De første amerikanske eksperimenter nogensinde på et nyt røntgenanlæg kan føre til bedre eksplosiv modellering

For første gang i USA, tidsopløst småvinklet røntgenspredning (TRSAXS) bruges til at observere ultrahurtig kulstofklyngning og grafit- og nanodiamantproduktion i det ufølsomme sprængstof Plastic Bonded Explosive (PBX) 9502, potentielt føre til bedre computermodeller af eksplosiv ydeevne.

"Carbonklynger produceres under den kemiske detonationsproces i højeksplosive stoffer, " sagde Dana Dattelbaum, af Explosive Science and Shock Physics Division. "Coolstofpartikelstørrelsen, form, sammensætning og deres udvikling i tid hjælper os med at forstå, hvordan sprængstoffer leverer energi over en given tidsramme."

Undersøgelsen blev offentliggjort i online-versionen af Journal of Physical Chemistry C i august. Ved at bruge TRSAXS i den nyligt idriftsatte Dynamic Compression Sector af Advanced Photon Source på Argonne National Laboratory, forskere fra Los Alamos og Lawrence Livermore nationale laboratorier detonerede små prøver af TATB-baseret (triamino trinitrobenzen) PBX 9502, mens højglans røntgenstråler spredes af de faste kulstofprodukter dannet i detonationen. Samarbejdspartnere omfattede også videnskabsmænd og teknikere fra Argonne og Washington State University.

PBX 9502 er et ufølsomt højeksplosiv, der er meget udbredt i den amerikanske nukleare afskrækkelse. Høje sprængstoffer bruges til at drive den nukleare "primære" til en kritisk masse, igangsættelse af en nuklear detonation. Ufølsomme højeksplosive stoffer er meget svære at detonere ved et uheld, og betragtes som yderst sikre. Imidlertid, den nøjagtige kemiske proces for energioverførsel er stadig stort set ukendt. Forskere fandt ud af, at skabelsen af ​​kulstofklynger sker meget hurtigere end tidligere antaget, og sammensætningen af ​​kulstoffet er meget anderledes end man havde antaget.

"Et uventet og væsentligt fund af denne forskning var forholdet mellem grafit og diamant udledt af røntgenkontrasten fra spredningsmålingerne, " sagde Dattelbaum. "Ved at detonere TATB-baseret PBX 9502, vi fandt ud af, at cirka 80 procent grafit og 20 procent diamant blev dannet, da vi forventede at se en meget højere procentdel af diamantlignende kulstof."

Produkterne fra detonation, partikelstørrelsens dynamik og typen af ​​produceret kulstof kan korrelere direkte med typen af ​​sprængstof, og forbedring af computermodeller af eksplosiv ydeevne, fører til bedre forudsigelsesevne til at sikre sikkerheden, sikkerhed, og effektiviteten af ​​den amerikanske nukleare afskrækkelse.

Analyse af røntgenspredningsdataene fra TRSAXS afslørede hurtig initial vækst af kulstofklynger inden for 200 nanosekunder bag chokbølgefronten i den tre-grams eksplosive prøve. Analyse af genvundne produkter viste, at partikelstørrelsen ikke oversteg en diameter på 8,4 nanometer, og at partikelstørrelsen bekræftede, at partikelvæksten ikke fortsatte efter 200 nanosekunder for denne ladningsstørrelse.

"Det, vi virkelig forsøger at gøre, er at forstå, hvordan denne proces udvikler sig over tid, " sagde Dattelbaum, "så vi bedre kan forudsige hastigheden og energien leveret af et givent eksplosiv."