Приборы и техника эксперимента, 2020, № 1, стр. 55-58

В настоящее время мощные ударные волны применяются при штамповке и сварке крупногабаритных изделий, в горном деле, для устранения ледовых заторов, а также в физических исследованиях, направленных на создание сверхсильных магнитных полей и сверхвысоких давлений. Для формирования ударных волн широко используются взрывчатые вещества (в.в.), обладающие высокой устойчивостью к экстремальным механическим и тепловым внешним воздействиям.

Они инициируются электровзрывными детонаторами, в которых под воздействием мощного и короткого (субмикросекундного) импульса электрического тока осуществляется быстрый электрический взрыв тонкого проводника. В результате формируются тепловой импульс и мощная ударная волна, вызывающие подрыв в.в. При малой длительности и достаточно большой мощности электровзрывного воздействия достигается высокая стабильность моментов подрыва в.в., требуемая, например, для создания многоточечного взрыва в научных исследованиях при формировании ударных волн с заданной конфигурацией.

Основной проблемой при разработке электровзрывного детонатора является обеспечение эффективной коммутации мощных субмикросекундных импульсов тока, которая осуществляется искровыми разрядниками или традиционными полупроводниковыми приборами (тиристорами или транзисторами). Фундаментальным недостатком этих коммутаторов являются сравнительно большие потери энергии при наносекундной длительности процесса коммутации, обусловленные недостаточно малым временем переключения в хорошо проводящее состояние, составляющим десятки и сотни наносекунд.

Более перспективными представляются разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе кремниевые динисторы с наносекундным временем переключения [1–3], которое формируется в результате ударной ионизации решетки кремния.

На рис. 1 приведена электрическая схема разработанного устройства. Оно состоит из электровзрывного детонатора ЭД и генератора мощных субмикросекундных импульсов.

Рис. 1.

Электрическая схема устройства наносекундного инициирования в.в. СЦ – силовая цепь, ЦУ – цепь управления, SID – динистор с ударной ионизацией, DSRD – блок из 8 последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением, D – шунтирующие диоды, ЭД – электродетонатор; 1, 2 – выходные шины; 3 – медная фольга; 4 – керамическая подложка; 5 – полимерная пленка; 6 – прижимная пластина; 7 – канал для вывода продуктов взрыва; 8 – взрывающийся участок фольги.

Генератор содержит цепь управления ЦУ и силовую цепь СЦ. Цепь управления выполнена на основе IGBT-транзисторов по схеме в работе [4]. Малые коммутационные потери энергии в транзисторах достигаются в результате использования рекомендаций в [5]. Силовая цепь состоит из коммутатора в виде описанного в [6] динистора с ударной ионизацией SID (SID – shock-ionized dynistor), конденсатора С, шунтирующих диодов D и блока дрейфовых диодов с резким восстановлением DSRD (DSRD – drift step recovery diodes) [7]. В качестве SID используется динистор с рабочим напряжением 3 кВ. Он изготовлен из кремниевой пластины толщиной ~0.7 мм и имеет рабочую площадь ~1 см². Блок DSRD состоит из 8 напаянных друг на друга диодных структур толщиной ~0.3 мм и рабочей площадью ~1 см². Шунтирующие диоды D выполнены из кремниевых пластин ∅12 и толщиной ~0.35 мм.

Детонатор ЭД выполнен аналогично рассмотренному в [8]. Тонкая (~4 мкм) медная фольга 3 расположена на керамической подложке 4 и покрыта полимерной пленкой 5 толщиной ~30 мкм, на которую наложена пластина 6. В центре пластины 6 расположен канал 7 в виде отверстия диаметром ~0.8 мм. Находящийся под каналом 7 участок фольги 3 выполнен в виде микропроводника 8 длиной 0.7 и шириной 0.5 мм. Инициируемое в.в. располагалось над каналом 7.

В схеме на рис. 1 в исходном состоянии к SID приложено напряжение зарядки емкостного накопителя С. Включение SID осуществляется с помощью цепи управления ЦУ и блока DSRD. При включении ЦУ через блок DSRD пропускается короткий прямой ток, обеспечивающий накопление заряда в структурах диодов. В момент окончания прямого тока ЦУ коммутирует в блок DSRD быстро нарастающий обратный ток. При этом осуществляется вынос накопленного заряда и выключение DSRD за время ~3 нс. В процессе выключения DSRD протекающий через ЦУ ток коммутируется в цепь D–D–SID. В результате обеспечивается зарядка собственной емкости SID со скоростью >1 кВ/нс, и напряженность поля вблизи коллектора его полупроводниковой структуры резко возрастает.

