MESURES DE TEMPERATURES SOUS CHOC PAR DIFFUSION RAMAN

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Submitted on 1 Jan 1987

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MESURES DE TEMPERATURES SOUS CHOC PAR DIFFUSION RAMAN

S. Dufort

To cite this version:

S. Dufort. MESURES DE TEMPERATURES SOUS CHOC PAR DIFFUSION RAMAN. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C4), pp.C4-137-C4-144. �10.1051/jphyscol:1987409�. �jpa-00226641�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C4, supplément au n"9, Tome 48, septembre 1987

MESURES DE TEME'ERATURES SOUS CHOC PAR DIFFUSION RAMAN

S. DUFORT

Commissariat à Z'Energie Atomique, C.E.S. T.A., B.P. 2, 33114 Le Barp, France

RESUME

L ' é t u d e des m o d i f i c a t i o n s s t r u c t u r a l e s d ' u n e x p l o s i f soumis à une onde de choc nous a c o n d u i t à développer un montage de spectro- m é t r i e Raman u l t r a - r a p i d e selon l a technique mise au p o i n t par BRIDOUX e t DELHAYE. Nous présentons i c i l ' a p p l i c a t i o n de c e t t e mé- thode à l a détermination instantanée des températures a t t e i n t e s l o - calement par l ' e x p l o s i f d e r r i è r e l e f r o n t de choc.

ABSTRACT

The study o f s t r u c t u r a l m o d i f i c a t i o n s o f a shocked e x p l o s i v e l e d us t o develop f a s t Raman spectrometry experiments a c c o r d i n g t o t h e technique p e r f e c t e d by BRlDOUX and DELHAYE. We p r e s e n t here t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s method t o t h e instantaneous d e t e r m i n a t i o n o f t h e l o c a l temperature reached by an e x p l o s i v e behind a shock f r o n t . 1 - INTRODUCTION

Les travaux précédemment p u b l i é s ( ( 1 1 , (21, (311, o n t montré l a p o s s i b i l i - t é de mesurer, grâce à l a d i f f u s i o n Raman, l a température d'un m i l i e u condensé soumis à une onde de choc. La technique expérimentale développée met à p r o f i t l e s quelques d i z a i n e s de nanosecondes séparant l e passage de l ' o n d e de choc au s e i n de l ' e x p l o s i f du début de l a r é a c t i o n de décomposition, durée pendant l a q u e l l e l e spec- t r e Raman de l a molécule n ' e s t pas a l t é r é . La mesure simultanée des i n t e n s i t é s Stokes e t a n t i - S t o k e s émises par l e même volume d i f f u s a n t pendant ce l a p s de temps permet d'accéder à l a d é t e r m i n a t i o n i n s t a n t a n é e de l a température a t t e i n t e par l e m i r i e u .

Nous présentons i c i l e s c o n d i t i o n s expérimentales nécessaires à l ' o b t e n - t i o n de mesures r e p r o d u c t i b l e s a i n s i qu'une synthèse des r é s u l t a t s obtenus dans l e cadre des études menées s u r un e x p l o s i f l i q u i d e (nitrométhane) ou s o l i d e fhexogè- ne). Les v a l e u r s obtenues sont en bon accord avec l e s températures i s s u e s du c a l c u l à l ' a i d e d'une équation d ' é t a t considérant l a capacité c a l o r i f i q u e à volume constant Cv comme une f o n c t i o n c r o i s s a n t e de l a température.

II- PRINCIPE DE LA METHODE

Lorsqu'une onde électromagnétique de fréquence V Q t r a v e r s e un m i l i e u t r a n s p a r e n t , l e s p e c t r e de l a lumière d i f f u s é e comprend, en p l u s de l a fréquence vo ( d i f f u s i o n Rayleigh), d ' a u t r e s r a i e s dues aux c o l l i s i o n s i n é l a s t i q u e s e n t r e l e s photons e t l e s p a r t i c u l e s . Ces r a i e s , de fréquences vo i vi? forment l e spectre Raman. Les r a i e s vo - v i sont l e s r a i e s Raman "Stokes", l e s r a i e s v o + v. sont appe- l é e s r a i e s Raman "anti-Stokes".

