Dentro da chama: um novo método para investigar sistemas reativos a alta temperatura

Na mitologia grega antiga, um lugar especial é ocupado por um personagem que zelosamente defendia a humanidade da crueldade e arbitrariedade dos deuses. Entre outras coisas, ele nos deu, pessoas, fogo e conhecimento sobre como preservá-lo. O nome desse personagem é Prometeu. Zeus o puniu de uma maneira muito cruel e sofisticada - Prometeu estava acorrentado a uma rocha para todo o sempre, e uma águia todos os dias bicava seu fígado, que era completamente regenerado, e a farinha era repetida novamente. Nem todos os fenômenos físicos ou químicos recebem sua própria mitologia, mas o fogo é outra questão. Dador de vida e ao mesmo tempo destruindo tudo em seu caminho, tão simples e misterioso. Hoje vamos nos familiarizar com um trabalho em que os cientistas demonstraram um novo método para estudar o fogo, o que nos permite examinar em mais detalhes os processos moleculares que ocorrem nas línguas de chama. Quais ferramentas e instrumentos foram usados ​​pelos cientistas, que coisas novas eles puderam aprender sobre o fogo e como o trabalho deles pode ajudar a humanidade no futuro? Invariavelmente, as respostas nos aguardam no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Às vezes, olhando a chama, parece que este é um ser vivo com seus pensamentos e planos insidiosos. No entanto, o mítico na chama é tanto quanto a nossa imaginação. Na realidade, o fogo é o mesmo processo físico-químico que a cristalização da água, por exemplo. O fogo é um processo de oxidação que é acompanhado por radiação na faixa visível e pela liberação de calor, ou seja, energia térmica. Para a existência de fogo, são necessários certos ingredientes: combustível, agente oxidante e temperatura. Imagine a fogueira mais comum no acampamento de turistas. A madeira atua como combustível e o oxigênio, presente no ar ao redor dos turistas, e, naturalmente, a madeira para incêndio atua como agente oxidante. Sem oxigênio (isto é, um agente oxidante em um sentido mais amplo), o processo de combustão é impossível. O terceiro ingrediente, temperatura, é determinado pelas propriedades dos dois anteriores. Existem muitas variações de cada um dos elementos constituintes do fogo, bem como suas combinações, cada uma com suas próprias propriedades, características e características distintivas. Temos muito conhecimento sobre o processo de combustão, mas não todos.

No estudo que está sendo examinado hoje, os cientistas decidiram medir a temperatura do fogo com várias variáveis ​​de entrada: faixa de temperatura de 1000-1800 K, pressão 2,0-2,9 e 7,6-10,7 at, frequência 250 kHz. Para isso, foi utilizado um laser de cascata quântica (QCL) com modulação acústico-óptica (doravante AOM) com uma faixa infravermelha média do sinal de saída de 1975 a 2260 cm- ¹ .

Os cientistas observam que, para medições temporárias de partículas não intrusivas em sistemas reativos, a espectrometria de absorção a laser na região do infravermelho médio é excelente. A comparação das forças de absorção de duas partículas alvo com diferentes dependências de temperatura já é um método de termometria de duas linhas. Nesse método, devido a limitações na velocidade de varredura e na faixa de comprimento de onda, é necessário usar vários lasers de uma só vez para medições mais rápidas. Além disso, apesar da sensibilidade das medições em meios de baixa concentração, os lasers de banda estreita não são adequados para sistemas com alta concentração de partículas alvo.

Assim, um método semelhante não pode ser usado para medições de temperatura em sistemas de materiais intensivos em energia, como C ₄ H ₈ N ₈ O ₈ (octogênio) e C ₃ H ₆ N ₆ O ₆ (hexogênio), uma vez que os elementos alvo (H ₂ O , , etc.) são produzidos em concentrações muito altas. Portanto, é necessário um novo método para estudar esses sistemas, que os cientistas descrevem em seu trabalho.

Preparando a configuração experimental

Imagem Nº 1

A Figura 1a mostra a configuração experimental de um laser em cascata quântica com modulação acústico-óptica (AOM QCL):

• Espelho - um espelho;
• Feixe difratado no comprimento de onda desejado - feixe refletido no comprimento de onda desejado;
• Feixe não fracionado - feixe não refletido;
• OMA - modulador acústico-óptico;
• Lentes - lentes;
• Laser em cascata quântica QCL;
• Revestimento AR - camada antirreflexo;
• Gerador de RF - gerador de radiofrequência;
• Saída - sinal de saída.

