Детонаторы: устройство, история и применение.

Введение

Детонатор, иногда называемый взрывной шашкой в США, – это небольшое чувствительное устройство, используемое для инициирования более крупного, мощного, но относительно нечувствительного основного взрывчатого вещества взрывного устройства, применяемого в коммерческой добыче полезных ископаемых, при разработке карьеров, сносе зданий и т.д. Детонаторы бывают различных типов, в зависимости от способа их подрыва (химическим, механическим или электрическим) и особенностей их внутреннего устройства, которое часто включает несколько ступеней. К ним относятся неэлектрические детонаторы, электрические детонаторы и детонаторы с детонирующим шнуром, последние два из которых наиболее распространены. Электрические детонаторы приводятся в действие кратковременным импульсом тока, подаваемым на детонатор взрывной машиной через длинный провод или с помощью радиоуправляемого источника для обеспечения безопасности. Традиционные детонаторы с детонирующим шнуром имеют шнур, который воспламеняется от источника огня, например, спички или зажигалки. В старых детонаторах в качестве первичного взрывчатого вещества использовался фулминат ртути, часто смешиваемый с хлоратом калия для повышения эффективности. Это соединение было заменено другими: азидом свинца, стифнатом свинца, небольшим количеством алюминия или другими материалами, такими как ДДНФ (диазодинитрофенол), для снижения выбросов свинца в атмосферу при горнодобывающих и карьерных работах. Они также часто содержат небольшое количество тротила или тетрила в военных детонаторах и ПЭТН в коммерческих детонаторах.

История

Первый детонатор был продемонстрирован в 1745 году, когда британский врач и аптекарь Уильям Уотсон показал, что электрическая искра от электростатической машины может воспламенить чёрный порох, поджигая горючее вещество, смешанное с ним. В 1750 году Бенджамин Франклин из Филадельфии изготовил коммерческий детонатор, состоящий из бумажной трубки, заполненной чёрным порохом, с проводами, выведенными с обеих сторон, и ватой, запечатывающей концы. Провода были расположены близко друг к другу, но не касались, поэтому разряд большой электрической искры между ними воспламенял детонатор. В 1832 году американский химик Роберт Хэр создал детонатор с нагреваемой проволокой, хотя подобные попытки ранее предпринимались итальянцами Вольтой и Кавалло. Хэр сконструировал свой детонатор, пропуская многожильный провод через заряд пороха внутри оловянной трубки; он удалил все жилы, кроме одной тонкой, чтобы она служила нагревательным элементом. При прохождении сильного тока от большой батареи (которую он называл «дефлагратором» или «калориметром») через тонкую жилу, она раскалялась и воспламеняла заряд пороха. В 1863 году Альфред Нобель обнаружил, что нитроглицерин нельзя было детонировать с помощью шнура, но его можно было взорвать взрывом небольшого заряда пороха, который, в свою очередь, воспламенялся шнуром. В течение года он начал добавлять фулминат ртути в пороховые заряды своих детонаторов, а к 1867 году использовал небольшие медные капсулы с фулминатом ртути, приводимые в действие шнуром, для детонации нитроглицерина. В 1868 году Генри Джулиус Смит из Бостона представил детонатор, сочетающий искровой зажигатель и фулминат ртути – первый электрический детонатор, способный взрывать динамит. В 1875 году Смит, а затем в 1887 году Перри Г. Гарднер из Норт-Адамса, штат Массачусетс, разработали электрические детонаторы, объединяющие детонатор с нагреваемой проволокой и фулминат ртути. Это были первые детонаторы современного типа. Современные детонаторы используют различные взрывчатые вещества и раздельные первичные и вторичные взрывчатые заряды, но в целом они очень похожи на детонаторы Гарднера и Смита. Смит также изобрел первое удовлетворительное портативное питание для воспламенения детонаторов: высоковольтный генератор, приводимый в действие реечной передачей, которая, в свою очередь, приводилась в действие Т-образной рукояткой, нажимаемой вниз. Электрические детонаторы-спички были разработаны в начале 1900-х годов в Германии и распространились в США в 1950-х годах, когда компания ICI International приобрела Atlas Powder Co. Эти детонаторы-спички стали преобладающим типом детонаторов, соответствующим мировому стандарту.

