백서
CARS를 이용한 연소 분석 – 정말 로켓 과학입니다
개요
우주 발사 산업은 문자 그대로나 비유적으로나 빠른 속도로 도약하고 있습니다. 발사 횟수가 증가함에 따라 모든 로켓 엔진은 대기에 부정적인 영향을 최소화하면서 최대한 깨끗하게 연소되어야 한다는 인식이 생겼습니다.다양한 CARS(바카라 카지노 Anti-Stokes Raman Scattering) 방법을 적용하는 선도적인 연구원입니다. 모두 고유한 기술로 가능합니다.Astrella 초고속 증폭기– 다양한 연소 시스템을 분석합니다. 그의 입증된 기술과 통찰력은 곧 더 깨끗한 로켓 추진 설계를 위한 탐구에 적용될 것입니다.Bohlin은 최근 선임 연구원으로 임명되어 현대 로켓 산업 기관과 긴밀히 협력할 수 있는 기회를 수락했습니다.
그림 1: 엔지니어들은 빠르게 성장하는 상업용 우주 발사 산업의 대기 영향을 최소화하기 위해 보다 효율적인 추진 시스템을 목표로 하고 있습니다.
CARS – 종수 밀도 및 온도 측정
박사. Bohlin은 자신의 연구 초점을 다음과 같이 설명합니다.간섭성 반스토크스 라만 분광법(CARS)연소 분석의 경우, "자동차에서 용광로, 로켓 엔진에 이르기까지 연소 엔지니어는 시스템 효율성을 향상시키고 유해한 배출물의 양을 줄이고 싶어합니다. 모든 연소 소스는 복잡한 화학 반응기이며 연소 조건의 성공적인 조작은 먼저 가능한 한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다. 레이저 진단에는 관심 있는 측정 영역을 교란하지 않고 반응 흐름에서 스칼라를 정량화하는 고유한 기능이 있으며 유용한 정보는 뛰어난 공간적 및 시간적 해상도로 제공될 수 있습니다. 내 연구는 N을 포함한 분자에 대한 효과적인 온도 및 종 수 밀도(즉, 농도)를 매핑하기 위해 CARS를 사용하는 데 중점을 두고 있습니다.2, 오2,H2, CH4,씨3H8, 콜로라도2,H2O 등등 가능한 한 뛰어난 정밀도와 정확성을 가지고 말입니다."
"모든 연소원은 복잡한 화학 반응기이며 연소 조건의 성공적인 조작은 먼저 가능한 한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다."
- Alexis Bohlin 박사 - 우주 추진 연구소 선임 연구원
스웨덴 키루나 룰레오 공과대학교
CARS의 기본 개념은 그림 2에 나와 있습니다. 분자 샘플에는 세 가지 레이저 주파수(파장)가 조사됩니다.펌프, 그스토크스그리고프로브, 3차 비선형 광학 메커니즘을 통해 샘플과 상호 작용하여 4번째 파장을 생성하는자동차, 이는 "레이저와 같은" 일관성 있는 신호로 전송됩니다. 두 주파수 사이의 차이가 있을 때,펌프그리고스토크스은 조사된 분자의 두 에너지 수준 간의 차이에 해당하며, 신호 강도는 여러 자릿수로 공진적으로 향상됩니다. 이러한 공진 향상을 통해 각 스펙트럼 피크의 강도가 종 수 밀도와 각 종의 내부 에너지 수준의 모집단에 따라 달라지는 단일 레이저 샷을 사용하여 샘플의 에너지 수준 스펙트럼을 효율적으로 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 CARS는 가스 샘플에 각 화학종이 얼마나 많이 존재하는지 알려주는 반면, 스펙트럼의 모양은 순수 회전 또는 회전-진동 전이로 구성되어 국지적인 볼츠만 온도를 알려줍니다.
그림 2:CARS 전환을 구동하기 위한 여기 효율은 펨토초 레이저 펄스 지속 시간/대역폭에 따라 달라집니다. 펄스가 짧을수록 더 많은 전이가 일관되게 여기될 수 있습니다. 그림 제공: Alexis Bohlin.