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987409

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C4-138 JOURNAL DE PHYSIQUE

Pour une fréquence Raman donnée vi , l'intensité de la raie Stokes est donnée par :

Pour la raie anti-Stokes, nous avons :

Dans ces expressions :

. Io est l'intentité de l'onde incidente sur le volume observé,

. ^h est la constante de Planck,

. ^k est la constante de Boltzmann,

. ^T la température du milieu,

. Ci représente un paramètre prenant en compte la section efficace de diffusion Raman des particules diffusantes à la fréquence v;, la densité du milieu, les conditions géométriques d'éclairement et de reception, ...

Afin de se soustraire aux éventuelles fluctuations de b et aux variations de Ci entraînees par le passage de l'onde de choc dans le milieu, la méthode que nous avons, choisie pour évaluer la température consiste à déterminer le rapport R des expressions 111 et 121 :

Ce rapport ne dépend plus que de v o , v i et T ; la détermination de T se ramène alors, pour vo et vi donriés, à la mesure de R.

Cette démarche implique :

1. de vérifier l'existence du spectre Raman du milieu sous choc,

2. de déterminer les modifications possibles des fréquences Raman vi que peut induire le choc,

3. de mesurer les intensités Stokes et anti-Stokes en se calant sur les fréquences obtenues sous choc,

4. de vérifier l'absence de lumière parasite dans les signaux obtenus

SOUS choc,

5. d'établir les corrections à appliquer aux signaux afin de tenir compte des différences entre les récepteurs Stokes et anti-Stokes.

III - CONDITIONS EXPERZMENTALES

La conception du montage expérimental utilisé répond au double objectif consistant à évaluer les modifications éventuelles du spectre Raman induites par le choc puis à mesurer simultanément, pour la fréquence vi choisie, les intensités des raies Stokes et anti-Stokes.

Ce dispositif expérimental est représenté, hormis la chaîne électronique de synchronisation, sur la figure 1.

L'effet Raman est produit par un laser YAG à deux étages, doublé en fré- quence et déclenché par une cellule de POCKELS. Le pulse émis à 532 nn transpor- te une énergie de 100 mJ et dure 10 ns.

La lumière diffusée à 90° du faisceau incident est recueillie de part et d'autre de l'échantillon par des lentilles à grande ouverture ; elle est ensuite envoyée d'un côté vers le bichromateur et de l'autre vers l'analyseur de spectres optiques.

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Casemate de tir,-,,Porte échantillon

t Miroir escamotable Analyseur d e s p e c t r e s

Oscilloscopes

F i g u r e 1 - D i s p o s i t i f expérimental de s p e c t r o m é t r i e Raman.

a ) - A n a l y s e morpholoqique du s p e c t r e Raman

...

Le rayonnement d i f f u s é p r é l e v é pour l ' é t u d e de l ' é v o l u t i o n morphologique du s p e c t r e Raman e s t f o c a l i s é s u r l a f e n t e d ' e n t r é e d ' u n double monochrornateur.

La f e n t e de s o r t i e de ce d e r n i e r é t a n t supprimée, il f o n c t i o n n e en s p e c t r o g r a ~ h e permettant d'observer un domaine s p e c t r a l r e l a t i v e m e n t é t r o i t (x 450 cm-').

Le s p e c t r e obtenu e s t formé s u r l a photocathode d'une caméra é l e c t r o n i q u e à balayage THOMSON TSM 503 u t i l i s é e comme o b t u r a t e u r c o n t r e l a l u m i è r e p a r a s i t e . Un a m p l i f i c a t e u r de b r i l l a n c e à microcanaux e s t accolé à l a f e n ê t r e de s o r t i e de c e t t e caméra. L'image du s p e c t r e e s t e n s u i t e r e f o c a l i s é e s u r l a photocathode d ' u n t u b e VIDICON SIT e t mise en mémoire sous l a forme c l a s s i q u e 1 = f ( X I

grâce à un analyseur de spectres optiques (O.S.A. 500 de B & M S p e c t r o n i k ) . b) - I4esure d e s i n t e n s i t é s S t o k e s e t a n t i - S t o k e s

...

Le schéma de p r i n c i p e du bichromateur S.A.S. (Stokes - a n t i - S t o k e s ) e s t présenté dans l a f i g u r e 2. 11 e s t p r i n c i p a l e m e n t c o n s t i t u é d ' u n réseau holographique concave permettant d ' o b t e n i r , symétriquement par r a p p o r t à l a d i - r e c t i o n d ' é c l a i r e m e n t , deux spectres i d e n t i q u e s associés aux o r d r e s + 1 e t - 1 du ré- seau. Deux p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s sont p o s i t i o n n é s de façon à ê t r e c e n t r é s sur l a fréquence de l a r a i e Raman à mesurer, Stokes pour l ' u n , anti-Stokes pour l ' a u t r e .