The first blasting cap or detonator was demonstrated in 1745 when British physician and apothecary William Watson showed that the electric spark of a friction machine could ignite black powder, by way of igniting a flammable substance mixed in with the black powder. In 1750, Benjamin Franklin in Philadelphia made a commercial blasting cap consisting of a paper tube full of black powder, with wires leading in both sides and wadding sealing up the ends. The two wires came close but did not touch, so a large electric spark discharge between the two wires would fire the cap. In 1832, a hot wire detonator was produced by American chemist Robert Hare, although attempts along similar lines had earlier been attempted by the Italians Volta and Cavallo. Hare constructed his blasting cap by passing a multistrand wire through a charge of gunpowder inside a tin tube; he had cut all but one fine strand of the multistrand wire so that the fine strand would serve as the hot bridgewire. When a strong current from a large battery (which he called a "deflagrator" or "calorimotor") was passed through the fine strand, it became incandescent and ignited the charge of gunpowder. In 1863, Alfred Nobel realized that although nitroglycerin could not be detonated by a fuse, it could be detonated by the explosion of a small charge of gunpowder, which in turn was ignited by a fuse. Within a year, he was adding mercury fulminate to the gunpowder charges of his detonators, and by 1867 he was using small copper capsules of mercury fulminate, triggered by a fuse, to detonate nitroglycerin. In 1868, Henry Julius Smith of Boston introduced a cap that combined a spark gap ignitor and mercury fulminate, the first electric cap able to detonate dynamite. In 1875, Smith—and then in 1887, Perry G. Gardner of North Adams, Massachusetts—developed electric detonators that combined a hot wire detonator with mercury fulminate explosive. These were the first generally modern type blasting caps. Modern caps use different explosives and separate primary and secondary explosive charges, but are generally very similar to the Gardner and Smith caps. Smith also invented the first satisfactory portable power supply for igniting blasting caps: a high voltage magneto that was driven by a rack and pinion, which in turn was driven by a T handle that was pushed downwards. Electric match caps were developed in the early 1900s in Germany, and spread to the US in the 1950s when ICI International purchased Atlas Powder Co. These match caps have become the predominant world standard cap type.

Цель

Необходимость в детонаторах, таких как капсюли-детонаторы, возникла в связи с разработкой более безопасных взрывчатых веществ, которые не должны взрываться при случайном падении, неправильном обращении или воздействии огня или электрических полей. Для этого требовалась высокая энергия активации для детонации, что, в свою очередь, делало их намеренное взведение сопоставимо сложным. Именно тогда и появляется детонатор, призванный обеспечить необходимую энергию активации посредством небольшого инициирующего взрыва. Будучи компактным устройством, его легко безопасно хранить и использовать, и, хотя он по-прежнему представляет опасность, даже случайное срабатывание не приведет к серьезным повреждениям. Детонатор и основное взрывное устройство можно хранить раздельно, соединяя их непосредственно перед использованием, что обеспечивает безопасность основного заряда.

Типы

Обычные детонаторы обычно представляют собой взрывчатые вещества, инициируемые воспламенением. Хотя они в основном используются в коммерческих целях, обычные детонаторы по-прежнему применяются в военных операциях. Этот тип детонатора чаще всего инициируется с помощью предохранительного шнура и используется в детонациях, не требующих высокой точности по времени, например, при обезвреживании обычных боеприпасов. Хорошо известными детонаторами являются азид свинца [Pb(N3)2], азид серебра [AgN3] и фулминат ртути [Hg(ONC)2]. Существуют три категории электрических детонаторов: мгновенные электрические детонаторы (IED), детонаторы с короткой задержкой (SPD) и детонаторы с длительной задержкой (LPD). SPD измеряются в миллисекундах, а LPD – в секундах. В ситуациях, когда требуется точность в наносекундах, особенно в имплозионных зарядах ядерного оружия, используются детонаторы с взрывающимся мостиковым проводом. Начальная ударная волна создается за счет испарения участка тонкой проволоки электрическим разрядом. Новая разработка – шлепперный детонатор, который использует тонкие пластины, ускоренные взрывом проволоки или фольги, для создания начального импульса. Он применяется в некоторых современных системах вооружения. Вариант этой концепции используется в горнодобывающей промышленности, когда фольга взрывается лазерным импульсом, подаваемым по оптическому волокну. Неэлектрический детонатор – это детонатор, предназначенный для инициирования взрывов, как правило, для сноса зданий и взрывных работ в шахтах и карьерах. Вместо электрических проводов импульс воспламенения передается по полой пластиковой трубе, что делает его невосприимчивым к большинству опасностей, связанных с блуждающими электрическими токами. Он состоит из пластиковой трубы малого диаметра с тремя слоями, внутренние стенки которой покрыты реактивным взрывчатым веществом, которое при воспламенении распространяет сигнал низкой энергии, подобный взрыву пыли. Реакция распространяется со скоростью примерно 6500 футов в секунду (2000 м/с) вдоль трубки, вызывая минимальные возмущения снаружи. Неэлектрические детонаторы были изобретены шведской компанией Nitro Nobel в 1960-х и 1970-х годах и выпущены на рынок сноса в 1973 году. В гражданской горнодобывающей промышленности электронные детонаторы обеспечивают более высокую точность задержек. Электронные детонаторы предназначены для обеспечения точного управления, необходимого для получения точных и стабильных результатов взрыва в различных областях применения в горнодобывающей, карьерной и строительной промышленности. Электронные детонаторы могут быть запрограммированы с интервалами в миллисекундах или субмиллисекундах с помощью специального программирующего устройства. Беспроводные электронные детонаторы начинают появляться на рынке гражданской горнодобывающей промышленности. Зашифрованные радиосигналы используются для передачи сигнала взрыва каждому детонатору в нужное время. Хотя в настоящее время они дороги, беспроводные детонаторы могут позволить использовать новые методы добычи полезных ископаемых, поскольку несколько зарядов можно загрузить одновременно и детонировать последовательно, не подвергая людей опасности. Испытательный детонатор № 8 содержит 2 грамма смеси, состоящей из 80 % фулмината ртути и 20 % хлората калия, или детонатор эквивалентной мощности. Детонатор эквивалентной мощности состоит из 0,40–0,45 грамма основного заряда из ПЭТН, прессованного в алюминиевой оболочке с толщиной дна не более 0,03 дюйма, с удельным весом не менее 1,4 г/см³, и оснащен стандартными весами инициатора в зависимости от производителя.

