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平面激光诱导荧光(PLIF)作为等离子体和燃烧诊断工具

激光诱导荧光或生活是一个历史悠久的技术诊断等离子体的组成和特征[1 - 4]。一个物种的存在和浓度可以从其特点确定荧光兴奋时由激光源。通常激光激发波长选择,匹配一个光学吸收过渡的物种,和一个窄带滤波器用于选择相关联的特征波长的荧光在该地区只有物种而拒绝背景。平面激光诱导荧光或PLIF是一种变异的基本技术激发照明的范围定义良好的表(或薄飞机)在等离子体从而使空间信息的采集物种的浓度。PLIF信号通常是捕获在一个二维CCD成像传感器。本应用笔记概述的一些例子设置用于PLIF,涉及设备的类型和突出的一些信息可以提供。

介绍

PLIF技术被广泛的用来描述分子进化的物种在等离子体羽流。使用特征荧光发射的物种,进化的物种的空间分布随时间可以映射出[3,5]。ICCD相机通常用作这些提供精确的时间控制和同步脉冲激励源(通常一个激光)。等离子体研究的类型包括短暂的瞬态等离子体产生的脉冲激光器或脉冲放电,燃烧的燃料,磁约束等离子体(MCF)和射频(rf)生成的等离子体。

原理图的设置PLIF测量

图1:示意图设置的PLIF测量

PLIF设置的基本原理如图1所示。通常使用的激励激光脉冲和可调波长可以相配的光学跃迁的吸收在感兴趣的物种。一个q开关Nd: YAG泵浦染料激光器是激光源的一个例子。PLIF技术的核心是访问样本内的飞机感兴趣的等离子体。有不同的方案,实现这一目标,如

  • 使用圆柱透镜等光学产生激光激发光薄片,
  • 使用几个线性光阑(或缝)定义一个表照明的平行光束
  • 使用窄带可调谐激光选择性地激发物种在某些飞机使用的转变吸收波长内由于多普勒效应扩大等离子体羽流

第一种方法是最常见的方法。

产生的荧光在平面上成像(垂直于这个平面)与成像光学二维CCD相机。窄的带通滤波器通常放置在这光路选择这些特定波长确定感兴趣的物种而拒绝背景由于来自其他物种的荧光和激光散射。

最重要的信息,可以推导出一般的确定物种的浓度和时间和空间演化的羽毛。然而重要的信息可以确定等离子体内部的温度和压力在PLIF研究中,当结合粒子成像测速技术(PIV)的速度和流场动力学物种也可以确定。典型类型的物种在等离子体研究,特别是在燃烧研究包括哦,CH,不,NH, CN, CO和O2激进分子激发态原子和离子物种内。这些物种往往内在等离子但在流动态研究示踪材料具有良好的荧光特性被添加到主要材料流动。后者的例子有酮(丙酮和3-pentanone)的使用。

的一个例子使用PLIF成像在脉冲激光沉积(骑士)[5]。骑士是一个强大的技术用于蒸发耐火材料(金属或陶瓷)在真空或背景气体的气氛中通过创建一个等离子体。衬底的等离子体物种凝结,薄膜的生长。作为流程的一部分,优化电影的发展和特性,研究人员特别感兴趣的羽流中的不同物种的进化和关联这些特征属性的电影如《化学计量学的电影。图2显示了生活的画面不断扩大等离子体羽流在不同的延迟时间。

生活的画面不断扩大等离子体羽用ICCD相机在两种不同延迟时间0.5µs和10µs

图2:生活的画面不断扩大等离子体羽用ICCD相机在两种不同延迟时间0.5µs和10µs。

PLIF在燃烧的主要应用领域研究。研究水流动力条件经常结合PLIF和PIV测量在描述传输属性在火焰或羽毛,气流、温度、压力以及物种的浓度。一些特定的变体技术被称为OH-PLIF CH-PLIF,两个光子CO-PLIF TR-PLIF和CW-PLIF。

