داخل اللهب: طريقة جديدة لفحص الأنظمة التفاعلية عالية الحرارة

في الأساطير اليونانية القديمة ، يحتل مكانة خاصة شخصية دافعت بحماس عن الإنسانية من قسوة الآلهة وتعسفها. من بين أشياء أخرى ، أعطانا ، الناس ، النار والمعرفة حول كيفية الحفاظ عليها. اسم هذه الشخصية هو بروميثيوس. قام زيوس بمعاقبته بطريقة قاسية ومتطورة للغاية - كان بروميثيوس مقيدًا إلى صخرة إلى الأبد وإلى الأبد ، وكان النسر ينقر كل يوم على كبده ، الذي تم تجديده تمامًا ، وتكرر الدقيق مرة أخرى. ليست كل الظواهر الفيزيائية أو الكيميائية تتلقى الأساطير الخاصة بها ، ولكن النار مسألة أخرى. الواهبة للحياة وفي نفس الوقت تدمير كل شيء في طريقه ، بسيط للغاية وغامض للغاية. سنتعرف اليوم على عمل أظهر فيه العلماء طريقة جديدة لدراسة الحريق ، مما يسمح لنا بفحص العمليات الجزيئية التي تحدث في ألسنة اللهب بمزيد من التفصيل. ما هي الأدوات والأدوات التي استخدمها العلماء ، وما الأشياء الجديدة التي يمكنهم تعلمها عن الحريق ، وكيف يمكن أن يساعد عملهم الإنسانية في المستقبل؟ الإجابات تنتظرنا دائمًا في تقرير المجموعة البحثية. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

في بعض الأحيان ، عند النظر إلى اللهب ، يبدو أن هذا كائن حي بأفكاره وخططه الخبيثة. ومع ذلك ، فإن الأسطورية في اللهب هي بقدر خيالنا. في الواقع ، النار هي نفس العملية الفيزيائية والكيميائية مثل تبلور الماء ، على سبيل المثال. النار هي عملية أكسدة مصحوبة بالإشعاع في المدى المرئي وإطلاق الحرارة ، أي الطاقة الحرارية. لوجود النار ، هناك حاجة لبعض المكونات: الوقود ، عامل مؤكسد ودرجة الحرارة. تخيل النيران الأكثر عادية في معسكر السياح. يعمل الخشب كوقود وأكسجين ، وهو موجود في الهواء المحيط بالسياح ، وبطبيعة الحال ، يعمل الحطب كعامل مؤكسد. بدون الأكسجين (أي عامل مؤكسد بمعنى أوسع) ، فإن عملية الاحتراق مستحيلة. يتم تحديد المكون الثالث ، درجة الحرارة ، من خلال خصائص اثنين السابقة. هناك الكثير من الاختلافات في كل عنصر من العناصر المكونة للحريق ، وكذلك مجموعاتها ، كل منها له خصائصه وخصائصه وميزاته المميزة. لدينا الكثير من المعرفة حول عملية الاحتراق ، ولكن ليس كل شيء.

في الدراسة التي تم فحصها اليوم ، قرر العلماء قياس درجة حرارة النار في متغيرات المدخلات المختلفة: نطاق درجة الحرارة من 1000-1800 K ، والضغط من 2،0-2،9 في و6،6-10،7 في ، تردد 250 كيلو هرتز. لهذا الغرض ، تم استخدام الليزر المتتالي الكمومي (QCL) مع التعديل البصري الصوتي (المشار إليه فيما يلي باسم AOM) مع متوسط ​​نطاق الأشعة تحت الحمراء لإشارة الخرج من 1975 إلى 2260 سم ^-1 .

يلاحظ العلماء أنه بالنسبة للقياسات المؤقتة للجزيئات غير المتطفلة في الأنظمة التفاعلية ، فإن قياس طيف الامتصاص بالليزر في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ممتاز. إن مقارنة قوى الامتصاص لجزيئين مستهدفين مع اعتماد مختلف على درجة الحرارة هي بالفعل طريقة لقياس درجة الحرارة مؤلفة من خطين. في هذه الطريقة ، نظرًا للقيود في سرعة المسح ونطاق الطول الموجي ، من الضروري استخدام عدة ليزر في وقت واحد لإجراء قياسات أسرع. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من حساسية القياسات في وسائط التركيز المنخفض ، فإن الليزر الضيق النطاق غير مناسب للأنظمة ذات التركيز العالي من الجزيئات المستهدفة.