Ordinary detonators usually take the form of ignition based explosives. While they are mainly used in commercial operations, ordinary detonators are still used in military operations. This form of detonator is most commonly initiated using a safety fuse, and used in non time critical detonations e. g. conventional munitions disposal. Well known detonators are lead azide [Pb(N3)2], silver azide [AgN3] and mercury fulminate [Hg(ONC)2]. There are three categories of electrical detonators: instantaneous electrical detonators (IED), short period delay detonators (SPD) and long period delay detonators (LPD). SPDs are measured in milliseconds and LPDs are measured in seconds. In situations where nanosecond accuracy is required, specifically in the implosion charges in nuclear weapons, exploding bridgewire detonators are employed. The initial shock wave is created by vaporizing a length of a thin wire by an electric discharge. A new development is a slapper detonator, which uses thin plates accelerated by an electrically exploded wire or foil to deliver the initial shock. It is in use in some modern weapons systems. A variant of this concept is used in mining operations, when the foil is exploded by a laser pulse delivered to the foil by optical fiber. A non electric detonator is a shock tube detonator designed to initiate explosions, generally for the purpose of demolition of buildings and for use in the blasting of rock in mines and quarries. Instead of electric wires, a hollow plastic tube delivers the firing impulse to the detonator, making it immune to most of the hazards associated with stray electric current. It consists of a small diameter, three layer plastic tube coated on the innermost wall with a reactive explosive compound, which, when ignited, propagates a low energy signal, similar to a dust explosion. The reaction travels at approximately 6,500 ft/s (2,000 m/s) along the length of the tubing with minimal disturbance outside of the tube. Non electric detonators were invented by the Swedish company Nitro Nobel in the 1960s and 1970s, and launched to the demolitions market in 1973. In civil mining, electronic detonators have a better precision for delays. Electronic detonators are designed to provide the precise control necessary to produce accurate and consistent blasting results in a variety of blasting applications in the mining, quarrying, and construction industries. Electronic detonators may be programmed in millisecond or sub millisecond increments using a dedicated programming device. Wireless electronic detonators are beginning to be available in the civil mining market. Encrypted radio signals are used to communicate the blast signal to each detonator at the correct time. While currently expensive, wireless detonators can enable new mining techniques as multiple blasts can be loaded at once and fired in sequence without putting humans in harm's way. A number 8 test blasting cap is one containing 2 grams of a mixture of 80 percent mercury fulminate and 20 percent potassium chlorate, or a blasting cap of equivalent strength. An equivalent strength cap comprises 0.40 0.45 grams of PETN base charge pressed in an aluminum shell with bottom thickness not to exceed to 0.03 of an inch, to a specific gravity of not less than 1.4 g/cc, and primed with standard weights of primer depending on the manufacturer.

