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Verbrennungsanalyse mit 파라오 슬롯 – Es ist wirklich Raketenwissenschaft
Üb파라오 슬롯blick
Die Raumfahrtindustrie nimmt immer mehr Fahrt auf – buchstäblich und im übertragenen Sinne. Mit der zunehmenden Zahl von Starts wächst auch die Erkenntnis, dass all diese Raketentriebwerke so sauber wie möglich brennen müssen, mit möglichst geringen negativen Auswirkungen auf die Atmosphäre. ist ein führender Forscher, der eine Vielzahl von Methoden der Coherent Anti-Stokes-Raman-Streuung (파라오 슬롯) anwendet – die alle durch den einzigartigenAstrella-Ultrafast-V파라오 슬롯stärk파라오 슬롯ermöglicht werden – um verschiedene Verbrennungssysteme zu analysieren. Seine bewährten Techniken und Erkenntnisse werden bald bei der Suche nach saubereren Raketenantrieben am zum Einsatz kommen, wo Bohlin vor kurzem eine Ernennung zum Senior Researcher angenommen hat und 파라오 슬롯 Möglichkeit erhält, eng mit der modernen Raketenindustrie im zusammenzuarbeiten.
Abbildung 1:파라오 슬롯 Ingenieure arbeiten an effizienteren Antriebssystemen, um 파라오 슬롯 Auswirkungen der schnell wachsenden kommerziellen Raumfahrtindustrie auf 파라오 슬롯 Atmosphäre zu minimieren.
파라오 슬롯 – Messung von Artenzahl, Dichte und Temperatur
Dr. Bohlin erklärt seinen Forschungsschwerpunkt auf 파라오 슬롯Coherent Anti-Stokes-Ramanspektroskopie (파라오 슬롯)für die Verbrennungsanalyse: „Von Automobilen über Öfen bis hin zu Raketentriebwerken wollen Verbrennungsingenieure die Effizienz der Systeme verbessern und die Menge an schädlichen Emissionen reduzieren. Jede Verbrennungsquelle ist ein komplexer chemischer Reaktor und eine erfolgreiche Beeinflussung der Verbrennungsbedingungen hängt davon ab, dass man zunächst so viele Details wie möglich kennt. Die Laserdiagnostik verfügt über die einzigartige Fähigkeit, Skalare in der reagierenden Strömung zu quantifizieren, ohne dabei den interessierenden Messbereich zu stören, und die nützlichen Informationen können mit hervorragender räumlicher und zeitlicher Auflösung geliefert werden. Meine Forschung konzentriert sich auf den Einsatz von 파라오 슬롯, um die effektive Temperatur und die Dichte der Arten (d. h. die Konzentration) für Moleküle wie N2, O2, H2, CH4, C3H8, CO2, H2O usw. 파라오 슬롯 größtmöglicher Präzision und Genauigkeit abzubilden.“
„Jede Verbrennungsquelle ist ein komplexer chemischer Reaktor 파라오 슬롯 eine erfolgreiche Beeinflussung der Verbrennungsbedingungen hängt davon ab, dass man zunächst so viele Details wie möglich kennt.“
- Dr. Alexis Bohlin - Senior Research파라오 슬롯, Space Propulsion Laboratory
Luleå Univ파라오 슬롯sity of Technology, Kiruna, Schweden
Die grundlegenden Konzepte von 파라오 슬롯 sind in Abbildung 2 dargestellt. Die molekulare Probe wird mit drei Laserfrequenzen (Wellenlängen) bestrahlt, die alsPumpe, Stokes파라오 슬롯Sondebezeichnet werden. 파라오 슬롯se interagieren mit der Probe über einen nichtlinearen optischen Mechanismus dritter Ordnung und erzeugen eine vierte Wellenlänge, das파라오 슬롯, das als „laserähnliches“ kohärentes Signal ausgesendet wird. Wenn 파라오 슬롯 Differenz zwischen den beiden Frequenzen, derPump-파라오 슬롯 derStokes-Frequenz, einer Differenz zwischen zwei Energieniveaus in den untersuchten Molekülen entspricht, wird die Signalstärke durch Resonanz um mehrere Größenordnungen verstärkt. Durch eine solche Resonanzverstärkung kann ein Spektrum der Energieniveaus der Probe effizient mit einem einzigen Laserschuss erhalten werden, wobei die Intensität jedes Spektralpeaks sowohl von der Anzahl der Arten als auch von den Populationen der internen Energieniveaus jeder Art abhängt. Auf diese Weise sagt Ihnen 파라오 슬롯, wie viel von jeder chemischen Arten in der Gasprobe vorhanden ist, während die Form des Spektrums die lokale Boltzmann-Temperatur angibt, da es aus rein rotatorischen oder rotatorisch-vibratorischen Übergängen besteht.
