Brug af lasere til at studere eksplosioner

En eksplosion er en kompleks begivenhed, der involverer hurtigt skiftende temperaturer, tryk og kemikaliekoncentrationer. I et papir i Journal of Applied Physics en speciel type infrarød laser, kendt som en swept-wavelength ekstern hulrum kvantekaskadelaser (swept-ECQCL), bruges til at studere eksplosioner. Dette alsidige instrument har et bredt bølgelængdeindstillingsområde, der tillader måling af flere kemiske stoffer, selv store molekyler, i en eksplosiv ildkugle.

Evnen til at måle og overvåge de dramatiske ændringer under eksplosioner kan hjælpe videnskabsmænd med at forstå og endda kontrollere dem. Målinger ved hjælp af robuste temperatur- eller tryksonder placeret inde i en eksploderende ildkugle kan give fysiske data, men kan ikke måle kemiske ændringer, der kan genereres under eksplosionen. Prøvetagning af slutprodukterne af en detonation er mulig, men giver kun information, når eksplosionen er forbi.

I dette arbejde, molekyler i ildkuglen detekteres ved at overvåge den måde, de interagerer med lys på, især i det infrarøde område. Disse målinger er hurtige og kan tages et sikkert stykke væk. Da ildkugler er turbulente og fulde af stærkt absorberende stoffer, lasere er nødvendige.

Ved at bruge et nyt instrument bygget i deres laboratorium, efterforskerne målte eksplosive hændelser ved højere hastigheder, ved højere opløsninger og i længere tidsperioder end tidligere muligt ved brug af infrarødt laserlys.

"Swept-ECQCL tilgangen muliggør nye målinger ved at kombinere de bedste egenskaber ved højopløsnings tunable laserspektroskopi med bredbåndsmetoder såsom FTIR, " medforfatter Mark Phillips forklarede.

Undersøgelsen så på fire typer højenergisprængstoffer, alle placeret i et specielt designet kammer til at indeholde ildkuglen. En laserstråle fra swept-ECQCL blev rettet gennem dette kammer, mens laserlysets bølgelængde blev varieret hurtigt. Laserlyset transmitteret gennem ildkuglen blev registreret under hver eksplosion for at måle ændringer i den måde, infrarødt lys blev absorberet af molekyler i ildkuglen.

Eksplosionen producerer stoffer som kuldioxid, carbonmonoxid, vanddamp og dinitrogenoxid. Disse kan alle detekteres af den karakteristiske måde, hver enkelt absorberer infrarødt lys. Detaljeret analyse af resultaterne gav efterforskerne oplysninger om temperatur og koncentrationer af disse stoffer under hele den eksplosive hændelse. De var også i stand til at måle absorption og emission af infrarødt lys fra små faste partikler (sod) skabt af eksplosionen.

De fejede ECQCL-målinger giver en ny måde at studere eksplosive detonationer, der kunne have andre formål. I fremtidige undersøgelser, efterforskerne håber at udvide målingerne til flere bølgelængder, hurtigere scanningshastigheder, og højere opløsninger.