Результат интеллектуальной деятельности: Лазерный капсюль-детонатор

Изобретение относится к средствам взрывания, а именно к лазерным средствам инициирования (ЛСИ), для использования в горнорудной и угледобывающей промышленности, в сейсморазведке, в нефтедобыче при перфорации скважин, в строительстве и спецтехнике для подрыва одиночных и разнесенных зарядов при многоточечном инициировании.

Применение систем инициирования с лазерным (оптическим) инициированием позволяет существенно повысить технологичность и безопасность работ, что обуславливается высоким уровнем стойкости к электромагнитным воздействиям и разрядам статического электричества.

Основными преимуществами оптоволоконных систем по сравнению с электрическими являются: малое затухание сигнала, нечувствительность к электромагнитным помехам, малые габаритные размеры и масса кабелей. Оптоволоконный кабель защищен от внешних воздействий (температура, агрессивная среда, влажность, грунтовые воды, грызуны), более безопасен по сравнению с электрическим кабелем для обслуживающего персонала (по опасности поражения электрическим током, взрыво- и пожароопасности).

Известен «Предохранительный детонатор»», описанный в патенте РФ №2424490 от 20.07.2011, содержащий корпус, оптический взрыватель, воспламенитель, чашечку с первичным инициирующим ВВ (ИВВ), заряд основного ВВ и линию подвода энергии в виде оптического волокна. К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции узла ввода излучения, наличие промежуточного (затворного) заряда, нетехнологичность закрепления линии подвода энергии (оптического волокна), большое время срабатывания изделия из-за наличия пиротехнической затравки. Также следует отметить нецелесообразность использования такой системы для многоточечного инициирования из-за большой разновременности срабатывания изделий и больших энергий инициирования пиротехнической затравки.

Известен «Капсюль-детонатор лазерного инициирования взрывчатого вещества» (патент на полезную модель №135789 от 25.07.2013), состоящий из металлического корпуса с последовательно размещенными в нем зарядами основного ВВ и промежуточной толстостенной оболочки с инициирующим зарядом из бризантного ВВ (БВВ), причем лазерный воспламенительный элемент установлен вплотную торцом к поверхности зажигательного пиротехнического состава, а на лазерный воспламенительный элемент помещают амортизатор с резьбовым каналом для предотвращения его излома. К недостаткам данного устройства следует отнести также большую разновременность срабатывания при инициировании группы изделий из-за использования пиротехнических составов и недостаточную надежность перехода горения в детонацию БВВ.

Известен «Детонатор на основе светочувствительного взрывчатого вещества», описанный в патенте РФ №2427786 от 24.02.2010. Лазерный детонатор содержит установленные в корпусе соосно оптический подпор и заряд ВВ, выполненный в виде инициирующей и выходной навесок ВВ. В качестве светочувствительного состава использована смесь высокодисперсного ТЭНа с наноалюминием с размером частиц не более 60 нм при плотности запрессовки 0,9-1,1 г/см³. Такой детонатор обладает высокой чувствительностью к одиночному импульсу неодимового лазера. Данный эффект связан с поглощением излучения непосредственно наночастицами с образованием «горячих точек», что приводит к инициированию экзотермической реакции в основном веществе. Недостатком данного устройства является нестабильность, со временем, свойств наноалюминия, образование окиси алюминия и потеря чувствительности состава, а также малая его технологичность.

