JP3928820B2

JP3928820B2 - Light propagation member for generating shock wave and method for generating shock wave using the same

Info

Publication number: JP3928820B2
Application number: JP10790397A
Authority: JP
Inventors: 邦仁永山; 基直中原
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: JPH10303479A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザー光による衝撃波の発生方法に関する。該方法は、火薬類などに点火し、雷管などを起爆させる方法に関する。
【０００２】
あるいは、衝撃波により人体内のぼうこう結石などを破砕し、体外に排せつしやすくするなどの微小手術に関する。
【０００３】
【従来の技術】
強い衝撃波を発生させる方法として一般的には爆薬を爆発させる方法が採られており、その爆薬を確実に爆発させる手段としては、通常、信管や雷管が用いられる。産業用途で用いられる雷管が起爆されるためには、電気的手段、又は導火線などによる方法が一般的である。電気的手段の場合は、起爆装置部分に電気的エネルギーが供給されたときジュール熱が発生することにより、まず点火薬が燃焼し、ついで起爆薬が燃焼、爆発し、さらに添装薬が爆発する。導火線による場合は、導火線の火花が直接起爆薬を燃焼、爆発させ、以下添装薬が爆発する。
【０００４】
近年、産業用途の雷管の非電気式の起爆方法が種々検討、開発され、その一つにレーザー光による起爆方法があり、通常、レーザー光を雷管の起爆装置に導き、レーザー光が点火薬又は起爆薬に照射された部分で熱が発生することにより起爆される。このとき、照射部で熱の発生を確実にするために点火薬、又は起爆薬にレーザー光を吸収し、熱に転換しやすくする物質が添加されている。このような熱起爆の場合には、レーザー光源としては比較的発振時間の長いパルスレーザーが用いられる。発振時間数ｍｓ、最大出力４０．５ジュール、波長１０６４ｎｍのＹＡＧパルスレーザーを用いた、実用レベルの起爆実験が、報告されている。（黒川他、工業火薬、Ｖｏｌ．５２、１９９１）
また、レーザー光により、直接衝撃起爆する方法もあり、発振時間数十ｎｓのＱ−スイッチルビーレーザーを用いた例がある。（蓮江他、工業火薬、Ｖｏｌ．４４、１９８３）この衝撃起爆においては、非常に強いパルスレーザーが必要である。
【０００５】
この非常に強いレーザー光のエネルギーを吸収した領域が瞬間的に高温、高圧状態になり、隣接する領域を圧縮して、衝撃波が形成され、この衝撃圧縮により、高温高圧になった爆薬が起爆するに至るものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザー光の照射部で光エネルギーを熱に転換する、熱起爆による方法では、点火薬、または起爆薬は必須の構成要素である。従って、構成が複雑になり、また取り扱い感度の高い点火薬や起爆薬を有するため、雷管そのものが感度の高い火工品となる。また、熱に転換するという余分な段階を経由するため、時間の制御や確実性という点で問題の生じることもあった。
【０００７】
さらに、直接衝撃波を形成し、爆薬類を起爆する、衝撃起爆方法では、非常に強いパルスレーザーが必要であるため、装置が大型のものとなり、その操作も容易でないという欠点があった。あるいは、ファイバー端からの出力を高めるため、ファイバー先端から爆薬への集光を行うことで、補うことが多く、装置が複雑になり、得られる衝撃波の強さにも限界があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明な媒体中を伝播する強いレーザー光が他の媒体との界面に入射するとき、界面の表面状態を粗にすることによって強力な衝撃波を発生させようとするものである。
【０００９】
すなわち、本発明の構成は、
［１］透明媒体中を伝播するパルスレーザー光を透明媒体の入射端面から入射し、出射端面から他の媒体に出射して、透明媒体と他の媒体との界面で強い衝撃波を発生させる方法において、パルスレーザー光が伝播する透明媒体の出射端面が中心線平均粗さで０．２から２０μｍの表面粗さの粗面であることを特徴とする衝撃波の発生方法。
［２］粗面である出射端面の表面には、更に金属の蒸着膜を有することを特徴とする請求項１に記載の衝撃波の発生方法。
【００１０】
本発明でいうレーザー光とは、ジァイアントパルスレーザー光のような、そのパワーがＭＷ級以上であるものを言う。発生方法としては、連続発振レーザーとパルスレーザがある。
【００１１】
ここでいう衝撃波とは、界面の片側の媒体を水とした場合に、その衝撃圧力が１キロバール以上であるものをいう。
ここでいう媒体、および他の媒体とは、波動が伝播する物質のことをいう。
【００１２】
本発明で界面の表面状態が粗であるとは、例えば、機械工作仕上げ面が５０番〜３０００番、好ましくは２４０〜２０００番である研磨材を用いて処理した場合に得られる面をいう。このような粗面を有する伝播部材であると、本発明の衝撃波を容易に得ることができる。この粗面は、レーザー光発振側、受振側のいずれに存在していてもよい。
