För första gången i USA, tidsupplöst röntgenspridning med liten vinkel (TRSAXS) används för att observera ultrasnabb kolkluster och grafit- och nanodiamantproduktion i det okänsliga sprängämnet Plastic Bonded Explosive (PBX) 9502, potentiellt leda till bättre datormodeller av explosiv prestanda.

"Kolkluster produceras under den kemiska processen för detonation i högexplosiva ämnen, sa Dana Dattelbaum, av Explosive Science and Shock Physics Division. "Kolpartikelstorleken, form, sammansättning och deras utveckling i tiden hjälper oss att förstå hur sprängämnen levererar energi över en given tidsram."

Forskningen publicerades i onlineversionen av Journal of Physical Chemistry C i Augusti. Genom att använda TRSAXS vid den nyligen idriftsatta sektorn för dynamisk komprimering av den avancerade fotonkällan vid Argonne National Laboratory, forskare från Los Alamos och Lawrence Livermore nationella laboratorier detonerade små prover av TATB-baserad (triamino trinitrobenzene) PBX 9502 medan högbriljans röntgenstrålar sprids av de fasta kolprodukter som bildas i detonationen. Samarbetspartners inkluderade också forskare och tekniker från Argonne och Washington State University.

PBX 9502 är ett okänsligt högexplosivt ämne som används flitigt i USA:s kärnvapenavskräckande medel. Höga explosiva ämnen används för att driva kärnkraftens "primära" till en kritisk massa, initiera en kärnvapendetonation. Okänsliga explosiva ämnen är mycket svåra att detonera av misstag, och anses vara extremt säkra. Dock, den exakta kemiska processen för energiöverföring är fortfarande i stort sett okänd. Forskare fann att skapandet av kolkluster sker mycket snabbare än man tidigare trott, och kolets sammansättning är mycket annorlunda än vad man antagit.

"Ett oväntat och betydande fynd av denna forskning var förhållandet mellan grafit och diamant som härleddes av röntgenkontrasten från spridningsmätningarna, " sade Dattelbaum. "Vid detonering av TATB-baserad PBX 9502, vi fann att cirka 80 procent grafit och 20 procent diamant bildades när vi förväntade oss att se en mycket högre andel diamantliknande kol."

Produkterna av detonation, partikelstorlekens dynamik och typen av kol som produceras kan korrelera direkt med typen av sprängämne, och förbättra datormodeller av explosiv prestanda, vilket leder till bättre förutsägande förmåga att garantera säkerheten, säkerhet, och effektiviteten hos USA:s kärnvapenavskräckning.

Analys av röntgenspridningsdata från TRSAXS avslöjade snabb initial tillväxt av kolkluster inom 200 nanosekunder bakom stötvågsfronten i det tre gram stora explosiva provet. Analys av återvunna produkter avslöjade att partikelstorleken inte översteg en diameter på 8,4 nanometer och att partikelstorleken bekräftade att partikeltillväxten inte fortsatte efter 200 nanosekunder för denna laddningsstorlek.

"Vad vi verkligen försöker göra är att förstå hur den här processen utvecklas över tiden, " sa Dattelbaum, "så att vi bättre kan förutsäga hastigheten och energin som levereras av ett givet sprängämne."