وبالتالي ، لا يمكن استخدام طريقة مماثلة لقياسات درجة الحرارة في أنظمة المواد كثيفة الاستخدام للطاقة ، مثل C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (الأوكتوجين) و C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (hexogen) ، حيث أن العناصر المستهدفة (H ₂ O) ، ، وما إلى ذلك) يتم إنتاجها بتركيز عالٍ للغاية. لذلك ، هناك حاجة إلى طريقة جديدة لدراسة هذه النظم ، والتي وصفها العلماء في عملهم.

تحضير الإعداد التجريبي

الصورة رقم 1

يوضح الشكل 1 أ الإعداد التجريبي لليزر المتتالي الكمومي مع التعديل البصري الصوتي (AOM QCL):

• مرآة - مرآة ؛
• شعاع منتشر في الطول الموجي المرغوب - شعاع ينعكس في الطول الموجي المطلوب ؛
• شعاع غير منكسر - شعاع غير منعكس ؛
• AOM - المغير البصري البصري ؛
• عدسات - عدسات
• QCL الليزر تتالي الكم ؛
• طلاء AR - طبقة مضادة للانعكاس.
• مولد الترددات اللاسلكية - مولد الترددات الراديوية.
• الناتج - إشارة الخرج.

تم قياس إشارة الخرج الطيفي AOM QCL كدالة لإدخال AOM RF باستخدام الأشعة تحت الحمراء مع تحويل فورييه بدقة طيفية قدرها 0.2 سم ^-1 ( 1 ب ).

يعتمد نصف عرض إشارة الخرج على ظروف التشغيل: مدة النبضة وترددات QCL و AOM. في هذه التجربة ، كان مؤشر نصف العرض حوالي 12-15 سم ^-1 .

في التجارب ، تم استخدام أنبوب صدمة الفولاذ المقاوم للصدأ مع قطر داخلي من 14 سم ، واستخدمت أيضا أغشية الحجاب الحاجز البولي بسمك 0.18 و 0.76 ملم. تم استخدام خمسة محولات ضغط كهرضغطية موجودة على طول 1.4 متر من أنبوب الصدمة لقياس سرعة التصادم ، والتي تم استقراءها خطيًا إلى الجدار النهائي. تم حساب درجة الحرارة والضغط في منطقة الصدمة المنعكسة (P5 و T5) باستخدام درجة الحرارة والضغط الأولية في هذه المنطقة وسرعة الصدمة المستنيرة باستخدام نسب صدمة أحادية البعد مع مراعاة الغازات المتوازنة كيميائياً والمتوازنة. كان توهين السرعة حوالي 1.5 ٪ / م ، وكان الخطأ في T5 و P5 أقل من 2 ٪.


الصورة رقم 2: الإعداد التجريبي بالتزامن مع منطقة الاختبار لأنبوب الصدمة.

توضيحات للصورة أعلاه:

• نظام AOM QCL - تركيب ليزر متتالي الكم مع تعديل صوتي بصري ؛
• مولد الترددات اللاسلكية - مولد الترددات الراديوية.
• وظيفة مولد - وظيفة مولد $
• تزامن - التزامن.
• مصدر التيار النبضي - مصدر التيار النبضي ؛
• قزحية - فتحة.
• I (شدة الإشارة المرسلة) كاشف - مستشعر شدة (I) للإشارة المرسلة
• مرآة منحنية - مرآة منحنية ؛
• كاشف I0 - مستشعر شدة الحزمة المرجعية ؛
• Beamsplitter - شعاع الخائن.
• مرآة - مرآة ؛
• جدار نهاية الجدار ؛
• ZnSe Windows - عدسات من سيلينيد الزنك ؛
• أنبوب الصدمة - أنبوب الصدمة.