Взрывные шапки

Самый старый и простой тип капсюля, капсюли с пиротехническим запалом, представляют собой металлический цилиндр, закрытый с одного конца. От открытого конца внутрь последовательно располагаются: пустое пространство для вставки и обжимки пиротехнического запала, пиротехническая смесь зажигания, первичное взрывчатое вещество и основной детонирующий взрывчатый заряд. Основная опасность пиротехнических капсюлей заключается в том, что для правильного использования запал должен быть вставлен и затем зажат на месте путем обжимки основания капсюля вокруг запала. Если инструмент, используемый для обжимки капсюля, находится слишком близко к взрывчатым веществам, первичное взрывчатое вещество может детонировать во время обжимки. Распространенной опасной практикой является обжимка капсюлей зубами, что при случайной детонации может привести к серьезным повреждениям ротовой полости. Капсюли с пиротехническим запалом до сих пор активно используются. Они являются самым безопасным типом для использования в условиях определенных видов электромагнитных помех и имеют встроенную задержку времени, связанную со сгоранием запала. Электрические капсюли с твердым зарядом используют тонкий мостовой проводник, находящийся в прямом контакте (отсюда название "с твердым зарядом") с первичным взрывчатым веществом, которое нагревается электрическим током и вызывает детонацию первичного взрывчатого вещества. Этот первичный взрывчатый заряд затем инициирует детонацию большего заряда вторичного взрывчатого вещества. Некоторые капсюли с твердым зарядом включают небольшой пиротехнический элемент задержки, до нескольких сотен миллисекунд, прежде чем произойдет воспламенение. Капсюли типа "спичка" используют электрический запал (изолирующий лист с электродами с обеих сторон, тонкий мостовой проводник, припаянный по сторонам, все погруженное в смеси зажигания и выходные смеси) для инициирования первичного взрывчатого вещества, вместо прямого контакта между мостовым проводником и первичным взрывчатым веществом. Запал может быть изготовлен отдельно от остальной части капсюля и собран только в конце процесса. Капсюли типа "спичка" в настоящее время являются наиболее распространенным типом во всем мире. Детонатор с взрывающимся проводником был изобретен в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта по разработке ядерного оружия. Целью разработки было создание детонатора, который действовал бы очень быстро и предсказуемо. Как капсюли типа "спичка", так и с твердым зарядом требуют нескольких миллисекунд для воспламенения, поскольку мостовой проводник нагревается и нагревает взрывчатое вещество до точки детонации. Детонаторы с взрывающимся проводником (EBW) используют электрический заряд более высокого напряжения и очень тонкий проводник, длиной 0,04 дюйма (1 мм), диаметром 0,0016 дюйма (0,04 мм). Вместо нагрева взрывчатого вещества, проводник детонатора EBW нагревается настолько быстро высоким током воспламенения, что он фактически испаряется и взрывается из-за нагрева сопротивлением. Этот электрически вызванный взрыв затем инициирует детонаторный зажигательный взрывчатый материал (обычно ПЭТН). Некоторые аналогичные детонаторы используют тонкую металлическую фольгу вместо проводника, но работают по тому же принципу, что и настоящие детонаторы с взрывающимся проводником. Помимо очень быстрого воспламенения при правильной активации, детонаторы EBW безопасны от статического электричества и других электрических токов. Достаточный ток расплавит проводник, но он не сможет детонировать зажигатель без полного заряда высокого напряжения и высокого тока, проходящего через проводник. Детонаторы EBW используются во многих гражданских приложениях, где радиосигналы, статическое электричество или другие электрические опасности могут вызвать несчастные случаи с обычными электрическими детонаторами. Детонаторы с "хлопушкой" являются усовершенствованием детонаторов EBW. Детонаторы с "хлопушкой", вместо непосредственного использования взрывающейся фольги для детонации зажигателя, используют электрическое испарение фольги для привода небольшого круга изолирующего материала, такого как ПЭТ-пленка или каптона, вниз по круговому отверстию в дополнительном диске изолирующего материала. На дальнем конце этого отверстия находится гранула обычного зажигательного взрывчатого вещества. Эффективность преобразования энергии из электричества в кинетическую энергию летающего диска или "хлопушки" может составлять 20–40%. Поскольку "хлопушка" воздействует на широкую площадь – 40 тысячных дюйма (примерно 1 мм) – взрывчатого вещества, а не на тонкую линию или точку, как в детонаторе с взрывающейся фольгой или взрывающимся проводником, детонация более равномерная и требует меньше энергии. Надежная детонация требует повышения минимального объема взрывчатого вещества до температур и давлений, при которых начинается детонация. Если энергия откладывается в одной точке, она может рассеиваться во взрывчатом веществе во всех направлениях в виде волн разрежения или расширения, и только небольшой объем эффективно нагревается или сжимается. Летающий диск теряет энергию удара на своих сторонах в волнах разрежения, но конический объем взрывчатого вещества эффективно сжимается ударной волной. Детонаторы с "хлопушкой" используются в ядерном оружии. Эти компоненты требуют больших количеств энергии для инициирования, что делает их крайне маловероятными для случайного срабатывания. В лазерных инициаторах импульс от лазера проходит по оптическому волокну, чтобы ударить и, таким образом, инициировать взрывчатое вещество, легированное углеродом. Эти инициаторы обладают высокой надежностью. Случайное инициирование очень затруднено, поскольку взрывчатое вещество может быть детонировано только присоединенным лазером, который точно настроен для этого, или полностью независимым лазером, соответствующим ему.

