Взрыв - это сложное явление, включающее быстро меняющиеся температуру, давление и концентрацию химических веществ. В статье в Journal of Applied Physics от AIP Publishing для изучения взрывов используется специальный тип инфракрасного лазера, известный как квантово-каскадный лазер с внешним резонатором со свипирующей длиной волны (swept-ECQCL). Этот универсальный прибор имеет широкий диапазон настройки длины волны, что позволяет измерять различные химические вещества, даже большие молекулы, во взрывоопасном огненном шаре.
Возможность измерять и отслеживать драматические изменения во время взрывов может помочь ученым понять и даже контролировать их. Измерения с использованием прочных датчиков температуры или давления, помещенных внутрь взрывающегося огненного шара, могут предоставить физические данные, но не могут измерить химические изменения, которые могут возникнуть во время взрыва. Отбор проб конечных продуктов детонации возможен, но дает информацию только после того, как взрыв закончился.
В этой работе молекулы в огненном шаре обнаруживаются путем наблюдения за тем, как они взаимодействуют со светом, особенно в инфракрасном диапазоне. Эти измерения выполняются быстро и могут быть проведены на безопасном расстоянии. Поскольку огненные шары турбулентны и полны сильно поглощающих веществ, необходимы лазеры.
Используя новый прибор, построенный в их лаборатории, исследователи измеряли взрывные явления на более высоких скоростях, с более высоким разрешением и в течение более длительных периодов времени, чем это было возможно ранее с использованием инфракрасного лазерного излучения.
«Подход с качающейся ЭКККЛ позволяет проводить новые измерения, сочетая лучшие характеристики перестраиваемой лазерной спектроскопии высокого разрешения с широкополосными методами, такими как FTIR», - объяснил соавтор Марк Филлипс.
В исследовании рассматривались четыре типа высокоэнергетических взрывчатых веществ, все они были помещены в специально сконструированную камеру для удержания огненного шара. Лазерный луч от ЭКККЛ со свипированием направлялся через эту камеру при быстром изменении длины волны лазерного излучения. Лазерный свет, прошедший через огненный шар, регистрировался во время каждого взрыва, чтобы измерить изменения в способе поглощения инфракрасного света молекулами в огненном шаре.
При взрыве образуются такие вещества, как двуокись углерода, окись углерода, водяной пар и закись азота. Все они могут быть обнаружены по характерному способу поглощения инфракрасного света. Детальный анализ результатов предоставил следователям информацию о температуре и концентрации этих веществ на протяжении всего взрыва. Им также удалось измерить поглощение и испускание инфракрасного света мельчайшими твердыми частицами (сажей), образовавшимися в результате взрыва.
Измерения качающегося ECQCL открывают новый способ изучения детонации взрывчатых веществ, который может иметь другое применение. В будущих исследованиях исследователи надеются распространить измерения на большее количество длин волн, более высокую скорость сканирования и более высокое разрешение.