A f i n de t e n i r compte de l ' é l a r g i s s e m e n t e t du déplacement p l u s ou moins b i e n déterminés des r a i e s sous choc, une f e n t e l a r g e (x 1 mm) e s t placée devant chaque p h o t o m u l t i p l i c a t e u r . Ceci a pour e f f e t de l i m i t e r l a s é l e c t i v i t é s p e c t r a l e mais présente l ' a v a n t a g e de p e r m e t t r e d ' e n g l o b e r l e s i n c e r t i t u d e s de positionnement en longueur d'onde.

A f i n d ' a m é l i o r e r l e c o n t r a s t e de l ' a p p a r e i l , nous avons é t é amenés à pla- c e r devant chaque p h o t o r n u l t i p l i c a t e u r un f i l t r e i n t e r f é r e n t i e l adapté à l a longueur d'onde à mesurer.

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Les signaux d é l i v r é s par l e s p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s s o n t v i s u a l i s é s s u r o s c i l l o s c o p e ou mis en mémoire sur un analyseur de t r a n s i t o i r e à deux voies.

Filtre interférentiel

Fente de sertie Photomultiplicateur

anti-Stokes

variable 0 Objectif

F i g u r e 2 - Schéma de p r i n c i p e du bichromateur.

111.2 - G6nérateurs de choc

Pour chaque e x p l o s i f é t u d i é , deux t y p e s d'expériences o n t é t é r é a l i s é e s : 1. L'onde de choc e s t engendrée p a r une p e t i t e q u a n t i t é d ' e x p l o s i f , de

l ' o r d r e de 5 g. Le choc e s t généré par un détonateur r e n f o r c é p a r un r e l a i s à base d'octogène.

La chaîne pyrotechnique e s t i n s é r é e dans un t u b e m é t a l l i q u e masquant l ' é m i s s i o n de l u m i è r e accompagnant l a d é t o n a t i o n . Le tube e s t o b t u r é par un disque de c u i v r e au t r a v e r s duquel l ' o n d e de choc e s t transmise à l ' e x p l o s i f f a i s a n t l ' o b j e t de l a mesure.

2. A f i n de p r o d u i r e des chocs p l u s soutenus que dans l e cas précédent, l e choc e s t c e t t e f o i s - c i généré par une cartouche de composition explo- s i v e à l ' o c t o g ë n e (0 = 100 mm, h = 95 mm) amorcée par un générateur d'onde plane.

La v a l e u r de l a p r e s s i o n i n d u i t e dans l ' e x p l o s i f é t u d i é dépend de l a n a t u r e de l a b a r r i è r e m é t a l l i q u e i n s é r é e e n t r e l a cartouche e t l ' e x p l o s i f .

Dans c e t t e c o n f i g u r a t i o n , l a p r e s s i o n appliquée d é c r o î t t r è s lentement dans l e temps.

Quel que s o i t l e système pyrotechnique u t i l i s é , l a p r e s s i o n engendrée e t son é v o l u t i o n dans l e temps o n t é t é d é d u i t e s de mesures de v i t e s s e de s u r f a c e l i b r e r é a l i s é e s p a r i n t e r f é r o m é t r i e DOPPLER-laser (4).

I V - ^RESULTATS

Le c h o i x de l a fréquence Raman dépend de l ' i n t e n s i t é de l a r a i e c h o i s i e mais a u s s i de l ' o r d r e de grandeur de l a température à mesurer. Dans l e cas de ten- p é r a t u r e s comprises e n t r e 300 K e t 1000 K l a p r é c i s i o n o p t i m a l e sera a t t e i n t e pour des fréquences comprises e n t r e 500 cm-' e t 1000 cm-'.

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Le tableau 1 rhcapitule, pour les explosifs étudi6s, les valeurs des fr6- quences Raman utilisées ainsi que les différentes pressions appliquées.

Pressions appliqules

//

( GPa 1 II

ii 295 ii

1 Nitrométhane ^(liquide)

1

⁹¹⁷

/

^5.0 ^Il

I r 8.5 !!

Tableau 1 ii

II Hexogène

1 (monocristal)

Dans le cas du nisyométhane, les modifications observées sous choc de la raie Raman à 917 cm sont de deux types : élargissement et déplacement en fréquence. La figure 3 présente un exemple d'évolution du spectre pour une pression induite de 2,5 GPa.

