Патент на изобретение №2176070

(54) СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО ИНИЦИИРОВАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНИЦИИРОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗНЕСЕННЫХ ЗАРЯДОВ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования в горном деле, добыче нефти и газа и других полезных ископаемых. Изобретение позволяет повысить надежность инициирования, увеличить количество одновременно инициируемых зарядов при одинаковой энергии лазерного излучения и упростить изготовление устройства для инициирования. Сущность изобретения заключается в том, что оптическая среда выполнена в виде оптического полимера с показателем преломления более показателя преломления световедущей жилы оптического волокна. Оптический полимер нанесен на оптические окна в виде тонкой пленки и/или введен в состав инициируемого заряда. Оптические окна выполнены с площадью не менее 0,1 мм². Для управления инициированием пространственно разнесенных зарядов источник световой энергии связывают с упомянутыми зарядами посредством оптического волокна, выполняют в последнем оптические окна, которые располагают последовательно по его длине. Управляют энергией инициирования с использованием заданных свойств оптической среды. Оптическую среду наносят на оптические окна в виде тонкой пленки и/или вводят в состав инициируемого заряда, а показатели ее преломления увеличивают по мере удаления от источника световой энергии. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области горного дела, в частности представляет собой систему инициирования пространственно разнесенных зарядов при взрывных работах как на дневной поверхности, так и при проходке тоннелей, шахт, а также при взрывных работах в глубоких скважинах.

Известна система электровзрывания зарядов и способ соединения взрывной линии, когда реакция горения или взрывчатого превращения зарядов возбуждается тепловой энергией, получаемой при прохождении электрического тока по мостику накаливания, который контактирует с инициирующим зарядом электродетонаторов (см. Фридляндер Л.Я. Справочник по пространственно взрывной аппаратуре, М.: Недра, 1983).

Основным недостатком электрических взрывных устройств является возможность несанкционированного взрыва, приводящего к несчастным случаям и авариям вследствие воздействия какого-либо высокочастотного сигнала, статического электричества и токов наводки. Для повышения уровня электрозащищенности используют электростатическую защиту, а также увеличение величины безопасного тока. Однако электростатическая защита эффективна лишь в определенных пределах, а увеличение безопасного тока ограничено возможностями источников питания, так как с увеличением безопасного тока увеличивается импульс воспламенения электроизделия.

Другими недостатками электровзрывания, приводящими к удорожанию проведения работ, являются: необходимость использования большого количества контрольно-измерительной аппаратуры и обслуживающего персонала, следящего за ее состоянием; невозможность ведения работ при повышенной ионизации воздуха и влажности (вблизи линии электропередачи). В случае подрыва в глубоких скважинах воздействие взрыва приводит к повреждению кабеля, а несанкционированное срабатывание – к потере скважины или ее продолжительному ремонту.

Известна система инициирования пространственно разнесенных зарядов, которая включает лазер, заряды, пучок оптических волокон в качестве светового тракта, которые связывают заряды с выходом лазера для передачи оптической энергии от выхода лазера вдоль продольной оси оптического волокна до подрываемых зарядов посредством передаваемой оптической энергии (патент США N 3812783, кл. F 42 C 13/02, F 42 D 1/04 1974).

Основным недостатком известного решения по патенту США N 3812783 является большое количество световедущих жил и оптический распределитель, а также невозможность проведения контроля целостности светового тракта, так как торец световода вторым концом от источника излучения вставляется вплотную к взрывчатому составу детонатора.

Известна система инициирования пространственно разнесенных зарядов и способ соединения оптического волокна с взрываемым зарядом по патенту РФ N 2100772, кл. F 42 D 3/00, F 42 C 13/02, которую можно принять в качестве наиболее близкого аналога по отношению к предлагаемому изобретению, где оптическая энергия от лазера, обеспечивающая возможность детонации, передается по оптическому волокну, имеющему кольцевые канавки или изгиб под углом 30-90^oC, на котором выполнена плоская площадка.

Недостатком известной системы лазерного инициирования является недостаточная надежность инициирования, необходимость использования высокочувствительных взрывчатых веществ (ВВ) в качестве инициируемого заряда, что в первую очередь связано с большими потерями энергии по границе ВВ – световод.

При большом количестве зарядов (для обеспечения оптимального распределения энергии лазера) возможно управление энергией только размером оптического окна, через которое инициируется заряд. Однако очень малые размеры окна не обеспечат плотность энергии, необходимой для инициироваяия зарядов. Использование больших окон приведет к значительной потере энергии лазера на малом количестве окон.

Задачей настоящего изобретения является создание системы лазерного инициирования через окна, расположенные на боковой поверхности световода, обладающего повышенной надежностью, более простого в изготовлении, способного инициировать гораздо большее число зарядов при одинаковой энергии лазерного излучения, а также создания способа управления инициированием пространственно разнесенных взрываемых зарядов.

