等离子体点火中止后回收发射药的X射线荧光光谱分析

等离子体点火中止后回收发射药的X射线荧光光谱分析
摘要：利用中止燃烧装置，对单基药、双基药、太根药及硝胺药等不同种类发射药进行常规方式和等离子体点火 的比较研究。燃烧中止后，回收得到残存发射药。对这些回收发射药表面进行X射线荧光光谱(XRF)分析，以检 测发射药表面由于等离子体带来的金属含量。15／19单基药和硝胺药表面的cu沉积很少；沉积在太根药样品表 面的cu元素，经估算后其含量约为Pb元素的20％左右；而等离子体点火双芳．3的XRF谱图中，cu元素所处的峰 的强度明显增强，经估算后其含量约为Pb元素的50％左右。cu元素在不同配方发射药表面沉积的相对含量与金 属蒸汽罩模型的观点存在不一致。试验结果表明：与常规点火方式相比，等离子体点火燃烧中止后回收得到的发 射药表面有金属cu离子或原子沉积。cu在发射药表面沉积的相对含量与等离子体发射药能量转移方式、发射药 的配方及燃烧状况相关。

1 引 言 等离子体应用于发射药的点火，能缩短点火延迟 时间，点火重现性好 ；容易消除装药温度敏感性 ； 能增加燃气生成速率 ；能点燃常规点火方式难以 点燃的低易损火药及高装填密度装药等 。 等离子体温度很高，一般在10000 K以上， 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计| 折射仪| 采样仪| 有的甚 至可以超过50000 K。因此，等离子体作用下，火药的 热分解、点火和燃烧与常规点火条件下的行为相比肯 定有所变化。大量实验事实已经表明等离子体点火不 同于常规点火，点火过程是一个包含热传导、对流和辐 射的复杂过程 】。其中等离子体的一个显著特点是 辐射作用，它主要以紫外线(uV)和可见光的形式存 在。有关辐射在等离子体与发射药能量转移的作用机 理研究也正在大量展开。 美国陆军研究实验室(ARL)的研究 表明辐射 热流可引起火药温度升高、高温辐射改变化学反应速 率(发射药热化学的改变、光化学反应的发生)等，能 显著增强发射药的燃烧。
但是，也有学者认为，等离子体对发射药点火时的 辐射作用不重要，甚至可以忽略。如英国学者Taylor 研究认为，对于高功率的等离子体的点火，辐射作用在 能量转移方面处于主导地位，但是，在低功率、低密度 等离子体的点火过程中，辐射作用大大减弱，可以忽 略。他给出了实验证据，同时提出了一种新的理论假 设，认为在低功率固体电热化学炮的等离子体点火过 程中，能量的转移主要以金属蒸汽(metallic vapor)沉 积的方式为主。 Taylor等利用电感耦合等离子体原子发射药光谱 法表征金属蒸汽在发射药表面的沉积及其含量 ，该 项研究的主要缺点在于仅能测量由等离子体喷孔喷射 出来的等离子体中金属蒸汽沉积到惰性发射药表面的 含量，没有考虑到等离子体点火发射药瞬间，等离子体 与发射药相互作用的动态特性。从而使得等离子体与 发射药相互作用的能量转移机理研究中缺乏发射药配 方和组成的贡献。因此金属蒸汽罩模型观点仍然需要 进一步的试验验证。 为了更深入研究发射药配方等对等离子体点火性 能的影响，本研究主要利用等离子体点火燃烧中止试验 装置，对等离子体点火燃烧中止后残存发射药表面进行 X射线荧光光谱(XRF)分析，检测发射药表面的金属含 量，从而讨论等离子体点火蒸汽罩模型的适用范围。

2 试验
2．1 试验材料及准备 15／19单基药、太根药和双芳一3发射药均采用制 式发射药，其中太根药为19孑L。硝胺药为南京理工大 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 肖正刚等：等离子体点火中止后回收发射药的x射线荧光光谱分析 53l 学黄振亚研究员提供。等离子体点火方式采用聚乙烯 毛细管消融放电方式，其初始放电电压均为3000 V， 亦即等离子体的电能密度是一致的。常规的点火方式 中所用的点火药为黑火药或2／1樟。 开始试验前称取一定质量的发射药置于燃烧室 内，调整好发射药的燃烧表面正对等离子体喷孔，并保 持距离3—14 mm。
2．2 试验装置 实验中，发射药的等离子体点火中止燃烧试验采 用图1所示装置。该装置主要由脉冲功率源、等离子 体发生器、密闭燃烧室和测试系统四部分组成。常规 点火方式仍然用图1所示的本体，仅在点火头部分改 用常规的点火方式。 图1 等离子体点火中止试验装置结构示意图 1一等离子体发生器，2一高压开关，3一脉冲形成网络， 4一燃烧室，5一发射药，6一挡片， 7一剪切孔，8一泄气孔，9一测压孔 该装置设有泄气孔和剪切孔。剪切孔中置有挡 片，一般为铜片或铝片，根据不同压力、不同任务可调 节其厚度，从而达到不同的试验目的。发射药点火燃 烧过程中，通过测压孔处安置测试系统，可以安全有效 地采集压力和电流瞬态数据。
2．3 试验方法
2．3．1 等离子体点火中止燃烧试验 等离子体点火中止燃烧实验的基本过程：高压电 源开关闭合，经调压器调节，输入脉冲形成网络(PFN)， PFN提供强脉冲电流，引发等离子体发生器工作，产生 高温等离子体流，以高压拉弧、喷射或者其它方式作用 于密闭燃烧室内的固体发射药，与发射药表面相互作 用，使得发射药达到点火温度进而开始点火燃烧。发射 药点火燃烧达到一定程度后，本体内部压力达到挡片所 能承受的最大压力时，挡片受到瞬时剪切力被破坏飞 出，本体泻压，中止仪内燃烧着的发射药因迅速降压而 熄火，将其回收，进行表面观察或化学分析。
2．3．2 X射线荧光光谱分析 x射线荧光光谱分析是透过次级辐射所产生的不 同能量特性来辨认、识别元素及进行定量分析。 试验测试用的x射线荧光光谱分析所用仪器型 号为：顺序取样x射线荧光光谱仪ARL 9800，激发电 压为50 kV，电流50 mA。测试试样无须标定，可完成 自动取样检测。

