Ultranopea laserkamerakuvien palaminen reaaliajassa

Ultranopea yhden laukauksen laserkamera on kuvannut kuinka hiilivedyt palavat tähän mennessä yksityiskohdilla. Sen lisäksi, että se antaa uutta valoa palamisen aikana tapahtuville prosesseille, tekniikka – jonka on kehittänyt fyysikkojen ja insinöörien tiimi Kalifornian teknillinen korkeakoulu Yhdysvalloissa Göteborgin yliopisto Ruotsissa ja Friedrich-Alexanderin Erlangen-Nürnbergin yliopisto Saksassa – voisi auttaa ratkaisemaan modernin fysiikan perusmysteereitä, kuten kuuma plasma, sonoluminesenssi ja ydinfuusio, tutkijat sanovat. Tekniikka voisi olla hyödyllinen myös biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja valon etenemisen materiaaleissa reaaliajassa tarkkailemisessa.

Hiilivetyjä poltettaessa syntyvillä polysyklisillä aromaattisilla hiilivetymolekyyleillä ja nokihiukkasilla on äärimmäisen lyhyt käyttöikä (nanosekuntien luokkaa) ja palamisreaktiot ovat yleensä erittäin nopeita ja kertaluonteisia – eli ne eivät toistu. Palamisen tutkiminen vaatii siksi erittäin nopeaa kuvantamista näiden prosessien sieppaamiseksi.

Tutkijat johdolla Yogeshwar Nath Mishra, loi laserkameran, joka voi tehdä juuri tämän tuottamalla videoita ennätysnopeudella 12.5 miljardia kuvaa sekunnissa. Tämä on vähintään tuhat kertaa nopeampi kuin nykyiset nopeat tekniikat, jotka on rajoitettu miljoonaan kuvaan sekunnissa (fps). Uusi laite toimii valokuvaamalla materiaalia kaksiulotteisessa kerroksessa käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan single-shot laser sheet compressed ultrafast photography (LS-CUP).

Menetelmä perustuu yhden nanosekunnin kestävän laserpulssin laukaisemiseen näytteeseen, toisin kuin aikaisemmissa tekniikoissa, joissa käytettiin useita pulsseja miljoonan fps:n saavuttamiseen. Nämä pulssit voivat muuttaa noen fysikaalisia ja optisia ominaisuuksia, kun laser lisää energiaa ja lämpöä järjestelmään.

"Tekniikka antaa meille mahdollisuuden poimia palamisen aikana tapahtuvasta nopeasta dynamiikasta kriittisiä parametreja, kuten PAH-molekyylien (jotka ovat vaarallisia ympäristölle) fluoresenssin eliniät, noen nanohiukkasten koot, nokiklusterin koot ja hiukkasten lämpötila", Mishra selittää. "Olemme ensimmäistä kertaa ottaneet yhden otoksen 2D-kuvan PAH-yhdisteistä nopeudella 1.25 miljardia kuvaa sekunnissa ja saaneet lasersirontakuvista karttoja näiden hiilivetyjen koosta."

Kahden kuvantamismenetelmän yhdistäminen

Tässä tutkimuksessa ryhmä yhdisti kaksi kuvantamismenetelmää: laserlevykuvauksen (LS) ja pakatun ultranopea valokuvauksen (CUP). "Laserlevy leikkaa käytännössä 2D-näytteen 3D-tason", Mishra selittää. "Siksi se tarjoaa tila- ja ajallisen profiilin koetustasossa tapahtuvasta dynamiikasta, esimerkiksi turbulenssista ja eri kemiallisten lajien välisestä vuorovaikutuksesta. Yksittäiskuvauksen suorittamiseksi käytämme pakattua tunnistusalgoritmia tavalliseen viivakamerakuvaan", hän kertoo. Fysiikan maailma.

Kamera voi kuvata kemiallisia lajeja, kuten PAH:ta ja nokea reaaliajassa, nanosekuntien ja alinanosekuntien luokkaa, Mishra lisää. ”Miljardilla fps:llä on mahdollista nähdä, kuinka noki kehittyy PAH:sta. Toinen etu on, että voimme tallentaa kahta lajia samanaikaisesti, koska kamerassa on kaksi nopeaa kanavaa – mikä on erittäin hyödyllistä kvantitatiivisessa kuvantamisessa.

Polttoaineen virtaus-, paine- ja lämmönvaihtelut aiheuttavat rakettimoottoreiden palamisvärähtelyjä

Tutkijoiden mukaan, jotka raportoivat työstään Valo: Tiede ja sovellukset, uusi kamera voitaisiin yhdistää jo olemassa oleviin tasokuvausmenetelmiin palamistutkimuksessa. Tällaisten tutkimusten lisäksi LS-CUP:ia voitaisiin käyttää myös vedyn palamisen, plasma-avusteisen palamisen ja metallijauheen palamisen reaaliaikaisiin havaintoihin, he sanovat.

Mitä tulee tulevaan työhön, Mishra sanoo, että hän ja hänen kollegansa aikovat nyt suorittaa reaaliaikaisen ultranopean kuvantamisen PAH-molekyylien koon määrittämiseksi femtosekuntikestoisilla pulsseilla toteuttamalla kaksikanavaista fluoresenssianisotropiaa nykyisellä järjestelmällään. "Tutkimme myös suuren laserfluenssin vaikutusta noen hapettumiseen ja grafitoitumiseen – prosesseihin, jotka voivat olla välttämättömiä hiilipohjaisten nanomateriaalien valmistuksessa moniin teknologisiin sovelluksiin", Mishra sanoo.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/