O sinal de saída espectral AOM QCL foi medido como uma função da entrada AOM RF usando radiação infravermelha com transformada de Fourier com uma resolução espectral de 0,2 cm ^-1 ( 1b ).

A meia largura do sinal de saída depende das condições operacionais: duração do pulso e frequências QCL e AOM. Nesta experiência, o índice de meia largura foi de aproximadamente 12–15 cm ^–1 .

Nos experimentos, foi utilizado um tubo de choque de aço inoxidável com diâmetro interno de 14 cm, e também foram utilizados diafragmas de policarbonato com espessura de 0,18 e 0,76 mm. Foram utilizados cinco transdutores de pressão piezoelétricos localizados nos últimos 1,4 m do tubo de choque para medir a velocidade do impacto, que foi extrapolada linearmente para a parede final. A temperatura e a pressão na região de choque refletida (P5 e T5) foram calculadas usando a temperatura e a pressão iniciais nessa região e a velocidade de choque extrapolada usando taxas de choque unidimensionais, levando em consideração gases quimicamente congelados e equilibrados vibracionalmente. A atenuação da velocidade foi de aproximadamente 1,5% / m, e o erro em T5 e P5 foi menor que 2%.


Imagem No. 2: instalação experimental em conjunto com a região de teste do tubo de choque.

Explicações para a imagem acima:

• Sistema AOM QCL - instalação de um laser quântico em cascata com modulação acústico-óptica;
• Gerador de RF - gerador de radiofrequência;
• Gerador de funções - Gerador de funções $
• Sincronização - sincronização;
• Fonte de Corrente Pulsada - fonte de corrente pulsada;
• Íris - abertura;
• Detector I (intensidade do sinal transmitido) - sensor de intensidade (I) do sinal transmitido
• Espelho curvo - um espelho curvo;
• Detector I0 - sensor de intensidade do feixe de referência;
• Divisor de feixe - divisor de feixe;
• Espelho - um espelho;
• Parede final - parede final;
• ZnSe Windows - lentes de seleneto de zinco;
• Tubo de choque - tubo de choque.

O feixe do AOM QCL foi dividido em feixes de referência e sinal por meio de um divisor de feixe feito de fluoreto de cálcio (CaF ₂ ). A intensidade do feixe de referência foi medida usando um sensor fotoelétrico resfriado termoelétrico. Como podemos ver no diagrama, na frente do tubo, o feixe passa através de uma lente de seleneto de zinco com 3 mm de espessura e 12,7 mm de diâmetro. Ambas as lentes estavam localizadas a uma distância de 2 cm da parede final e foram apontadas uma para a outra. Tendo passado a segunda lente, o feixe é direcionado para o sensor de intensidade do sinal transmitido através de um espelho curvo.

O laser de configuração operava em modo pulsado com uma taxa de repetição de 500 kHz e uma duração de pulso de 100 ns. A OOM foi usada para alternar pulsos entre as bandas espectrais de 2030 cm ^-1 e 2080 cm ^-1 modulando o driver de radiofrequência com um meandro * com um período de 250 kHz, sincronizado com o driver de pulso a laser.

O meandro * é um sinal periódico de forma retangular.

Essas bandas espectrais precisas foram especialmente selecionadas para fornecer alta sensibilidade à temperatura na faixa de temperatura estudada, com sensibilidade relativamente baixa à fração molar e à pressão de CO. Além disso, para maior estabilidade espectral, AOM e QCL eram controlados por temperatura.

Resultados da Experiência

E agora vamos passar diretamente para os resultados da instalação.

Durante os experimentos, a temperatura medida variou de 1000 a 1800 K, e duas opções de pressão foram utilizadas: baixa - 2,0-2,9 a. E alta - 7,6-10,7 a. A mistura analisada consistiu em CO diluído em hélio (He) e argônio (Ar). Utilizou-se uma mistura de 10% de CO, 25% de He e 65% de Ar a baixa pressão e 3% de CO, 15% de He e 82% de Ar a alta pressão. Para garantir a homogeneidade (homogeneidade) das amostras, o processo de mistura prosseguiu por 8 horas.


Imagem No. 3

Para calcular o espectro esperado do feixe de sinal para cada uma das duas bandas ao longo do comprimento de onda, usamos uma combinação do espectro de absorção simulado e do espectro de saída medido AOM QCL. Nesse caso, a lei monocromática de Behr - Lambert foi levada em consideração para cada comprimento de onda individual ( 3a ).

