瑞典研究人員綜合利用X射線和激光 提供汽車燃料噴霧視圖

來源:蓋世汽車    關鍵詞:雙光子, X射線, 激光,    發布時間:2020-03-06

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據外媒報道,瑞典研究人員開發出一種基于激光的新方法,提供前所未有的噴霧視圖,讓大家更加了解霧化噴霧,例如在汽車、輪船和飛機發動機中,液體燃料燃燒時的噴霧過程。在各類工業過程中,也經常會用到霧化噴霧技術,如噴漆、生產食品粉末和藥物。

“我們開發新的成像方法,從而進一步了解燃料燃燒前從液體到氣體的轉變。”瑞典隆德大學(Lund University in Sweden)物理系燃燒物理分系研究小組組長Edouard Berrocal表示,“利用這些信息,可以制訂出更智能化的燃料噴射策略,優化燃料-空氣混合比,提高燃燒效率,最終減少運輸應用中常用燃燒設備的污染物排放。”

據介紹,新方法綜合利用X射線和激光誘發的熒光,對霧化噴霧現象進行觀察和量化。這是以前無法做到的。通過熒光圖像,可以看清噴射液體的詳細特征,包括大小和形狀。同時,X射線圖片可以量化液體分布狀況。

研究人員Diego Guenot表示:“通常情況下,所得到的霧化噴霧圖像都很模糊,無法具體了解內部的噴霧情況。采用我們的新成像方法,可以解決這些問題,比起以前的X射線探測值,甚至可以探測到數量更少的液體。”

觀測噴霧過程

噴霧過程很難在正常光下可視化,因為成千上萬的液滴會將光散射至各個方向。鑒于X射線光束能夠被吸收,通過檢測噴霧過程中的X射線輻射量,有可能測量出液體數量。此類分析通常需要用到由大型同步加速器產生的X射線,然而,全球只有少數幾個專業機構擁有這種加速器。研究人員采用新型桌面激光等離子加速器來克服這一障礙。該加速器由原子物理系Olle Lundh的團隊開發設計,旨在為高分辨率和時間分辨率的X射線成像定制X射線。

Lundh說:“盡管比同步加速器要小很多,但是,新型激光加速器所產生的X射線能量范圍適宜,使其可以被液體吸收,并以飛秒脈沖的形式傳送,基本定格噴霧移動軌跡以進行成像。此外,X射線通量足夠高,可以在較大范圍內產生良好的信號。”

在激光等離子加速器中,將高強度飛秒激光脈沖聚焦至氣體或預先形成的等離子體中,從而產生X射線。研究人員還利用飛秒激光脈沖進行雙光子熒光成像。這種熒光方法常在生命科學顯微鏡中使用,以提供亞毫米級高對比度圖像,但很少用于噴霧成像,因為這通常需要幾平方厘米的成像面積。

Berrocal表示:“在相對較大的范圍內進行雙光子成像,需要更多能量和超短激光脈沖。我們利用高強度飛秒激光束來產生X射線,因此,可以同時進行X射線和雙光子熒光成像。在相對較大的范圍內,同時執行這兩種成像方式,這是以前做不到的。”

獲得清晰的視圖

首先,研究人員將噴霧器置于X射線攝像機前,測試這項技術。通過X射線,在第一張圖像中,可以清晰地看到噴霧狀態。接著,研究人員調整設置,增加雙光子熒光成像。

與大型同步X射線源相比,采用這種綜合技術,在對汽車燃油噴射器產生的射流進行成像時,測量靈敏度更高。Guenot解釋說:“采用這種成像方法,更便于學術和工業研究人員進行研究。因為他們不僅可以利用屈指可數的同步加速器設備,也可以在全球多個激光等離子加速器實驗室中進行研究。”

研究人員計劃繼續開發這項技術,以獲得三維噴霧圖像,并研究其變化趨勢。另外,他們希望將其應用于更具挑戰性和現實意義的噴霧器,如生物柴油或乙醇直接噴射噴霧器,以及燃氣輪機噴霧系統。

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