R a i e Raman au r e p o s

IL--- i____i_-iiiiil-i-i-iiiii---i--- --- ---JI

884

R a i e Raman sous choc

/ A !

9,5 13,5

Figure 3 - Modification sous choc de la raie Raman à 917 cm-' du nitrométhane pour une pression engendrée de 2,5 GPa.

En ce qui concerne l'hexogène, aucune modification sensible de la raie à 884 cm-' n'a été détectée.

1V.2 - Détermination de la température

Les résultats des expériences effectuées sur l'hexogène et le nitrométhane sont présentés dans le tableau 2. Quatre tirs ont été réalisés pour chaque pression appliquée par le genérateur de choc. La reproductibilif6 des mesures est de l'ordre de + ⁵%.

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JOU.RNAL DE PHYSIQUE

Explosif

II I l

il

N i t r o - méthane

II II

Tableau 2

ii 9,5

lV.3 - Discussigfi des r é s u l t a t s

...

Pression appliquée (GPa)

2,8 5,O 8.5

405 ii

Les r é s u l t a t s obtenus expérimentalement o n t é t é comparés aux é v a l u a t i o n s provenant d'une équation d ' é t a t d é r i v a n t des t r a v a u x de COWPERTHWAITE e t SHOW ( 5 ) . Le t a b l e a u 3 compare l e s températures expérimentales aux c a l c u l s e f f e c t u é s s u r l e nitrométhane e t l'hexogène.

--II

Température mesurée

( K I ^II

II

474 7 1 2

865 ^l!!

II Hexoaène 1;

... --- ---

---A--- --- --- ---

P r e s s i o n appliquée (GPa)

1

^2.8

7

^5.0

1

^8.5

¹

Valeur expérimentale ( K )

1

^{4 7 4}

1

⁷¹²

1

⁸⁶⁵ j/

Valeur c a l c u l é e ( K )

avec C,, = f ( T ) ( 5 )

1

^{5 3 0}

1

⁷³⁰ ⁸⁵⁰

_/1

I l II

P r e s s i o n appliquée (GPa)

H 1

! !

9,5

1

^13.5 ¹⁾

11 II

/i

c

II x al

!! =

11 1

v a l e u r c a l c u l é e avec. ii

,

C* = 0,232 + 7,2.10- T ( 8 )

1

⁴¹⁴

1

⁴⁸⁷ ¹

L--- ---- --e--- ... --- ---II

*C e t c en cal.g-l o c - '

1 v

..

Valeur expérimentale (KI

Valeur c a l c u l é e avec

510

'

⁶⁶⁴

^,

Cc = 0,261 ( 6 )

Valeur c a l c u l é e avec ^II

Cc = 0,229 ( 7 ) 540 715 11

1 ! Valeur c a l c u l é e avec

C* = 0,236 + 6,9.10-' T ( 8 ) P

Tableau 3 --

L'examen de ce t a b l e a u montre que l ' a c c o r d e n t r e l e s températures mesurées e t c a l c u l é e s e s t t o u t à f a i t s a t i s f a i s a n t l o r s q u e l e s c a p a c i t é s c a l o r i f i q u e s s ' e x p r i m e n t sous l a forme d'une f o n c t i o n c r o i s s a n t e de l a température.

405

! ! ! ^II!

41 5

V - CONCLUSION

Il l

485 11

1 !

ii

490 11

La première c o n c l u s i o n de ce t r a v a i l e s t que l a technique expérimentale que nous avons développée permet de déterminer, par d i f f u s i o n Raman, l a température a t t e i n t e localement p a r un e x p l o s i f soumis à une onde de choc.

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La r e p r o d u c t i b i l i t é des mesures e s t de l ' o r d r e de + ⁵^%.

Le m e i l l e u r a c c o r d e n t r e l e s températures e x p é r i m e n t a l e s e t l e s v a l e u r s d é d u i t e s de modèles d ' é q u a t i o n d ' é t a t e s t obtenu l o r s q u e l a c a p a c i t é c a l o r i f i q u e de l ' e x p l o s i f e s t c o n s i d é r & c r o i s s a n t e avec l a température.

V I - REFERENCES

( 1 ) - F. BOISARD, C. TOMBINI, A. MENIL

7 t h Symposium on D e t o n a t i o n - ANNAPOLIS - p. 1010 (1981) ( 2 ) - A . DELPUECH, A. MENIL

1983 APS T o p i c a l Conference on Shock Waves i n Condensed M a t t e r SANTA FE - p. 309 (1983)

( 3 ) - A. DELPUECH, A. MENIL, B. POULIGNY

1985 APS T o p i c a l Conference on Shock Waves i n Condensed M a t t e r SPOKANE - p . 877 (1985)

( 4 ) - DURAND e t C o l l .

