लौ के अंदर: उच्च तापमान प्रतिक्रियाशील प्रणालियों की जांच के लिए एक नई विधि

प्राचीन ग्रीक पौराणिक कथाओं में, एक विशेष स्थान पर एक चरित्र का कब्जा है, जिसने देवताओं की क्रूरता और मनमानी से मानवता की रक्षा की। अन्य बातों के अलावा, उन्होंने हमें, लोगों को, आग और ज्ञान दिया कि इसे कैसे संरक्षित किया जाए। इस किरदार का नाम प्रोमेथियस है। ज़ीउस ने उसे बहुत क्रूर और परिष्कृत तरीके से दंडित किया - प्रोमेथियस को हमेशा और हमेशा के लिए एक चट्टान पर जंजीर दिया गया था, और ईगल हर दिन अपने जिगर को चोंचता था, जो पूरी तरह से पुनर्जीवित हो गया, और आटा फिर से दोहराया गया। सभी भौतिक या रासायनिक घटनाएं अपने स्वयं के पौराणिक कथाओं को प्राप्त नहीं करती हैं, लेकिन आग एक और मामला है। जीवन देने वाला और एक ही समय में अपने रास्ते में सब कुछ नष्ट करने वाला, इतना सरल और इतना रहस्यमय। आज हम एक ऐसे काम से परिचित होंगे जिसमें वैज्ञानिकों ने आग का अध्ययन करने के लिए एक नई विधि का प्रदर्शन किया, जो हमें लौ की जीभ में होने वाली आणविक प्रक्रियाओं के बारे में अधिक विस्तार से जांच करने की अनुमति देता है। वैज्ञानिकों द्वारा कौन से उपकरण और उपकरणों का उपयोग किया गया था, वे आग के बारे में क्या नई चीजें सीख सकते थे और उनके काम भविष्य में मानवता की मदद कैसे कर सकते हैं? अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में उत्तर हमेशा प्रतीक्षा करते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

कभी-कभी, लौ को देखते हुए, ऐसा लगता है कि यह अपने विचारों और कपटी योजनाओं के साथ एक जीवित प्राणी है। हालांकि, लौ में पौराणिक उतना ही है जितना कि हमारी कल्पना। वास्तविकता में, उदाहरण के लिए आग पानी के क्रिस्टलीकरण के रूप में एक ही भौतिक रासायनिक प्रक्रिया है। अग्नि एक ऑक्सीकरण प्रक्रिया है जो दृश्य रेंज में विकिरण के साथ होती है और ऊष्मा की रिहाई, यानी थर्मल ऊर्जा। आग के अस्तित्व के लिए, कुछ सामग्रियों की आवश्यकता होती है: ईंधन, ऑक्सीकरण एजेंट और तापमान। पर्यटकों के शिविर में सबसे साधारण अलाव की कल्पना करें। लकड़ी ईंधन के रूप में कार्य करती है, और ऑक्सीजन, जो आसपास के पर्यटकों में हवा में मौजूद है, और स्वाभाविक रूप से, आग के लिए लकड़ी ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में कार्य करती है। ऑक्सीजन के बिना (यानी, व्यापक अर्थ में एक ऑक्सीकरण एजेंट), दहन प्रक्रिया असंभव है। तीसरा घटक, तापमान, पिछले दो के गुणों से निर्धारित होता है। आग के घटक तत्वों में से प्रत्येक के साथ-साथ उनके संयोजनों की बहुत भिन्नताएं हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी संपत्ति, विशेषताएं और विशिष्ट विशेषताएं हैं। हमें दहन प्रक्रिया के बारे में काफी ज्ञान है, लेकिन सभी में नहीं।

आज किए गए अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने विभिन्न इनपुट चर के साथ आग के तापमान को मापने का फैसला किया: 1000-1800 K की तापमान सीमा, दबाव 2.0-2.9 पर और 7.6-10.7 पर, आवृत्ति 250 kHz। इसके लिए, 1975 से 2260 सेमी ^-1 के आउटपुट सिग्नल की औसत अवरक्त रेंज के साथ एको-ऑप्टिकल-मॉड्यूलेशन (इसके बाद एओएम) के साथ क्वांटम कैस्केड लेजर (क्यूसीएल) ^{का उपयोग किया गया था} ।

वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि प्रतिक्रियाशील प्रणालियों में गैर-घुसपैठ कणों के अस्थायी माप के लिए, मध्य-अवरक्त क्षेत्र में लेजर अवशोषण स्पेक्ट्रोमेट्री उत्कृष्ट है। विभिन्न तापमान निर्भरता वाले दो लक्ष्य कणों के अवशोषण बलों की तुलना पहले से ही एक दो-लाइन थर्मोमेट्री विधि है। इस विधि में, स्कैनिंग गति और तरंग दैर्ध्य रेंज में सीमाओं के कारण, तेज माप के लिए एक साथ कई लेजर का उपयोग करना आवश्यक है। इसके अलावा, कम सांद्रता वाले मीडिया में माप की संवेदनशीलता के बावजूद, संकीर्ण-बैंड लेजर लक्ष्य कणों की उच्च एकाग्रता वाले सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं हैं।

इस प्रकार, एक समान विधि का उपयोग ऊर्जा-गहन सामग्रियों की प्रणालियों में तापमान माप के लिए नहीं किया जा सकता है, जैसे कि सी ₄ एच ₈ एन ₈ ओ ₈ (ऑक्टोजेन) और सी ₃ एच ₆ एन ₆ ओ ₆ (हेक्सोजेन), चूंकि लक्ष्य तत्व (एच ₂ ओ) , , आदि) बहुत उच्च सांद्रता में निर्मित होते हैं। इसलिए, ऐसी प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए एक नई विधि की आवश्यकता होती है, जिसका वैज्ञानिक अपने काम में वर्णन करते हैं।

प्रायोगिक सेटअप तैयार करना

चित्र संख्या 1

चित्र 1a ध्वनिक-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन (AOM QCL) के साथ क्वांटम कैस्केड लेजर के प्रयोगात्मक सेटअप को दर्शाता है:

• दर्पण - एक दर्पण;
• वांछित तरंग दैर्ध्य पर विचलित बीम - वांछित तरंग दैर्ध्य पर प्रतिबिंबित बीम;
• अविकसित बीम - गैर-प्रतिबिंबित बीम;
• एओएम - एसिटावो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर;
• लेंस - लेंस;
• QCL क्वांटम कैस्केड लेजर;
• एआर कोटिंग - एंटीरफ्लेशन परत;
• आरएफ जनरेटर - रेडियो आवृत्ति जनरेटर;
• आउटपुट - आउटपुट सिग्नल।

वर्णक्रमीय आउटपुट सिग्नल एओएम क्यूसीएल को 0.2 सेमी ^-1 ( 1 बी ) के वर्णक्रमीय संकल्प के साथ फूरियर रूपांतरण के साथ अवरक्त विकिरण का उपयोग करते हुए इनपुट एओएम आरएफ के एक फ़ंक्शन के रूप में मापा गया था।

आउटपुट सिग्नल की आधी चौड़ाई ऑपरेटिंग परिस्थितियों पर निर्भर करती है: पल्स अवधि और QCL और AOM आवृत्तियों। इस प्रयोग में, अर्ध-चौड़ाई सूचकांक लगभग 12-15 सेमी ^{-1 था} ।

प्रयोगों में, 14 सेमी के आंतरिक व्यास के साथ एक स्टेनलेस स्टील शॉक ट्यूब का उपयोग किया गया था, और 0.18 और 0.76 मिमी की मोटाई के साथ पॉली कार्बोनेट डायफ्राम का भी उपयोग किया गया था। शॉक ट्यूब के अंतिम 1.4 मीटर के साथ स्थित पांच पीजोइलेक्ट्रिक दबाव ट्रांसड्यूसर का उपयोग प्रभाव वेग को मापने के लिए किया गया था, जो अंत में दीवार पर रैखिक रूप से एक्सट्रपलेटेड था। परिलक्षित सदमे क्षेत्र (P5 और T5) में तापमान और दबाव की गणना इस क्षेत्र में प्रारंभिक तापमान और दबाव का उपयोग करके की गई और एक्सट्रपलेटेड शॉक वेलोसिटी को रासायनिक रूप से जमे हुए, कांपने वाली संतुलित गैसों में खाते में लेते हुए। वेग का क्षीणन लगभग 1.5% / मी था, और T5 और P5 में त्रुटि 2% से कम थी।