단일 초고속 증폭기를 갖춘 자동차
목표는 충동적 자극을 통해 가능한 많은 전이를 매핑하는 것이므로 오늘날 CARS는 일반적으로 초고속 레이저 펄스를 사용하여 수행됩니다. Bohlin은 "우리는 펌프/스토크스 빔에 대해 펨토초 지속 펄스를 원합니다. 이는 많은 관심 에너지 레벨을 동시에 포괄하는 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖기 때문입니다. 50fs 미만의 짧은 펄스 지속 시간은 대부분의 이원자 및 삼원자 종에 대해 충동적인 것으로 간주될 수 있으며 분자를 여기시키는 가장 효율적인 형태를 제공합니다. 그런 다음 조정 가능한 협대역 프로브 펄스, 즉 피코초 지속 펄스가 필요하므로 그림의 신호인 CARS 스펙트럼이 필요합니다. 2 - 다양한 분자 표적의 잘 분해된 스펙트럼 특징으로 구성됩니다. 그리고 동일한 레이저 소스에서 두 펄스를 모두 얻을 수 있으면 측정 위치에서 자동으로 동기화되므로 설정이 크게 단순화되고 근접한 간격의 샷 간 전환 사이의 신호 비팅도 줄어들고 신호 대 잡음이 증가합니다."
Delft University of Technology(네덜란드)의 실험실에서 Bohlin과 그의 학생들은 다음을 기반으로 CARS 분석 설정을 구축했습니다.바카라 카지노 Astrella "원박스" 펨토초 증폭기35fs 출력 펄스용으로 구성되었습니다. 이 증폭기의 높은(수 밀리줄) 펄스 에너지 덕분에 출력을 분할하고 그 일부를 광대역 펌프/스토크스 펄스로 직접 사용할 수 있습니다. 그런 다음 다른 부분은 SHBC(Second Harmonic Bandwidth Compressor)라는 장치를 사용하여 피코초 지속 시간 펄스를 생성하는 데 사용됩니다. SHBC 후에 집에서 만든 펄스 셰이퍼를 사용하여 ~3-15피코초 단위로 펄스 지속 시간을 조정합니다.
이를 기본 CARS 엔진으로 Bohlin과 동료들은 연소 화염 및 시스템에 대한 다양한 연구를 성공적으로 수행했으며, 여기 효율성을 현장에서 모니터링하는 순수 회전 CARS와 같은 기술을 완성하고, 시공간 CARS, 계단식 CARS를 개발하고, 자체 위상 변조를 포함한 최첨단 개념을 사용하여 "창 뒤에서" 필요한 레이저 파장을 생성 및 확장했습니다.연소실 자체에서.
단순성, 정확성 및 정확성 강조
아마도 Bohlin의 CARS 시스템의 가장 중요한 측면은 전통적인 접근 방식에 비해 안정성과 상대적 단순성일 것입니다. 그리고 지난 몇 년 동안 Bohlin은 이러한 목적을 위해 혁신적인 개선을 이루었습니다. 그는 "우리는 실험실로 가져올 수 있는 작은 엔진에만 사용할 수 있는 실험실 전용 방법이 아니라 필요할 경우 연소 현장에 가져갈 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법을 원했습니다. 물론 일반 연구실에는 테스트 로켓 엔진도 가져올 수 없습니다. Astrella의 단순성과 안정성을 갖춘 단일 레이저 소스의 사용은 휴대용 시스템을 현실화하는 데 큰 역할을 했습니다."
CARS 성능 측면에서 그는 의도적으로 세계 최고의 정밀도와 정확도로 측정을 목표로 삼았습니다. Bohlin은 "레이저 분광학의 역사를 보면 실험 매개변수를 더 자세히 측정하는 것이 단지 일부 숫자에 소수점을 두는 것이 아니라 중요한 새로운 과학을 드러내는 경우가 많다는 것을 보여줍니다."라고 설명합니다. 그의 접근 방식의 한 예로서, 일반적인 532nm CARS 레이저 파장 대신 Astrella에서 펌핑하는 SHBC의 400nm 출력을 사용하여 CARS 이미징의 점 확산 기능을 40미크론에서 20미크론으로 줄였습니다.
그는 이제 H를 위한 "표준 버너"를 다시 설정하고 있습니다.2표준화된 성능 세부정보가 전례 없는 정확성과 정밀도로 정량화되는 불꽃입니다. 그는 가파른 열 구배 및 확산 문제와 같이 수소 화염 전파의 기본 요소를 더 충실하게 살펴봄으로써 1990년대 측정을 기반으로 한 오래된 이론과 가정을 확인하고 있습니다.
Bohlin이 배포한 CARS 연소 분석의 최근 발전 중 일부는 면밀한 검토가 필요합니다.
"우리는 실험실에 가져갈 수 있는 소형 엔진에만 사용할 수 있는 실험실 전용 방법이 아니라 필요한 경우 연소 현장에서 사용할 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법을 원했습니다."
