Ultragyors lézerkamera képek valós időben történő égetése

Egy ultranagy sebességű, egyfelvételes lézerkamera az eddigi legrészletesebben leképezte, hogyan égnek a szénhidrogének. Amellett, hogy új megvilágításba helyezi az égés során lezajló folyamatokat, a technika – amelyet a fizikusok és mérnökök csapata fejlesztett ki California Institute of Technology az USA -ban, Göteborgi Egyetem Svédországban és Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Németországban – segíthet megfejteni a modern fizika olyan alapvető titkait, mint a forró plazma, a szonolumineszcencia és a magfúzió – állítják a kutatók. A technológia hasznos lehet az orvosbiológiai képalkotásban és a fény valós időben történő terjedésének megfigyelésében is.

A szénhidrogének elégetésekor keletkező policiklusos aromás szénhidrogén (PAH) molekulák és koromrészecskék rendkívül rövid élettartamúak (nanoszekundum nagyságrendűek), és az égési reakciók általában nagyon gyorsak és egyszeriek – vagyis nem ismétlődnek meg. Az égés tanulmányozása ezért ultragyors képalkotást igényel e folyamatok rögzítéséhez.

A kutatók vezetésével Yogeshwar Nath Mishra, olyan lézerkamerát hozott létre, amely rekordgyors, 12.5 milliárd kép/másodperc sebességgel képes videókat készíteni. Ez legalább ezerszer gyorsabb, mint a jelenlegi nagy sebességű technikák, amelyek másodpercenkénti millió képkocka (fps) értékre korlátozódnak. Az új készülék úgy működik, hogy egy kétdimenziós rétegben fényképez egy anyagot, az úgynevezett single-shot laser sheet compressed ultrafast photography (LS-CUP) technikával.

A módszer egyetlen nanomásodperces időtartamú lézerimpulzus egy mintára történő rágyújtásán alapul, ellentétben a korábbi technikákkal, amelyek több impulzust használtak millió fps eléréséhez. Ezek az impulzusok megváltoztathatják a korom fizikai és optikai tulajdonságait, mivel a lézer energiát és hőt ad a rendszerhez.

„A technika lehetővé teszi számunkra, hogy kritikus paramétereket vonjunk ki az égés során fellépő gyors dinamikából, mint például a PAH-molekulák fluoreszcencia élettartama (amelyek veszélyesek a környezetre), a korom nanorészecskék mérete, a korom klaszter mérete és a részecske hőmérséklete” – magyarázza Mishra. „Első alkalommal készítettünk 2 milliárd fps sebességű, egyszeri 1.25D-s képet a PAH-okról, és a lézeres szórásképekből térképet kaptunk ezeknek a szénhidrogéneknek a méretéről.”

Két képalkotó mód kombinálása

Ebben a tanulmányban a csapat két képalkotási módot kombinált: a lézerlemezes (LS) képalkotást és a tömörített ultragyors fényképezést (CUP). „A lézerlap lényegében egy 2D minta 3D síkját metszi” – magyarázza Mishra. „Ezért a vizsgált síkban fellépő dinamikák térbeli és időbeli profilját adja, például a turbulenciát és a különböző kémiai fajok közötti kölcsönhatást. Az egyképes képalkotáshoz tömörített érzékelési algoritmust alkalmazunk egy szabványos csíkos kameraképen” – mondja. Fizika Világa.

A kamera valós időben képes filmezni az olyan vegyi anyagokat, mint a PAH és a korom, nanoszekundumtól a szubnanoszekundumig terjedő nagyságrendben, teszi hozzá Mishra. „Egymilliárd fps-sel meg lehet nézni, hogyan fejlődik ki a korom a PAH-ból. További előnye, hogy egyszerre két fajt is rögzíthetünk, mivel a kamerának két nagy sebességű csatornája van – ami rendkívül hasznos a kvantitatív képalkotáshoz.”

Az üzemanyag-áramlás, a nyomás és a hőingadozások okozzák a rakétahajtóművek égési rezgését

A munkájukról beszámoló kutatók szerint Fény: Tudomány és alkalmazások, az új kamera kombinálható lenne a már meglévő síkképalkotási módszerekkel az égéskutatáshoz. Az ilyen vizsgálatokon kívül az LS-CUP a hidrogénégetés, a plazmával segített égés és a fémpor égetésének valós idejű megfigyelésére is használható.

Ami a jövőbeli munkát illeti, Mishra azt mondja, hogy kollégáival valós idejű ultragyors képalkotást kívánnak végezni a PAH-molekula méretének meghatározásához femtoszekundumos időtartamú impulzusok segítségével, kétcsatornás fluoreszcens anizotrópia megvalósításával a jelenlegi rendszerükkel. „Tanulmányozzuk továbbá a nagy lézeráramlás hatását a koromoxidációra és a grafitosításra – olyan folyamatokra, amelyek nélkülözhetetlenek lehetnek szénalapú nanoanyagok előállításához számos technológiai alkalmazáshoz” – mondja Mishra.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/