模拟炸药(mock explosive)中激光诱导冲击波生成的高速放射成像研究

《Scientific Reports》：High-speed radiography of laser-induced shock wave generation in a mock explosive

　　

短脉冲激光诱导冲击波可在颗粒状含能介质中产生高压、短时程力学加载。为避免真实炸药的操作限制，研究人员在标准模拟炸药即压缩蔗糖(compressed sucrose)中进行实验以量化此现象。由于该介质具颗粒性与光学不透明性，研究人员采用时间分辨同步辐射X射线成像(time-resolved synchrotron X-ray imaging)直接观测冲击诱导的结构演化。绿光纳秒激光脉冲作为冲击驱动源。冲击波的生成由非原位(ex-situ)断层分析确认，该分析还可对时间分辨数据进行定量解读，以确定冲击压力（约3.6 GPa）与传播速度（约马赫4）。此外，掺入铝纳米颗粒可增强激光吸收并提高所得冲击压力。这些结果表明高功率激光脉冲在次级炸药(secondary explosives)爆轰起爆方面的潜力，并为更快的光触发雷管(detonator)概念提供途径。

研究背景与意义：常规电引信雷管（电起爆雷管）广泛应用于航天、国防与工业领域，但易受电磁干扰影响。光－烟火雷管（光起爆雷管，opto-pyrotechnic detonator）通过远程光学触发与更高安全性降低了此类风险，现有光学途径包括激光加热式热点火器、激光驱动飞片／平板(slapper)系统以及激光－材料直接相互作用策略。热法与飞片法虽稳健，但分别存在响应慢（热加热）或机械结构复杂（多层飞片）的问题，这推动了对直接光学起爆的兴趣，即利用激光的超快能量沉积实现冲击转爆轰(shock-to-detonation transition)。纳秒激光脉冲因可在宽禁带含能材料中通过缺陷辅助初级电离、雪崩电离与逆韧致辐射(inverse Bremsstrahlung)加热产生局域高幅冲击波而具吸引力。虽然激光－颗粒相互作用与弱吸收粉末的激光驱动改性已有报道，但针对模拟高能炸药的弱吸收颗粒材料中激光诱导冲击传播的系统研究仍稀缺；基于撞击的冲击研究虽可提供压实与应力传递见解，但其上升时间与波前形态与激光生成冲击有本质差异，使撞击知识难以迁移至激光冲击驱动起爆。该研究结合同步辐射X射线动态成像与高分辨率非原位断层扫描，在模拟炸药压缩蔗糖中研究纳秒激光诱导冲击的生成与传播，以表征冲击动力学并评估与次级含能材料光学起爆相关的条件，论文发表于《科学报告》（Scientific Reports）。

主要关键技术方法：研究人员选用安全替代真实高能炸药的模拟炸药即压缩蔗糖（标准mock explosive，颗粒平均粒径分布中心34 μm、范围1.5–200 μm，在直径1.5 mm、长12 mm的PMMA管中分四阶段各以700 bar压实，制得重量比80%蔗糖＋20%空气的样品；部分样品掺入3 wt%的250 nm氧化铝纳米颗粒（aluminum nanoparticles），混合采用18 Hz振荡器处理20分钟以尽量均匀分散），激光采用532 nm二次谐波、脉宽5.3 ns、单脉冲能量350 mJ、光斑直径1 mm（平均强度8.4 GW/cm2）、通过2.5 mm厚丙烯酸酯基聚合物胶带（约束层，confinement layer）聚焦辐照样品上表面；时间分辨成像在欧洲同步辐射装置（ESRF）ID19光束线进行，采用19–35 keV多色X射线脉冲（脉宽0.16 ns、间隔176 ns），经闪烁体转为可见光后用分光镜由两台超高速Shimadzu HPV-X2相机采集，设两套变倍：1x视场12.8×8 mm2用于时间分辨，4x视场3.2×2 mm2用于高空间分辨（分别约30 μm与8 μm），相机帧率设为同步辐射重复率的1/3、最小曝光200 ns、每530 ns采一帧，与X射线脉冲同步使首脉冲落在首相机曝光窗、次脉冲176 ns后落第二相机曝光窗；非原位显微断层扫描采用80 keV能量、分辨率1 μm/voxel对激光冲击区上层进行三维显微结构分析；数据分析采用图像分析追踪界面位移、十阶多项式拟合估算能量沉积时刻t₀、基于Torvik混合模型与Rankine-Hugoniot方程计算混合物的冲击速度u_s,mixt(P)与粒子速度u_p,mixt(P)并反推压力。

研究结果：

Dynamic X-ray imaging of nanosecond laser-irradiated sucrose（纳秒激光辐照蔗糖的动态X射线成像）：通过4x高空间分辨配置获得基线图像，显示激光冲击前样品静止且丙烯酸酯约束层在上；激光沉积能量并形成等离子体后，蔗糖受高压，X射线图像显示出材料上表面位移与约束层变形，证实等离子体产生的压力波向各方向传播，可通过界面位移定量分析材料对压力波的流体动力学响应。