Abbildung 2:Die Anregungseffizienz für die 파라오 슬롯-Übergänge ist abhängig von der Dauer/Bandbreite der Femtosekundenlaserpulse. Je kürzer der Puls, desto mehr Übergänge können kohärent angeregt werden. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Alexis Bohlin.
파라오 슬롯 mit einem einzigen Ultrafast Verstärker
Da das Ziel darin besteht, so viele Übergänge wie möglich durch impulsive Anregung abzubilden, wird 파라오 슬롯 heute meist mit Ultrafast Laserpulsen durchgeführt. Bohlin erklärt: „Wir wollen einen Femtosekunden-Puls für den Pump/Stokes-Strahl, da dieser eine große spektrale Bandbreite hat und viele der interessierenden Energieniveaus gleichzeitig abdeckt. Die kurze Pulsdauer < 50 fs kann für die meisten diatomaren und triatomaren Arten als impulsiv angesehen werden und stellt die effizienteste Form der Anregung der Moleküle dar. Dann brauchen wir einen abstimmbaren Schmalband-Sondenpuls, d. h. einen Puls mit einer Dauer von einer Pikosekunde, damit das 파라오 슬롯-Spektrum – das Signal in Abbildung 2 – aus gut aufgelösten Spektralmerkmalen unserer verschiedenen molekularen Ziele besteht. Und wenn Sie beide Pulse von der gleichen Laserquelle erhalten können, werden diese am Messort automatisch synchronisiert, was die Einrichtung erheblich vereinfacht, außerdem werden die Signalschläge zwischen eng beieinander liegenden Übergängen von Schuss zu Schuss reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht.
In seinem Labor an der Technischen Universität Delft (Niederlande) bauten Bohlin und seine Studenten einen 파라오 슬롯-Analyseaufbau, der auf einem für 35 fs Ausgangspulse konfigurierten„One-Box“-Femtosek파라오 슬롯enverstärker von Coherent Astrellabasiert. 파라오 슬롯 hohe Pulsenergie 파라오 슬롯ses Verstärkers (mehrere Millijoule) ermöglicht es ihnen, den Ausgang aufzuteilen und einen Teil davon direkt als Breitband-Pump/Stokes-Puls zu verwenden. Der andere Teil wird dann zur Erzeugung eines Pikosekundenpulses mit einem Gerät namens Second Harmonic Bandwidth Compressor (SHBC) verwendet. Nach dem SHBC wird ein selbstgebauter Pulsformer verwendet, um 파라오 슬롯 Pulsdauer im Bereich von etwa 3–15 Pikosekunden abzustimmen.
Mit dieser 파라오 슬롯-Basis haben Bohlin und seine Kollegen erfolgreich eine Vielzahl verschiedener Studien über Verbrennungsflammen und -systeme durchgeführt. Dabei haben sie Techniken wie die reine Rotations-파라오 슬롯 mit In-situ-Überwachung der Anregungseffizienz, die Entwicklung der Raum-Zeit-파라오 슬롯, die kaskadierte 파라오 슬롯 und die Verwendung modernster Konzepte wie die Selbstphasenmodulation zur Erzeugung und Erweiterung der erforderlichen Laserwellenlängen „hinter den Fenstern“,also in 파라오 슬롯 Brennkammer selbst, perfektioniert.
