潮科技 | 量子级联激光器问世,可实现对爆炸性火球化学成分分析

石亚琼 · 2019-09-17
量子级联激光器(QCL)吸收光谱能够表征不同类型爆炸物引爆时产生的燃烧气体含量水平。

编者按:本文来自微信公众号“MEMS”(ID:MEMSensor),作者麦姆斯咨询王懿,原文题目《量子级联激光器可实现对爆炸性火球化学成分分析》,36氪经授权发布。

潮科技 | 量子级联激光器问世,可实现对爆炸性火球化学成分分析

中红外吸收光谱示意图

据麦姆斯咨询报道,美国一个研究小组已经证明,量子级联激光器(QCL)吸收光谱能够表征不同类型爆炸物引爆时产生的燃烧气体含量水平。

研究人员使用在美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)定制的新仪器,以更快的速度、更高的分辨率和相比使用红外激光器更长的时间来测量爆炸事件。

中红外光谱

亚利桑那州图森市James Wyant光学科学学院的副研究员Mark Phillips、论文的合著者Mark Phillips解释说,扫描波长外腔量子级联激光器(扫描ECQCL)为探测爆炸物提供了一种新方法。

工作在中红外光谱区(4.35~4.88μm)和100Hz状态,该光谱系统每两微秒可测量一次一氧化碳(CO)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)和一氧化二氮(N2O)的浓度。

Phillips说:“扫描ECQCL将高分辨率可调谐激光光谱的最佳特性与傅立叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)等宽带方法结合起来,实现了新的测量方法。”

这项研究观察了四种高能炸药。它们都被放置在专门为承装火球而设计的试验腔体中,尽管烟尘有光衰减的作用,通过详细的分析仍能得到温度信息和每次爆炸产生的各种气体浓度。

所使用的爆炸材料包括塞姆汀塑胶炸药(Semtex)的主要成分季戊四醇四硝酸酯(PETN),这是一种无色晶体,难以检测。研究小组还检测出一种叫做PBXN-5的聚合物粘结材料、含有“Comp-B”的三硝基甲苯(TNT),以及硝基甲烷和高氯酸铵的混合物(NM-AP)。

燃烧气体

根据发表在《应用物理学杂志》(Journal of Applied Physics)上的研究结果,所有被测炸药都产生了“显著”的CO气体,其中PBXN-5和PETN的CO气体浓度最高,NM-AP的CO气体浓度最低。PETN的CO2气体浓度最高,NM-A的CO2气体浓度最低。

Phillips和他的同事在论文中提及:“很明显,不同爆炸类型的CO2与CO的比例也不同。另一个观察结果是,PBXN-5的N2O浓度最高,这与PBXN-5中使用的氮含量较高的HMX炸药(注:一种硝胺化合物)表现一致。”

Phillips在总结中表示这些结果仅属于“初步调查”,但会为未来的许多研究打开一扇门。他们写道:“红外吸收和发射信号与紫外线、可见光、近红外光谱区的测量值之间的相关性非常有价值。”

Phillips还担任总部位于新墨西哥州阿尔伯克基市的Opticslah公司研究副总裁,这是一家成立于2015年的初创公司,专门从事激光光谱和传感技术,目前正在努力将扫描ECQCL商业化。

除了探测爆炸性火球外,扫频激光系统有望在防区的化学羽流和痕量气体探测中得到应用。

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