EP1306643A1 - Low energy optical detonator - Google Patents
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
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- F42B3/113—Initiators therefor activated by optical means, e.g. laser, flashlight
Definitions
- the present invention relates to optical detonators low energy in which priming is achieved by a laser source that can be, for example a diode laser.
- a detonator is a device designed to prime detonation an external load of secondary explosive downstream; for this, any detonator contains a small amount of secondary explosive (100 mg to 1 g) which must be brought into detonation (at least) in its terminal part from the energy supplied to the entry of the detonator by an external source.
- the optical detonator is of the type comprising a secondary explosive arranged in a cavity, an optical fiber connected by a first end to a source of laser radiation, and a optical focusing interface located between the other end of the optical fiber and the secondary explosive and adapted to transmit laser radiation to the secondary explosive.
- secondary explosives are called relatively insensitive explosives, as opposed to primary explosives, eg lead azide, who are very sensitive and therefore dangerous.
- the light energy of the laser radiation from a solid laser source in relaxed mode or a quasi-continuous laser diode is used. limited space of 1 cm 3 ) via an optical fiber to ignite the charged secondary explosive at the optical interface.
- optical detonators compared electric detonators in which the substance explosive near the input interface is in contact intimate and permanent with an electrical wire resistive heating up when passing through it a electrical current and transmitting its heat through thermal conduction to the explosive substance that the coating but can be activated accidentally by unexpected electrostatic discharges or induced currents due to radiation electromagnetic parasites.
- the state of the technique teaches to optically boost the explosive secondary, ie to mix with this explosive secondary (particle size close to 3 ⁇ m) between 1 and 3% by weight of ultrafine carbon black (from a particle size between 50 and 200 nm) which absorbs laser light.
- the laser energy threshold is lowered ignition, which ensures ignition thermal of the explosive composition even with laser diodes that deliver a nominal power of one watt for 10 milliseconds.
- the coefficient of thermal expansion of secondary explosive crystals organic is a lot higher (between 3 and 7 times) than materials used for the construction of the detonator (silica optical interface, stainless steel or inconel loading body). Also, during the release constraints resulting from thermal shocks, cracks appear in the explosive composition compressed in the vicinity of the optical interface and the distribution of carbon black in the composition explosive is no longer homogeneous. Consequently, the secondary explosive is no longer sufficiently coated carbon black, which suddenly increases the energy threshold and reduces the efficiency of optical doping.
- the problem is to realize an optical detonator low energy whose effectiveness of the device ignition is reliable and high, especially when a such detonator is intended for use in severe environments.
- a layer of ignition powder is disposed in the cavity of the optical detonator of the aforementioned type, between the secondary explosive and the optical focusing interface.
- propellant powders are usually used in large quantities - a 120 mm barrel uses about 8 kg of propellant powder in a 10 liter chamber - and ignition of combustion such a large volume is difficult and makes it necessary the use of an igniter containing a powder ignition.
- Inflammators used to ignite powders propulsive are electrical igniters in which the ignition powder is ignited by thermal conduction of the heat released by the wires electric, the start of the chemical reaction between the oxidizing body and the reducing body being obtained when a very small amount of the ignition powder has reached the critical temperature of starting this reaction (typically 400 ° C).
- the combustion of the ignition powders used in the electrical igniters is generated by the high temperature released by resistive wires.
- the powders are lit by photon absorption of a luminous energy.
- an optical detonator comprising a ignition powder according to the present invention, their reliability is greatly increased by compared to those using optical dopants, especially with regard to those intended for use in severe environmental conditions.
- the trigger time of detonators according to the present invention is reduced by a factor of 5, 10, compared to optically detonators doped.
- the optical detonator 1 has a tip 2, a first floor 3 and a second floor 4.
- the tip 2 serves to support an optical fiber 5 which a first end is connected to a laser source, and whose second end 6 is free.
- the first floor 3 has a housing 7 inside from which an explosive secondary explosive is confined 8. This confinement is achieved by the walls of the structure 9 of the first stage 3, a device 10 to trigger the transition to detonation in the second floor 4 to a first end, and an optical focusing interface 11 at the other end.
- the second end 6 of the fiber Optical 5 is in the immediate vicinity of the optical focusing interface 11, this interface 11 serving as a separation between the housing 7 and the optical fiber 5.
- the second floor 4 has a housing 12 to inside which is confined a secondary explosive detonating 13. This confinement is achieved by the walls of the structure 14 of the second floor 4, the device 10 for triggering the transition to detonation in the second floor 4 and a plate 15 propelled during the detonation of second floor 4.
- an ignition powder 16 is disposed in the housing 7 of the first floor 3, between the explosive secondary explosive 8 and the interface focusing optics 11.
- the laser source is activated.
- the laser infrared light is transported by the optical fiber 5 and is focused on the powder ignition 16 by the optical interface of focusing 11 including a glass ball 11b associated with a glass plate 11c.
- the ignition powder 16 located in the first floor 3 is lit by absorption of laser infrared light and undergoes, as a result, a combustion.