Particle motion under dynamic loading（动态载荷下的颗粒运动）：掺杂样品中铝颗粒团簇因密度高于蔗糖与空气而在4x图像中呈更暗对比，可用以示踪；1x配置下界面位移的时间分辨测量可近似为粒子速度（particle velocity），通过对位移数据做十阶多项式拟合估算能量沉积时刻t₀（定义为位移起始时刻），举例蔗糖样品首测位移在估算t₀后109 ns出现，界面位移误差约38 μm（来自1x空间分辨与两相机视场差）；由位移对时间求导得粒子速度，举例首两测点间平均速度约590±143 m/s，若假设t₀时速度为0则前百余纳秒平均粒子速度可达约982 m/s，高粒子速度为压力波生成并传播、引起沿波轴高速物质位移的有力证据；需判别此压力波是声速压缩波还是冲击波。

Assessment of shock generation in nanosecond laser–irradiated sucrose using post mortem X-ray tomography（用非原位X射线断层扫描评估纳秒激光辐照蔗糖中的冲击生成）：对激光辐照样品上部进行高分辨显微CT（1 μm/voxel，80 keV），与未辐照区比，激光冲击面下数百微米内可见熔化区（红框）、其下孔隙明显变小、晶粒破碎并部分粘结（蓝框），远离冲击区则保留原始多孔颗粒结构（黄框）；动态数据中还观察到射流(jetting)现象（常在孔隙闭合后出现），表明材料达到完全压实态且孔隙崩溃后有剩余能量；这些特征符合动态压实机制（过量能量致局部熔化与射流），而非准静态压实（能量全耗于孔隙崩溃而无熔化／射流），证明传播波不是单纯弹性／塑性压缩波（声速），而是高于临界阈值、具高压力加载的真冲击波；据此可采用冲击波方程定量表征压力与速度。

Determination of the shock wave velocity and pressure（冲击波速度与压力测定）：基于Torvik混合模型，对混合物初始密度ρ_0,mixt按组分质量分数与初始密度倒数加权，冲击后密度ρ_mixt(P)考虑各固相组分（蔗糖、若有机铝则用对应参数n_j=4s_j?1、A_j=ρ_0,jc_0,j²/n_j）与空气（γ=1.4理想气体）贡献；由Rankine-Hugoniot方程导出u_s,mixt(P)=√[P/(ρ_0,mixt(1?ρ_0,mixt/ρ_mixt(P)))]与u_p,mixt(P)=P/(ρ_0,mixt·u_s,mixt)，再按经验关系u_s,mixt=c_0,mixt+s_mixt·u_p,mixt拟合得混合物声速c_0,mixt与冲击参数s_mixt；对蔗糖样品，由拟合与测量算得前109 ns（据t₀外推）平均冲击速度约3062 m/s（超材料静止声速743 m/s四倍以上），首两测点间（109–637 ns）平均冲击速度约2137±339 m/s，低误差端仍明显高于声速，具冲击波特征；代入u_p与u_s由方程反推压力，估算峰值压力约3.6 GPa（t₀外推），首测点压力约1.5±0.4 GPa；掺氧化铝纳米颗粒样品估算能量沉积早于首动态图70 ns，峰值压力可达约8.5 GPa；所有压力值低于25 GPa，验证Torvik模型适用；掺铝因增强激光吸收而显著提高冲击压力。

讨论部分总结：研究人员通过时间分辨X射线成像在纳秒激光辐照模拟炸药样品中观测并量化了生成波的特性，直接在颗粒状弱吸收材料（压缩蔗糖）中测得峰值压力约3.6 GPa、平均速度约马赫4的冲击波；掺铝纳米颗粒将峰值压提升至约8.5 GPa；此类压力与已有约束纳秒激光冲击报道一致；虽然该量级压力在毫秒级时程下可起爆部分高能炸药，但激光冲击时程仅数百纳秒且压力衰减快，使起爆可能性降低（例如HMX类需约10 GPa持10 ns或约5 GPa持100 ns，且依赖光斑尺寸与炸药临界直径）；结果表明掺少量吸收颗粒可能是提升激光吸收、达到激光生成冲击起爆所需压力水平的有效策略。

结论部分翻译：在本报告中，研究人员演示了利用纳秒绿光激光脉冲在压缩蔗糖基混合物中生成冲击波。通过在明亮同步辐射光源进行高速单束团X射线成像，直接观测了激光－混合物相互作用诱导的颗粒动力学。非原位X射线显微断层扫描进一步确认了冲击波的生成与传播。基于Hugoniot框架估算峰值冲击波压力约8.5 GPa。鉴于该混合物模拟常用高能炸药的行为，研究结果为开发快速响应光－烟火雷管提供了基础。在未来实验中，测量冲击波持续时间将能全面评估冲击波诱导真实炸药中的爆轰。