实验注意事项和设置

设置一个例子对PLIF测量激光产生等离子体(垂直距离)如图3所示(工作后马丁出版社。[5])。这说明了代的瞬态等离子体羽流脉冲激光用于骑士沉积。示意图显示了传入的激光脉冲(λ= 248 nm ~ 30 ns脉冲长度,影响~ 2 Jcm-2)从一个准分子激光事件在一个旋转的目标,生成一个扩大等离子体羽流。典型的目标材料调查QUB组[5]包括金属,如钛、镁、和艾尔,陶瓷材料如YBaCuO用于超导薄膜。光表生成平行光束从一个Nd: YAG泵浦染料激光器(λ物理学Scanmate 2 c)照亮一片羽毛。(激光特征脉冲的长度~ 5 ~ 0.15 cm - 1 ns和窄带宽的半最大值宽度。)平行光束通过一个孔定义一个表的顺序~ 1毫米的厚度。镜子成像光学组成和镜头捕捉到了荧光ICCD相机。窄带滤波器插入这个排放和散射光程拒绝背景。

示意图设置用于PLIF在垂直距离测量等离子体羽流

图3:示意图设置用于PLIF在垂直距离测量等离子体羽流。一张光可调谐染料激光器的兴奋物种中的一层柱导致荧光(FL),随后在2 d ICCD相机成像。在此设置中吸收的染料激光器通过等离子体也是衡量一个串联线性光电二极管阵列(在[5])。

染料激光器提供多种波长可调。这允许选择匹配的激发波长共振吸收转换的物种进行调查。启用微调以特定波长的激光多普勒效应的观察在羽扩张。例如染料激光器的调谐访问MgI的转换(31P1 - 31S0)物种为285.2127 nm, MgII (32P1/2 - 32S1/2)物种为280.2704纳米,在调查中极化子和中性色的低温镁垂直距离。PLIF图像被用来确定的数密度分布MgI中性等离子体羽流中;图4所示的配置文件(在[5])。在这种情况下de-tuning激光(通常是马~ 300)允许优惠激励横向多普勒频移的物种。估计的数量密度是源自共振吸收线形状的拓宽。

MgI中性的数密度等高线物种内laser-produced镁等离子体

图4:MgI中性的数密度等高线物种内laser-produced镁等离子体。的概要文件是来自PLIF图像平面的羽流与de-tunings ~ 300 mA的激发。1的数量密度是单位x1014 cm-3[5](图2)。

示意图也明显是翻译照明平面通过羽的能力从而使积聚的3 d数据集显示物种的分布在三维空间中基于时间序列激光脉冲。

的示意图PLIF设置用于燃烧研究如图5所示(在志等。[6])。在这一组的工作CH-PLIF和OH-PLIF都是同时进行的。他们的工作调查当地湍流预混火焰结构火焰。盟军PLIF他们同时进行立体PIV测量在同一个平面上通过样本的PLIF测量使用CMOS相机。测量的分布哦和CH自由基对火焰结构信息。哦显示高浓度燃料的燃烧使OH-PLIF区分燃烧燃料和未燃的混合物。相比之下CH自由基是火焰方面的特征和反应区。激励表不同的照明激光源形成通过火焰使用纸幅成形光学如图(单维度通常是200 ?米宽30毫米的高度)。光的表都是一致的。

实验装置的示意图CH-PLIF, OH-PLIF和立体PIV同时在燃烧的研究

图5:一个实验装置的示意图CH-PLIF, OH-PLIF和立体PIV同时燃烧研究(图1后志等。[6])。PLIF测量了ICCD相机同时PIV的CMOS摄像头。在不同的波长激发光束形成飞机正好在标本用一系列二向色镜和表形成光学。

ICCD相机是用来捕捉PLIF数据。CH-PLIF,吸收过渡带为390.30 nm很兴奋与染料激光器的输出(390.30海里)由准分子激光XeCl注入。ICCD (DH734-25U-03)和紫外成像透镜样品垂直角度看表。OH-PLIF,激发波长为282.93 nm, Nd-YAG泵浦染料激光器和ICCD相机的角度看表反对。过滤器被放置在镜头前拒绝火焰发射和散射光从示踪剂用于PIV和任何其他背景。被选出的这些过滤器提供检测在420 - 440海里地区CH - PLIF荧光和OH-PLIF 306 - 320 nm地区。