- the oxidant is the reducing agent (the most frequent case), is absorbing the light energy provided by a near infrared radiation. Metals micronized reducing agents exhibit this optical absorption property.
- the laser ignition threshold of the ignition powder 16 depends on its loading density, stoichiometry and the particle size of its constituents.
- the compaction pressure of the ignition powder 16 will be chosen advantageously equal to that of the explosive secondary explosive 8, the density of loading of this explosive secondary explosive 8 being greater than 80% of its theoretical maximum density.
- an ignition powder 16 of which the particle size is small makes it possible to lower its threshold laser ignition. Effective focus of the task laser by the optical interface 11 necessary for lower the laser ignition energy threshold, reduce the laser spot with a diameter of 50 to 100 ⁇ m, so that the reducing metals used are in the form micronized (with a particle size less than 10 ⁇ m) for increase the absorption in the near infrared.
- the oxidizing minerals will preferably have a particle size neighbor.
- the secondary explosive Explosion-proof 8 located in the first floor 3 is lit by burning the ignition powder 16 with which he is in contact.
- the secondary explosive detonating 13 located in the second floor 4 is primed in detonation by the transmission of the energy released by the explosive secondary explosive 8.
- the transition to the detonation regime is triggered by the blast of the secondary explosive Explosion 8: the explosion causes the compaction dynamics of secondary explosive loading detonating 13.
- the high porosity of the explosive 13 (the compactness is close to 50%, the explosive having a big grain size and being loaded with a weak density) and the use of the disk 10a (which is in flake and acts as a piston crushing the column detonating secondary explosive 13 porous) promoting the transition deflagration - detonation over a distance scaled down.
- the plate 15 is propelled by detonation of explosive secondary explosive 13, this which detonates the external loading secondary explosive.
- the operation of the detonator 1 according to FIG. differs from that illustrated in Figure 3 only by the ignition of the detonating secondary explosive 13 (fourth time).
- transition to the detonation regime is triggered by the shock wave that is created during the impact of the 10b projectile disc propelled into the cavity 10c by the explosion of the explosive secondary explosive 8, this wave being focused on the bare surface of the detonating secondary explosive 13 by the configuration of this cavity 10c.
- detonating secondary explosive 13 has a fine granulometry and is loaded with a higher density that of explosive secondary explosives 13 used in blast-detonation transition detonators.
- optical focusing interface 11 a bar of gradient glass of index 11a (as shown in FIG. 1) instead of the glass ball 11b associated with the glass plate 11c (as illustrated in FIGS. and 3).
- a first advantage of the ignition powders 16 is that they easily absorb the laser light.
- the 16 ignition powder does not have to be mixed with a any optically doping material, it is lit by its own absorption of light energy.
- a second advantage of the ignition powders 16 is that they are chemically reactive.
- the powder ignition 16 undergoes combustion (chemical reaction exothermic) whose flame initiates the combustion of the explosive secondary explosive 8.
- the powder ignition 16 does not have to be mixed with the explosive secondary 8, a contact between the ignition powder 16 and the explosive secondary explosive 8 being sufficient.
- the ignition powder 16 only serves to light the explosion of the explosive secondary explosive 8 which remains the major energy material of the first floor 3. It only takes a thin layer of powder ignition 16 whose thickness is between 4 and 10 times less important than that of the secondary explosive For example, a thickness between 0.5 and 1 mm of ignition powder adjacent to a layer 4 mm explosive secondary explosive 8 (for example octogen) is enough to make a deflagration enabling the priming of the secondary explosive detonating 13.
- a third advantage of the ignition powders 16 is that they reduce the time to triggering the detonator by a factor of 5 or 10.
- the time taken to ignite the ignition powder 16 by absorption of the laser radiation, for the reaction chemical redox of this powder 16, and for the transmission of heat from this exothermic reaction to the secondary explosive 8 allowing his blast is shorter than the one set for the absorption of the laser radiation by the black of carbon and for conduction transmission thermal energy to secondary explosive allowing his blast.
- a fourth advantage of the ignition powders 16 is that they are physically stable.
- the ignition powder 16 is much more stable physically when she is subjected to holding trials shocks and thermal cycles and therefore remains integrates in contact with the optical interface 11.
- the ignition powder 16 has a coefficient of thermal expansion weaker than explosive secondary organic.
- the zirconium that is one of the reducing metals that can be used in these powders is ten times less expandable than the octogen.
- the ignition powder 16 is a powder redox composed of a mixture of reducing metal and of mineral oxidants. Indeed, these powders 16 absorb easily infrared laser light and have a particularly high flame temperature.
- the reducing metals are, for example, zirconium, zirconium-nickel alloys, titanium, hydrides of titanium, aluminum, or magnesium.
- the mineral oxidants used are, for example, the potassium perchlorate, ammonium perchlorate, ammonium nitrate, ammonium dichromate, barium chromate, or iron oxides.
- the invention is not limited to powders ignition described above.