【００１３】
研磨材の例としては、サンドペーパーに限らず擦りガラス、サンドブラスト、ヤスリ等を挙げることができる。得られる粗面をＪＩＳＢ０６０１（１９８２年）に規定する表示によると中心線平均粗さで０．２〜２０μｍ程度になる。
【００１４】
【作用】
熱起爆
（１）レーザーエネルギーを吸収して爆薬物質の温度が上昇する。衝撃起爆と違うのは、時間スケールがゆっくりしていることで光エネルギーの吸収から、爆薬の熱エネルギー（分子間および分子内振動エネルギー）への転換に充分時間的余裕があること。
（２）最初に生じるのは爆発的燃焼で、それが爆轟反応へと変化する。
【００１５】
衝撃起爆
作用として次のようなメカニズムが考えられる。
（１）レーザーエネルギーの吸収（あくまで電子吸収）
（２）電子励起状態（有機化合物高分子）
（３）分子間、および分子内固有振動モードの励起（エネルギー変換の過程）
（４）上記の励起は、主として分子間振動モード（フォノン）が選択的に励起されている。
【００１６】
（５）この段階ですでに光を吸収した領域の温度は上昇し、高温、高圧領域を形成
（６）分子振動モードへのエネルギー移動過程
（７）強く励起された分子内振動により、分子の一部又は全てが分裂する。
【００１７】
（吸熱分解反応の開始）
（８）分解が生じる部分の中に特にエネルギーが集中する領域が確率的にできる。（熱点形成）その領域の温度は急激に上昇。
【００１８】
（９）熱点から爆轟反応の開始
本発明によれば、雷管の起爆装置部の構成が単純になり、比較的安全な添装薬のみで非常に強い衝撃波を発生させることが可能になる。
また、熱への転換を経ないで、衝撃波を直接添装薬部に作用させることができるため、起爆時間の制御が容易となる。
【００１９】
あるいは、非常に強いレーザー光を必要としないで、雷管や爆薬を用いることなく、強い衝撃波を発生させることもできるため、発生する衝撃波を直接体内の結石などに作用させ、それらを破砕することが可能となり、医療行為における安全性を飛躍的に高めることができる。さらに、ファイバー端面でレーザー光を集光する必要もない。
また、粗面に金属の蒸着膜を加えることにより、レーザー光の強度を大きくすることなく、発生する衝撃波の強度をさらに大きくすることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
実施例及び比較例において、使用したエネルギー源はオプトロン社製のＫＧＷレーザー（発振エネルギー３０ｍＪ、発振時間７ｎｓ、発振波長１．０６μｍ）である。
ＫＧＷレーザーから発生するレーザー光をプラスティックファイバーの一方の端面を鏡面にした側から入射し、レーザー光が射出される他の一方の端面は水中に浸した。また、発生する圧力の測定は図面に示すレーザーシャドウグラフ法によって測定した。
【００２１】
実施例１
直径１ｍｍ、長さ５０ｃｍのプラスティックファイバーを用い、ファイバー端面はサンドペーパー１０００番のものを用いて粗面を作成した。レーザー光をプラスチックファイバーを介して水中に投射させたところ、２Ｋバールの衝撃波が得られた。粗面の表面にＡｌ蒸着した場合は６Ｋバールであった。
【００２２】
実施例２
実施例１において、サンドペーパを６００番のものとした以外は同様にして粗面を得た。これにファイバー端面から実施例と同様にレーザー光を通過させたところ、１．５Ｋバールの衝撃波が得られた。Ａｌ蒸着した場合は２Ｋバールであった。
【００２３】
実施例３
実施例１において、サンドペーパを４００番のものとした以外は同様にして粗面を得た。これにＫＧＷレーザー光を通過させたところ、３Ｋバールの衝撃波が得られた。Ａｌ蒸着した場合は４Ｋバールであった。
【００２４】
比較例１
実施例１において、端面を０．４μｍ厚のアルミニウムを蒸着させた以外は同様にして粗面を得た。これにＫＧＷレーザー光を通過させたところ、０．１Ｋバールの衝撃波が得られた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、強いレーザー光を使用することなく、強い衝撃波が得られる。雷管の起爆装置部の構成が単純になり、比較的安全な添装薬のみで非常に強い衝撃波を発生させることが可能になる。
また、熱への転換を経ないで、衝撃波を直接添装薬部に作用させることができるため、起爆時間の制御が容易となる。
【００２６】
あるいは、非常に強いレーザー光を必要としないで、雷管や爆薬を用いることなく、強い衝撃波を発生させることもできるため、発生する衝撃波を直接体内の結石などに作用させ、それらを破砕することが可能となり、医療行為における安全性を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で用いた測定方法に用いる装置の説明図である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for generating a shock wave using a laser beam. The method relates to a method of igniting explosives and detonating a detonator or the like.