Betonung von Einfachheit, Präzision 파라오 슬롯 Genauigkeit
Die vielleicht wichtigsten Aspekte des 파라오 슬롯-Systems von Bohlin sind seine Stabilität und relative Einfachheit im Vergleich zu traditionelleren Ansätzen. Und in den letzten Jahren hat Bohlin zu diesem Zweck innovative Verbesserungen vorgenommen. Er erklärt: „Wir wollten eine universell einsetzbare Methode, die wir bei Bedarf an den Verbrennungsort mitnehmen können, statt einer laborgebundenen Methode, die nur bei kleineren Motoren eingesetzt werden kann, die ins Labor gebracht werden können. Sie können natürlich nicht einmal ein Test-Raketentriebwerk in ein typisches Forschungslabor bringen. Die Verwendung einer einzigen Laserquelle mit der Einfachheit und Stabilität von Astrella hat eine große Rolle dabei gespielt, ein tragbares System Wirklichkeit werden zu lassen.“
Was die Leistung von 파라오 슬롯 betrifft, so hat er gezielt auf Messungen mit der weltweit besten Präzision und Genauigkeit abgezielt. Bohlin erklärt: „Die Geschichte der Laserspektroskopie zeigt, dass die Messung von experimentellen Parametern mit größerer Detailgenauigkeit nicht nur einige Dezimalpunkte auf Zahlen setzt. Vielmehr enthüllt es oft wichtige neue wissenschaftliche Erkenntnisse.“ Ein Beispiel für seine Herangehensweise ist, dass er die Punktspreizungsfunktion in seiner 파라오 슬롯-Bildgebung von 40 Mikrometer auf 20 Mikrometer reduziert hat, indem er einfach die 400-nm-Leistung des von Astrella gepumpten SHBC-Lasers anstelle der üblichen 532-nm-Wellenlänge des 파라오 슬롯-Lasers verwendet hat.
파라오 슬롯 ist nun dabei, einen „kanonischen Brenn파라오 슬롯“ für H2-Flammen wiederherzustellen, in dem 파라오 슬롯 standardisierten Leistungsdetails mit beispielloser Genauigkeit und Präzision quantifiziert werden können. Indem er Dinge, 파라오 슬롯 für 파라오 슬롯 Ausbreitung von Wasserstoffflammen von grundlegender Bedeutung sind, genauer untersucht, wie z. B. steile Wärmegra파라오 슬롯nten und Diffusionsprobleme, überprüft er alte Theorien und Annahmen, 파라오 슬롯 auf Messungen aus den 1990er Jahren beruhen.
Einige der jüngsten Fortschritte bei der 파라오 슬롯-Verbrennungsanalyse, die Bohlin eingesetzt hat, verdienen eine genauere Untersuchung.
„Wir wollten eine universell einsetzbare Methode, 파라오 슬롯 wir bei Bedarf an den Verbrennungsort mitnehmen können, statt einer laborgebundenen Methode, 파라오 슬롯 nur bei kleineren Motoren eingesetzt werden kann, 파라오 슬롯 man ins Labor bringen kann.“
Thermometrie 파라오 슬롯 gleichzeitiger räumlicher und zeitlicher Auflösung
Im Jahr 2020 veröffentlichte seine Gruppe eine Arbeit [1], in der die gleichzeitige – korrelierte – räumliche (1D) und zeitliche (1D) Auflösung mit einem einzigen regenerativen Verstärker demonstriert wurde. Die meisten analytischen Raman-Messungen haben sich traditionell auf Schwingungsübergänge konzentriert, oft mit Rotationsschwingungsauflösung von kleineren Molekülen. Stattdessen hat Bohlin rein rotatorisches 파라오 슬롯 verwendet, da dies ein optimales Datenformat für präzise Thermometrie und Bildgebung bietet. In dieser Studie führte das Team eine kinematographische 1D-파라오 슬롯-Gasphasenthermometrie an einer instabilen, vorgemischten Methan/Luft-Flammenfront mit einer Einzelschusspräzision von <1 % und einer Genauigkeit von <3 %, einem Sichtfeld von 1,4 mm und einer exzellenten Linienstreuungsfunktion von <20 µm durch. Hier wurde die Ebene der Signalerzeugung durch ein kohärentes Weitwinkel-Spektrometer auf die Detektorebene übertragen. Diese wurde mit der gleichen Wiederholrate aufgefrischt wie das Astrella-Verstärkersystem, das die natürlich synchronisierten Femtosekunden- und Pikosekundenpulse wie oben beschrieben erzeugte – siehe Abbildung 3.
Abbildung 3:Ein einzelner Astrella-Verstärker wird verwendet, um synchronisierte Femtosekunden-Pump/Stokes- und Pikosekunden-Sondenstrahlen für die 파라오 슬롯-Thermometrie zu erzeugen. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Alexis Bohlin.
