Optical fiber metrology for detonation characterization of energetic materials

Abstract

Detonation metrology is essential for the development of energetic materials, to characterize existing explosives, and to characterize materials behavior under high pressures. This work aimed to develop detonation metrology based on optical fibers that is independent of the radiation generated from the detonation and/or shock process, as well as based on a light converting system that is not expensive and which signals are easy to read. To achieve these objectives, multimode PMMA optical fibers (250 μm diameter) working as bare probes or protected probes, with stainless steel tubes, were tested. Two working methods, in terms of radiation generation, were applied and discussed. In the optical passive method (OPM), the optical fiber probes capture the radiation generated by the detonation/shock process, originating a positive electrical signal. The optical active method (OAM) consists of transmitting laser radiation (660 nm) through the optical fiber probes that lose their transmission properties when shocked by a detonation or shock wave, which originate negative electrical signals. The different probes and methods were used to determine detonation velocity and pressure of Seismoplast, a PETN-based explosive with a density of 1.56 g/cm3. The different methods and probes were extensively studied to determine their limitations. These limitations make that different probes have to be used on the OAM, according to the parameter that is desired to measure and to the shape of the charge. To find the PCJ, the movements x(t) of the shock waves generated by the detonation of Seismoplast in three inert materials were characterized. With the explosive/inert material interface shock velocities were possible to find the pressures and particle velocities and, through the impedance matching technique (IMT) it was determined the CJ pressure of Seismoplast. For rectangular cross-section charges using the OPM with the two different probes, the detonation velocities obtained ranged from 7237 to 7336 m/s, with standard deviations between 1.1 and 6.0 %; for the active optical method, the experimental results for detonation velocity varied between 7258 and 7367 m/s and were obtained with a standard deviation range of 0.6 to 1.7 %.The OAM with bare optical probes was used to measure the induced shock wave velocities generated by Seismoplast on different thicknesses of PMMA (1–9 mm), aluminum, and copper (1–7 mm). Based on the shock wave velocities at the interfaces between the explosive and the inert barriers, the CJ pressure of Seismoplast was determined as 21.2 GPa. Based on the CJ point (PCJ, uP, CJ) and an empirical method proposed by Cooper, it was possible to estimate the Hugoniot of detonation products of Seismoplast. The OAM, with bare and protected optical probes, was used to determine the detonation velocity of two other compositions, HWC (based on RDX) with a density of 1.68 g/cm3, and TKX-50, an energetic ionic salt with a density of 1.70 g/cm3. This method with bare optical probes was also used to estimate the detonation pressure of TKX-50.

A metrologia da detonação é essencial para o desenvolvimento de materiais energéticos, para a caracterização dos explosivos existentes, e para caracterizar o comportamento dos materiais sobre altas pressões. Este trabalho teve como objectivo desenvolver uma metrologia de detonação baseada em fibras ópticas que é independente da radiação gerada pelo processo de detonação/choque, e que incorpora um conjunto de componentes para o sistema de conversão optoeléctrico relativamente simples. As sondas utilizadas nesta metrologia são baseadas em fibras ópticas multimode de PMMA (250 μm de diâmetro). Estas sondas consistiram em fibras ópticas desprotegidas, ou protegidas com tubos de aço inox. Foram aplicados e discutidos dois métodos de funcionamento desta metrologia, em termos da radiação gerada. No método óptico passivo (MOP), as sondas de fibra óptica capturam a radiação gerada pelo processo de detonação/choque, dando origem a um sinal eléctrico positivo. O método óptico activo (MOA) consiste na transmissão de radiação laser (660 nm) através das sondas de fibra óptica, as quais perdem a capacidade de transmissão quando são chocadas por uma onda de detonação ou de choque, originando sinais eléctricos negativos. Os métodos foram testados na determinação da velocidade (D) e pressão (PCJ) de detonação do Seismoplast, um explosivo baseado em PETN com densidade de 1.56 g/cm3. Os diferentes métodos e sondas foram estudados intensivamente para determinar as suas limitações, as quais fazem com que tenham de ser usadas sondas diferentes no MOA, de acordo com o parâmetro que é desejado medir. Para determinar a PCJ foi necessário caracterizar o movimento x(t) da onda de choque gerada pela detonação do Seismoplast em três materiais inertes diferentes. Com as velocidades de choque nas interfaces explosivo/material inerte foi possível calcular as respectivas pressões e velocidades do ponto material e, através da técnica de adaptação de impedâncias, obteve-se a pressão de CJ do Seismoplast. Quando se utilizou o MOP em cargas de secção rectangular com os dois tipos diferentes de sondas, as velocidades de detonação medidas variaram entre 7237 to 7336 m/s, com desvios padrões entre 1.1 e 6%; para o MOA, os resultados experimentais da velocidade de detonação variaram entre 7258 e 7367 m/s, com desvios padrões a variar entre 0.6 e 1.7%. O MOA com sondas de fibras ópticas desprotegidas foi utilizado para determinar a velocidade da onda de choque induzida pelo Seismoplast em função das espessuras de PMMA, alumínio e cobre. Com base nas velocidades da onda de choque calculadas nas interfaces explosivo/barreira inerte, o resultado para a pressão de CJ do Seismoplast foi de 21.2 GPa. A partir da determinação do ponto de CJ (PCJ, uP, CJ) e do método empírico proposto por Cooper, foi possível estimar a curva de Hugoniot para os produtos de detonação do Seismoplast. O MOA, com sondas de fibras ópticas desprotegidas e protegidas, foi utilizado para determinar a velocidade de detonação de outras duas composições, HWC (baseado em RDX) com densidade 1.68 g/cm3, e TKX-50, um sal iónico energético com densidade 1.70 g/cm3. Este método também foi utilizado, com sondas ópticas desprotegidas, para estimar a pressão de detonação do TKX-50.