Поскольку до момента переключения в приколлекторной области SID нет свободных носителей, способных инициировать лавинный пробой, то напряжение на динисторе нарастает до величины, существенно превышающей предельно допустимое в стационарном состоянии. Спустя 2–3 нс до приколлекторной области SID долетают носители, инжектируемые из эмиттеров в момент наброса напряжения. Они инициируют волну ударной ионизации решетки кремния, которая осуществляет включение SID за время <1 нс. При этом конденсатор С разряжается по цепи SID–DSRD–шина 1–фольга 3–шина 2.

При пропускании через фольгу 3 мощного быстро нарастающего тока происходит электрический взрыв микропроводника 8. Подложка 4 обеспечивает движение продуктов взрыва (плазмы) к каналу 7. Высокоскоростной поток плазмы воздействует на пленку 5 и разгоняет ее в канале 7 в направлении к в.в. При ударе пленки 5 о поверхность в.в. формируется мощная ударная волна, вызывающая детонацию в.в.

Для определения коммутационных возможностей силовой цепи СЦ было проведено ее исследование без использования ЭД. Коммутируемый ток измерялся коаксиальным шунтом с сопротивлением 50 мОм, подключенным к выходным шинам 1, 2. При максимально возможном силовом напряжении 3 кВ была осуществлена коммутация тока с амплитудой ~6 кА и длительностью ~400 нс, что свидетельствует о высоких коммутационных возможностях SID и о малом электрическом сопротивлении СЦ (~0.5 Ом). Малая монтажная индуктивность СЦ (~40 нГн) обеспечила скорость нарастания силового тока ~70 А/нс.

На рис. 2 приведена осциллограмма силового тока I = 5.7 кА, полученная при силовом напряжении 2.8 кВ. В этом режиме было проведено 1000 коммутаций без изменения выходных характеристик СЦ. Разброс амплитуд тока I составлял <5%. Временная нестабильность коммутируемых импульсов тока не превышала 5 нс.

Рис. 2.

Осциллограмма силового тока. Масштаб по вертикали 1.5 кА/деление, по горизонтали – 100 нс/деление.

На рис. 3а, 3б приведены типичные осциллограммы тока через ЭД (I₁, I₂) и напряжения на ЭД (U₁, U₂), полученные при исследовании опытных образцов детонаторов без использования в.в. при силовом напряжении 2.4 и 2.7 кВ.

Рис. 3.

Осциллограммы тока через ЭД и напряжения на ЭД при силовом напряжении 2.4 кВ (а) и 2.7 кВ (б). Масштаб по вертикали: тока 1 кА/деление, напряжения 500 В/деление; по горизонтали – 100 нс/деление.

На рис. 4 показаны расчетные кривые, иллюстрирующие изменение электрического сопротивления исследуемых ЭД (R₁, R₂) в процессе протекания токов I₁, I₂.

Рис. 4.

Сопротивление ЭД при силовом напряжении 2.4 кВ (R₁) и 2.7 кВ (R₂).

Из рис. 3 и 4 видно, что спустя ~50 нс после коммутации в детонатор импульса тока его сопротивление резко возрастает до 0.7–0.8 Ом, а затем быстро спадает до ~0.4 Ом. При этом на детонаторе возникает пик напряжения с амплитудой >2 кВ и длительностью ~70 нс, соответствующий первой фазе электрического взрыва фольги [9]. Затем сопротивление ЭД плавно увеличивается из-за расширения плазменной области. В результате ток через ЭД уменьшается. Так как после взрыва фольги сопротивление детонатора близко к сопротивлению силовой цепи СЦ, то процесс передачи энергии из СЦ в ЭД происходит достаточно эффективно.

На рис. 5 представлены временные диаграммы энергии (Е₁, Е₂), выделяемой в исследуемых детонаторах при силовом напряжении 2.4 и 2.7 кВ, откуда следует, что в детонаторы вводится ~60% энергии, исходно запасаемой в емкостном накопителе силовой цепи.

Рис. 5.

Энергия, вводимая в ЭД при силовом напряжении 2.4 кВ (Е₁) и 2.7 кВ (Е₂).

Рассмотренное устройство инициирования мощных ударных волн было использовано для подрыва высоконадежного в.в. HNS-IV, используемого в промышленных технологиях. Образцы в.в. имели массу 120 мг, их инициирование осуществлялось при силовом напряжении от 2.4 до 3 кВ с шагом 500 В. При напряжении свыше 2.7 кВ был получен 100% подрыв в.в.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что разработанное устройство обладает высокой эффективностью и стабильностью срабатывания. При силовом напряжении более 2.7 кВ оно обеспечивает формирование мощной детонационной волны, необходимой для надежного подрыва взрывчатого вещества типа HNS-IV, обладающего высокой устойчивостью к экстремальным внешним воздействиям.