愛(ài)丁堡大學(xué)的Brian Peterson博士的實(shí)驗(yàn)室利用光譜和基于激光的分析方法進(jìn)行燃燒氣體的流體動(dòng)力學(xué)和熱傳遞方面的研究。
對(duì)于類(lèi)似汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的燃燒室,溫度在300-400開(kāi)爾文的“低溫”氣缸壁(冷壁)和溫度達(dá)到幾千開(kāi)爾文的燃燒氣體之間形成了陡峭的溫度梯度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的趨勢(shì)也愈加明顯。這就帶來(lái)了新的問(wèn)題:隨著發(fā)動(dòng)機(jī)變小,氣缸表面與燃燒氣體的相互作用和熱流顯著增加,導(dǎo)致燃燒效率降低以及燃料無(wú)法完全燃燒,產(chǎn)生更多大氣污染。
David Escofet-Martin博士是該小組的研究助理,他致力于利用相干反斯托克斯拉曼光譜(coherent anti-Stokes Raman spectroscopy, CARS)實(shí)驗(yàn)對(duì)這些熱流過(guò)程進(jìn)行定量測(cè)量和研究。
對(duì)于燃燒過(guò)程的研究人員來(lái)說(shuō),CARS測(cè)量是極為有力的一種工具,因?yàn)槠涔庾V數(shù)據(jù)中包含了包括溫度、壓力、燃燒和未燃燒燃料的數(shù)量以及不同分子數(shù)量比(例如氮和氧的摩爾比)等信息。如果在一次測(cè)量中就能對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,對(duì)燃燒區(qū)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的理解就會(huì)更加全面。
圖1:CARS測(cè)量示意圖
credit: Wikipedia
Peterson博士實(shí)驗(yàn)室的CARS測(cè)量裝置使用鈦-藍(lán)寶石激光器產(chǎn)生的800納米、35飛秒的泵浦光束和釔鋁石榴石晶體激光器產(chǎn)生的20皮秒的探測(cè)光束,其中每個(gè)探測(cè)光束的時(shí)間延遲可以調(diào)整。泵浦和探測(cè)光束通過(guò)柱面透鏡,在實(shí)驗(yàn)腔中產(chǎn)生重疊光片,因此沿著光片交叉線的所有點(diǎn)都可以被同時(shí)探測(cè)到。
探測(cè)光片朝向光譜儀的入口狹縫,并沿狹縫軸做物理分離。在色散之后,每個(gè)信號(hào)的光譜圖像都會(huì)在相機(jī)上進(jìn)行探測(cè)。在探測(cè)到的圖像中,研究人員可以獲得光譜信息(x軸)、空間信息(y軸)以及時(shí)間信息(傳感器頂部和底部區(qū)域的兩個(gè)光譜圖像,通過(guò)調(diào)整探測(cè)光束的時(shí)間延遲產(chǎn)生)。
圖2:?jiǎn)螐垳y(cè)試用火焰-腔壁光譜圖
挑戰(zhàn)
CARS測(cè)量雖好,但挑戰(zhàn)也不小。
首先,用于CARS測(cè)量的探測(cè)器必須足夠大,不僅要覆蓋實(shí)驗(yàn)的光譜帶寬,還要覆蓋垂直軸上的空間信息。然后,對(duì)于Peterson實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō),相機(jī)還必須具有足夠快的讀取速度、幀速才可以滿(mǎn)足需求,因?yàn)槠銫ARS實(shí)驗(yàn)通常使用50幀/秒或更高的幀速工作。
另一個(gè)讓問(wèn)題變得復(fù)雜的地方與信號(hào)強(qiáng)度的劇烈變化有關(guān)。由于溫度梯度的存在,旋轉(zhuǎn)CARS信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍橫跨幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然EMCCD相機(jī)具有足夠的幀速,但當(dāng)通過(guò)調(diào)整電子增益提高微弱信號(hào)的信噪比時(shí),相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)顯著減小。
客戶(hù)說(shuō)
Brian Peterson博士:“相比于使用EMCCD,我們使用KURO后更好地完成了對(duì)于燃燒氣體的高靈敏度、多維CARS測(cè)量。探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍顯著增加,幀速也滿(mǎn)足需求。”
解決方案
為了克服這些挑戰(zhàn),Peterson實(shí)驗(yàn)室使用了普林斯頓儀器的全套解決方案。他們將KURO 1200B背照式sCMOS相機(jī)安裝在焦距為750mm的普林斯頓儀器SP2750光譜儀上。KURO 1200B的CMOS傳感器具有1200×1200個(gè)像素,靶面大小滿(mǎn)足多維測(cè)量所需的光譜和空間范圍。
KURO具有大于95%的量子效率(QE),與EMCCD類(lèi)似。同時(shí)其讀出噪聲較低,非常適合檢測(cè)微弱的信號(hào)。但在動(dòng)態(tài)范圍方面與KURO相比于EMCCD則具有更大的優(yōu)勢(shì)。在16位位深下,KURO的全幅讀出速度高達(dá)41幀/秒(不使用全幅模式時(shí)更高)。
圖3:KURO相機(jī)產(chǎn)品圖
總的來(lái)說(shuō),與Peterson實(shí)驗(yàn)室以前的EMCCD相比,使用KURO相機(jī)顯著提高了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍,使得多維CARS測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了顯著提升。
審核編輯 黃宇
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