说明典型的燃烧研究中从PLIF测量采集的数据如图6所示。下班这个数据是由一群在桑迪亚国家实验室[7]CO-PLIF和OH-PLIF被用来探测湍流射流火焰的详细结构。在这种情况下双光子OH-PLIF和单光子OH-PLIF用于调查在2 d的远期利率的反应:

公司+哦→CO2 + H

的瞬时测量CO-PLIF OH-PLIF和部分混合沼气空气射流火焰的反应速率图所示。物种的激励提供了从两个可调谐紫外激光器在波长230纳米的公司和285海里哦。荧光照明的平面内的火焰在两个ICCD相机成像。使用了闸门的增强器(400 ns)协助火焰排放的排斥以及窄带滤波器在镜头前。

结论

的例子使用OH-PLIF和CO_PLIF成像研究湍流结构内的火焰

图6:使用OH-PLIF和CO_PLIF成像的例子来研究湍流结构内的火焰[7]。

介绍PLIF技术诊断等离子体概述了说明性的例子从骑士和燃烧的研究。参考了许多特定的几个变化CO-PLIF等基本技术,CH-PLIF和双光子PLIF。成功测量所需的主要组件包括可调脉冲激光器,光片形成光学、CCD和/或快速帧速率加剧CMOS相机,和一个同步单元。在一些高端相机,相机的同步单元是不可或缺的一部分。

PLIF成功测量的关键是能够测量在高帧率(> 10 Hz)拍摄的图像具有高度的敏感性和100年短时间窗几纳秒。新的强化sCMOS (ICMOS)相机是这样一个理想的工具测量提供更快的帧速率比传统iccd,同步和控制功能,需要和高灵敏度。这使得加快帧速率匹配高重复率激发激光。与此功能是强化sCMOS相机采取双重图像具有高时间分辨率为许多PIV测量要求。PIV技术,常用于配合PLIF流动态研究分子进化的物种例如燃烧过程。

确认

各种团体提供的信息和图片包括JH弗兰克博士,博士RJ Sigurdsson桑迪亚Nat。实验室,教授和MG和SA Kaiser耶鲁大学的博士,感激地承认。

引用

  1. Seitzman JM,汉森RK(1993)平面荧光成像技术在气体:实验方法对流动与燃烧。a .泰勒。伦敦学术出版社,页405 - 466。ISBN 0-12-683920-4
  2. 汉森,RK(1987)燃烧诊断:平面流场成像…21研讨会(国际)在燃烧,燃烧研究所,匹兹堡,PA,页1677 - 1691。
  3. Eckbreth C、激光诊断燃烧温度和物种,Abacus出版社,肯特。
  4. 汉森Kychakoff G,豪R, R,德雷克M,建立R,拉普米,Penney c(1984)与平面激光诱导荧光湍流火焰的可视化方面,科学卷。224年,4647号,382 - 284页
  5. 柯南道尔马丁•瓦拉,阿哈提卜,韦弗,莱利D,羊肉MJ,明日T,刘易斯CLS(1998)三维数密度映射的羽流低温laser-ablated镁等离子体。应用表面科学卷。127 - 129年,页710 - 715
  6. 崔Masayasu志、Takashi建筑师Gyung-Min守Tanahashi, Toshio Miyauchi(2011)同时dual-plane CH PLIF,单排哦PLIF和dual-plane立体PIV测量沼气空气湍流预混火焰。33岁的燃烧研究所的诉讼pp775 - 782
  7. 弗兰克•JH Kaiser SA和长MB(2002)反应速率,混合组分和温度成像在动荡的甲烷/空气喷射火焰。Proc,燃烧。本月29日,页2687 - 2694

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