- Other powders absorbing laser light and generating reactions Exothermic substances may be suitable.
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Abstract
Description
La présente invention concerne les détonateurs optiques basse énergie dans lesquels l'amorçage est réalisé par une source laser qui peut être, par exemple une diode laser.The present invention relates to optical detonators low energy in which priming is achieved by a laser source that can be, for example a diode laser.
Un détonateur est un dispositif conçu pour amorcer en détonation un chargement externe d'explosif secondaire situé en aval ; pour cela, tout détonateur contient une petite quantité d'explosif secondaire (100 mg à 1 g) qui doit être amenée en détonation (au moins) dans sa partie terminale à partir de l'énergie fournie à l'entrée du détonateur par une source externe.A detonator is a device designed to prime detonation an external load of secondary explosive downstream; for this, any detonator contains a small amount of secondary explosive (100 mg to 1 g) which must be brought into detonation (at least) in its terminal part from the energy supplied to the entry of the detonator by an external source.
De façon connu, le détonateur optique est du type comprenant un explosif secondaire disposé dans une cavité, une fibre optique raccordée par une première extrémité à une source de rayonnement laser, et une interface optique de focalisation située entre l'autre extrémité de la fibre optique et l'explosif secondaire et adaptée à transmettre le rayonnement laser vers l'explosif secondaire.In known manner, the optical detonator is of the type comprising a secondary explosive arranged in a cavity, an optical fiber connected by a first end to a source of laser radiation, and a optical focusing interface located between the other end of the optical fiber and the secondary explosive and adapted to transmit laser radiation to the secondary explosive.
De façon tout à fait classique dans le domaine des explosifs, on appelle explosifs secondaires des explosifs relativement insensibles, par opposition aux explosifs primaires, par exemple l'azoture de plomb, qui sont très sensibles et donc dangereux.In a very classic way in the field of explosives, secondary explosives are called relatively insensitive explosives, as opposed to primary explosives, eg lead azide, who are very sensitive and therefore dangerous.
Dans les détonateurs optiques basse énergie (moins de 10 mJ) et basse puissance (quelques watts), on utilise l'énergie lumineuse du rayonnement laser issue d'une source laser solide en mode relaxé ou d'une diode laser quasi continu (d'encombrement limité de 1 cm3) via une fibre optique pour allumer en déflagration l'explosif secondaire chargé à l'interface optique.In low-energy optical detonators (less than 10 mJ) and low-power detonators (a few watts), the light energy of the laser radiation from a solid laser source in relaxed mode or a quasi-continuous laser diode is used. limited space of 1 cm 3 ) via an optical fiber to ignite the charged secondary explosive at the optical interface.
Ce chauffage par absorption du rayonnement laser à travers l'interface optique présente une sécurité reconnue d'emploi des détonateurs optiques par rapport aux détonateurs électriques dans lesquels la substance explosive près de l'interface d'entrée est en contact intime et permanent avec un fil conducteur électrique résistif s'échauffant lors du passage en son sein d'un courant électrique et transmettant sa chaleur par conduction thermique à la substance explosive qui l'enrobe mais pouvant être activé accidentellement par des décharges électrostatiques inopinées ou par des courants induits dus à des radiations électromagnétiques parasites.This heating by absorption of laser radiation at through the optical interface presents a security recognized use of optical detonators compared electric detonators in which the substance explosive near the input interface is in contact intimate and permanent with an electrical wire resistive heating up when passing through it a electrical current and transmitting its heat through thermal conduction to the explosive substance that the coating but can be activated accidentally by unexpected electrostatic discharges or induced currents due to radiation electromagnetic parasites.
Malgré cet avantage indéniable des détonateurs optiques, leur utilisation pose quelques problèmes du fait que les explosifs secondaires utilisés n'absorbent pas la lumière émise dans le proche infrarouge, que ce soit des laser à solide ou des diodes lasers.Despite this undeniable advantage of the detonators optics, their use poses some problems of secondary explosives used do not absorb not the light emitted in the near infrared, that this either solid state lasers or laser diodes.
Aussi, afin de palier à ce problème, l'état de la technique enseigne de doper optiquement l'explosif secondaire, c'est à dire de mélanger à cet explosif secondaire (d'une granulométrie proche de 3 µm) entre 1 et 3% massique de noir de carbone ultra fin (d'une granulométrie comprise entre 50 et 200 nm) qui absorbe la lumière laser. Also, in order to overcome this problem, the state of the technique teaches to optically boost the explosive secondary, ie to mix with this explosive secondary (particle size close to 3 μm) between 1 and 3% by weight of ultrafine carbon black (from a particle size between 50 and 200 nm) which absorbs laser light.
Ainsi, grâce à ce dopage optique, et en focalisant la lumière laser en une tache d'un diamètre compris entre 50 et 100 µm, on abaisse le seuil d'énergie laser d'allumage, ce qui permet d'assurer un allumage thermique de la composition explosive même avec des diodes laser qui délivrent une puissance nominale d'un watt pendant 10 millisecondes.Thus, thanks to this optical doping, and by focusing the laser light into a spot of a diameter between 50 and 100 μm, the laser energy threshold is lowered ignition, which ensures ignition thermal of the explosive composition even with laser diodes that deliver a nominal power of one watt for 10 milliseconds.
