Ultrahurtigt laserkamerabilleder forbrænding i realtid

Et ultrahøjhastigheds-single-shot laserkamera har afbilledet, hvordan kulbrinter brænder med de største detaljer endnu. Ud over at kaste nyt lys over de processer, der opstår under forbrændingen, er teknikken – udviklet af et team af fysikere og ingeniører ved California Institute of Technology i USA Gøteborg Universitet i Sverige og Friedrich-Alexander Universitetet i Erlangen-Nürnberg i Tyskland – kunne hjælpe med at opklare fundamentale mysterier i moderne fysik såsom varm plasma, sonoluminescens og kernefusion, siger forskerne. Teknologien kan også være nyttig til biomedicinsk billeddannelse og til at observere, hvordan lys forplanter sig i materialer i realtid.

De polycykliske aromatiske carbonhydrider (PAH) molekyler og sodpartikler, der produceres, når carbonhydrider forbrændes, har ekstremt korte levetider (i størrelsesordenen nanosekunder), og forbrændingsreaktioner er generelt meget hurtige og one-shot - det vil sige, at de ikke gentages. At studere forbrænding kræver derfor ultrahurtig billeddannelse for at fange disse processer.

Forskerne, anført af Yogeshwar Nath Mishra, skabt et laserkamera, der kan gøre netop dette ved at producere videoer med en rekordhurtig hastighed på 12.5 milliarder billeder i sekundet. Dette er mindst tusind gange hurtigere end nuværende højhastighedsteknikker, der er begrænset til en million billeder pr. sekund (fps). Den nye enhed fungerer ved at fotografere et materiale i et todimensionelt lag ved hjælp af en teknik kaldet single-shot laser sheet compressed ultrafast photography (LS-CUP).

Metoden er baseret på at affyre en enkelt nanosekund-varighed laserpuls på en prøve, i modsætning til tidligere teknikker, der brugte flere impulser til at opnå en million fps. Disse impulser kan ændre de fysiske og optiske egenskaber af sod, da laseren tilføjer energi og varme til systemet.

"Teknikken giver os mulighed for at udtrække kritiske parametre fra den hurtige dynamik, der opstår under forbrænding, såsom fluorescenslevetiderne for PAH-molekyler (som er farlige for miljøet), sodnanopartikelstørrelser, sodklyngestørrelser og partikeltemperatur," forklarer Mishra. "Vi har for første gang taget et enkeltbillede 2D-billede af PAH'er ved 1.25 milliarder fps og, fra laserspredningsbillederne, opnået kort over størrelsen af ​​disse kulbrinter."

Kombinerer to billeddannelsesmodaliteter

I denne undersøgelse kombinerede holdet to billeddannelsesmodaliteter: laser sheet (LS) billeddannelse og komprimeret ultrahurtig fotografering (CUP). "Et laserark skærer i det væsentlige et 2D-plan af en 3D-prøve," forklarer Mishra. "Det giver derfor en rumlig og tidsmæssig profil af den dynamik, der forekommer i det sonderede plan, for eksempel turbulens og samspillet mellem forskellige kemiske arter. For at udføre enkeltbilleder anvender vi en komprimeret registreringsalgoritme på et standard streak-kamerabillede,” fortæller han Fysik verden.

Kameraet kan filme kemiske arter som PAH og sod i realtid i størrelsesordenen nanosekunder til subnanosekunder, tilføjer Mishra. ”Med en milliard fps er det muligt at se, hvordan sod udvikler sig fra PAH. En anden fordel er, at vi kan optage to arter på samme tid, fordi kameraet har to højhastighedskanaler – noget, der er ekstremt nyttigt til kvantitativ billeddannelse.”

Brændstofflow, tryk og varmeudsving driver forbrændingssvingninger i raketmotorer

Ifølge forskerne, der rapporterer deres arbejde i Lys: Videnskab og applikationer, kunne det nye kamera kombineres med allerede eksisterende plane billeddannelsesmetoder til forbrændingsforskning. Bortset fra sådanne undersøgelser kan LS-CUP også bruges til realtidsobservationer af brintforbrænding, plasmaassisteret forbrænding og metalpulverforbrænding, siger de.

Med hensyn til fremtidigt arbejde siger Mishra, at han og hans kolleger nu vil se efter at udføre ultrahurtig billeddannelse i realtid til PAH-molekylestørrelse ved hjælp af femtosekund-varighedsimpulser ved at implementere to-kanals fluorescensanisotropi med deres nuværende skema. "Vi studerer også virkningen af ​​høj laserfluens i sodoxidation og grafitisering - processer, der kan være afgørende for fremstilling af kulstofbaserede nanomaterialer til en lang række teknologiske anvendelser," siger Mishra.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/