동시 공간 및 시간 분해능을 갖춘 온도계
2020년에 그의 그룹은 단일 재생 증폭기로 얻은 동시 상관 공간(1D) 및 시간(1D) 해상도를 보여주는 논문 [1]을 발표했습니다. 대부분의 분석적 라만 측정은 전통적으로 진동 전이에 초점을 맞추었으며 종종 더 작은 분자의 회전 진동 분해능을 사용했습니다. 대신 Bohlin은 정밀한 온도 측정 및 이미징을 위한 최적의 데이터 형식을 제공하는 순수 회전 CARS를 사용했습니다. 이 연구에서 팀은 불안정한 사전 혼합 메탄/공기 화염 전면에 걸쳐 1kHz 영화 1D-CARS 기체상 온도 측정을 수행했으며, 이는 단발 정밀도 <1%, 정확도 <3%, 1.4mm 시야 및 뛰어난 <20μm 선 확산 기능을 달성했습니다. 여기서 신호 생성 평면은 광역 응집 이미징 분광계에 의해 검출기 평면으로 중계되었습니다. 이는 위에서 설명한 대로 자연스럽게 동기화된 펨토초 및 피코초 펄스를 생성하는 Astrella 증폭기 시스템과 동일한 반복 속도로 새로 고쳐졌습니다. 그림 3을 참조하세요.
그림 3:단일 Astrella 증폭기는 CARS 온도 측정을 위한 동기화된 펨토초 펌프/스토크스 및 피코초 프로브 빔을 생성하는 데 사용됩니다. 그림 제공: Alexis Bohlin.
여기 효율을 현장에서 참조하는 CARS
Bohlin 그룹의 또 다른 중요한 개발은 동일한 검출기 프레임에서 공진 및 비공진 CARS 신호를 동시에 기록할 수 있는 혁신적인 편광 감지 일관성 이미징 분광계입니다[2]. 그는 “이 감지 체계는 이전의 모든 펨토초 분광학에서는 알려지지 않았던 충격적 여기 효율에 대한 현장 정보를 얻는 데 사용될 수 있습니다. 이 새로운 프로토콜이 널리 채택되기에는 복잡성 수준이 상당히 높지만, 이미 기체상 진단의 벤치마크로 간주되는 CARS의 현재 확립된 정확도 및 정밀도 수준을 뛰어넘는 고유한 경로를 제공합니다. 이 혁신을 통해 우리는 진정으로 교정이 필요 없는 기회를 갖게 되었으며, ±1% 정밀도와 ±1% 정확도를 제공하는 궁극적인 꿈의 한계까지 스칼라 결정 성능을 향상시킬 수 있는 이 방법의 명확한 전망을 봅니다.”
그림 4:Astrella의 단일 레이저 발사를 기반으로 공진 및 비공진 CARS 신호가 동시에 생성되고 감지됩니다. 공진 CARS 신호(채널 1)는 샘플의 온도 및 종 농도에 대한 정보를 전달하고, 비공진 CARS 신호(채널 2)는 현장에서 기록된 펨토초 레이저 펄스의 유효 대역폭을 매핑합니다. CARS 스칼라 결정의 정확성과 정밀도를 꿈의 한계인 1% 미만으로 낮추려면 정보가 필요합니다[2].
계단식 자동차 – 숫자 밀도에 매우 민감함
Cascaded CARS는 전체 CARS 개념을 한 단계 더 발전시켜 자극된 CARS 신호 자체가 샘플에서 고차 CARS 신호를 생성하는 프로브 펄스가 됩니다! 연소 시스템에서 발견되는 다중 종 표적의 경우 이는 사용할 수 없는 복잡성의 스펙트럼을 생성할 것으로 예상될 수 있습니다. 그러나 Bohlin 그룹은 스펙트럼이 실제로 컴퓨터 분석에 완벽하게 적용 가능하다는 것을 입증했습니다[3]. 그런데 왜 약하고 분석하기 복잡한 신호를 생성하는 것이 보장된 기술을 사용합니까? 그는 "신호 강도는 숫자 밀도에 매우 민감합니다. 이는 (숫자 밀도)에 따라 확장됩니다.4. 따라서 이는 CARS 종 측정의 민감도를 높이는 우리의 임무를 실제로 지원합니다. 예를 들어, 잘 혼합된 조건에서 벌크 혼합물 구성의 작은 변동까지 정량화하는 강력한 레이저 진단으로 사용할 수 있습니다. 가연성 혼합물 준비 프로세스를 정확하게 결정, 이해 및 제어하는 능력은 효율적인 청정 연소 반응 엔진 설계자에게 항상 매우 중요했습니다.” 그는 신호 강도가 레이저 강도에도 매우 민감하므로 Astrella의 높은 안정성은 펄스 에너지는 물론 펄스의 시간적 및 스펙트럼 프로필 측면에서 매우 중요하다고 지적합니다.