Toutefois, au cours d'essais de fonctionnement qui servent à valider l'utilisation des détonateurs dans des environnements opérationnels sévères (utilisation sur des avions, des missiles, des véhicules spatiaux...) et qui sont réalisés soit après des chocs thermiques intenses (essai à température ambiante après soumission pendant 5 heures à des températures supérieures à 100 °C), soit après des cycles thermiques (de -160 °C à 100 °C), il s'est avéré que l'allumage laser de la composition explosive optiquement dopée avec du noir de carbone n'était pas suffisamment fiable.However, during operational tests that used to validate the use of detonators in severe operational environments (use on planes, missiles, space vehicles ...) and which are made either after thermal shocks intense (room temperature test after submission for 5 hours at temperatures above 100 ° C), or after thermal cycling (from -160 ° C to 100 ° C), it turned out that the laser ignition of the explosive composition optically doped with black carbon was not reliable enough.
Ce manque de fiabilité concerne tout spécialement les nitramines (octogène et hexogène) qui sont les explosifs secondaires les plus usuels pour ces applications.This lack of reliability concerns especially the nitramines (octogen and hexogen) which are the secondary explosives the most common for these applications.
En fait, le coefficient de dilatation thermique des cristaux d'explosif secondaire organique est beaucoup plus élevé (entre 3 et 7 fois) que ceux des matériaux utilisés pour la construction du détonateur (la silice de l'interface optique, l'acier inoxydable ou l'inconel du corps de chargement). Aussi, lors de la libération des contraintes issues des chocs thermiques, des fissures apparaissent dans la composition explosive comprimée au voisinage de l'interface optique et la distribution du noir de carbone dans la composition explosive n'est plus homogène. En conséquence, l'explosif secondaire n'est plus suffisamment enrobé par le noir de carbone, ce qui accroít subitement le seuil énergétique d'allumage et diminue l'efficacité du dopage optique.In fact, the coefficient of thermal expansion of secondary explosive crystals organic is a lot higher (between 3 and 7 times) than materials used for the construction of the detonator (silica optical interface, stainless steel or inconel loading body). Also, during the release constraints resulting from thermal shocks, cracks appear in the explosive composition compressed in the vicinity of the optical interface and the distribution of carbon black in the composition explosive is no longer homogeneous. Consequently, the secondary explosive is no longer sufficiently coated carbon black, which suddenly increases the energy threshold and reduces the efficiency of optical doping.
Le problème posé est de réaliser un détonateur optique basse énergie dont l'efficacité du dispositif d'allumage soit fiable et élevée, notamment quand un tel détonateur est destiné à être utilisé dans des environnements sévères.The problem is to realize an optical detonator low energy whose effectiveness of the device ignition is reliable and high, especially when a such detonator is intended for use in severe environments.
Suivant l'invention, une couche de poudre d'allumage est disposée dans la cavité du détonateur optique du type précité, entre l'explosif secondaire et l'interface optique de focalisation.According to the invention, a layer of ignition powder is disposed in the cavity of the optical detonator of the aforementioned type, between the secondary explosive and the optical focusing interface.
Dans l'art antérieur relatif aux poudres d'allumage qui sont essentiellement un mélange d'un corps chimique oxydant et d'un corps chimique réducteur, on constate que celles-ci sont utilisées pour allumer la combustion des poudres propulsives qui sont notamment utilisées pour accélérer un projectile.In the prior art relating to ignition powders which are essentially a mixture of a chemical body oxidizing agent and a reducing chemical substance, that these are used to ignite the combustion propellant powders which are especially used to accelerate a projectile.
En effet, les poudres propulsives sont généralement utilisées en grande quantité - un canon de 120 mm utilise environ 8 kg de poudre propulsive dans une chambre de 10 litres - et l'allumage de la combustion d'un si grand volume est difficile et rend nécessaire l'utilisation d'un inflammateur contenant une poudre d'allumage. Indeed, propellant powders are usually used in large quantities - a 120 mm barrel uses about 8 kg of propellant powder in a 10 liter chamber - and ignition of combustion such a large volume is difficult and makes it necessary the use of an igniter containing a powder ignition.
Les inflammateurs utilisés pour allumer les poudres propulsives sont des inflammateurs électriques dans lesquels la poudre d'allumage est allumée par conduction thermique de la chaleur dégagée par les fils électriques, le démarrage de la réaction chimique entre le corps oxydant et le corps réducteur étant obtenu lorsqu'une très petite quantité de la poudre d'allumage a atteint la température critique de démarrage de cette réaction (typiquement 400°C).Inflammators used to ignite powders propulsive are electrical igniters in which the ignition powder is ignited by thermal conduction of the heat released by the wires electric, the start of the chemical reaction between the oxidizing body and the reducing body being obtained when a very small amount of the ignition powder has reached the critical temperature of starting this reaction (typically 400 ° C).