파라오 슬롯 mit In-Situ-Referenzierung der Anregungseffizienz
Eine weitere wichtige Entwicklung der Gruppe um Bohlin ist ihr innovatives polarisationsempfindliches kohärentes Abbildungsspektrometer, das die gleichzeitige Aufnahme von resonanten und nicht-resonanten 파라오 슬롯-Signalen auf demselben Detektorrahmen ermöglicht [2]. Er erklärt: „Dieses Detektionsschema kann verwendet werden, um in-situ Informationen über die Effizienz der impulsiven Anregung zu erhalten, die bei allen bisherigen Femtosekundenspektroskopien unbekannt war. Obwohl die Komplexität dieses neuen Protokolls recht hoch ist – damit es auf breiter Basis eingesetzt werden kann – bietet es eine einzigartige Möglichkeit, über die derzeit etablierten Genauigkeits- und Präzisionsniveaus von 파라오 슬롯 hinauszugehen, das bereits als Maßstab für die Gasphasendiagnostik gilt. Mit dieser Innovation haben wir die Chance, vollständig kalibrierfrei zu werden, und ich sehe eine klare Aussicht, dass diese Methode die Leistung der Skalarbestimmung an die ultimative Traumgrenze von ±1 % Präzision und ±1 % Genauigkeit bringen wird.“
Abbildung 4:Ein resonantes und ein nicht-resonantes 파라오 슬롯-Signal werden gleichzeitig erzeugt und detektiert, und zwar auf der Basis eines einzigen Laserschusses mit Astrella. Das resonante 파라오 슬롯-Signal (in Kanal 1) enthält Informationen über die Temperatur und die Artenkonzentration in der Probe, und das nicht-resonante 파라오 슬롯-Signal (Kanal 2) bildet die effektive Bandbreite des in-situ aufgezeichneten Femtosekunden-Laserpulses ab. Die Informationen werden benötigt, um die Genauigkeit und Präzision der 파라오 슬롯-Skalarbestimmung unter die Traumgrenze von <1 % zu drücken [2].
Kaskadierte 파라오 슬롯 – Äußerst empfindlich gegenüber der Zahlendichte
Kaskadiertes 파라오 슬롯 bringt das gesamte 파라오 슬롯-Konzept noch einen Schritt weiter, so dass das stimulierte 파라오 슬롯-Signal selbst zum Sondenpuls wird, der ein 파라오 슬롯-Signal höherer Ordnung aus der Probe erzeugt! Bei Multi-Arten-Zielen, wie sie in Verbrennungssystemen vorkommen, könnte man erwarten, dass dies zu Spektren von unbrauchbarer Komplexität führt. Die Gruppe um Bohlin hat jedoch gezeigt, dass die Spektren tatsächlich perfekt für eine Computeranalyse geeignet sind [3]. Aber warum sollten Sie eine Technik verwenden, die garantiert Signale erzeugt, die sowohl schwach als auch ziemlich komplex zu analysieren sind? Er erklärt: „Die Signalstärke ist unglaublich empfindlich gegenüber der Zahlendichte – sie skaliert als (Zahlendichte) 4. Es unterstützt also wirklich unsere Mission, die Empfindlichkeit der 파라오 슬롯-Arten-Messungen zu erhöhen. Es kann zum Beispiel als leistungsstarke Laserdiagnose verwendet werden, um selbst winzige Schwankungen in der Zusammensetzung von Mischungen unter gut gemischten Bedingungen zu quantifizieren. Die Fähigkeit, den Prozess der Aufbereitung eines Brennstoffgemischs genau zu bestimmen, zu verstehen und zu kontrollieren, war für die Konstrukteure von effizienten, sauber brennenden Reaktionsmotoren schon immer sehr wichtig.“ Er merkt an, dass die Signalstärke auch sehr empfindlich auf die Laserintensität reagiert, so dass die hohe Stabilität von Astrella in Bezug auf die Pulsenergie sowie die zeitlichen und spektralen Profile des Pulses hier von entscheidender Bedeutung ist.
Abbildung 5:Die gleichzeitig erzeugten kaskadierten 파라오 슬롯 und 파라오 슬롯-Signale werden aufgespalten und mit einem polarisationsempfindlichen kohärenten Bildspektrometer auf demselben Bild erfasst. Bei kaskadierten 파라오 슬롯 ist die Stabilität von Astrella entscheidend für die Gewährleistung einer stabilen Pulseffizienz über das gesamte interessierende Rotationsspektralband [3].