Известна система инициирования пространственно разнесенных зарядов, которая включает в себя лазер, детонаторы, пучок оптических волокон в качестве светового тракта, которые связывают детонаторы с выходом лазера для передачи оптической энергии вдоль продольной оси оптического волокна до подрываемых детонаторов (зарядов) посредством передаваемой оптической энергии (патент США №3813783 от 03.08.1972). Каждый детонатор содержит корпус со снаряженным ВВ и фокусирующую линзу, к которой подходит оптическое волокно, поверхность ВВ покрыта тонкой алюминиевой пленкой, которая испаряется при воздействии сфокусированного лазерного излучения с образованием ударной волны, которая инициирует данное ВВ. К недостаткам данной системы инициирования следует отнести невозможность проведения контроля целостности светового тракта и большие энергии инициирования детонаторов.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является техническое решение под названием «Лазерный детонатор», описанное в патенте РФ №2596171 от 24.08.2015. Лазерный детонатор содержит установленные в корпусе соосно источник излучения, оптический подпор и заряд ВВ. Заряд ВВ выполнен в виде инициирующей и выходной навесок ВВ и снабжен градиентной оптической линзой, расположенной между источником излучения и оптическим подпором из керамики. При этом инициирующая навеска ВВ, примыкающая к оптическому подпору, выполнена из высокодисперсного вторичного ВВ, например, НКТ, с добавлением наноуглеродного компонента. Данное изделие по существу является средством инициирования, включающим в себя систему лазерного инициирования с оптической системой фокусировки и лазерный капсюль-детонатор на основе светочувствительного ВВ. Главным его недостатком является высокая стоимость, сложность конструкции и малая целесообразность его широкого применения в промышленности при многоточечном инициировании зарядов ВВ.

Задачей настоящего изобретения является создание лазерного капсюля-детонатора для многоточечного подрыва зарядов ВВ с малой разновременностью их срабатывания от одного источника излучения небольшой мощности (лазерного диода), более экономичного, изготавливаемого с минимальными затратами за счет использования серийных деталей и элементов конструкции, выпускаемых отечественными производителями.

Поставленная задача достигается тем, что источник излучения и система фокусировки вынесены из корпуса детонатора и соединены с ним посредством оптоволоконного кабеля (световода) через оптический ввод. Оптический ввод представляет собой полимерную втулку в снаряженной гильзе капсюля-детонатора с закрепленным в ней по центру световодом (световодами). Световод (световоды) вплотную примыкает (примыкают) полированным концом к оптическому подпору из фторопласта, вставленного в колпачок с запрессованным в него светочувствительным и инициирующим составами.

Источник излучения (лазерный диод) с системой фокусировки и с выводом из нее излучения через транспортный световод соединен с одним или несколькими КД через инициирующие световоды, полированные концы которых соединены с транспортным световодом через коннектор (оптический разветвитель-соединитель). Оптический ввод расположен внутри полимерной втулки, вставленной в дульце КД, и выполнен с двумя световодами: один обеспечивает инициирование, а второй передает отраженный свет и показывает готовность системы к работе. В качестве светочувствительного ВВ используют ТНРС-М (ТНРС, модифицированный наномодификатором - астраленом), при соотношении компонентов: ТНРС - 99,5-99,9%, астрален - 0,5-0,1%. При этом модифицированный ТНРС входит в композицию или состав с азидом свинца кристаллическим при соотношении компонентов 1:3. Именно при таком соотношении компонентов обеспечивается минимальное время срабатывания при минимальной мощности излучения. При этом ТНРС-М, азид свинца и БВВ (тэн, гексоген, октоген) необходимо прессовать совместно, чем обеспечивается большая безопасность и внедрение частиц азида свинца в ТНРС-М. Навеска ТНРС-М засыпается первой в колпачок на оптический подпор, при соотношении навесок 1:3:1. Величина навесок зависит от диаметра колпачка и должна быть привязана к величине заряда азида свинца, обеспечивающего надежную детонацию БВВ, а высота общей запрессовки должна быть меньше диаметра заряда. Оптимальным удельным давлением прессования, обеспечивающим необходимую чувствительность к излучению (длина волны излучения 0,9-1,06 мкм) и малое время срабатывания с наименьшим разбросом, является давление 125±25 МПа.

Именно использование астралена в качестве наномодификатора ВВ (ТУ 2166-001-13800624-2003) позволяет увеличить чувствительность и уменьшить время срабатывания подобного состава более чем в 50 раз по сравнению с аналогичным составом без астралена, что является особенно важным для многоточечного инициирования зарядов, например, для сейсморазведки.