[0002]
Alternatively, the present invention relates to microsurgery such as crushing bladder stones in a human body with a shock wave to facilitate excretion outside the body.
[0003]
[Prior art]
As a method for generating a strong shock wave, a method for exploding an explosive is generally employed. As a means for reliably exploding the explosive, a fuze or detonator is usually used. In order for a detonator used in industrial applications to be detonated, an electric means or a method using a conductor is generally used. In the case of electrical means, Joule heat is generated when electrical energy is supplied to the detonator, so that the igniting agent first burns, then the priming agent burns and explodes, and the additional agent explodes. . In the case of a lead wire, the spark of the lead wire directly burns and explodes the explosive, followed by the attached charge.
[0004]
In recent years, various non-electric detonation methods for industrial detonators have been studied and developed, and one of them is a detonation method using laser light. Usually, laser light is guided to a detonator detonator, and laser light is used as an ignition agent or It is detonated when heat is generated in the part irradiated with the explosive. At this time, in order to ensure the generation of heat in the irradiation section, a substance that easily absorbs laser light and converts it into heat is added to the ignition agent or the explosive. In the case of such thermal initiation, a pulse laser having a relatively long oscillation time is used as the laser light source. A detonation experiment at a practical level using a YAG pulse laser having an oscillation time of several ms, a maximum output of 40.5 joules, and a wavelength of 1064 nm has been reported. (Kurokawa et al., Industrial Explosives, Vol. 52, 1991)
In addition, there is a method of direct impact initiation by laser light, and there is an example using a Q-switched ruby laser with an oscillation time of several tens of ns. (Haren et al., Industrial Explosives, Vol. 44, 1983) In this shock initiation, a very strong pulse laser is required.
[0005]
The region that absorbs the energy of this very strong laser beam instantaneously becomes a high temperature and high pressure state, compresses the adjacent region, and a shock wave is formed. It leads to.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of thermal initiation in which light energy is converted into heat in the laser light irradiation part, the ignition agent or the explosive is an essential component. Therefore, the structure becomes complicated, and since the handling sensitivity is high, the detonator itself becomes a highly sensitive pyrotechnic. Moreover, since it passes through the extra step of converting to heat, problems may arise in terms of time control and certainty.
[0007]
Furthermore, the shock detonation method in which a shock wave is directly formed and detonates explosives requires a very strong pulse laser, so that the apparatus becomes large and its operation is not easy. Alternatively, in order to increase the output from the fiber end, focusing on the explosive from the fiber tip is often supplemented, the device becomes complicated, and the intensity of the shock wave obtained is limited.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention intends to generate a strong shock wave by roughening the surface state of an interface when a strong laser beam propagating in a transparent medium is incident on an interface with another medium.
[0009]
That is, the configuration of the present invention is as follows.
[ 1] In a method in which a pulse laser beam propagating in a transparent medium is incident from an incident end face of the transparent medium and emitted from the exit end face to another medium to generate a strong shock wave at the interface between the transparent medium and the other medium . A method for generating a shock wave, characterized in that the exit end face of the transparent medium through which the pulse laser beam propagates is a rough surface having a center line average roughness of 0.2 to 20 μm .
[2] The method of generating a shock wave according to [1] , further comprising a metal vapor-deposited film on the surface of the emitting end face which is a rough surface .
[0010]
The laser beam as used in the present invention refers to a laser beam having a power of MW or higher, such as a giant pulse laser beam. As a generation method, there are a continuous wave laser and a pulse laser.
[0011]
The shock wave here means that the shock pressure is 1 kilobar or more when the medium on one side of the interface is water.
The medium here and the other medium refer to a substance through which a wave propagates.
[0012]
In the present invention, the surface state of the interface is rough means, for example, a surface obtained when processing is performed using an abrasive whose machine-finished surface is No. 50 to No. 3000, preferably No. 240 to No. 2000. When the propagation member has such a rough surface, the shock wave of the present invention can be easily obtained. This rough surface may be present on either the laser light oscillation side or the vibration receiving side.
