В древнегреческой мифологии особое место занимает персонаж, который рьяно защищал человечество от жестокости и произвола богов. Помимо прочего он подарил нам, людям, огонь и знания как его сохранять. Имя этого персонажа — Прометей. Зевс наказал его в самой что ни на есть жестокой и изощренной манере — Прометей был прикован к скале на веки вечные, а орел каждый день выклевывал ему печень, которая полностью регенерировала, и мука повторялась вновь. Далеко не все физические или химические явления получают собственную мифологию, но вот огонь это другое дело. Животворящий и в то же время разрушающий все на своем пути, такой простой и такой загадочный. Сегодня мы познакомимся с трудом, в котором ученые продемонстрировали новый метод исследования огня, позволяющее детальнее рассмотреть молекулярные процессы, протекающие в языках пламени. Какие средства и инструменты были использованы учеными, что нового они смогли узнать про огонь и как их труд может помочь человечеству в дальнейшем? Ответы неизменно ждут нас в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Порой, глядя на пламя, кажется, что это живое существо со своими мыслями и коварными планами. Однако мифического в пламени столько сколько хватает нашей фантазии. В действительности же огонь это такой же физико-химический процесс, как и кристаллизация воды, например. Огонь это процесс окисления, который сопровождается излучением в видимом диапазоне и выделением тепла, то есть тепловой энергии. Для существования огня нужны определенные ингредиенты: топливо, окислитель и температура. Представим себе самый обычный костер в лагере туристов. В качестве топлива выступает древесина, а в качестве окислителя — кислород, который присутствует в воздухе, окружающем и туристов, и, естественно, древесину для костра. Без кислорода (т.е. окислителя в более обширном понимании) процесс горения невозможен. Третий ингредиент, температура, определяется свойствами предыдущих двух. Вариаций каждого из составляющих элементов огня очень много, как и их комбинаций, каждая из которых имеет свои свойства, характеристики и отличительные черты. Мы обладаем достаточно большими знаниями о процессе горения, но далеко не всеми.

В рассматриваемом сегодня исследовании ученые решили измерить температуру огня при различных вводных переменных: температурный диапазон 1000-1800 K, давление 2.0-2.9 ат и 7.6-10.7 ат, частота 250 кГц. Для этого был использован квантово-каскадный лазер (далее QCL) с акустико-оптической модуляцией (далее AOM) со средним инфракрасным диапазоном выходного сигнала от 1975 до 2260 см^-1.

Ученые отмечают, что для проведения временных измерений неинтрузивных частиц в реактивных системах отлично подходит лазерная абсорбционная спектрометрия в средней инфракрасной области. Сравнение сил поглощения двух целевых частиц с разными температурными зависимостями это уже метод двухлинейной термометрии. В таком методе из-за ограничений скорости сканирования и диапазона длин волны необходимо использовать сразу несколько лазеров для более быстрых измерений. Кроме того, несмотря на чувствительность измерений в низкоконцентрированных средах, узкополосные лазеры не подходят для систем с высокой концентрацией целевых частиц.

Таким образом, подобный метод нельзя использовать для измерений температур в системах энергоемких материалов, таких как C₄H₈N₈O₈ (октоген) и C₃H₆N₆O₆ (гексоген), поскольку в них целевые элементы (H₂O, СО и т.д.) производятся в очень большой концентрации. Посему необходим новый метод исследования подобных систем, что ученые в своем труде и описывают.

Подготовка экспериментальной установки

Изображение №1

На изображении 1а показана схема экспериментальной установки квантово-каскадного лазера с акустико-оптической модуляцией (AOM QCL):

• Mirror — зеркало;
• Diffracted Beam at Desired Wavelength — отраженный луч на нужную длину волны;
• Undiffracted Beam — неотраженный луч;
• AOM — акустико-оптический модулятор;
• Lenses — линзы;
• QCL -квантово-каскадный лазер;
• AR Coating — просветляющий слой;
• RF Generator — радиочастотный генератор;
• Output — выходной сигнал.

Спектральный выходной сигнал AOM QCL измерялся как функция входного AOM RF с использованием инфракрасного излучения с Фурье-преобразованием со спектральным разрешением в 0,2 см^-1 (1b).