3 结果与讨论 等离子体点火和常规点火的XRF谱图中都发现 了Fe元素和Pb元素，Fe元素来自密闭燃烧室的本体 或其它硬件，Pb元素为发射药组分所含。对于同一配 方发射药，一般为定值，因此可以用来作参比值。 图2一图4分别是19／19太根药、双芳-3发射药和硝胺 药表面的XRF分析结果。 图2 19／19太根药表面XRF分析 Fig．2 XRF analysis results of 19／19 TEGN propellant 图2所示的19／19太根药XRF谱图中，在原始样 品和常规点火下，19／19太根药表面没有Cu元素的明 显证据(当元素强度低于一定值时，可以认为不存 在)，等离子体点火中止后残存的发射药表面，可以观 察到Cu元素，相对原样和常规点火下的发射药，强度 明显增强，说明了等离子体中含有的Cu元素沉积在 太根药样品中，经估算后其含量约为Pb元素的20％ 左右。试验结果与文献[3]的报道一致。试验过程中 等离子体点火的起爆丝是铜丝，放电瞬间，铜丝在两极 间被大电流加热，经历加热、熔化、气化、电爆炸以至电 离，形成等离子体，经等离子体喷孔喷射并沉积在发射 药表面。根据英国学者Taylor 的金属蒸汽罩模型观 点，这些Cu在高温下将以蒸汽的形态在发射药的表 面形成金属蒸汽罩，在发射药的表面经历低温冷却、沉 积，最终将能量从等离子体转移至发射药的表面，从而 达到发射药表面升温，进而点燃的目的。 双芳．3发射药表面的XRF分析结果如图3所示。 图3所示的双芳一3的XRF谱图和图2类似。但 在等离子体点火双芳-3的XRF谱图中，Cu元素所处 的峰的强度明显增强，经估算后其含量约为Pb元素的 50％左右。然而在本试验中双芳一3等离子体点火困 难，没能实现点火燃烧，回收得到的双芳一3发射药的 表面被冲击出现了裂痕，从表面可以看到被覆盖了大 量金黄色的Cu。利用该发射药在同样的试验条件下 作了重复试验，仍然得到同样的结果。根据金属蒸汽 罩模型的观点，大量Cu在发射药表面的沉积将会使 得等离子体的能量迅速转移到发射药的表面，使得发 射药表面快速升温，从而点燃发射药。本试验中相同 点火条件下，双芳．3等离子体点火困难，而回收得到 发射药的表面覆盖了大量金黄色的Cu，这与蒸汽罩模 型的观点是不一致的。
图4是相同条件下硝胺药表面的XRF分析结果。 从图4可以看出，相同条件下，15／19单基药和硝 胺药表面发现Cu沉积很少。结合回收样品的表面观 察，可能的原因是等离子点火后，表面发生大量热分 解，持续了一段时间的稳定燃烧，表面已经被严重破 坏，等离子体中Cu元素很难附着在发射药表面。 以上试验结果表明，含金属的热流在发射药表面 的冲击和存积可能导致等离子体点火与常规点火有极 大的不同，能显著影响点火能量的传递和作用方式。 蒸汽罩模型的提出能说明等离子体与发射药相互作用 的一些现象。然而从本试验结果可以看出，金属蒸汽 罩模型的适用范围是有限的，不同配方发射药的等离 子体点火试验中，Cu在发射药表面沉积的相对含量与 蒸汽罩模型的观点存在不一致。
进一步的分析表明，金属蒸汽罩模型建立在Cu 蒸汽对惰性发射药表面的相互作用试验结果上，与等 离子体的电能密度相关，没有充分考虑到等离子体射 流与发射药之间的化学及辐射效应，对于辐射与热金 属蒸汽的能量转移机制的判别没有得出有力的结论。 Cu在发射药表面沉积的相对含量不仅与等离子体的 电能密度相关，还与等离子体发射药能量转移方式、发 射药的配方及燃烧状况相关。不同配方发射药与等离 子体的相互作用能导致等离子体与发射药相互之间能 量转移方式的不同，从而影响Cu离子或原子沉积在 发射药表面的相对含量。

4 结 论 x射线荧光光谱分析残存发射药表面金属含量， 较原始样品和常规点火，等离子体点火条件下，部分样 品中Cu的含量有较大升高，是等离子体发生器中Cu 丝激发产生等离子体射流，喷射在发射药表面并沉积 的结果。Cu在发射药表面沉积的相对含量不仅与等 离子体的电能密度相关，还与等离子体发射药能量转 移方式、发射药的配方及燃烧状况相关。