实验的示波器采样率均为1GS/S，时间点判读误差不会超过2ns。

图2 电探针工作原理图

在冲击波进入双氧水后，可在纳秒时间内将其加载到高温高压状态，其产生的光信号透过后石英窗口由光纤接收，进入六通道瞬态高温计将光信号转化为电信号，传输至示波器中记录下冲击压缩状态下样品的辐射历史。

2 结果分析与讨论

图3 12.8GPa压力下双氧水的辐射历史

图3以12.8GPa压力下双氧水的辐射历史为例说明冲击波进入样品时刻t2以及点火时刻t0。在该发实验中，飞片的速度为1.70km/s，H2O2的单次冲击加载压力为12.8GPa。电压值发生跳变的点即为冲击波到达基板界面的时间点，两根电探针对称分布，取两个探针信号的平均值为冲击波到达铝金属前基板时刻t1（约为-593ns）。根据实验材料的Hugoniot数据，可得到冲击波在3mm厚铝基板中传播时间约为Δt1=442ns，在2mm厚石英基板中传播时间约为Δt2=383ns，在6mm厚H2O2样品中传播时间约为Δt3=1159ns。因而，可以计算出冲击波在铝金属前基板/石英后基板中传播的总时间（ Δt1+Δt2）约为825ns，冲击波进入样品时刻t2=t1+Δt1+Δt2约为232ns，及冲击波达到石英窗口的时刻t3=t2+Δt3约为1391ns。如图3所示，冲击波刚进入样品（t2时刻）的曲线斜率先缓慢增大，大约经过104ns时曲线斜率有突然增大的趋势，从同一发实验中冲击波进入样品的辐射曲线图的斜率变化来判断样品是否发生冲击点火现象，并且把斜率的突变拐点认为是冲击点火时刻 t0。

图4 不同冲击压力下H2O2的辐射历史

如图4所示，为铜飞片碰撞速度分别是1.27km/s、1.47km/s、1.70km/s和1.95km/s时，相应的H2O2单次冲击加载压力分别约为8.7GPa、10.6GPa、12.8GPa和15.2GPa时的辐射历史。飞片速度为1.27km/s，H2O2单次冲击压力为8.7GPa时，该发实验未观察到辐射斜率有突变的现象，可能未达到点火条件，并未发生突然点火的现象。在图4中的另外三发实验的辐射曲线中，均出现了斜率突变的拐点，可能发生了冲击点火现象。值得注意的是，双氧水的冲击点火现象并不是出现在冲击波刚到达样品的时刻，而是经历了一段诱导时间才发生的，且发生在冲击波进入样品不到1mm处，这就是H2O2的延迟点火现象。在点火反应诱导期间H2O2处于沉默惰性状态，冲击波大致压缩H2O2到1mm左右发生冲击点火，且发生在石英基板/样品界面处或者靠近界面处。冲击起爆是大量能量释放的过程，考虑到H2O2的结构简单，只有H和O两种原子，并且水的生成热比较低，所以在这个过程中最有可能出现H2O和O2。根据均质炸药的冲击起爆机理，冲击波进入样品，在冲击作用下样品被加热，然后发生化学反应，产生水和氧气，并释放大量的热。随着压强和温度的不断增大，化学发应和冲击波压缩效应几乎同时完成，形成爆轰波并很快追上初始冲击波，然后重合达到超爆状态。当然，该现象还有待进一步的探索研究，但本实验确实观察到了双氧水中的延迟点火现象，压力为10.6GPa、12.8GPa和15.2GPa的延迟点火时间分别为121ns、104ns和99ns。