Полуширина выходного сигнала зависит от рабочих условий: длительность импульса и QCL и AOM частоты. В данном же эксперименте показатель полуширины составлял примерно 12–15 см^-1.

В экспериментах использовалась ударная труба из нержавеющей стали с внутренним диаметром 14 см, также использовались поликарбонатные диафрагмы толщиной 0,18 и 0,76 мм. Пять пьезоэлектрических преобразователей давления, расположенных вдоль последних 1,4 м ударной трубы, использовались для измерения скорости удара, которая была линейно экстраполирована на торцевую стенку. Температура и давление в области отраженного удара (P5 и T5) были рассчитаны с использованием начальной температуры и давления в данной области и экстраполированной скорости удара с использованием одномерных соотношений удара с учетом химически замороженных, колебательно уравновешенных газов. Затухание скорости было примерно 1,5%/м, а погрешность в T5 и P5 составила менее 2%.


Изображение №2: схема экспериментальной установки в совокупности с тестовой областью ударной трубы.

Пояснения к изображению выше:

• AOM QCL System — установка квантово-каскадного лазера с акустико-оптической модуляцией;
• RF Generator — радиочастотный генератор;
• Function Generator — функциональный генератор$
• Sync — синхронизация;
• Pulsed Current Source — импульсный источник тока;
• Iris — диафрагма;
• I ( transmitted signal intensity) Detector — датчик интенсивности (I) передаваемого сигнала
• Curved Mirror — изогнутое зеркало;
• I0 Detector — датчик интенсивности опорного луча;
• Beamsplitter — разделитель луча;
• Mirror — зеркало;
• Endwall — торцевая стенка;
• ZnSe Windows — линзы из селенида цинка;
• Shock Tube — ударная труба.

Луч из AOM QCL был разделен на опорный и сигнальный лучи посредством разделителя луча из фторида кальция (CaF₂). Интенсивность опорного луча измерялась посредством фотоэлектрического датчика с термоэлектрическим охлаждением. Как мы видим по схеме, перед самой трубкой луч проходит линзу из селенида цинка толщиной 3 мм и 12.7 мм в диаметре. Обе линзы были расположены на расстоянии в 2 см от торцевой стенки и были нацелены друг на друга. Пройдя вторую линзу, луч направляется к датчику интенсивности передаваемого сигнала через изогнутое зеркало.

Лазер установки работал в импульсном режиме с частотой повторения 500 кГц и длительностью импульса 100 нс. AOM использовался для чередования импульсов между спектральными полосами в 2030 см^-1 и 2080 см^-1 посредством модуляции радиочастотного драйвера меандром* с периодом 250 кГц, который был синхронизирован с драйвером лазерного импульса.

Меандр* — периодический сигнал прямоугольной формы.

Такие точные спектральные полосы были выбраны специально, чтобы обеспечить высокую температурную чувствительность в исследуемом диапазоне температур при относительно низкой чувствительности к мольной доле и давлению СО. Помимо этого, для более спектральной стабильности AOM и QCL контролировались по температуре.

Результаты экспериментов

А теперь перейдем непосредственно к результатам работы установки.

Во время опытов измеряемая температура варьировалась от 1000 до 1800 K, при этом применялось два варианта давления: низкое — 2.0-2.9 ат и высокое — 7.6-10.7 ат. Анализируемая смесь состояла из CO, разведенного в гелии (He) и аргоне (Ar). При низком давлении использовалась смесь 10% CO, 25% He и 65% Ar, а при высоком давлении — 3% CO, 15% He и 82% Ar. Для обеспечения гомогенности (однородности) образцов процесс смешивания протекал в течение 8 часов.


Изображение №3

Для расчетов ожидаемого спектра сигнального луча для каждой из двух полос по длине волны использовалась совокупность смоделированного спектра поглощения и измеренного выходного спектра AOM QCL. При этом учитывался монохроматический закон Бера – Ламберта для каждой отдельной длины волны (3а).

