Eine ultraschnelle Laserkamera bildet die Verbrennung in Echtzeit ab

Eine Ultrahochgeschwindigkeits-Single-Shot-Laserkamera hat mit bisher größten Details abgebildet, wie Kohlenwasserstoffe brennen. Die Technik – entwickelt von einem Team aus Physikern und Ingenieuren der California Institute of Technology in den USA die Universität von Göteborg in Schweden und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland – könnte dabei helfen, grundlegende Geheimnisse der modernen Physik wie heißes Plasma, Sonolumineszenz und Kernfusion zu enträtseln, sagen die Forscher. Die Technologie könnte auch für die biomedizinische Bildgebung und für die Beobachtung der Ausbreitung von Licht in Materialien in Echtzeit nützlich sein.

Die Moleküle polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) und Rußpartikel, die bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen, haben eine extrem kurze Lebensdauer (in der Größenordnung von Nanosekunden), und Verbrennungsreaktionen sind im Allgemeinen sehr schnell und einmalig – das heißt, sie werden nicht wiederholt. Die Untersuchung der Verbrennung erfordert daher eine ultraschnelle Bildgebung, um diese Prozesse zu erfassen.

Die Forscher, angeführt von Yogeshwar Nath Mishra, schuf eine Laserkamera, die genau das kann, indem sie Videos mit einer Rekordgeschwindigkeit von 12.5 Milliarden Bildern pro Sekunde produziert. Dies ist mindestens tausendmal schneller als aktuelle Hochgeschwindigkeitstechniken, die auf eine Million Bilder pro Sekunde (fps) begrenzt sind. Das neue Gerät fotografiert ein Material in einer zweidimensionalen Schicht mit einer Technik namens Single-Shot Laser Sheet Compressed Ultrafast Photography (LS-CUP).

Das Verfahren basiert auf dem Abfeuern eines einzelnen Nanosekunden-Laserpulses auf eine Probe, im Gegensatz zu früheren Techniken, bei denen mehrere Pulse verwendet wurden, um eine Million fps zu erreichen. Diese Impulse können die physikalischen und optischen Eigenschaften von Ruß verändern, da der Laser dem System Energie und Wärme zuführt.

„Die Technik ermöglicht es uns, kritische Parameter aus der schnellen Dynamik zu extrahieren, die während der Verbrennung auftritt, wie die Fluoreszenzlebensdauer von PAK-Molekülen (die für die Umwelt gefährlich sind), die Größe von Ruß-Nanopartikeln, die Größe von Rußclustern und die Partikeltemperatur“, erklärt Mishra. „Wir haben zum ersten Mal ein Single-Shot-2D-Bild von PAKs mit 1.25 Milliarden fps aufgenommen und aus den Laserstreubildern Karten der Größe dieser Kohlenwasserstoffe erhalten.“

Kombination zweier bildgebender Verfahren

In dieser Studie kombinierte das Team zwei Bildgebungsmodalitäten: Laserblatt (LS)-Bildgebung und komprimierte ultraschnelle Fotografie (CUP). „Ein Laserblatt schneidet im Wesentlichen eine 2D-Ebene einer 3D-Probe“, erklärt Mishra. „Daher liefert es ein räumliches und zeitliches Profil der Dynamik, die in der untersuchten Ebene auftritt, beispielsweise Turbulenzen und die Wechselwirkung zwischen verschiedenen chemischen Spezies. Um eine Einzelschuss-Bildgebung durchzuführen, wenden wir einen komprimierten Erfassungsalgorithmus auf ein Standard-Streak-Kamerabild an“, erklärt er Physik-Welt.

Die Kamera kann chemische Spezies wie PAH und Ruß in Echtzeit in der Größenordnung von Nanosekunden bis Subnanosekunden filmen, fügt Mishra hinzu. „Mit einer Milliarde fps kann man sehen, wie sich Ruß aus PAK entwickelt. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir zwei Arten gleichzeitig aufnehmen können, da die Kamera über zwei Hochgeschwindigkeitskanäle verfügt – was für die quantitative Bildgebung äußerst nützlich ist.“

Kraftstofffluss, Druck und Wärmeschwankungen treiben Verbrennungsschwingungen in Raketentriebwerken an

Nach Angaben der Forscher, die über ihre Arbeit in berichten Licht: Wissenschaft & Anwendungen, könnte die neue Kamera mit bereits bestehenden planaren Bildgebungsverfahren für die Verbrennungsforschung kombiniert werden. Abgesehen von solchen Studien könnte LS-CUP auch für Echtzeitbeobachtungen der Wasserstoffverbrennung, der plasmaunterstützten Verbrennung und der Metallpulververbrennung verwendet werden, sagen sie.

Was die zukünftige Arbeit betrifft, sagt Mishra, dass er und seine Kollegen nun versuchen werden, eine ultraschnelle Echtzeit-Bildgebung für die Größenbestimmung von PAH-Molekülen unter Verwendung von Pulsen mit Femtosekundendauer durchzuführen, indem sie eine Zweikanal-Fluoreszenzanisotropie mit ihrem aktuellen Schema implementieren. „Wir untersuchen auch die Auswirkungen einer hohen Laserfluenz auf die Rußoxidation und Graphitisierung – Prozesse, die für die Herstellung von Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis für eine Vielzahl von technologischen Anwendungen unerlässlich sein könnten“, sagt Mishra.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/