그림 5:동시에 생성된 계단식 CARS 및 CARS 신호는 편광에 민감한 코히어런트 이미징 분광계를 사용하여 동일한 프레임에서 분할 및 감지됩니다. 계단식 CARS에서 Astrella의 안정성은 관심 있는 전체 회전 스펙트럼 대역에 걸쳐 안정적인 충격 효율을 보장하는 데 매우 중요합니다[3].
자체 압축 펄스를 갖춘 초광대역 자동차
온도 측정 및 계단식 CARS 방법은 화염에 있는 하나 또는 두 개의 종을 표적으로 삼는 반면, Bohlin의 그룹은 연소와 관련된 모든 주요 종(예: O)을 동시에 모니터링할 수 있는 방법을 시연했습니다.2,H2, CH4및 CO2. 이는 현장에서 초광대역 펨토초 펄스를 생성하는 확립된 방법을 사용합니다. 그들은 이 방법을 활용하여 Bohlin이 Astrella 출력의 "부드러운 압축"이라고 부르는 작업(35fs에서 약 24fs까지)을 수행하며 실제로 불꽃에서 생성된 펨토초 레이저 유도 필라멘트를 사용합니다[4]. 이를 통해 1200~1600cm의 '지문 영역'에 액세스할 수 있습니다.-1방금 나열된 모든 화학종의 회전-진동 시그니처 밴드에 걸쳐 있습니다. 이 압축 기술은 필라멘트의 후미 가장자리에서 변환 제한 출력을 생성하고 CARS 프로브 볼륨은 필라멘트가 fs- 및 ps- 빔을 교차한 후 ~4mm 후에 형성됩니다. Bohlin은 "초광대역 펄스를 현장에서 생성하는 것은 추가 펄스 압축 장치 및 처프 보상 광학 장치를 사용할 필요가 없어 광학 설정을 단순화하는 놀라운 이점입니다. 예를 들어 로켓 추진 장치의 모니터링 액세스 창은 2.5cm 두께의 유리일 수 있습니다. 이렇게 두꺼운 창으로 인한 펨토초 펄스의 분산은 다른 방법으로는 수용하기 거의 불가능합니다. 고도로 제어 가능한 필라멘트를 사용하는 우리의 능력 대신 현장 생성 방법은 Astrella 결과물의 놀라운 안정성을 입증하는 또 다른 증거입니다.”
그림 5:초광대역 CARS에서는 펄스가 1200-1600cm 전체에 걸쳐 있습니다.-1영역이 화염 내부에 생성되어 분산 보상 문제 없이 두꺼운 유리창을 통해서도 모니터링이 가능합니다. 이미지 제공: Alexis Bohlin.
"대신 고도로 제어 가능한 필라멘트화 현장 생성 방법을 사용하는 우리의 능력은 Astrella 출력의 놀라운 안정성에 대한 또 다른 증거입니다."
정말 획기적인 연구입니다.
요약하자면, Delft University of Technology의 Alexis Bohlin이 이끄는 연구 그룹은 다음의 강력함과 다양성을 입증했습니다.자동차이미징 및 분광학을 사용하여 다양한 화염 및 연소 소스의 열 구배 및 수 밀도를 매핑합니다. 그들의 연구는 정밀도와 정확성을 높이는 공통 주제로 연결되어 있으며 실험 설정은 모두 다음을 사용합니다.아스트렐라공통의 중요한 레이저 요소입니다. Bohlin은 이제 이러한 방법을 적용하여 스웨덴의 Kiruna Space Campus, LTU 및 Esrange Space Center에서 로켓 추진 시스템을 분석할 예정입니다.
참고자료
1. L. Castellanos, F. Mazza, D. Kliukin, A. Bohlin,단일 재생 증폭기 시스템으로 얻은 순수 회전 1D-CARS 시공간 온도 측정, 선택 레트 사람. 45, 4662-4665(2020). [에디터 추천]
2. F. Mazza, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, 충격적 여기 효율을 현장 참조하는 바카라 카지노 Raman 이미징 온도계, Proc. 연소. 인스타그램 38, 1895-1904(2020).
3. D. Kliukin, F. Mazza, L. Castellanos, A. Bohlin, 기체상에서 고감도 수밀도 측정을 위한 계단식 응집성 반스토크스 라만 산란, J. Raman 분광학; 1-9(2021). [특별호].
4. F. Mazza, N. Giffioen, L. Castellanos, D. Kliukin, A. Bohlin, 현장에서 생성된 초광대역 펨토초 레이저 여기를 사용한 고온 회전 진동 O2-CO2 응집성 라만 분광법, 2021년 Combustion and Flame에 승인됨.