Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6407
Main Title: Beschreibung des Reaktionsablaufs energetischer Materialien bei Laserbestrahlung
Translated Title: Characterization of the reaction of laser-irradiated energetic materials
Author(s): Lück, Martin
Advisor(s): Osterholz, Jens
Referee(s): Müller, Wolfgang H.
Osterholz, Jens
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Untersuchung der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf energetische Materialien ist ein Thema mit großer Relevanz für die Sicherheitsforschung und findet Anwendung bei der Entwicklung neuartiger Verfahren zur sicheren Entschärfung von Sprengsätzen. Die dabei auftretenden Prozesse konnten in der Vergangenheit noch nicht adäquat beschrieben werden und sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Für die systematische Analyse der Vorgänge bei der Laserwirkung auf energetische Materialien wurde eine Laborumgebung aufgebaut. In den Proben wurden Temperaturen und Drücke während der Laserbestrahlung gemessen. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen visualisierten den Zeitpunkt der Zündung und die Reaktionsstärke. Für ein detailliertes Verständnis wurde eine Simulationsumgebung aufgebaut, mit welcher der gesamte Reaktionsablauf einschließlich Aufheizphase und thermischer Initiierung abgebildet werden kann. Die Modellierung der relevanten Prozesse gelang ohne zusätzliche Annahmen, lediglich auf der Basis von physikalischen Gesetzmäßigkeiten und von Materialparametern aus der Literatur. Für die Entwicklung der Simulationsumgebung wurde ein bestehender Hydrocode erweitert, um neben den mechanischen Prozessen auch die Energieeinkopplung durch den Laser sowie thermische und chemische Prozesse modellieren zu können. Besondere Herausforderungen ergaben sich aufgrund der hohen Heizrate und durch einen großen Temperaturgradienten innerhalb des Materials. Eine weitere Besonderheit sind die stark unterschiedlichen Zeitskalen der einzelnen Prozesse. Für die Kopplung der entsprechenden Modelle konnten geeignete numerische Lösungsansätze entwickelt und implementiert werden. Die Simulationsumgebung wurde anschließend auf der Grundlage der experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert.
The investigation of the response of energetic materials to intense laser irradiation is a topic of great importance in the field of security research with potential applications for the development of new techniques for the safe neutralization of explosive devices. The occurring physical and chemical processes which determine the interaction could not yet be described adequately in the past, and are subject of this work. A laboratory environment was set up for the systematic analysis of the behavior of laser-irradiated energetic materials. Inside the investigated samples, temperature and pressure were measured during laser irradiation. In addition, the time to explosion and the reaction strength were visualized by high-speed video cameras. For the scientific analysis and a detailed understanding, a simulation environment was developed which is capable of modeling the complete reaction sequence including initial heating and thermal initiation. The simulation of the relevant processes succeeded with no additional assumptions, only based on physical principles and material parameters from literature. The simulation environment was developed on the basis of an existing hydrocode, which was extended for the calculation of the absorption of laser energy as well as thermal and chemical processes. Particular challenges arose from high heating rates and high temperature gradients within the material. Another characteristic feature are the different time scales of the processes involved in the interaction. For the coupling of the corresponding models, suitable numerical approaches could be developed and implemented. Finally, the simulation environment was successfully validated based on the experimental investigations.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7101
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6407
Exam Date: 10-Aug-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 8-Nov-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
Subject(s): Hochleistungslaser
Reaktion
Arrhenius
Simulation
energetisches Material
Explosivstoff
Composition B
high power laser
reaction
energetic material
explosive
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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