Il est tout à fait surprenant d'utiliser une poudre d'allumage pour allumer un détonateur, le domaine technique des détonateurs étant totalement différent de celui des inflammateurs utilisés pour l'allumage de la poudre propulsive des canons ou du propergol des propulseurs.It is quite surprising to use a powder ignition to ignite a detonator, the domain detonator technique being totally different from that of the igniters used for the ignition of the propellant powder of guns or propellant thrusters.
Dans les canons et les propulseurs on cherche à obtenir, avec les inflammateurs ou allumeurs, une combustion contrôlée d'une poudre propulsive générant une pression assez faible (5 000 bar maximum dans un canon), la vitesse de ces fronts de combustion étant au mieux de quelques m.s-1. Dans les détonateurs, on cherche à obtenir une détonation, c'est à dire une combustion extrêmement rapide générant une très forte pression (entre 300 000 et 400 000 bar), la vitesse de l'onde de détonation se propageant à des vitesses comprises entre 7 000 et 9 000 m.s-1.In the guns and thrusters it is sought to obtain, with the igniters or igniters, a controlled combustion of a propellant powder generating a fairly low pressure (5000 bar maximum in a gun), the speed of these combustion fronts being at best a few ms -1 . In the detonators, it is sought to obtain a detonation, ie an extremely fast combustion generating a very high pressure (between 300 000 and 400 000 bar), the speed of the detonation wave propagating at speeds between 7,000 and 9,000 ms -1 .
De plus, la combustion des poudres d'allumage utilisées dans les inflammateurs électriques est générée par la forte température dégagée par les fils résistifs. Au contraire, dans la présente invention, les poudres d'allumage sont allumées par l'absorption photonique d'une énergie lumineuse.In addition, the combustion of the ignition powders used in the electrical igniters is generated by the high temperature released by resistive wires. At contrary, in the present invention, the powders are lit by photon absorption of a luminous energy.
En utilisant un détonateur optique comprenant une poudre d'allumage conformément à la présente invention, on augmente de façon très importante leur fiabilité par rapport à ceux utilisant des dopants optiques, surtout en ce qui concerne ceux destinés à être utilisés dans des conditions d'environnement sévères.Using an optical detonator comprising a ignition powder according to the present invention, their reliability is greatly increased by compared to those using optical dopants, especially with regard to those intended for use in severe environmental conditions.
De plus, le temps de déclenchement des détonateurs selon la présente invention est réduit d'un facteur 5, voire 10, par rapport aux détonateurs optiquement dopés.In addition, the trigger time of detonators according to the present invention is reduced by a factor of 5, 10, compared to optically detonators doped.
D'autres particularités et avantages de la présente invention résulteront de la description qui va suivre.Other peculiarities and advantages of this invention will result from the following description.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du premier étage d'un détonateur optique selon la présente invention;
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un détonateur optique selon la présente invention, la transition dans le deuxième étage étant du type choc-détonation; et
- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un détonateur optique selon la présente invention, la transition dans le deuxième étage étant du type déflagration-détonation.
- Figure 1 is a longitudinal sectional view of the first stage of an optical detonator according to the present invention;
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an optical detonator according to the present invention, the transition in the second stage being of the shock-detonation type; and
- Figure 3 is a longitudinal sectional view of an optical detonator according to the present invention, the transition in the second stage being of the detonation-detonation type.
Comme on peut le voir aux figures annexées, le
détonateur optique 1 comporte un embout 2, un premier
étage 3 et un deuxième étage 4.As can be seen in the attached figures, the
L'embout 2 sert de support à une fibre optique 5 dont
une première extrémité est reliée à une source laser,
et dont la deuxième extrémité 6 est libre.The
Le premier étage 3 comporte un logement 7 à l'intérieur
duquel est confiné un explosif secondaire déflagrant 8.
Ce confinement est réalisé par les parois de la
structure 9 du premier étage 3, un dispositif 10
permettant de déclencher la transition vers la
détonation dans le deuxième étage 4 à une première
extrémité, et une interface optique de focalisation 11
à l'autre extrémité.The
Une fois l'embout 2 solidarisé au premier étage 3 du
détonateur 1, la deuxième extrémité 6 de la fibre
optique 5 se trouve à proximité immédiate de
l'interface optique de focalisation 11, cette
interface 11 servant de séparation entre le logement 7
et la fibre optique 5.Once the
Le deuxième étage 4 comporte un logement 12 à
l'intérieur duquel est confiné un explosif secondaire
détonant 13. Ce confinement est réalisé par les parois
de la structure 14 du deuxième étage 4, le
dispositif 10 permettant le déclenchement de la
transition vers la détonation dans le deuxième étage 4
et une plaque 15 propulsée lors de la détonation du
deuxième étage 4. The
Selon l'invention, une poudre d'allumage 16 est
disposée dans le logement 7 du premier étage 3, entre
l'explosif secondaire déflagrant 8 et l'interface
optique de focalisation 11.According to the invention, an
Le fonctionnement d'un détonateur 1 selon la figure 3
est le suivant :The operation of a
Dans un premier temps, la source laser est activée.At first, the laser source is activated.