[0013]
Examples of the abrasive are not limited to sandpaper, and include rubbed glass, sandblast, and file. According to the display defined in JIS B0601 (1982), the obtained rough surface has a center line average roughness of about 0.2 to 20 μm.
[0014]
[Action]
Thermal initiation (1) The temperature of the explosive substance rises by absorbing laser energy. The difference from impact initiation is that the time scale is slow, so there is enough time to switch from absorption of light energy to thermal energy (intermolecular and intramolecular vibrational energy) of explosives.
(2) The first thing that occurs is explosive combustion, which turns into a detonation reaction.
[0015]
The following mechanism can be considered as the impact initiation action.
(1) Absorption of laser energy (electron absorption to the last)
(2) Electronically excited state (organic compound polymer)
(3) Excitation of intermolecular and intramolecular natural vibration modes (energy conversion process)
(4) In the above excitation, the intermolecular vibration mode (phonon) is mainly selectively excited.
[0016]
(5) The temperature of the region already absorbing light at this stage rises, forming a high temperature, high pressure region (6) Energy transfer process to molecular vibration mode (7) Strongly excited intramolecular vibrations Some or all break up.
[0017]
(Start of endothermic decomposition reaction)
(8) A region where energy is particularly concentrated in a portion where decomposition occurs can be stochastically formed. (Hot spot formation) The temperature in that region rises rapidly.
[0018]
(9) Start of detonation reaction from hot spot According to the present invention, the structure of the detonator detonator is simplified, and a very strong shock wave can be generated only with a relatively safe accessory agent. .
In addition, since the shock wave can be directly applied to the attached medicine part without undergoing conversion to heat, the initiation time can be easily controlled.
[0019]
Or you can generate a strong shock wave without using a detonator or explosives without the need for a very strong laser beam. It becomes possible, and the safety | security in medical practice can be improved dramatically. Further, it is not necessary to collect the laser beam at the fiber end face.
Further, by adding a metal vapor-deposited film to the rough surface, the intensity of the generated shock wave can be further increased without increasing the intensity of the laser beam.
[0020]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
In the examples and comparative examples, the energy source used is a KGW laser (oscillation energy 30 mJ, oscillation time 7 ns, oscillation wavelength 1.06 μm) manufactured by Optron.
The laser beam generated from the KGW laser was incident from the side where one end surface of the plastic fiber was a mirror surface, and the other end surface from which the laser beam was emitted was immersed in water. The generated pressure was measured by the laser shadow graph method shown in the drawing.
[0021]
Example 1
A plastic fiber having a diameter of 1 mm and a length of 50 cm was used, and a roughened surface was prepared using a fiber end face of sandpaper No. 1000. When laser light was projected into water through a plastic fiber, a shock wave of 2 Kbar was obtained. When Al was vapor-deposited on the rough surface, it was 6 Kbar.
[0022]
Example 2
A rough surface was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sand paper was No. 600. When a laser beam was passed through the fiber end face in the same manner as in the example, a shock wave of 1.5 Kbar was obtained. When Al was deposited, it was 2K bar.
[0023]
Example 3
A rough surface was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sand paper was No. 400. When a KGW laser beam was passed through this, a shock wave of 3 Kbar was obtained. When Al was deposited, it was 4K bar.
[0024]
Comparative Example 1
In Example 1, a rough surface was obtained in the same manner except that aluminum having a thickness of 0.4 μm was evaporated. When a KGW laser beam was passed through this, a shock wave of 0.1 Kbar was obtained.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, a strong shock wave can be obtained without using a strong laser beam. The structure of the detonator detonator is simplified, and it is possible to generate a very strong shock wave with only a relatively safe accessory.
Further, since the shock wave can be directly applied to the attached medicine part without undergoing conversion to heat, the initiation time can be easily controlled.
[0026]
Or you can generate a strong shock wave without using a detonator or explosives without the need for a very strong laser beam. It becomes possible, and the safety | security in medical practice can be improved dramatically.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of an apparatus used in a measurement method used in an example of the present invention.

Claims

Incident pulsed laser light propagating through the transparent medium from the incident end face of the transparent medium, it is emitted from the emission end face to another medium, the method of generating a strong shock wave at the interface between the transparent medium and the other medium, a pulsed laser A method for generating a shock wave, characterized in that the exit end face of a transparent medium through which light propagates is a rough surface having a center line average roughness of 0.2 to 20 μm .

2. The shock wave generating method according to claim 1, further comprising a metal vapor-deposited film on the surface of the emitting end face which is a rough surface .