छवि नंबर 2: सदमे ट्यूब के परीक्षण क्षेत्र के साथ संयोजन में प्रयोगात्मक सेटअप।

ऊपर की छवि के लिए स्पष्टीकरण:

• एओएम क्यूसीएल सिस्टम - एक्वाटो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन के साथ क्वांटम कैस्केड लेजर की स्थापना;
• आरएफ जनरेटर - रेडियो आवृत्ति जनरेटर;
• फंक्शन जेनरेटर - फंक्शन जेनरेटर $
• सिंक - सिंक्रनाइज़ेशन;
• स्पंदित वर्तमान स्रोत - स्पंदित वर्तमान स्रोत;
• आईरिस - एपर्चर;
• मैं (संचरित संकेत तीव्रता) डिटेक्टर - संचरित संकेत की तीव्रता (I) का सेंसर
• घुमावदार दर्पण - एक घुमावदार दर्पण;
• I0 डिटेक्टर - संदर्भ किरण तीव्रता सेंसर;
• बीम्सप्लिटर - बीम फाड़नेवाला;
• दर्पण - एक दर्पण;
• एंडवॉल - अंत दीवार;
• ZnSe विंडोज - जस्ता सेलेनाइड से लेंस;
• शॉक ट्यूब - शॉक ट्यूब।

AOM QCL से बीम को कैल्शियम फ्लोराइड (CaF ₂ ) से बने बीम फाड़नेवाला के माध्यम से संदर्भ और सिग्नल बीम में विभाजित किया गया था। संदर्भ बीम की तीव्रता को थर्मोइलेक्ट्रिक कूल्ड फोटोइलेक्ट्रिक सेंसर का उपयोग करके मापा गया था। जैसा कि हम आरेख से देख सकते हैं, ट्यूब के सामने, बीम जस्ता सेलेनाइड 3 मिमी मोटी और 12.7 मिमी व्यास के लेंस से गुजरता है। दोनों लेंस अंत की दीवार से 2 सेमी की दूरी पर स्थित थे और एक दूसरे के उद्देश्य से थे। दूसरे लेंस को पास करने के बाद, बीम को एक घुमावदार दर्पण के माध्यम से प्रेषित सिग्नल के तीव्रता सेंसर को निर्देशित किया जाता है।

सेटअप लेजर एक स्पंदित मोड में 500 kHz की पुनरावृत्ति दर और 100 ns की पल्स अवधि के साथ संचालित होता है। एओएम का उपयोग 2030 सेमी ^-1 और 2080 सेमी ^-1 के वर्णक्रमीय बैंड के बीच एक आवृत्ति के साथ किया गया था, जिसमें रेडियो फ्रीक्वेंसी ड्राइवर को मेन्डियर के साथ 250 kHz की अवधि के साथ संशोधित किया गया था, जिसे लेजर पल्स ड्राइवर के साथ सिंक्रनाइज़ किया गया था।

मेन्डियर * एक आयताकार आकार का एक आवधिक संकेत है।

इस तरह के सटीक वर्णक्रमीय बैंडों को विशेष रूप से मोल अंश और सीओ दबाव के लिए अपेक्षाकृत कम संवेदनशीलता के साथ अध्ययन तापमान सीमा में उच्च तापमान संवेदनशीलता प्रदान करने के लिए चुना गया था। इसके अलावा, अधिक वर्णक्रमीय स्थिरता के लिए, एओएम और क्यूसीएल तापमान नियंत्रित थे।