The oldest and simplest type of cap, fuse caps are a metal cylinder, closed at one end. From the open end inwards, there is first an empty space into which a pyrotechnic fuse is inserted and crimped, then a pyrotechnic ignition mix, a primary explosive, and then the main detonating explosive charge. The primary hazard of pyrotechnic blasting caps is that for proper usage, the fuse must be inserted and then crimped into place by crushing the base of the cap around the fuse. If the tool used to crimp the cap is used too close to the explosives, the primary explosive compound can detonate during crimping. A common hazardous practice is crimping caps with one's teeth; an accidental detonation can cause serious injury to the mouth. Fuse type blasting caps are still in active use today. They are the safest type to use around certain types of electromagnetic interference, and they have a built in time delay as the fuse burns down. Solid pack electric blasting caps use a thin bridgewire in direct contact (hence solid pack) with a primary explosive, which is heated by electric current and causes the detonation of the primary explosive. That primary explosive then detonates a larger charge of secondary explosive. Some solid pack fuses incorporate a small pyrotechnic delay element, up to a few hundred milliseconds, before the cap fires. Match type blasting caps use an electric match (insulating sheet with electrodes on both sides, a thin bridgewire soldered across the sides, all dipped in ignition and output mixes) to initiate the primary explosive, rather than direct contact between the bridgewire and the primary explosive. The match can be manufactured separately from the rest of the cap and only assembled at the end of the process. Match type caps are now the most common type found worldwide. The exploding bridgewire detonator was invented in the 1940s as part of the Manhattan Project to develop nuclear weapons. The design goal was to produce a detonator which acted very rapidly and predictably. Both Match and Solid Pack type electric caps take a few milliseconds to fire, as the bridgewire heats up and heats the explosive to the point of detonation. Explosive bridgewire or EBW detonators use a higher voltage electric charge and a very thin bridgewire, .04 inch long, .0016 diameter, (1 mm long, 0.04 mm diameter). Instead of heating up the explosive, the EBW detonator wire is heated so quickly by the high firing current that the wire actually vaporizes and explodes due to electric resistance heating. That electrically driven explosion then fires the detonator's initiator explosive (usually PETN). Some similar detonators use a thin metal foil instead of a wire, but operate in the same manner as true bridgewire detonators. In addition to firing very quickly when properly activated, EBW detonators are safe from stray static electricity and other electric current. Enough current will melt the bridgewire, but it cannot detonate the initiator explosive without the full high voltage high current charge passing through the bridgewire. EBW detonators are used in many civilian applications where radio signals, static electricity, or other electrical hazards might cause accidents with conventional electric detonators. Slapper detonators are an improvement on EBW detonators. Slappers, instead of directly using the exploding foil to detonate the initiator explosive, use the electrical vaporization of the foil to drive a small circle of insulating material such as PET film or kapton down a circular hole in an additional disc of insulating material. At the far end of that hole is a pellet of conventional initiator explosive. The conversion efficiency of energy from electricity into kinetic energy of the flying disk or slapper can be 20–40%. Since the slapper impacts a wide area—40 thousandths of an inch (roughly one mm) across—of the explosive, rather than a thin line or point as in an exploding foil or bridgewire detonator, the detonation is more regular and requires less energy. Reliable detonation requires raising a minimum volume of explosive to temperatures and pressures at which detonation starts. If energy is deposited at a single point, it can radiate away in the explosive in all directions in rarefaction or expansion waves, and only a small volume is efficiently heated or compressed. The flier disc loses impact energy at its sides to rarefaction waves, but a conical volume of explosive is efficiently shock compressed. Slapper detonators are used in nuclear weapons. These components require large quantities of energy to initiate, making them extremely unlikely to accidentally discharge. In laser ordnance initiators, a pulse from a laser passes down an optical fiber to strike and thus initiate a carbon doped explosive. These initiators are highly reliable. Unintentional initiation is very difficult as the explosive can only be detonated by the attached laser, which is precisely tuned to do so, or a completely independent laser that matches.