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研究人员综合利用X射线和激光 提供汽车燃料喷雾视图

研究人员综合利用X射线和激光 提供汽车燃料喷雾视图

(图源:隆德大学官网)

据外媒报道,研究人员开发出一种基于激光的新方法,提供前所未有的喷雾视图,让大家更加了解雾化喷雾,例如在汽车、轮船和飞机发动机中,液体燃料燃烧时的喷雾过程。在各类工业过程中,也经常会用到雾化喷雾技术,如喷漆、生产食品粉末和药物。

“我们开发新的成像方法,从而进一步了解燃料燃烧前从液体到气体的转变。”瑞典隆德大学(Lund University in Sweden)物理系燃烧物理分系研究小组组长Edouard Berrocal表示,“利用这些信息,可以制订出更智能化的燃料喷射策略,优化燃料-空气混合比,提高燃烧效率,最终减少运输应用中常用燃烧设备的污染物排放。”

据介绍,新方法综合利用X射线和激光诱发的荧光,对雾化喷雾现象进行观察和量化。这是以前无法做到的。通过荧光图像,可以看清喷射液体的详细特征,包括大小和形状。同时,X射线图片可以量化液体分布状况。

研究人员Diego Guenot表示:“通常情况下,所得到的雾化喷雾图像都很模糊,无法具体了解内部的喷雾情况。采用我们的新成像方法,可以解决这些问题,比起以前的X射线探测值,甚至可以探测到数量更少的液体。”

观测喷雾过程

喷雾过程很难在正常光下可视化,因为成千上万的液滴会将光散射至各个方向。鉴于X射线光束能够被吸收,通过检测喷雾过程中的X射线辐射量,有可能测量出液体数量。此类分析通常需要用到由大型同步加速器产生的X射线,然而,全球只有少数几个专业机构拥有这种加速器。研究人员采用新型桌面激光等离子加速器来克服这一障碍。该加速器由原子物理系Olle Lundh的团队开发设计,旨在为高分辨率和时间分辨率的X射线成像定制X射线。

Lundh说:“尽管比同步加速器要小很多,但是,新型激光加速器所产生的X射线能量范围适宜,使其可以被液体吸收,并以飞秒脉冲的形式传送,基本定格喷雾移动轨迹以进行成像。此外,X射线通量足够高,可以在较大范围内产生良好的信号。”

在激光等离子加速器中,将高强度飞秒激光脉冲聚焦至气体或预先形成的等离子体中,从而产生X射线。研究人员还利用飞秒激光脉冲进行双光子荧光成像。这种荧光方法常在生命科学显微镜中使用,以提供亚毫米级高对比度图像,但很少用于喷雾成像,因为这通常需要几平方厘米的成像面积。

Berrocal表示:“在相对较大的范围内进行双光子成像,需要更多能量和超短激光脉冲。我们利用高强度飞秒激光束来产生X射线,因此,可以同时进行X射线和双光子荧光成像。在相对较大的范围内,同时执行这两种成像方式,这是以前做不到的。”

获得清晰的视图

首先,研究人员将喷雾器置于X射线摄像机前,测试这项技术。通过X射线,在第一张图像中,可以清晰地看到喷雾状态。接着,研究人员调整设置,增加双光子荧光成像。

与大型同步X射线源相比,采用这种综合技术,在对汽车燃油喷射器产生的射流进行成像时,测量灵敏度更高。Guenot解释说:“采用这种成像方法,更便于学术和工业研究人员进行研究。因为他们不仅可以利用屈指可数的同步加速器设备,也可以在全球多个激光等离子加速器实验室中进行研究。”

研究人员计划继续开发这项技术,以获得三维喷雾图像,并研究其变化趋势。另外,他们希望将其应用于更具挑战性和现实意义的喷雾器,如生物柴油或乙醇直接喷射喷雾器,以及燃气轮机喷雾系统。

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责任编辑:tomasyang
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