La lumière infrarouge laser est transportée par la
fibre optique 5 et est focalisée sur la poudre
d'allumage 16 par l'interface optique de
focalisation 11 comprenant une bille en verre 11b
associée à une plaquette en verre 11c.The laser infrared light is transported by the
Dans un deuxième temps, la poudre d'allumage 16 située
dans le premier étage 3 est allumée par absorption de
la lumière infrarouge laser et subit, en conséquence,
une combustion.In a second step, the
L'un des constituants de la poudre d'allumage 16, soit
l'oxydant soit le réducteur (le cas le plus fréquent),
est absorbant de l'énergie lumineuse fournie par un
rayonnement dans le proche infrarouge. Les métaux
réducteurs sous forme micronisés présentent cette
propriété d'absorption optique.One of the constituents of the
Le seuil d'allumage laser de la poudre d'allumage 16
dépend de sa densité de chargement, de la stoechiométrie
et de la granulométrie de ses constituants. The laser ignition threshold of the
La pression de compaction de la poudre d'allumage 16
sera choisie avantageusement égale à celle de
l'explosif secondaire déflagrant 8, la densité de
chargement de cet explosif secondaire déflagrant 8
étant supérieure à 80% de sa densité maximum théorique.The compaction pressure of the
L'utilisation d'une poudre d'allumage 16 dans des
conditions proches de la stoechiométrie permet
d'abaisser le seuil d'énergie d'allumage de la poudre
d'allumage 16. Toutefois, pour des raisons de sécurité
lors de la manipulation de cette poudre d'allumage 16,
il est préférable d'avoir un mélange à 15% des
conditions stoechiométriques.The use of an
De même, l'utilisation d'une poudre d'allumage 16 dont
la granulométrie est faible permet d'abaisser son seuil
d'allumage laser. La focalisation efficace de la tache
laser par l'interface optique 11 nécessaire pour
diminuer le seuil d'énergie d'allumage laser, réduit la
tâche laser à un diamètre de 50 à 100 µm, de sorte que
les métaux réducteurs utilisés sont sous forme
micronisés (d'une granulométrie inférieure à 10µm) pour
augmenter l'absorption dans le proche infrarouge. Les
oxydant minéraux auront de préférence une granulométrie
voisine.Likewise, the use of an
De façon générale, le réglage de ces paramètres dépend d'un compromis entre la sécurité d'emploi des substances explosives et la performance de fonctionnement.In general, the setting of these parameters depends on compromise between the job security of explosive substances and the performance of operation.
Dans un troisième temps, l'explosif secondaire
déflagrant 8 situé dans le premier étage 3 est allumé
par la combustion de la poudre d'allumage 16 avec
laquelle il est en contact.Thirdly, the secondary explosive
Explosion-proof 8 located in the
La réaction chimique de combustion de la poudre
d'allumage 16 (réaction d'oxydoréduction) est
exothermique et libère une grande chaleur de réaction
permettant de démarrer de façon fiable et immédiate la
déflagration de l'explosif secondaire 8 au contact de
cette couche de poudre d'allumage 16.The chemical reaction of combustion of the powder
ignition 16 (oxidation-reduction reaction) is
exothermic and releases a great heat of reaction
to start reliably and immediately the
explosion of
On notera que si cette poudre d'allumage 16 libère
beaucoup de chaleur favorable à l'allumage de
l'explosif en déflagration 8, par contre elle toute
seule libère trop peu de gaz pour remplacer les
explosifs secondaires, ce qui limite son emploi à
l'allumage de ces derniers.Note that if this
Dans un quatrième temps, l'explosif secondaire
détonant 13 situé dans le deuxième étage 4 est amorcé
en détonation par la transmission de l'énergie dégagée
par l'explosif secondaire déflagrant 8.In a fourth step, the secondary explosive
detonating 13 located in the
La transition vers le régime de détonation est
déclenchée par la déflagration de l'explosif secondaire
déflagrant 8: la déflagration provoque le compactage
dynamique du chargement en explosif secondaire
détonant 13. La grande porosité de l'explosif 13 (la
compacité est proche de 50%, l'explosif ayant une
grosse granulométrie et étant chargé avec une faible
densité) et l'utilisation du disque 10a (qui se découpe
en paillet et agit comme un piston écrasant la colonne
d'explosif secondaire détonant 13 poreux) favorisant la
transition déflagration - détonation sur une distance
réduite.The transition to the detonation regime is
triggered by the blast of the secondary explosive
Explosion 8: the explosion causes the compaction
dynamics of secondary explosive loading
detonating 13. The high porosity of the explosive 13 (the
compactness is close to 50%, the explosive having a
big grain size and being loaded with a weak
density) and the use of the
Dans un cinquième temps, la plaque 15 est propulsée par
la détonation de l'explosif secondaire détonant 13, ce
qui amorce en détonation le chargement externe
d'explosif secondaire.In a fifth step, the
Le fonctionnement du détonateur 1 selon la figure 2,
diffère de celui illustré à la figure 3 uniquement par