A absorção de duas bandas foi simulada para cada combinação de T5, P5 e fração molar, levando em consideração o trajeto de 14 cm (comprimento do tubo de choque) para: faixa de temperatura 600-2600 K em incrementos de 50 K, faixa de frações molares de CO de 1% a 50% em incrementos 1% e uma faixa de pressão de 0,001-13,0 bar em incrementos de 1 bar.

Como pode ser visto na imagem 3b , a temperatura afeta fortemente o coeficiente de absorção, mas apenas ligeiramente na fração molar e na pressão. A temperatura e a fração molar foram calculadas usando um método iterativo, ou seja, esses indicadores foram determinados primeiro separadamente um do outro e usados ​​para calcular os valores de absorção teoricamente esperados para as duas bandas de saída na pressão medida experimentalmente (P5). Depois disso, a temperatura foi alterada comparando os coeficientes teóricos e de absorção medidos. A fração molar de CO foi alterada pela diferença entre os valores medidos e teóricos da banda de absorção de 2080 cm ^-1 .


Imagem No. 4

Na imagem 4a, podemos ver uma comparação das temperaturas medidas e conhecidas em experimentos com um tubo de choque, levando em consideração os impactos de baixa e alta pressão. Como podemos ver, as temperaturas obtidas com o sistema AOM QCL são quase perfeitamente consistentes com os indicadores de temperatura de choque em toda a faixa de 1000 a 1800 K e nas duas faixas de pressão. O gráfico adjacente ( 4b ) mostra a razão da fração molar medida e real do CO. No caso deste indicador, também é observada uma excelente concordância entre os dados inicialmente conhecidos e os obtidos por medições com o sistema experimental AOM QCL.

Resultados dos Pesquisadores

Os cientistas descobriram que a mudança de temperatura é independente dos deslocamentos do feixe de laser decorrentes das partículas do diafragma. Essa conclusão é justificada pelo fato de que esse viés afeta os dois componentes espectrais do sinal de saída devido a pulsos variáveis ​​que passam pelo mesmo feixe. Como resultado, o deslocamento é compensado.

Se levarmos em conta a imunidade das medições de temperatura às emissões térmicas de fundo e a mudança acima descrita do feixe de laser, o método desenvolvido é excelente para o estudo de reações em fase gasosa de materiais energéticos (por exemplo, octogênicos e hexógenos) nos quais o CO é gerado, e partículas quentes e ondas de pressão podem causar variações térmicas. emissões e deslocamento do feixe.

Além disso, dada a largura de banda do AOM QCL de 12-15 cm ^-1 , muitas características de absorção de um componente do meio de teste podem ser analisadas simultaneamente. Os lasers de banda estreita têm uma sensibilidade aumentada, mas são limitados na faixa de concentração em que podem ser usados ​​devido à saturação.

A modelagem de espectro HITEMP leva em consideração apenas o CO. Consequentemente, o uso do sistema AOM QCL em estruturas, quando os componentes da mistura podem ser diferentes, requer melhorias adicionais no sistema para aumentar sua precisão.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Este estudo experimental é uma demonstração de uma nova ferramenta no estudo da temperatura e concentração de componentes dentro de sistemas reativos a alta temperatura. Os cientistas que utilizaram esta ferramenta foram capazes de estudar com sucesso misturas com 3% e 10% de CO na faixa de temperatura de 1000 ... 1800 K a uma pressão de 2,0-2,9 a e 7,6-10,7 a.

O sistema AOM QCL, de acordo com os próprios desenvolvedores, é bastante flexível e permite configurá-lo para vários ambientes estudados em uma ampla faixa de temperatura. Além disso, o sistema pode medir vários componentes do meio de uma só vez, medindo suas características de absorção.

O fogo não é apenas um fogão em uma casa de aldeia, uma lareira em uma mansão ou uma vela em um bolo. O fogo é um processo físico e químico complexo, cuja compreensão dá a uma pessoa mais ferramentas para controlar seu poder criativo e lutar contra seu poder destrutivo.

Não exagerei em dizer que todos ficamos chocados com o incêndio que ocorreu na Catedral de Notre Dame. Tantos séculos de pesquisa científica, descobertas e descobertas, mas não conseguimos salvar uma das maiores e mais belas pérolas da arquitetura do fogo rebelde. Essa perda mais uma vez nos lembrou que o homem é tão grande, e ainda temos que aprender muito sobre o mundo ao nosso redor, a fim de nos proteger completamente dos problemas que ele pode nos apresentar. A única força destrutiva com a qual provavelmente nunca conseguiremos controlar isso somos nós mesmos.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos, lembrem-se das regras de segurança contra incêndio e uma boa semana de trabalho, pessoal.

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