火焰内部：研究高温反应系统的新方法

在古希腊神话中，一个角色占据了一个特殊的位置，该角色热烈捍卫人类免受神灵的残酷和任意支配。 除其他事项外，他还向我们，人们，火灾和有关如何保存的知识。 这个角色的名字叫普罗米修斯。 宙斯用一种非常残酷和复杂的方式惩罚他-普罗米修斯永远被拴在一块岩石上，老鹰每天啄他的肝脏，肝脏完全再生，面粉又重复一次。 并非所有的物理或化学现象都有其自身的神话，但是火灾是另一回事。 赋予生命，同时摧毁一切路径，如此简单而神秘。 今天，我们将熟悉科学家展示了一种研究火的新方法的工作，这使我们能够更详细地研究火焰舌头中发生的分子过程。 科学家使用了哪些工具和仪器，他们可以从火灾中学到什么新知识，以及他们的工作将来如何帮助人类？ 研究小组的报告中总是有答案回答我们。 走吧

学习基础

有时，看着火焰，似乎这是一个有思想和阴险计划的生物。 但是，火焰中的神话与我们的想象力一样多。 实际上，例如，火是与水结晶相同的物理化学过程。 火是一种氧化过程，伴随着可见范围内的辐射并释放出热量，即热能。 为了生火，需要某些成分：燃料，氧化剂和温度。 想象一下游客营地中最普通的篝火。 木材起燃料的作用，而氧气则存在于游客周围的空气中，自然，用于起火的木材起氧化剂的作用。 没有氧气（即广义上的氧化剂），燃烧过程是不可能的。 第三种成分，温度，由前两种的性质决定。 火的每个组成元素及其组合都有很多变化，每种都有其自身的特性，特征和鲜明特征。 我们对燃烧过程有很多知识，但不是全部。

在今天正在研究的研究中，科学家们决定在各种输入变量下测量火的温度：温度范围1000-1800 K，压力2.0-2.9，压力为7.6-10.7，频率250 kHz。 为此，使用具有声光调制（以下称为AOM）的量子级联激光器（QCL），其输出信号的平均红外范围为1975年至2260 cm ^-1 。

科学家指出，对于反应系统中非侵入性颗粒的临时测量，中红外区的激光吸收光谱法非常出色。 比较具有不同温度依赖性的两个目标颗粒的吸收力已经是两线测温法。 在这种方法中，由于扫描速度和波长范围的限制，必须一次使用多个激光器以加快测量速度。 此外，尽管在低浓度介质中测量灵敏度高，但窄带激光器不适用于目标颗粒浓度高的系统。

因此，由于目标元素（H ₂ O） ，等）的浓度很高。 因此，需要一种新的方法来研究这种系统，科学家在其工作中对此进行了描述。

准备实验装置

图片编号1

图1a显示了具有声光调制（AOM QCL）的量子级联激光器的实验装置：

• 镜子-镜子;
• 所需波长的衍射光束-所需波长的反射光束；
• 非衍射光束-非反射光束；
• AOM-声光调制器；
• 镜片-镜片;
• QCL量子级联激光器；
• 增透膜-抗反射层;
• RF Generator-射频发生器；
• 输出-输出信号。

使用具有傅里叶变换的红外辐射以0.2 cm ^-1 （ 1b ）的光谱分辨率测量光谱输出信号AOM QCL作为输入AOM RF的函数。

输出信号的半角宽度取决于操作条件：脉冲持续时间以及QCL和AOM频率。 在此实验中，半角指数约为12–15 cm ^–1 。

在实验中，使用了内径为14 cm的不锈钢减震管，并且还使用了厚度为0.18和0.76 mm的聚碳酸酯膜片。 沿着冲击管最后1.4 m的五个压电压力传感器用于测量冲击速度，该速度线性外推到端壁。 反射冲击区域（P5和T5）中的温度和压力是使用该区域的初始温度和压力计算的，而外推的冲击速度是使用一维冲击比计算的，其中考虑了化学冻结的振动平衡气体。 速度衰减约为1.5％/ m，T5和P5的误差小于2％。


图片2：结合冲击管的测试区域进行实验设置。

上图的说明：

• AOM QCL系统-安装带有声光调制的量子级联激光器；
• RF Generator-射频发生器；
• 函数发生器-函数发生器$
• 同步-同步；
• 脉冲电流源-脉冲电流源；
• 虹膜-光圈;
• I（发射信号强度）检测器-发射信号强度（I）的传感器
• 曲面镜-曲面镜;
• I0检测器-参考光束强度传感器；
• 分束器-分束器;
• 镜子-镜子;
• 端壁-端壁;
• ZnSe Windows-硒化锌镜片；
• 减震管-减震管。

通过由氟化钙（CaF ₂ ）制成的分束器，将来自AOM QCL的光束分为参考光束和信号光束。 使用热电冷却的光电传感器测量参考光束的强度。 从图中可以看出，光束在灯管的前面穿过厚3毫米，直径12.7毫米的硒化锌透镜。 两个透镜都距端壁2 cm，并且彼此对准。 通过第二透镜后，光束通过曲面镜射向传输信号的强度传感器。