Поставленная задача достигается тем, что передача энергии от источника к инициируемому заряду обеспечивается через оптическую среду (ОС) с заданными свойствами, в свою очередь инициируемый заряд может быть совмещен с оптической средой.

Сущность изобретения: система лазерного инициирования пространственно разнесенных зарядов включает: источник световой энергии, связанный с оптическим волокном, световедущую жилу и оболочку, в которой выполняют оптические окна и располагают последовательно по длине оптического волокна, и инициируемые заряды, последние связывают с источником световой энергии через оптические окна посредством оптической среды, которую выполняют в виде оптического полимера, с показателем преломления более показателя преломления световедущей жилы оптического волокна. Оптический полимер наносят на оптические окна в виде тонкой пленки и/или вводят непосредственно в состав инициируемого заряда, причем оптические окна выполняют с площадью не менее 0,1 мм². Оптический полимер, введенный в состав инициируемого заряда, выполняют в виде нелинейно-оптической среды с поглощающими добавками. В качестве поглощающей добавки используют фуллерен.

Сущность способа управления инициированием пространственно разнесенных зарядов, при котором источник световой энергии связывают с упомянутыми зарядами посредством оптического волокна через оптические окна, расположенные последовательно по длине волокна, заключается в том, что управление энергией инициирования осуществляют заданием свойств оптической среды, которую наносят на оптические окна в виде тонкой пленки и/или вводят непосредственно в состав инициируемого заряда, а показатели преломления оптической среды увеличивают по мере удаления от источника световой энергии. Управление инициированием осуществляют, кроме того, за счет введения в оптическую среду поглощающих добавок – фуллеренов с разной молекулярной массой, а также изменением площади оптического окна с размерами от 0,2 до 3 мм и изменением поверхности оптического окна в виде отрицательных и/или положительных линз.

Предложенная система лазерного инициирования и способ управления инициированием пространственно разнесенных зарядов позволяет использовать не только лазерные источники энергии, а любые излучатели, энергия которых может передаваться по волокну (галогенные лампы, ксеноновые лампы, сконцентрированная солнечная энергия, системы пиротехнической накачки и т.д.).

За счет управления свойствами ОС, передающей энергию от источника к инициируемым зарядам, можно использовать широкую гамму инициируемых веществ. Для существующего оптического кварцевого волокна этот диапазон составляет от 200 до 3000 нм (см. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965, с. 144-148). При расширении оптического диапазона (создание волокон на основе фторидов, сапфира и т.д.) это устройство и способ сохраняют свою актуальность.

В качестве оптической среды могут быть использованы различные полиамиды, смолы, полиэфиры, поликарбонаты, эпоксидные смолы, поли-4-метил-пентен-1 и т.д. с различными добавками, имеющие коэффициенты преломления n > 1,46.

В качестве инициируемого заряда могут быть использованы бризантные взрывчатые вещества (БВВ) (тэн, гексоген, октоген и др.), инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ) (азиды, азо- и дназосоединення, соли полинитроароматических соединений, например тринитрорезорцинат свинца), координационные соединения с высокоэнергетическими лигандами (переходных металлов с перхлорат-ионом, например, циркон) смесевые твердые ракетные топлива, пороха и пиротехнические составы. Использование данного ВВ в качестве инициируемого заряда связано с мощностью источника излучения и количеством одновременно подрываемых зарядов.

Система лазерного инициирования пространственно разнесенных зарядов включает лазер, оптическое волокно в качестве светового тракта, инициируемые заряды, расположенные последовательно по длине оптического волокна, находящиеся напротив оптических окон, сделанных в оптическом волокне.

Инициируемый заряд может быть выполнен как в виде воспламенителя (с присоединением отдельного лучевого капсюля-детонатора), так и в виде детонатора.

Оптические свойства прессованных порошков ВВ представляют для видимого и ближнего ИК-диапазона спектра, как правило, типичную диффузионно-рассеивающую среду с плотной упаковкой рассеивателей. Зеркальной составляющей в большинстве случаев можно пренебречь. Величина коэффициента отражения изменяется от минимальной, определяемой френелевскими потерями до 1. Для прессованных ВВ без добавок коэффициент отражения составляет более 70-80% в диапазоне видимого и ближнего ИК-спектров. (см. Александров Е.И., Вознюк А. Г., Ципилов В.П. Влияние поглощающих примесей на зажигание ВВ лазерным излучением. Физика горения и взрыва, 1989, N 1, с.