प्रयोग के परिणाम

और अब हम इंस्टॉलेशन के परिणामों को सीधे पास करेंगे।

प्रयोगों के दौरान, मापा तापमान 1000 से 1800 K तक भिन्न था, और दो दबाव विकल्पों का उपयोग किया गया था: निम्न - 2.0-2.9 पर। और उच्च - 7.6-10.7 पर। विश्लेषण मिश्रण में हीलियम (हे) और आर्गन (Ar) में पतला CO शामिल था। 10% CO, 25% He और 65% Ar का मिश्रण कम दबाव पर, और 3% CO, 15% He और 82% Ar उच्च दबाव पर उपयोग किया गया। नमूनों की समरूपता (समरूपता) सुनिश्चित करने के लिए, मिश्रण प्रक्रिया 8 घंटे के लिए आगे बढ़ी।


चित्र संख्या 3

तरंग दैर्ध्य के साथ प्रत्येक दो बैंड के लिए सिग्नल बीम के अपेक्षित स्पेक्ट्रम की गणना करने के लिए, हमने नकली अवशोषण स्पेक्ट्रम और मापा आउटपुट स्पेक्ट्रम AOM QCL के संयोजन का उपयोग किया। इस मामले में, Behr - Lambert मोनोक्रोमैटिक कानून को प्रत्येक व्यक्ति तरंग दैर्ध्य ( 3a ) के लिए ध्यान में रखा गया था।

टी 5, पी 5 और मोल अंश के प्रत्येक संयोजन के लिए दो बैंड के लिए अवशोषण को 14 सेमी पथ (शॉक ट्यूब की लंबाई) के लिए जोड़ा गया था: 50 K के वेतन वृद्धि में तापमान रेंज 600-2600 K, वेतन वृद्धि में CO के 1% से 50% तक मोलर अंशों की सीमा। 1% और 1 बार की वेतन वृद्धि में 0.001-13.0 बार की दबाव सीमा।

जैसा कि छवि 3 बी में देखा जा सकता है, तापमान अवशोषण गुणांक को दृढ़ता से प्रभावित करता है, लेकिन केवल मोल अंश और दबाव पर थोड़ा सा। तापमान और मोल अंश की गणना एक पुनरावृत्त विधि का उपयोग करके की गई थी, यानी ये संकेतक पहले एक दूसरे से अलग-अलग निर्धारित किए गए थे और प्रयोगात्मक रूप से मापा दबाव (पी 5) पर दो आउटपुट बैंड के लिए सैद्धांतिक रूप से अपेक्षित अवशोषण मूल्यों की गणना करने के लिए उपयोग किया गया था। उसके बाद, सैद्धांतिक और मापा अवशोषण गुणांक की तुलना करके तापमान में बदलाव किया गया था। सीओ का मोलर अंश 2080 सेमी ^-1 के अवशोषण बैंड के मापा और सैद्धांतिक मूल्यों के बीच अंतर का उपयोग करके बदल दिया गया था।


चित्र संख्या 4

छवि 4 ए में, हम कम और उच्च दबाव दोनों के प्रभावों को ध्यान में रखते हुए सदमे ट्यूब के साथ प्रयोगों में मापा और ज्ञात तापमान की तुलना देख सकते हैं। जैसा कि हम देख सकते हैं, AOM QCL प्रणाली का उपयोग करके प्राप्त किए गए तापमान लगभग पूरी तरह से 1000-1800 K की पूरी रेंज में और दोनों दबाव सीमाओं पर सदमे तापमान के अनुरूप हैं। आसन्न ग्राफ ( 4 बी ) सीओ के मापा और वास्तविक दाढ़ अंश के अनुपात को दर्शाता है। इस सूचक के मामले में, प्रारंभिक रूप से ज्ञात डेटा और एओएम क्यूसीएल प्रायोगिक प्रणाली के साथ माप द्वारा प्राप्त किए गए लोगों के बीच उत्कृष्ट समझौता भी देखा जाता है।

शोधकर्ता खोजें

वैज्ञानिकों ने पाया है कि तापमान परिवर्तन डायाफ्राम के कणों से उत्पन्न होने वाले लेजर बीम के विस्थापन से स्वतंत्र है। यह निष्कर्ष इस तथ्य से उचित है कि यह पूर्वाग्रह एक ही बीम से गुजरने वाले चर दालों के कारण आउटपुट सिग्नल के दोनों वर्णक्रमीय घटकों को प्रभावित करता है। नतीजतन, ऑफसेट को मुआवजा दिया जाता है।

