温度测量使用相干反斯托克斯喇曼光谱学在燃烧的研究

看网络研讨会

燃烧是日常生活和汽车等行业的核心引擎和家庭取暖进行持续的效率改进的能力研究燃烧过程是一个重要的研究领域。

光谱学,特别是相干anti-Stokes拉曼光谱(汽车)^[1]是一个重要的研究工具,为化学物种的鉴定和测定温度。汽车最初是在1970年代发展起来的^[2]作为一个有价值的燃烧诊断和浓度测量的激光技术和此后增加实用性研究实用的设备,如内燃机。

这种技术使用三个激光聚焦到一个共同的交点。这些是一束泵,斯托克斯光和探测光束,样品的相互作用产生的相干光信号anti-Stokes频率。前两个光束产生激发态下的化学物种研究和通过扫描的频率差异这些最初的两束激光,以便他们与旋转共振或分子的振动模式,诱导一个振荡极化。第三激光束散射共振频率和汽车信号作为检测梁发生在一个固定的方向。信号指示一个检测器(谱)和宽度和谱线的形状提供了温度和浓度信息。汽车信号是完全依赖于温度的人口激发态后,波尔兹曼分布。汽车的温度依赖光谱使它成为一个“黄金标准”技术监控燃烧过程和热气体的温度和火焰。

图1:喷气发动机,图片来源:olegbush / Shutterstock.com

应用程序

汽车已经证明了它的双重效用作为研究工具,因为它可以用来提供“物种”选择性显微镜使用振动光谱学固有的歧视,以及所需的温度测量燃烧诊断的研究。在湍流火焰,一个最重要的参数是温度波动的大小^[3]。这个优先级高的领域之一是燃烧室的设计和天然气火箭和航空发动机的动态部分。最近的工作在燃料空气等离子体动力学和等离子体辅助点火和火焰控股强调的重要性,如汽车和拉曼光谱方法研究新的等离子体点火过程在飞机引擎,特别是在复杂的碳氢化合物燃料混合物^[4]。

图2:能量图描述汽车的过程

2013年,米勒和Dedic Gord^[5]使用新的更快的皮秒和飞秒激光汽车检查燃烧动力学(转动和振动拉曼)简单的化学物种如氮气、氧气、甲烷和二氧化碳存在于各种火焰的条件。这个快脉冲激光法使用三叶草303我和牛顿CCD检测(和或)免费提供多品种高速干涉测量和更高的温度灵敏度比以前更广泛的火焰条件。这些高速激光调查提供了一个新的维度光谱灵敏度高、高速汽车,目前导致修改的混合动力汽车技术^[6]。

一个精致的汽车叫RCARS(宽带转动相干Anti-Stokes拉曼)详细的在2014年的博士论文^[7]在等离子体辅助燃烧热释放研究进行低压燃气混合物。这些实验提供了一种新的低压、低温氢的燃烧诊断系统和乙烯混合物。这些实验发现使用黑色背景的光谱电子倍增电荷耦合装置(EMCCD)牛顿和或相机。电子新RCARS相乘功能显著提高灵敏度方法。

优势

相干拉曼技术(汽车)是证明自己的价值,提供更高的信号水平相比,自发拉曼信号^[8]。发出的相干拉曼信号般的光束在一个明确的方向,使检测更容易和背景。汽车方法现在被广泛使用作为一种替代传统拉曼光谱由于其高信号水平,内在的温度依赖性和信号的相干特性。汽车现在成为精制的方法使用高速毫微微和皮秒激光^{[6][7][9][10]}。这允许使用一个简短的探测脉冲和探针和脉冲激光激发分离提高分辨率和改善信噪比。总体这导致更少的相干干扰,增强特异性,简化光谱分析和抑制共振的背景信号^[9]。

图3:三叶草系列电动research-grade高性能的光谱仪。图片来源:和或科技有限公司

和或提供一个易于使用的模块化的高灵敏度探测器/相机和光谱仪器,提供多种选择,以及通过内在索利斯无缝实时控制软件平台和实验室数据系统链接。的牛顿CCD“旗舰”光谱相机/探测器的光谱分辨率,高灵敏度、光谱率高达1600和一流的检测范围的灵活性。EMCCD(电子倍增器电荷耦合装置)数组版本的牛顿也可以提供ultra-sensitivity到低光应用单光子捕获。的三叶草sr - 303 - i是一个完全自动化的高吞吐量的平场成像三炮塔光栅摄谱仪设计的常规测量和低光照条件下的应用和多功能性,使它适合汽车实验。总体和或提供一个全面的工具,它允许研究人员放在一起的理想光谱系统来满足他们的需求。

引用

1. 特修RW:制造商PD研究光学效应由于电场的激发极化三阶实力。物理评论137:3A (1965) 801 - 818
2. 贝格利射频,哈维AB,拜尔RL:相干Anti-Stokes拉曼光谱。应用物理快报25:7 (1974)387 - 390。
3. v . d . Kobtsev d·n·科兹洛夫s . a . Kostritsa诉诉斯米尔诺夫,o . m . Stel 'makh湍流火焰温度波动测量使用相干anti-Stokes喇曼散射,技术物理快报,2015年8月,41岁的体积第八期,页756 - 758
4. Igor诉Adamovich,沃尔特·r .的总裁杰弗里·a·萨顿,挑战的理解和预测建模张仁等离子体辅助燃烧2015 - 0155年,佛罗里达州基西米的第53张仁航天科学会议
5. Dedic C。E、米勒、J。迈耶,T。& Gord j ., 2013振动/旋转混合fs / ps相干Anti-Stokes喇曼散射进行燃烧分析。张仁第51航天科学会议包括新视野论坛和航空航天博览会,337页。
6. Dedic C。E,迈克尔J.B.,米勒J.D.西奥多,迈耶。,评价混合fs / ps连贯anti-Stokes喇曼散射在燃烧室温度和压力敏感性相关条件张仁2016 - 0284年第54张仁航天科学会议。圣地亚哥,加州,美国。
7. 苏珊娜玛丽拉尼尔Sheehe博士论文,热释放纯转动相干Anti-Stokes喇曼散射光谱学的研究等离子体辅助燃烧系统兴奋到纳秒排放,俄亥俄州立大学2014年。
8. Namboodiri, V。V,艾哈迈德,M。,et al .,飞秒相干Anti-Stokes拉曼光谱(fs-CARS)硝基苯、硝基甲烷Proc印度Natn Sci 81年阿德莱德大学2号2015年3月525 - 532页
9. Dedic着力点迈克尔·j·b·西奥多,迈耶。,混合fs / ps连贯anti-Stokes喇曼散射在非平衡环境中由张仁ns激光引发2015 - 2962年第46张仁等离子体和激光会议。达拉斯,TX
10. Kulatilaka W.D.罗伊·S。,Stauffer H.U.,Gord jr高带宽,使用飞秒Line-CARS一维火焰温度测量,2012年春天技术会议中央州燃烧研究所的部分。由美国空军研究实验室和代顿大学代顿哦,2012年4月22 - 24日。