تم تقسيم شعاع من AOM QCL إلى أشعة وحزم إشارة عن طريق شق شعاع مصنوع من فلوريد الكالسيوم (CaF ₂ ). تم قياس شدة الحزمة المرجعية باستخدام مستشعر كهروضوئي مبرد حراريًا. كما نرى من المخطط ، أمام الأنبوب ، يمر الشعاع عبر عدسة من السيلينيد الزنك 3 مم وقطر 12.7 مم. تقع العدسات على مسافة 2 سم من الجدار النهائي وتهدف إلى بعضها البعض. بعد اجتياز العدسة الثانية ، يتم توجيه الحزمة إلى مستشعر شدة الإشارة المرسلة من خلال مرآة منحنية.

يعمل ليزر الإعداد في وضع نابض بمعدل تكرار قدره 500 كيلو هرتز ومدة نبضة تبلغ 100 ns. تم استخدام AOM لتبديل النبضات بين النطاقات الطيفية من 2030 سم ^-1 و 2080 سم ^-1 عن طريق تعديل برنامج تشغيل تردد الراديو مع التعرج * مع فترة من 250 كيلو هرتز ، والتي كانت متزامنة مع سائق نبض الليزر.

التعرج * هو إشارة دورية لشكل مستطيل.

تم اختيار هذه النطاقات الطيفية الدقيقة خصيصًا لتوفير حساسية درجات حرارة عالية في نطاق درجة الحرارة المدروسة مع حساسية منخفضة نسبيًا لكسر الخلد وضغط ثاني أكسيد الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، لمزيد من الاستقرار الطيفي ، تم التحكم في درجة حرارة AOM و QCL.

نتائج التجربة

والآن سننتقل مباشرة إلى نتائج التثبيت.

خلال التجارب ، تراوحت درجة الحرارة المقاسة بين 1000 و 1800 K ، واستخدم خياران للضغط: low - 2.0-2.9 at. و high - 7.6-10.7 at. يتكون الخليط الذي تم تحليله من ثاني أكسيد الكربون المخفف في الهيليوم (He) والأرجون (Ar). تم استخدام مزيج من 10٪ CO و 25٪ He و 65٪ Ar تحت ضغط منخفض ، و 3٪ CO و 15٪ He و 82٪ Ar عند ضغط عالي. لضمان تجانس (تجانس) العينات ، استمرت عملية الخلط لمدة 8 ساعات.


الصورة رقم 3

لحساب الطيف المتوقع لحزمة الإشارة لكل من النطاقين على طول الطول الموجي ، استخدمنا مجموعة من طيف الامتصاص المحاكاة وطيف الخرج المقيس AOM QCL. في هذه الحالة ، تم أخذ قانون أحادي اللون Behr - Lambert في الاعتبار لكل طول موجي فردي ( 3 أ ).

تمت محاكاة الامتصاص لنطاقين لكل مجموعة من T5 ، P5 وجزء الخلد مع الأخذ في الاعتبار المسار 14 سم (طول أنبوب الصدمة) لـ: نطاق درجة الحرارة 600-2600 K في زيادات 50 K ، مجموعة من الكسور المولية من CO من 1 ٪ إلى 50 ٪ في الزيادات 1 ٪ ونطاق الضغط من 0.001-13.0 بار بزيادات من 1 بار.

كما هو مبين في الصورة 3 ب ، تؤثر درجة الحرارة بشدة على معامل الامتصاص ، لكن بشكل طفيف فقط على جزء وضغط الخلد. تم حساب درجة الحرارة وجزء الخلد باستخدام طريقة تكرارية ، أي تم تحديد هذه المؤشرات أولاً بشكل منفصل عن بعضها البعض واستخدمت لحساب قيم الامتصاص المتوقعة من الناحية النظرية لنطاقي الخرج عند الضغط المقاس تجريبياً (P5). بعد ذلك ، تم تغيير درجة الحرارة من خلال مقارنة معاملات الامتصاص النظرية والقياس. تم تغيير الكسر المولي لـ CO باستخدام الفرق بين القيم المقاسة والنظرية لنطاق الامتصاص البالغ 2080 سم ^-1 .