Rev. S c i . I n s t . , ( 3 ) (1973) ( 5 ) - COWPERTHWAITE e t SHOW

J. Chem. Phys. ( 2 ) (1970) ( 6 ) - G. KRIEN, H. LICHT, J. ZIERATH

Therm. Chem. Acta, 6, 465 (1973) ( 7 ) - M. REY-LAFON, E. BONJOUR

Mol. C r y s t . , fi, 191 (1974) ( 8 ) - B.M. DOBRATZ

"LLNL E x p l o s i v e Handbooks" U.C.R.L. 52.997 (1981)

Q u e s t i o n - V. C. J . BHASU

1s t h e r e any comparison w i t h s t a t i c l o a d i n g measurements ?

R é p o n s e -

La comparaison e n t r e l e s températures a t t e i n t e s sous p r e s s i o n s t a t i q u e e t dynamique nous semble t r è s d i f f i c i l e dans l a mesure où l e s phénomènes m i s en j e u s o n t sans aucun d o u t e de n a t u r e s r a d i c a l e m e n t d i f f é r e n t e s .

Q u e s t i o n - L . SOULABD

Dans l a mesure où l e système n ' e s t pas en é q u i l i b r e thermodynamique, comment peut-on c a l c u l e r une t e m p é r a t u r e à p a r t i r d ' u n e d i s t r i b u t i o n de Maxwell-Boltzmann ? ( E t quel e s t l e sens de " t e m p é r a t u r e " h o r s de l ' é q u i - l i b r e ? )

R é p o n s e -

De f a ç o n é v i d e n t e , l a n o t i o n de température n ' a de sens q u ' à l ' é q u i l i b r e thermodynamique. L'onde de choc, de f a ç o n t o u t e a u s s i é v i d e n t e , e s t l e s i è g e de processus i r r é v e r s i b l e s e n t r a î n a n t l e système h o r s de son é t a t d ' é q u i l i b r e . T o u t e f o i s , l ' a n a l y s e des échanges thermiques d e r r i è r e l e f r o n t de choc p a r l a thermodynamique des processus i r r é v e r s i b l e s suppose 1 ' é q u i l i b r e thermodynamique l o c a l .

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JOURNAL DE PHYSIQUE

La spectrométrie Raman a u t o r i s e des mesures d ' i n t e n s i t é provenant de t r è s f a i b l e s volumes d i f f u s a n t s . En ce s e n s , c ' e s t sans aucun doute l a méthode permettant d'approcher au mieux l a connaissance de grandeurs l o c a l e s compatibles avec 1 e s approches phénoménologiques r é a l i s é e s p a r u r s .

Q u e s t i o n - ^J.B O I L E A U

Quelles s o n t l e s r a i s o n s du déplacement de 10 cme1 avec CH3N02 vers 900 cmd1 e t du non déplacement dans l e cas de l'hexogène ?

R é p o n s e -

Les fréquences de v i b r a t i o n d'une molécule s o n t l i é e s à sa s t r u c t u r e é l e c t r o n i q u e . Cette d e r n i è r e dépend non seulement de l a s t r u c t u r e oropre de l a molécule mais a u s s i de son environnement.

Le déplacement sous choc peut a i n s i a v o i r deux o r i g i n e s :

- modification de l a configuration é l e c t r o n i q u e par e x c i t a t i o n vibra- tionnel l e ou é l e c t r o n i q u e ,

- p e r t u r b a t i o n des p o t e n t i e l s i n t e r m o l é c u l a i r e s c a r a c t é r i s a n t l e s i n t e r a c t i o n s de l a molécule avec l e milieu environnant.

Dans l e cas des phases l i q u i d e s (nitrométhane), i l e s t vraisemblable que l a modification des p o t e n t i e l s i n t e r m o l é c u l a i r e s joue un r ô l e t r è s impor- t a n t , de par l a m o b i l i t é des molécules. Les déplacements de fréquence observés dans nos mesures trouvent s a n s doute l e u r o r i g i n e dans l e s modi- f i c a t i o n s des i n t e r a c t i o n s e n t r e molécules; c e t e f f e t e s t beaucoup moins s e n s i b l e pour 1 ' hexogène.