В общем случае поглощение является функцией состава среды, в то время как рассеяние определяется негомогенностью и разрывами в массе вещества. Отражение является функцией угла падения, длины волны, плотности упаковки, формы и размеров кристаллов ВВ, коэффициента поглощения материала и комплексного коэффициента преломления (n). Введение оптической среды в систему лазерного инициирования и/или введение ОС в небольших количествах (до 2-5%) непосредственно в ВВ позволяет управлять коэффициентом преломления.

Управление показателем преломления осуществляется в соответствии с законом Снеллиуса (см. Волоконная оптика и приборостроение. Под ред. М.М. Бутусова. Л.: Машиностроение, 1987, с. 18-19).

n₁ sinQ₁ = n₂ sinQ₂
где n₁ – показатель преломления света ведущей жилы;
n₂ – показатель преломления ОС.

Q₁ – угол падения света;
Q₂ – угол преломления.

Критический угол падения
Q_c = arcsin n₂/n₁
Q_c – это угол, при котором преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. Если Q₁ > Q_c происходит полное отражение, что и используется для оптических волокон со ступенчатым показателем преломления. При Q₁ < Q_c свет проходит в оптическую среду, что можно использовать для управления энергией инициирования.

Нелинейно-оптические свойства среды связаны с тем, что под действием электромагнитного излучения в среде возникает дипольный момент и атомы среды поляризуются. При этом возникают эффекты генерации гармоник, двухфотонное поглощение, вынужденное комбинационное рассеяние и так далее. Это приводит к появлению новых частот в спектре. Обзор эффектов нелинейной оптики хорошо рассмотрен в монографии (см. Бломберген Н. Нелинейная оптика. Пер. с англ. М. : Мир, 1966, 298 с.). Одним из веществ, вызывающих нелинейно-оптические свойства среды являются фуллерены.

Введение фуллеренов в ОС приводит к обратимому насыщаемому поглощению. Так, например, для фуллеренов C₆₀ область оптического взаимодействия с излучением составляет 400 – 700 нм. Для фуллеренов C₇₀, C₇₈, C₈₄ она сдвигается в длинноволновую часть спектра (см. Оптический журнал, 1997, т. 64, N 9, с. 82).

На основании существующих представлений процессов инициирования лазерным излучением ВВ, основанных на том, что в основе процесса инициирования лежит разогрев отдельных поглощающих включений или других оптических неоднородностей с образованием локальных тепловых очагов, введение поглощающих примесей способствует образованию дополнительных центров разогрева. В качестве таких поглощающих добавок к порошкообразным ВВ известны использования только тонкодисперсных металлических порошков, графита, сажи, введение добавок в ВВ приводит к увеличению коэффициента поглощения (см. ФГВ, 1989, N 1, с.7). Однако при их значительном введении заметно уменьшается коэффициент отражения, что приводит к падению освещенности включений, в силу чего резко увеличивается порог инициирования. Уменьшение плотности запрессовки ВВ значительно увеличивает порог инициирования вследствие большого рассеивания. Введение же в небольших количествах оптических полимеров (до 1 – 5% ВВ) вместе с поглощающими примесями приводит к тому, что заряд ВВ с добавками может подпрессовываться при небольших усилиях или вовсе не прессоваться, а наноситься в тестообразном состоянии.

Использование в качестве поглощающей добавки углеродного кластера, которым является фуллерен, в количестве не более 1% позволяет уменьшить порог инициирования ВВ в разных диапазонах оптического спектра излучения. Пример конкретного выполнения такого состава и изготовления инициируемого заряда устройства (системы) лазерного инициирования приведен ниже. Состав состоит из ВВ – 94 – 95%; оптического полимера – 2-5%, поглощающей добавки – до 1%.

В качестве поглощающей добавки брали суспензию фуллерена в толуоле (C₇₀ и выше), в качестве оптического полимера – полиметилметакрилат в соответствующем растворителе (например, смесь ацетона и бутилацетата), в качестве ВВ – мелкокристаллический октоген или ТНРС. Состав замешивали на растворителе и наносили в оболочку в тестообразном состоянии с последующей подпрессовкой от руки. После удаления растворителя состав затвердевал. Инициирование осуществлялось от лазера (неодим) = 1060 нм с мощностью 0,4 и 1 Дж соответственно для зарядов на основе ТНРС и октогена. Число инициируемых зарядов по крайней мере 10.

Учитывая ослабление энергии, передаваемой по волокну, за счет потерь в волокне и в оптических окнах на инициирование зарядов, можно перераспределить энергию с помощью увеличения показателя преломления ОС по мере удаления от источника энергии.

Поглощение энергии в большинстве случаев характеризуется законом Бугера-Ламберга-Бера.