الصورة رقم 4

في الصورة 4 أ ، يمكننا أن نرى مقارنةً لدرجات الحرارة المقيسة والمعروفة في التجارب مع أنبوب الصدمة مع مراعاة تأثيرات الضغط المنخفض والعالي. كما نرى ، فإن درجات الحرارة التي تم الحصول عليها باستخدام نظام AOM QCL تتوافق تقريبًا تمامًا مع درجات حرارة الصدمة على كامل النطاق من 1000-1800 كلفن وفي نطاقي الضغط. يوضح الرسم البياني المجاور ( 4b ) نسبة الكسر المولي المقاس والفعلي لـ CO. في حالة هذا المؤشر ، لوحظ أيضًا توافق ممتاز بين البيانات المعروفة مبدئيًا وتلك التي تم الحصول عليها عن طريق القياسات باستخدام نظام AOM QCL التجريبي.

نتائج الباحثين

لقد وجد العلماء أن التغير في درجة الحرارة مستقل عن تشريد شعاع الليزر الناشئ عن جسيمات الحجاب الحاجز. يبرر هذا الاستنتاج حقيقة أن هذا الانحياز يؤثر على كل من المكونات الطيفية لإشارة الخرج بسبب نبضات متغيرة تمر عبر نفس الحزمة. نتيجة لذلك ، يتم تعويض الإزاحة.

إذا أخذنا في الاعتبار مناعة قياسات درجة الحرارة للانبعاثات الحرارية الخلفية والتحول الموصوف أعلاه لشعاع الليزر ، فإن الطريقة المطورة ممتازة لدراسة تفاعلات الطور الغازي لمواد الطاقة (على سبيل المثال ، الأوكتوجين والهكسوجين) التي تتولد فيها CO ، ويمكن للجزيئات الساخنة وموجات الضغط أن تسبب حرارياً الانبعاثات والتشريد شعاع.

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لعرض النطاق الترددي لـ AOM QCL من 12-15 سم ^-1 ، يمكن تحليل العديد من خصائص الامتصاص لمكون واحد من وسط الاختبار في وقت واحد. تتميز ليزرات النطاق الضيق بحساسية متزايدة ، لكنها محدودة في نطاق التركيز حيث يمكن استخدامها بسبب التشبع.

تأخذ نمذجة طيف HITEMP في الاعتبار CO فقط. وفقًا لذلك ، فإن استخدام نظام AOM QCL على الهياكل ، عندما تكون المكونات المكونة للخليط مختلفًا ، يتطلب مزيدًا من التحسين للنظام لزيادة دقته.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

هذه الدراسة التجريبية عبارة عن عرض لأداة جديدة في دراسة درجة الحرارة وتركيز المكونات داخل الأنظمة التفاعلية عالية الحرارة. تمكن العلماء الذين يستخدمون هذه الأداة من دراسة الخلائط بنجاح بنسبة 3٪ و 10٪ من ثاني أكسيد الكربون في نطاق درجة حرارة 1000 ... 1800 K تحت ضغط 2.0-2.9 و 7.6-10.7 at.

يعتبر نظام AOM QCL ، وفقًا للمطورين أنفسهم ، مرنًا جدًا ويسمح لك بتكوينه لبيئات مختلفة مدروسة في نطاق درجات حرارة واسع. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للنظام قياس العديد من مكونات الوسط دفعة واحدة عن طريق قياس خصائص الامتصاص الخاصة بهم.

النار ليست مجرد موقد في منزل قرية ، أو مدفأة في قصر أو شمعة على كعكة. النار هي عملية فيزيائية وكيميائية معقدة ، وفهمها يعطي الشخص المزيد من الأدوات للتحكم في قوته الإبداعية ومحاربة قوته المدمرة.

أنا لا أبالغ في القول إننا صُدمنا جميعًا بسبب الحريق الذي وقع في كاتدرائية نوتردام. قرون عديدة من البحث العلمي والاكتشافات والانجازات ، ولكن لم نتمكن من إنقاذ واحدة من أعظم وأجمل لآلئ الهندسة المعمارية من النار المتمردة. ذكرتنا هذه الخسارة مرة أخرى بأن الإنسان كبير جدًا ، ولا يزال يتعين علينا أن نتعلم الكثير عن العالم من حولنا من أجل حماية أنفسنا تمامًا من المشاكل التي يمكن أن يقدمها لنا. القوة التدميرية الوحيدة التي من غير المحتمل أن نتمكن من السيطرة عليها هي أنفسنا.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ، وتذكروا قواعد السلامة من الحرائق وأسبوع عمل جيد ، أيها الرجال.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