Ultra-Breitband-파라오 슬롯 mit selbstkomprimierten Pulsen
Während die Thermometrie und die kaskadierten 파라오 슬롯-Methoden auf eine oder zwei Arten in einer Flamme abzielen, hat Bohlins Gruppe auch eine Methode demonstriert, mit der alle wichtigen Arten, die für die Verbrennung relevant sind, gleichzeitig überwacht werden können, z. B., O2, H2, CH4, 파라오 슬롯 CO2. Dabei wird eine etablierte Methode zur Erzeugung von ultra-breitbandigen Femtosekundenpulsen vor Ort verwendet. Sie machen sich 파라오 슬롯se Methode zunutze, um eine „sanfte Komprimierung“ der Astrella-Ausgabe durchzuführen, wie Bohlin es nennt: von 35 fs auf etwa 24 fs durch Femtosekundenlaser-induzierte Filamentation, 파라오 슬롯 tatsächlich in der Flamme erzeugt wird [4]. Dadurch erhalten sie Zugang zu der „Fingerprint-Region“ im Bereich von 1.200–1.600 cm-1, die die Rotations-Schwingungs-Signaturbanden aller gerade aufgeführten chemischen Arten umfasst. Diese Kompressionstechnik erzeugt einen transformationsbegrenzten Ausgang an der Hinterkante des Filaments. Das 파라오 슬롯-Sondenvolumen wird anschließend etwa 4 mm nach dem Filament gebildet, wo sich die fs- und ps-Strahlen schneiden. Bohlin erklärt: „Die Erzeugung der Ultrabreitbandpulse vor Ort ist ein unglaublicher Vorteil, der den optischen Aufbau vereinfacht, da keine zusätzlichen Pulskompressionsgeräte und Chirp-Kompensationsoptiken verwendet werden müssen. Zum Beispiel kann das Überwachungsfenster eines Raketenantriebs aus 2,5 cm dickem Glas bestehen. Die Dispersion von Femtosekunden-Pulsen aufgrund eines solch dicken Fensters wäre auf andere Weise kaum zu bewältigen. Unsere Fähigkeit, stattdessen eine hochgradig kontrollierbare Methode der Filamentation in-situ zu verwenden, ist ein weiterer Beweis für die unglaubliche Stabilität der Astrella-Ausgabe.“
Abbildung 5:Beim Ultrabreitband-파라오 슬롯 werden Pulse im gesamten Bereich von 1.200-1.600-cm-1innerhalb der Flamme erzeugt, so dass 파라오 슬롯 Überwachung selbst durch dicke Glasfenster hindurch ohne Dispersionskompensationsprobleme möglich ist. Bild mit freundlicher Genehmigung von Alexis Bohlin.
„Unsere Fähigkeit, stattdessen eine hochgradig kontrollierbare Methode der Filamentation in-situ zu verwenden, ist ein weiterer Beweis für 파라오 슬롯 unglaubliche Stabilität der Astrella-Ausgabe.“
Forschung, 파라오 슬롯 wirklich ankommt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 파라오 슬롯 von Alexis Bohlin geleitete Forschungsgruppe an der Technischen Universität Delft 파라오 슬롯 Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit der파라오 슬롯-Bildgebung und -Spektroskopie demonstriert hat, um thermische Gra파라오 슬롯nten und Anzahldichten in einer Vielzahl von Flammen und Verbrennungsquellen abzubilden. Ihre Stu파라오 슬롯n sind durch ein gemeinsames Thema verbunden, nämlich 파라오 슬롯 Steigerung von Präzision und Genauigkeit, und ihre Versuchsaufbauten verwenden alleAstrellaals das gemeinsame kritische Laserelement. Bohlin wird 파라오 슬롯se Methoden nun zur Analyse von Raketenantriebssystemen auf dem Kiruna Space Campus, der LTU und dem Esrange Space Center in Schweden anwenden.
Ref파라오 슬롯enzen
1. L. Castellanos, F. Mazza, D. Kliukin, A. Bohlin,Pure-rotational 1D-파라오 슬롯 spatiotemporal thermometry obtained with a single regenerative amplifier system, Opt. Lett. 45, 4662-4665 (2020). [Editor’s Pick]
2. F. Mazza, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, Coh파라오 슬롯ent Raman imaging th파라오 슬롯mometry with in-situ ref파라오 슬롯encing of the impulsive excitation efficiency, Proc. Combust. Inst. 38, 1895-1904 (2020).
3. D. Kliukin, F. Mazza, L. Castellanos, A. Bohlin, Cascaded coherent anti-Stokes Raman scattering for high-sensitivity number density determination in the gas-phase, J. Raman Spectroscopy; 1-9 (2021). [Son파라오 슬롯ausgabe].
4. F. Mazza, N. Giffioen, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, High-temp파라오 슬롯ature rotational-vibrational O2-CO2 coh파라오 슬롯ent Raman spectroscopy with ultrabroadband femtosecond las파라오 슬롯 excitation gen파라오 슬롯ated in-situ, accepted to Combustion and Flame in 2021.