l'amorçage de l'explosif secondaire détonant 13
(quatrième temps).The operation of the
Dans le détonateur 1 représenté à la figure 2, la
transition vers le régime de détonation est déclenchée
par l'onde de choc qui est créée lors de l'impact du
disque projectile 10b propulsé dans la cavité 10c par
la déflagration de l'explosif secondaire déflagrant 8,
cette onde étant focalisée sur la surface nue de
l'explosif secondaire détonant 13 par la configuration
de cette cavité 10c.In the
De préférence, dans le cas de cette transition choc-détonation
(décrite dans la demande FR 2 796 172),
l'explosif secondaire détonant 13 a une fine
granulométrie et est chargé avec une densité plus élevé
que celle des explosifs secondaires détonants 13
utilisé dans les détonateurs à transition déflagration-détonation.Preferably, in the case of this shock-detonation transition
(described in
Bien évidemment, il est possible d'utiliser, comme
interface optique de focalisation 11, un barreau de
verre à gradient d'indice 11a (comme illustré à la
figure 1) au lieu de la bille en verre 11b associée à
la plaquette en verre 11c (comme illustré aux figures 2
et 3).Of course, it is possible to use, as
optical focusing
Dans l'art antérieur, le noir de carbone servant à
capter l'énergie lumineuse et à transmettre l'énergie
par conduction thermique nécessitait d'être mélangé de
façon homogène avec l'explosif secondaire déflagrant 8.In the prior art, the carbon black used to
capture light energy and transmit energy
by thermal conduction needed to be mixed with
homogeneous way with the explosive
De plus, comme le noir de carbone, ou tout autre dopant optique, est chimiquement inerte et ne participe aucunement à une réaction chimique exothermique, il est nécessaire de l'utiliser en très faible quantité pour ne pas diminuer l'énergie chimique totale contenue dans le mélange de l'explosif secondaire.In addition, like carbon black, or any other dopant optically, is chemically inert and does not participate in no way to an exothermic chemical reaction it is necessary to use it in very small quantities for do not decrease the total chemical energy contained in mixing the secondary explosive.
Un premier avantage des poudres d'allumage 16 est qu'elles absorbent facilement la lumière laser. La poudre d'allumage 16 n'a pas à être mélangée avec une quelconque matière optiquement dopante, elle est allumée par sa propre absorption d'énergie lumineuse.A first advantage of the ignition powders 16 is that they easily absorb the laser light. The 16 ignition powder does not have to be mixed with a any optically doping material, it is lit by its own absorption of light energy.
Un deuxième avantage des poudres d'allumage 16 est
qu'elles sont chimiquement réactives. La poudre
d'allumage 16 subit une combustion (réaction chimique
exothermique) dont la flamme amorce la combustion de
l'explosif secondaire déflagrant 8. La poudre
d'allumage 16 n'a pas à être mélangée avec l'explosif
secondaire 8, un contact entre la poudre d'allumage 16
et l'explosif secondaire déflagrant 8 étant suffisant.A second advantage of the ignition powders 16 is
that they are chemically reactive. The
Comme il n'est pas nécessaire, lors de la préparation
du détonateur 1, de réaliser un quelconque mélange
homogène (ce qui est assez délicat) avec la poudre
d'allumage 16 (ni avec du noir de carbone, ni avec un
explosif secondaire), la préparation du détonateur 1
s'en trouve énormément facilitée.Since it is not necessary, during the
Une autre conséquence particulièrement intéressante de
la composition chimique des poudres d'allumage 16 est
qu'il est possible d'avoir par unité de volume un
pourcentage beaucoup plus élevé de matière absorbante
(le pourcentage de noir de carbone étant de l'ordre de
1%), augmentant de façon considérable l'allumage de
l'explosif secondaire déflagrant 8.Another particularly interesting consequence of
the chemical composition of the ignition powders 16 is
it is possible to have per unit volume a
much higher percentage of absorbent material
(the percentage of carbon black being of the order of
1%), significantly increasing the ignition of
the explosive
La poudre d'allumage 16 ne sert qu'à allumer la
déflagration de l'explosif secondaire déflagrant 8 qui
reste le matériau énergétique majoritaire du premier
étage 3. Il ne suffit que d'une fine couche de poudre
d'allumage 16 dont l'épaisseur est entre 4 et 10 fois
moins importante que celle de l'explosif secondaire
déflagrant 8. Par exemple, une épaisseur comprise entre
0,5 et 1 mm de poudre d'allumage adjacente à une couche
de 4 mm d'explosif secondaire déflagrant 8 (par exemple
d'octogène) suffit pour réaliser une déflagration
permettant l'amorçage de l'explosif secondaire
détonant 13.The
Un troisième avantage des poudres d'allumage 16 est qu'elles permettent de réduire le temps de déclenchement du détonateur d'un facteur 5 voire 10.A third advantage of the ignition powders 16 is that they reduce the time to triggering the detonator by a factor of 5 or 10.