设置激光器以脉冲模式工作，重复频率为500 kHz，脉冲持续时间为100 ns。 通过使用具有250 kHz周期的曲折*调制射频驱动器，使用AOM在2030 cm ^-1和2080 cm ^-1的光谱带之间交替脉冲，该脉冲与激光脉冲驱动器同步。

弯曲*是矩形的周期信号。

特别选择了这样的精确光谱带，以在所研究的温度范围内提供高温灵敏度，而对摩尔分数和CO压力的灵敏度相对较低。 此外，为了获得更高的光谱稳定性，对AOM和QCL进行了温度控制。

实验结果

现在，我们将直接传递到安装结果。

在实验过程中，测得的温度在1000至1800 K之间变化，并使用了两个压力选项：低-2.0-2.9 at。和高-7.6-10.7 at。 分析的混合物由稀释于氦气（He）和氩气（Ar）中的CO组成。 在低压下使用10％CO，25％He和65％Ar的混合物，在高压下使用3％CO，15％He和82％Ar的混合物。 为了确保样品的均质性（均质性），混合过程进行了8小时。


图片编号3

为了计算沿波长的两个波段中每个波段的信号束的预期光谱，我们使用了模拟吸收光谱和测得的输出光谱AOM QCL的组合。 在这种情况下，对于每个单独的波长（ 3a ），都要考虑Behr-Lambert单色定律。

考虑到T5，P5和摩尔分数的每种组合在两个波段的吸收，并考虑了以下14 cm路径（激波管长度）：温度范围600-2600 K，以50 K为增量，CO摩尔分数从1％至50％的范围1％，压力范围为0.001-13.0 bar（以1 bar为增量）。

从图像3b中可以看出，温度强烈影响吸收系数，但对摩尔分数和压力影响很小。 使用迭代方法计算温度和摩尔分数，即首先分别确定这些指标，然后将其用于计算在实验测量压力（P5）下两个输出带的理论预期吸收值。 之后，通过比较理论吸收系数和测量吸收系数来改变温度。 利用2080 cm ^-1的吸收带的实测值与理论值之差来改变CO的摩尔分数。


图片编号4

在图4a中，我们可以看到在考虑了低压和高压影响的情况下，使用冲击管进行的实验中测得的温度与已知温度的比较。 我们可以看到，使用AOM QCL系统获得的温度与整个1000-1800 K范围内以及两个压力范围内的冲击温度指示器几乎完全一致。 相邻的曲线图（ 4b ）示出了测量的和实际的CO摩尔分数的比率。 在此指标的情况下，在最初已知的数据与通过AOM QCL实验系统进行测量获得的数据之间也观察到了极好的一致性。

研究人员的发现

科学家发现，温度变化与由膜片颗粒引起的激光束位移无关。 这一事实是合理的，因为由于可变脉冲穿过同一光束，该偏置会影响输出信号的两个频谱分量。 结果，补偿了偏移。

如果考虑到温度测量对背景热发射的抗扰性以及激光束的上述移动，那么所开发的方法非常适合研究生成CO的能量材料（例如，八元体和六原体）的气相反应，并且热粒子和压力波会引起热发射和光束位移。

另外，给定AOM QCL的带宽为12-15 cm ^-1 ，可以同时分析一种测试介质成分的许多吸收特性。 窄带激光器具有更高的灵敏度，但由于饱和度，其使用浓度范围受到限制。

HITEMP频谱建模仅考虑CO。 因此，当混合物的组成成分可能不同时，在结构上使用AOM QCL系统需要进一步改进系统以提高其准确性。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我强烈建议您研究一下科学家的报告 。

结语

这项实验研究是研究高温反应系统内部温度和组分浓度的新工具的演示。 使用此工具的科学家能够成功地研究在1000 ... 1800 K温度范围内，压力2.0-2.9 at和7.6-10.7 at下含3％和10％CO的混合物。

根据开发人员自己的观点，AOM QCL系统非常灵活，可让您针对宽温度范围内的各种研究环境进行配置。 另外，该系统可以通过测量介质的吸收特性来一次测量介质的几种成分。

火不仅是村舍中的炉灶，豪宅中的壁炉或蛋糕上的蜡烛。 火是一个复杂的物理和化学过程，人们对火的了解为人们提供了更多控制其创造力并与破坏力作斗争的工具。

我毫不夸张地说，我们都对巴黎圣母院发生的大火感到震惊。 这么多个世纪的科学研究，发现和突破，但是我们无法从反叛的火焰中拯救出最伟大，最美丽的建筑珍珠之一。 这种失落再次提醒我们人是伟大的，我们仍然必须对周围的世界有很多了解，以便完全保护自己免受他可能给我们带来的麻烦。 我们最有可能永远无法控制的破坏力是我们自己。

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