Известны многие вещества, которые можно отнести к наноуглеродам: наносажа, нанотрубки, фуллерены, ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза, астралены и др. Однако не все наноуглероды являются сенсибилизаторами повышения чувствительности к лазерному излучению. Так, например, высшие фуллерены С₇₈, С₈₄ имеют область оптического взаимодействия (поглощения) в области красного и ближнего ИК-спектра, а для С₆₀ она составляет 400-700 нм («Оптический журнал», т. 64, №9, 1997, с. 82).

Астрален представляет собой углеродные наночастицы фуллероидного типа тороидальной формы с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм и соотношением внешнего диаметра к толщине многослойного тора (10-3):1, имеющим средний размер 15-100 нм. Астралены, как и фуллерены, под действием лазерного излучения являются фотосенсибилизаторами синглетно-возбужденного кислорода. Они относятся к высокоупорядоченным кластерам углерода со смешанной гибридизацией орбиталей (sp³-sp²). Их можно объединить общим термином - фуллероиды или фуллероидные наночастицы.

Делокализация валентных электронов в рамках отдельного кластера в целом - их основное отличие от всех остальных гомологов углерода. Система разрешенных триплетных и синглетных состояний разветвленная, и, при этом, первое триплетное состояние имеет значение 1,63 эВ, что совпадает со значением энергии метастабильного синглетного состояния двухатомного кислорода. Это создает условия для трансферта энергии возбуждения от фуллероидов к кислороду и является способом получения синглетно-возбужденного кислорода при высоких уровнях воздействия электромагнитного излучения. Возбужденный таким образом молекулярный кислород через люминесценцию практически сразу же переходит в высокостабильное синглетное состояние с энергией 0,97 эВ. При этом время жизни молекулярного кислорода измеряется десятками и сотнями миллисекунд (журнал «Оптика и спектроскопия»: т. 108, №1, 2010, с. 148-155; т. 118, №3, 2015, с. 440-448), чего вполне достаточно для участия в реакциях окисления ВВ со значительно большей кинетической эффективностью, чем могут обеспечить известные формы активного кислорода (атомарный кислород и озон).

Использование астраленов является более выгодным, чем использование фуллеренов. Высшие фуллерены практического значения не имеют и вряд ли будут иметь в будущем, поскольку все фуллерены - это синтетические формы углерода. Так, например, в фуллереновой саже при ее синтезе содержится 7-10% фуллерена С₆₀ от массы сажи, а высших фуллеренов (С₇₀ и более) - не более 0,15%, и их выделение - крайне неэффективный процесс. Кроме того, астралены отличаются от фуллеренов большими размерами (5-150 нм и 0,67-0,70 нм соответственно) и, в связи с этим, обладают гораздо большим количеством полусвязанных и полусвободных делокализованных валентных электронов (до нескольких миллионов, против 60 у фуллерена С₆₀), что позволяет существенно увеличить выход фотофизической реакции получения синглетно-возбужденного кислорода. Поэтому введение астраленов в ВВ способствует значительному увеличению чувствительности к лазерному излучению (в красной области спектра и особенно в области ИК-излучения), при чем не только за счет поглощение квантов излучения наночастицами астралена с образованием «горячих точек», но и со специфическим механизмом, свойственным для фуллероидных наночастиц.