Поглощение для двух полос было смоделировано для каждой комбинации T5, P5 и мольной доли при учете 14 см пути (длина ударной трубы) для: диапазона температур 600-2600 K с шагом 50 K, диапазона мольных долей CO от 1% до 50 % с шагом 1% и диапазона давления 0,001-13,0 ат с шагом в 1 ат.

Как видно на изображении 3b, температура сильно влияет на коэффициент поглощения, но слабо на показатели мольной доли и давления. Температура и мольная доля рассчитывались посредством итеративного метода, то есть эти показатели сначала определялись отдельно друг от друга и использовались для расчета теоретически ожидаемых значений поглощения для двух выходных полос при экспериментально измеренном давлении (P5). После этого температуру меняли, сопоставляя теоретические и измеренные коэффициенты поглощения. Мольную долю СО меняли с использованием разности измеренного и теоретического значения поглощения полосы 2080 см^-1.


Изображение №4

На изображении 4а мы можем увидеть сравнение измеренных и известных температур в экспериментах с ударной трубкой при учете ударов как низкого, так и высокого давления. Как мы видим, температуры, которые были получены посредством системы AOM QCL, практически идеально согласовываются с показателями ударных температур во всем диапазоне 1000–1800 К и при обоих диапазонах давления. На соседнем графике (4b) показано соотношение измеренной и фактической мольной доли СО. В случае этого показателя также наблюдается отличное согласование изначально известных данных и тех, что были получены посредством измерений экспериментальной системой AOM QCL.

Выводы исследователей

Ученые обнаружили, что изменение температуры не зависит от смещений лазерного луча, возникающих ввиду частиц диафрагмы. Такой вывод обоснован тем, что это смещение влияет на оба спектральных компонента выходного сигнала из-за переменных импульсов, проходящих через один и тот же луч. В результате смещение компенсируется.

Если же учесть невосприимчивость измерений температуры к фоновым тепловым выбросам и вышеописанному смещению лазерного луча, то разработанная методика отлично подходит для изучения газофазных реакций энергетических материалов (например, октоген и гексоген), в которых образуется CO, а горячие частицы и волны давления могут вызывать как тепловые выбросы, так и смещение луча.

Кроме того, учитывая ширину полосы пропускания AOM QCL в 12-15 см^-1, многие характеристики поглощения одного компонента исследуемой среды могут анализироваться одновременно. Узкополосные же лазеры имеют повышенную чувствительность, но ограничены в диапазоне концентраций, где они могут использоваться, из-за насыщения.

Моделирование спектра с использованием HITEMP учитывает исключительно CO. Соответственно, использование системы AOM QCL на структурах, когда компонентные составляющие смеси могут быть разные, требует дальнейшего совершенствования системы для повышения ее точности.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Данное экспериментальное исследование является демонстрацией нового инструмента в исследовании температуры и компонентной концентрации внутри высокотемпературных реагирующих систем. Ученым посредством данного инструмента удалось успешно изучить смеси с 3% и 10% CO в температурном диапазоне 1000…1800 K при давлении 2.0-2.9 ат и 7.6-10.7 ат.

Система AOM QCL, по словам самих разработчиков, достаточно гибкая и позволяет настроить ее под различные исследуемые среды в широком температурном диапазоне. Кроме того, система может измерять сразу несколько составных элементов среды посредством измерения их характеристик поглощения.

Огонь это не просто печка в деревенском доме, камин в особняке или свеча на торте. Огонь это сложный физико-химический процесс, понимание которого дает человеку больше инструментов для контроля его созидательной силы и борьбы с его разрушительной мощью.

Я не преувеличу сказав, что все мы были шокированы пожаром, произошедшим в соборе Парижской Богоматери. Столько веков научных изысканий, открытий и прорывов, но мы так и не смогли уберечь одну из величайших и прекраснейших жемчужин архитектуры от непокорного огня. Данная утрата лишний раз напомнила нам, что человек на так уж велик, и нам предстоит еще много познать об окружающем нас мире, дабы полностью обезопасить себя от тех бед, которые он может нам преподнести. Единственная разрушительная сила, с которой мы скорее всего никогда не сможем совладать это мы сами.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, помните правила противопожарной безопасности и хорошей вам рабочей недели, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?