यदि हम तापीय उत्सर्जन और लेजर बीम की उपरोक्त वर्णित पारी की तापमान माप की प्रतिरक्षा को ध्यान में रखते हैं, तो ऊर्जा सामग्री (उदाहरण के लिए, ओक्टोजन और हेक्सोजेन) के गैस-चरण प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए विकसित विधि उत्कृष्ट है जिसमें सीओ उत्पन्न होता है, और गर्म कण और दबाव तरंगें थर्मल पैदा कर सकती हैं। उत्सर्जन और बीम विस्थापन।

इसके अलावा, 12-15 सेमी ^-1 के एओएम क्यूसीएल की बैंडविड्थ को देखते हुए, परीक्षण माध्यम के एक घटक के कई अवशोषण विशेषताओं का एक साथ विश्लेषण किया जा सकता है। नैरो-बैंड लेजर की संवेदनशीलता में वृद्धि हुई है, लेकिन एकाग्रता रेंज में सीमित हैं जहां उनका उपयोग किया जा सकता है, संतृप्ति के कारण।

HITEMP स्पेक्ट्रम मॉडलिंग केवल सीओ को ध्यान में रखता है। तदनुसार, संरचनाओं पर एओएम क्यूसीएल प्रणाली का उपयोग, जब मिश्रण के घटक घटक अलग-अलग हो सकते हैं, तो इसकी सटीकता को बढ़ाने के लिए सिस्टम के और सुधार की आवश्यकता होती है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

यह प्रयोगात्मक अध्ययन उच्च तापमान प्रतिक्रियाशील प्रणालियों के अंदर तापमान और घटक एकाग्रता के अध्ययन में एक नए उपकरण का प्रदर्शन है। इस उपकरण का उपयोग करने वाले वैज्ञानिकों ने 1000 की तापमान सीमा में 3% और 10% सीओ के साथ मिश्रण का सफलतापूर्वक अध्ययन करने में सक्षम थे ... 1800 K पर 2.0-2.9 का दबाव और 7.6-10.7 पर।

AOM QCL प्रणाली, स्वयं डेवलपर्स के अनुसार, काफी लचीली है और आपको विस्तृत तापमान रेंज में विभिन्न अध्ययन किए गए वातावरणों के लिए इसे कॉन्फ़िगर करने की अनुमति देती है। इसके अलावा, सिस्टम माध्यम के कई घटकों को एक बार में उनकी अवशोषण विशेषताओं को मापकर माप सकता है।

गाँव के घर में आग सिर्फ एक स्टोव नहीं है, एक हवेली में एक चिमनी या एक केक पर एक मोमबत्ती है। आग एक जटिल शारीरिक और रासायनिक प्रक्रिया है, जिसकी समझ किसी व्यक्ति को अपनी रचनात्मक शक्ति को नियंत्रित करने और उसकी विनाशकारी शक्ति से लड़ने के लिए अधिक उपकरण देती है।

मैं यह कहते हुए अतिशयोक्ति नहीं करता कि हम सभी नोट्रे डेम कैथेड्रल में लगी आग से हैरान थे। वैज्ञानिक अनुसंधान, खोजों और सफलताओं के इतने सारे सदियों, लेकिन हम विद्रोही आग से वास्तुकला के सबसे महान और सबसे सुंदर मोती में से एक को नहीं बचा सके। इस नुकसान ने एक बार फिर हमें याद दिलाया कि आदमी इतना महान है, और हमें अभी भी अपने आसपास की दुनिया के बारे में बहुत कुछ सीखना है ताकि वह खुद को उन मुसीबतों से पूरी तरह से बचा सके जो वह हमारे सामने पेश कर सकता है। एकमात्र विनाशकारी शक्ति जिसके साथ हम सबसे अधिक संभावना कभी भी नियंत्रित नहीं कर पाएंगे।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें, अग्नि सुरक्षा के नियमों और एक अच्छा काम करने वाले सप्ताह को याद रखें, दोस्तों।

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