Le temps mis pour l'allumage de la poudre d'allumage 16
par absorption du rayonnement laser, pour la réaction
chimique d'oxydoréduction de cette poudre
d'allumage 16, et pour la transmission de la chaleur de
cette réaction exothermique à l'explosif secondaire 8
permettant sa déflagration est plus court que celui mis
pour l'absorption du rayonnement laser par le noir de
carbone et pour la transmission par conduction
thermique de l'énergie à l'explosif secondaire
permettant sa déflagration.The time taken to ignite the
En effet, la réaction chimique exothermique de
combustion de la poudre d'allumage 16 libère une plus
grande chaleur de réaction (+100%) que la réaction de
décomposition de l'explosif secondaire dopé optiquement
par le noir de carbone, de sorte que cette chaleur de
réaction plus importante permet de démarrer de façon
rapide et immédiate la déflagration de l'explosif
secondaire 8 au contact de cette poudre d'allumage 16.Indeed, the exothermic chemical reaction of
burning of the
Un quatrième avantage des poudres d'allumage 16 est qu'elles sont physiquement stables.A fourth advantage of the ignition powders 16 is that they are physically stable.
La poudre d'allumage 16 est beaucoup plus stable
physiquement quand elle est soumise aux essais de tenue
aux chocs et cycles thermiques et reste par conséquent
intègre au contact de l'interface optique 11. En fait,
la poudre d'allumage 16 possède un coefficient de
dilatation thermique plus faible que l'explosif
secondaire organique. Par exemple, le zirconium qui est
un des métaux réducteurs pouvant être utilisés dans ces
poudres, est dix fois moins dilatable que l'octogène.The
Avantageusement, la poudre d'allumage 16 est une poudre
rédox composée d'un mélange de métal réducteur et
d'oxydants minéraux. En effet, ces poudres 16 absorbent
facilement la lumière laser infrarouge et ont une
température de flamme particulièrement élevée.Advantageously, the
Les métaux réducteurs sont, par exemple, le zirconium, les alliages de zirconium-nickel, le titane, les hydrures de titane, l'aluminium, ou le magnésium.The reducing metals are, for example, zirconium, zirconium-nickel alloys, titanium, hydrides of titanium, aluminum, or magnesium.
Les oxydants minéraux utilisés sont, par exemple, le perchlorate de potassium, le perchlorate d'ammonium, le nitrate d'ammonium, le bichromate d'ammonium, le chromate de baryum, ou les oxydes de fer.The mineral oxidants used are, for example, the potassium perchlorate, ammonium perchlorate, ammonium nitrate, ammonium dichromate, barium chromate, or iron oxides.
Ainsi, on peut utiliser comme poudre d'allumage 16 :
- les thermites comprenant de l'aluminium et de l'oxyde de fer,
- les poudre de type ZPP, c'est à dire contenant pour l'essentiel du zirconium et du perchlorate de potassium, par exemple, un mélange comprenant 52% de zirconium, 42% de perchlorate de potassium, 5% de viton et 1% de graphite (pourcentage massique),
- thermites comprising aluminum and iron oxide,
- the ZPP-type powder, ie essentially containing zirconium and potassium perchlorate, for example, a mixture comprising 52% of zirconium, 42% of potassium perchlorate, 5% of viton and 1% of graphite (mass percentage),
Il est possible d'utiliser d'autres poudres rédox, comme, par exemple :
- une poudre contenant pour l'essentiel du zirconium et du chromate de baryum, par exemple, un mélange comprenant 45% de zirconium, 34% de chromate de baryum, 7% bichromate d'ammonium et 14% de perchlorate d'ammonium (pourcentage massique),
- une poudre contenant pour l'essentiel du titane et du
perchlorate de potassium, par exemple, un mélange
comprenant 40% de titane et 60% de perchlorate de
potassium (pourcentage massique) ou un mélange
comprenant 40% d'hydrure de titane TiHx et 60% de
perchlorate de potassium (pourcentage massique), x
étant égal à 0,2 ; 0,65
ou 1,65.
- a powder containing for the most part zirconium and barium chromate, for example, a mixture comprising 45% zirconium, 34% barium chromate, 7% ammonium dichromate and 14% ammonium perchlorate (mass percentage) )
- a powder containing for the most part titanium and potassium perchlorate, for example, a mixture comprising 40% of titanium and 60% of potassium perchlorate (mass percentage) or a mixture comprising 40% of titanium hydride TiH x and 60% potassium perchlorate (mass percentage), where x is 0.2; 0.65 or 1.65.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux poudres d'allumage décrits ci-dessus. D'autres poudres absorbant la lumière laser et générant des réactions exothermiques peuvent convenir.Of course, the invention is not limited to powders ignition described above. Other powders absorbing laser light and generating reactions Exothermic substances may be suitable.
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