Рассмотрим пример конкретных систем: а) световод – ВВ; б) световод – ОС-ВВ. С точки зрения оценки минимально возможного Френелевского отражения при угле падения (без учета рассеяния), равном нулю:

ВВ n = 1,8
воздух n = 1,0
световод n = 1,46
Отражение на границе световод – воздух 4%;
На границе воздух – ВВ 8,15%.

Если принять во внимание коэффициент отражения света от тонких слоев на границе световод – воздух или световод – ВВ, то становится понятной важность введения между световодом и ВВ оптической среды. Данные приведены в таблице (см. Суйковская Н.В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Л.: Химия, 1971, с. 121).

Детальное изучение рассеяния дисперсных систем с помощью компьютерных программ можно получить на основании теории Ми. (см. Ван де Хюлет Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Иностранная литература, 1961, 460 с.).

Наиболее важным является способ крепления и расположения зарядов напротив оптических окон. Заявленное техническое решение рассматривается на примере представленного элемента устройства на фиг. 1.

Принципиальный элемент устройства состоит из световедущей жилы (световода) 1, находящегося в полимерной оболочке 2, окна 3, инициируемого заряда 4, находящегося в корпусе 5. Окно имеет площадь не менее 0,1 мм². Оптическая среда непосредственно входит в состав инициируемого заряда 4 или наносится тонкой пленкой на окна 3.

Оптическое окно представляет собой вырез определенного сечения в светоотражающей и защитной оболочке оптического волокна площадью сечения не менее 0,1 мм². На сердечник световедущей жилы многомодового оптического волокна в местах вырезов наносится оптически прозрачный полимер и/или оптически прозрачный отверждаемый полимер, входящий непосредственно в состав инициируемого заряда в качестве связуемого с показателем преломления более показателя преломления световедущей жилы (для кварцевого волокна n > 1,46).

Геометрически оптическое окно не выходит за размеры полуокружности сечения световедущей жилы.

Для управления инициированием можно использовать как размер оптического окна от 0,2 до 3 мм, так и форму оптического окна, выполненного в виде отрицательной (фиг. 2а) или положительной (фиг. 2б) линз, с использованием метода испарения или наплавления материала.

На фиг. 3 показана система инициирования, включающая источник излучения, оптическое волокно с инициируемыми зарядами.

Таким образом, управляя свойствами оптической среды и геометрическими параметрами оптических окон, можно оптимизировать энергию инициирования взрываемых зарядов.

Заявленное техническое решение полностью выполняет поставленную задачу, является оригинальным, в нем применен нетрадиционный подход к решению проблемы, в частности используется для инициирования боковая поверхность световода через оптические окна, покрытые оптической средой с заданными свойствами, что значительно уменьшает потери энергии на отражение и рассеяние.

Заявляемый способ управления осуществляется заданными свойствами оптической среды, передающей энергию от источника к заряду, и позволяет использовать систему лазерного инициирования при разных длинах волн источника излучения.

Заявленная система лазерного инициирования и способ управления инициированием пространственно разнесенных зарядов может найти широкое применение как при взрывных работах в глубоких скважинах, так и при проходке туннелей, шахт и при проведении взрывных работ на открытой поверхности земли.

Формула изобретения

1. Система лазерного инициирования пространственно разнесенных зарядов, содержащая источник световой энергии, связанный с оптическим волокном, включающим световедущую жилу и оболочку, в которой выполнены оптические окна, расположенные последовательно по длине оптического волокна, и инициируемые заряды, связанные через упомянутые окна с источником световой энергии посредством оптической среды, отличающаяся тем, что оптическая среда выполнена в виде оптического полимера с показателем преломления более показателя преломления световедущей жилы оптического волокна, при этом оптический полимер нанесен на оптические окна в виде тонкой пленки и/или введен в состав инициируемого заряда, а оптические окна выполнены с площадью не менее 0,1 мм².

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что оптический полимер, введенный в состав инициируемого заряда, выполнен в виде нелинейно-оптической среды с поглощающими добавками.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что поглощающая добавка выполнена в виде фуллерена.

4. Способ управления инициированием пространственно разнесенных зарядов, при котором источник световой энергии связывают с упомянутыми зарядами посредством оптического волокна, выполняют в последнем оптические окна, которые располагают последовательно по его длине и управляют энергией инициирования с использованием заданных свойств оптической среды, отличающийся тем, что оптическую среду наносят на оптические окна в виде тонкой пленки и/или вводят в состав инициируемого заряда, а показатели ее преломления увеличивают по мере удаления от источника световой энергии.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в оптическую среду вводят фуллерены с разной молекулярной массой.

6. Способ по п. 4 или 5, отличающийся тем, что поверхность оптических окон выполняют в виде положительных и/или отрицательных линз.

7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что оптические окна выполняют с размерами 0,2-3 мм и площадью не менее 0,1 мм².

РИСУНКИ