普林斯顿仪器作为科研仪器的领军者,生产的各种高性能相机和光谱仪,在量子研究、生物拉曼、活体成像、X射线探测、太阳能电池以及燃烧等许多应用领域已成为不可分割的组成部分。现在,由小编带领大家探索科学研究的六大热门应用领域中的燃烧领域。
1、为什么研究燃烧?
人类文明发展的每一步都与燃烧利用息息相关,人类的文明史,就是燃烧的利用史。知道燃料的燃烧方式及原理,了解燃烧进程,排放的污染物等,对于燃烧类的工程活动至关重要,如汽车、航天、农业、清洁燃料研究、爆炸、污染物排放等领域。
平面激光诱导荧光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)是现在应用于燃烧场、电离场研究的重要手段。利用PLIF,通过调节激发波长可以精确选择特定基团,通过高灵敏度ICCD成像可以获得基团空间浓度分布信息。
2、什么是PLIF
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• 燃烧过程中,火焰光很强,激光脉冲打在火焰上,可以产生比火焰光更强的荧光信号,但是时间很短暂(ns);
• 通过分析这些荧光的特性和变化来判断燃烧的状态;
• 为了消除背景火焰光,拍摄到荧光信号,需要很短的曝光时间,一般是纳秒(ns)级别;
• ICCD相机可以设置纳秒(ns)级别的门控,实现时间分辨的测量;
• 在PLIF实验中,还要保证激光器和相机快门的同步,使荧光信号落到相机曝光时间区域内,才能拍到有效信号,排除背景光。
3、适合燃烧领域的产品
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PI-MAX4 ICCD 1024i
a) 高帧频,20fps以上,具有DIF双曝光模式,可用来做PIV流体应用;
b) 支持1Mhz的重复频率,最短曝光时间500ps;市面上的产品最高触发频率大都在500khz,最短曝光时间为几个纳秒。
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emICCD
相对于ICCD,EMICCD具有高动态范围,高灵敏度等特点,在信号较弱,不能连续激发的single shot实验中可优先考虑EMICCD。
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emICCD具有双增益,极佳的灵敏度,可以实现单光子探测。左侧图是ICCD拍摄的弱信号图片,信噪比一般。右图是emICCD启用单光子计数模式(0与1),400图像累加生成一张完整的图像,可以看到,信噪比相对于传统的ICCD有很大提升。
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上图是一个内燃机燃烧废气的LIF实验,emICCD的荧光信号强度随着曝光时间增长线性增加,线性度和动态范围都很高,ICCD线性度和动态范围则表现一般。
Light Field 软件
LightField软件对PIMAX4系列的ICCD相机进行了专门的优化,可视化操作,所见即所得,界面上可以实时调节门控和延迟,极大降低客户操作的复杂性。
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测量火焰中OH的荧光时域寿命,属于时间分辨的应用,荧光寿命短暂,燃烧物受到激光激发后,荧光信号先增强,然后衰减,如蓝色的曲线所示。要绘制出这条曲线,要设定好很短的曝光时间,逐渐增加延迟时间,通过多张图像获取多个采样点,工作流程比较繁琐。LF6 软件对时间分辨类的应用进行了专门的优化,全部自动生成,对客户来说非常方便。
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IsoPlane光谱仪
市面上真正的消相差高灵敏的光谱仪,探测弱信号具有很大优势。
4、应用案例分享
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Time-resolved spontaneous Raman scattering spectroscopy in combustion
High speed kinetics data acquired by PI-MAX4 emICCD
- Dr. Jun Kojima, NASA Glen
这是来自NASA的一个应用案例,燃烧中的时间分辨自发拉曼散射光谱。
光谱信号弱,选用传统的ICCD,线性度和动态范围不佳。选用EMCCD或CCD相机,图像的动态范围可以接受,但是门控时间不够短,曝光时间最小也是微秒级别的,无法有效降低火焰背景噪声,有效信号很难探测,选用emICCD相机可以很好的解决上述问题。
激光器以10kHz频率照射火焰,荧光信号通过光纤收集并传输到emICCD,相机用动力学光谱模式快速采集光谱,获取了信噪比良好的光谱图像数据。同时,因为信号较弱,需要一个高灵敏度、低相差的光谱仪,否则信号也很难探测,这里选用的就是PI的消相差光谱仪IsoPlane。
审核编辑 黄宇
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