Для изготовления более безопасного ЛКД, не содержащего ИВВ, в качестве светочувствительного ВВ может быть использован НКТ-М - Co[(NH₃)₅(N₄C-NO₂₎] (ClO₄)₂ - перхлорат(5-нитротетразолото-N²)пентаминкобальта (III), модифицированный наномодификатором (астраленом) ТУ 7276-193-07513100-2016, который запрессован в колпачок с отверстием на вставленный в него оптический подпор из фторопласта под удельным давлением 200-250 МПа. Уменьшение давления приводит к возрастанию времени задержки воспламенения и времени срабатывания, а увеличение давления мало влияет на время, но уменьшает технологичность и безопасность снаряжения. В качестве инициирующего заряда используют НКТ или циркон-диперхлорат (трискарбогидразида) кадмия (II), снаряженный в колпачок под удельным давлением 100-120 МПа заподлицо с дульцем колпачка. Для надежного перехода горения в детонацию высота инициирующего заряда должна быть не менее 4 мм. Для усиления детонационного импульса возможна дополнительная запрессовка заряда БВВ (тэн, гексоген марки А) высотой не менее 3 мм. В качестве инициирующего заряда вместо НКТ или циркона возможно использование мелкокристаллического или высокодисперсного тэна с максимальной плотностью запрессовки 1,4 и 1,2 г/см² соответственно, при этом высота колпачка должна быть более 12 мм. Колпачок должен быть дослан в стальную или биметаллическую гильзу, например, ГА-5 ОСТ 84-1120-75, снаряженную БВВ, например, гексогеном. Прочная гильза в сочетании с оптическим вводом и подпором необходима для предотвращения газодинамической разгрузки, приводящей к увеличению времени срабатывания изделия. В гильзу до упора с оптическим подпором, находящимся в снаряженном колпачке, вставляется оптический ввод, представляющий собой полимерную втулку с закрепленным в ней по центру световодом (световодами). В качестве материала втулки также могут быть использованы цветные металлы или их сплавы. После установки оптического ввода производится фиксация полимерной втулки с закрепленным в ней по центру световодом (световодами) в корпусе гильзы путем обжатия с использованием цанговой обжимки или (при использовании гильзы с буртиком) путем прижатия с использованием резьбовой втулки и накидной гайки.

В качестве оптического подпора использованы вырубленные из фторопластовой пленки кружки с постоянным показателем преломления, немного меньшим, чем показатель преломления световедущего волокна (кварца), обеспечивающие уменьшение потерь и постоянный диаметр пятна излучения, который предохраняет ВВ от возможных механических и климатических воздействий. Оптический подпор прозрачен для оптического излучения и имеет толщину не более диаметра сердцевины многомодового оптического волокна. Увеличение толщины подпора ведет к увеличению диаметра пятна и уменьшению плотности энергии излучения.

Для обеспечения быстродействия и уменьшения разновременности инициирования зарядов ВВ выходной торец оптоволокна, из которого излучается вызывающий инициирование светочувствительного состава импульс, полируется до высокого класса чистоты и устанавливается вплотную к поверхности оптического подпора. Для проведения многоточечного инициирования возможно включение в линию оптоволоконного разветвителя, где деление оптической мощности происходит за счет сваренных стенками оптических волокон с образованием зоны с общей световедущей сердцевиной или за счет планарного делителя с вытравленными в полированной пластине ветвящимися волноводами. Входное оптоволокно делителя мощности посредством оптического разъема подключается к источнику излучения (лазерному диоду).

На фиг. 1 и 2 изображен лазерный капсюль-детонатор. В колпачок 1 вкладывают кружок 2 из фторопластовой пленки (оптический подпор), сверху запрессовывают в несколько приемов светочувствительное ВВ 3 и инициирующий заряд 4. Затем колпачок досылают в снаряженную БВВ 5 гильзу 8. Втулка полимерная 7 с инициирующим и измерительным световодами 6 вставляется в гильзу 8 и обжимается с использованием цанговой обжимки (фиг. 1) или (при использовании гильзы с буртиком) прижимается к колпачку с оптическим подпором с использованием резьбовой втулки 9 и накидной гайки 10 (фиг. 2).

Принцип работы ЛКД заключается в следующем: лазерное излучение от источника питания передается по инициирующему световоду, проходит через оптический подпор и инициирует светочувствительное ВВ, которое, в свою очередь, инициирует основной заряд. На фиг. 3 схематично показана система многоточечного инициирования зарядов. Импульс от источника излучения, проходя по транспортному световоду через оптический разветвитель-соединитель и инициирующие световоды, приводит в действие лазерные капсюли-детонаторы. Перед инициированием КД оптоволоконную взрывную цепь можно проверить на работоспособность, пропуская импульс излучения очень малой мощности по цепи. Отраженный свет от каждого КД по измерительному световоду попадает в прибор контроля, что позволяет контролировать целостность цепи и готовность ее к работе.