Til hovedinnhold
OPO-laser for diagnostisering i turbulente flammer og forbrenningsgasser
Relaterte tema

Publisert 2. juni 2005

Laserdiagnostiseringslaboratoriet er et anlegg som studerer aerodynamikken og kjemien i forbrenningsgasser ned til molekylærnivået og kjemiske tidsskalaer. Grunnene til å bruke laser er mange. De tillater ikke-intrusive målinger. Oppløsningen som oppnås over tid passer studier av den svært turbulente naturen til de fleste strømninger man støter på i industrielle prosesser.

Laserdiagnostisering i forbrenningsgasser kan ikke sammenlignes med konvensjonelle målinger, som benytter sonder og prøvetaking. Metodikken er basert på den gjensidige påvirkningen mellom et laserprodusert foton og et molekyl (eller partikkel). Trinnene i den gjensidige påvirkningen er i rekkefølge: stimulering - absorpsjon – avspenning. Når man mottar et foton med bølgelengde n1, bringes et molekyl til et høyere energinivå(stimulering/absorpsjonsprosesser). Da dette ikke er dets naturlige tilstand, vil det bestrebe seg på å bli kvitt denne overskuddsenergien (avspenningsprosess).

Én måte å gjøre dette på er å sende ut et foton med bølgelengde n2. Denne prosessen følger svært strenge regler, bestemt av lovene for kvantefysikk, som innebærer at den molekylære interne energien ikke distribueres kontinuerlig, men kun over diskrete nivåer. Som et resultat av dette er de mulige bølgelengdene for n2 veldefinert og viser seg som en signatur for et molekyl ved en gitt konsentrasjon og temperatur. Avspenningsprosessen er ganske kompleks, da det finnes mange ruter for avmagnetiseringen av et molekyl (overføring ved quenching photodissociation). Dette krever en fullstendig forståelse av mekanismene. Analysen av styrken og bølgelengden til signalet under avspenningen avslører molekylene som finnes i strømningen, og av gasstemperaturen og konsentrasjonen. Signalet som utgår fra en slik prosess har forskjellig underliggende fysisk natur. Dette kalles blant annet Rayleigh scattering, Raman scattering eller Laser Induced Fluorescence (LIF), for å nevne noen. For eksperimentalisten er det både fordeler og ulemper forbundet med å fokusere på den ene eller andre metoden, og metoden blir diktert av naturen til strømningen. Likevel er god eksperimentell instrumentering veldig viktig.

Verktøy med høy følsomhet
Kort sagt er verktøyene som kreves for å utføre slike eksperimenter en laserkilde, et fotontelleinstrument og noe optikk. På laserdiagnostiseringslaboratoriet til SINTEF Enenergiforskning/NTNU, fanges signalet av et Intensified CCD-kamera (ICCD), som er et fotosensitivt instrument med en kontrollerbar lukketid ned til 5 nanosekunder. Følsomheten til kameraet er svært høy, på bekostning av en lang avlesingstid til CCD-brikken, som tillater en rammehastighet på kun 3 til 5 bilder per sekund.

Laserkilden er nylig innkjøpt og er en siste generasjons OPO-laser (Optical Parametric Oscillator) finansiert av NTNU. Det fullstendige navnet er frequency doubled pulsed injection-seeded Nd:YAG pumped OPO-laser. Når man dekoder denne betegnelse, indikerer det at laseren er sammensatt av to hovedtrinn: en Nd:YAG-laser som gir strålepulser med høy intensitet ved bølgelengden 355nm, og som brukes som energikilde (såkalt pumpe) for OPO-laseren. OPO-trinnet består i prinsippet av en krystall, som avhengig av sin orientering i forhold til pumpestrålen vil generere to stråler med forskjellige bølgelengder. Endelig ledes laserstrålen som sender ut OPO-en gjennom et frekvensdoblingskrystall-arrangement for å nå bølgelengder i øvre UV-spektret.

Denne komplette teknologien gjør at laseren kan stilles inn fra 2000 nm (IR) ned til 220 nm (UV) med en spektralbredde under 0,2 cm-1. Laseren avgir lyspulser ved 10Hz. Hver av dem varer bare 5 til 8 nanosekunder. Energien per puls som er tilgjengelig avhenger av bølgelengden. 16mJ kan f eks nås for en vanskelig UV-bølgelengde på 250nm, men for 355nm, som er en bestemt bølgelengde for denne laseren, kan energien nå 500 mJ. Når man betrakter varigheten til pulsen, tilsvarer den en effekt på nesten 100 MW UV-lys per puls!

Større forekomster fra forbrenningsreaksjonen og deres konsentrasjon kan “sees” av laserdiagnostikk i form av et spekter eller et bilde. Dette er mulig ved å forme laserstrålen i et svært tynt lyssjikt og sende den gjennom en flamme. Et bestemt filter settes foran ICCD-kameraet, og man får et øyeblikksbilde av et snitt gjennom flammen. OH er for eksempel et attraktiv radikal til bilde, da den har svært kort levetid og er kun til stede der reaksjonen oppstår. Et annet berømt molekyl er NO, som er en meget kjent forurensing, og som har produksjonssoner som kan visualiseres.

Laboratoriet er også utstyrt med et Laser Doppler Velocimetry (LDV)-system som tillater måling av hastighet og turbulens. Til dette formålet brukes det en mer konvensjonell 4W kontinuerlig argonionlaser.

Disse metodene er viktige for å forstå fenomenet forbrenning, for å kontrollere dannelsen av forurensinger som NOx og sot bedre, men de er også nyttige for å løse mer industrirelaterte problemer som utvikling av bestemte brennere.

Mario Ditaranto i laserdiagnostiseringslaboratoriet.

"laseren kan stilles inn fra 2000 nm (IR) ned til 220 nm (UV) med en spektralbredde under 0,2 cm-1"

Kontakt:

Mario Ditaranto

Foto: Roar Øhlander