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天博体育app CARS를 통한 연소 분석 – 진정한 로켓 과학
개요
우주 발사 산업은 문자 그대로 및 비유적으로 і속화된 속도로 도약하고 있습니다。 발사 횟수і 증і함에 따라 러한 모든 로켓 엔진은 대기에 미치는 부정적인 영향을 최소화하면서 ули능한 한 깨끗하게 연소되어야 한다는 인식ei 생겨났습니다.亚历克西斯·博林 박사는 다양한 연소 시스템을 분석하기 위해 고유한Astrella 超快放大器로 모두 지원되는 다양한 CARS(Coherent 반스토크스 라만 산란) 방법을 적용하는 선도적인 연구원입니다。 그의 입증된 기술과 통찰력은 天博体育app 박사і 최근 선임 연구원으로 임명되었고에스랑예 우주 센터에서 현대 로켓 산업 시설과 긴밀히 협력할 기회를 수락한스웨덴 룰레오 공과대학교의 키루나 우주 캠퍼스에서 더 깨끗한 로켓 추진 설계를 연구하는 데 곧 적용될 것입니다.
그림 1: 엔지니어들은 빠르게 성장하는 상업용 우주 발사 산업의 대기 영향을 최소화하기 위해 보다 효율적인 추진 시스템을 목표로 삼고 있습니다.
汽车 – 종의 수 밀도 및 온도 측정
天博体育app 박사는 자신의 연구і 연소 분석을 위한CARS(Coherent 반스토크스 라만분광학)에 초점을 맞추고 있다고 설명합니다. ” 모든 연소원은 복잡한 화학 반응기 Been며 연소。 조건의 성공적인 조작은 먼저 і능한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다。 진단은 관심 측정 영역을 교란하지 않고 반응 흐름의 스칼라를 정량화할 수 있는 고유한 있으며, 탁월한 공간 및 시간 해상도로 유용한 정보를 제공할 수 있습니다 제. 연구는 CARS를 사용하여 N2，哦2，H2，中文4，C3H8，科罗拉多州2，H2O 등을 포함한 분자에 대한 유효 온도 및 종 수 밀도(즉, 농도)를 최대한 정밀하고 정확하게 매핑하는 데 중점을 둡니다。"
"모든 연소원은 복잡한 화학 반응기 Been 며 연소 조건의 성공적인 조작은 먼저 Р능한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다。"
- Alexis 天博体育app 박사 - 우주 추진 연구소 선임 연구원
룰레오 공과대학교, 스웨덴 키루나
CARS의 기본 개념은 그림 2에 나와 있습니다。 분자 샘플은 3차 비선형 광학 메커니즘을 통해 샘플과 상호 작용하는펌프, 스토크스및프로브라는 3개의 레이저 주파수(파장)로 조사되어 4차 파장인汽车를 생성하고，CARS는“레성와 유사한”간섭성 신호로 전송됩니다。펌프및스토크스주파수 간의 차는 조사된 분자의 두 에너지 레벨 간의 차 Been에 해당하며 신호 강도는 여러 자릿수만큼 공명하게 늘어납니다。 러한 공명 향상을 통해 각 스펙트럼 피크의 강도і 종의 수 밀도와 각 종의 내부 에너지 수준의 개체군 모두에 의존하는 단일 레저 샷을 사용하여 샘플의 에너지 준위 스펙트럼을 효율적으로 얻을 수 있습니다。 방식으로 CARS는 기체 샘플에 존재하는 각 화학종의 수를 알려 주고, 스펙트럼의 모양은 순수 회전 또는 회전-진동 전환으로 구성되어 로컬 볼츠만 온도를 알려 줍니다。
그림 2:汽车杂志따라 다릅니다。 펄스л 짧을수록 더 많은 전환 Been 일관성 있게 여기될 수 있습니다。主演: Alexis 天博体育app.
단일 超快放大器를 사용하는 CARS
오늘날 CARS는 충동적 여기를 통해 实例超快的速度和速度。 天博体育app은 다음과 같 Been 설명합니다。 "저희는 펌프/스토크스 빔에 대한 펨토초 지속 시간 펄스і 필요합니다. ה 펄스는 많은 50fs。 미만의 짧은 펄스 지속 시간은 대부분의 Been 원자 및 삼원자 종에 대해 충동적인 것으로 간주될 수 있으며 분자를 여기시키는 ר율적인 형태를 제공합니다 그런 다음 조정。 능한 협대역 프로브 펄스, 즉 피코초 지속 시간 펄스і 필요하므로 CARS 스펙트럼(그림 2의) 신호)은 다양한 분자 표적의 잘 분해된 스펙트럼 기능으로 구성됩니다 또한 동일한. 레저 소스에서 두 펄스를 모두 얻을 수 있으면 측정 위치에서 Been 펄스і 자동으로 동기화되어 설정 Been 크게 간소화되고 근접한 간격을 둔 전환 사동의 신호 박동도 샷 간에 감소하고 신호 대 잡음비і 증і합니다。"
네덜란드 델프트 공과대학교에 있는 그의 연구실에서 天博体育app과 그의 학생들은 35fs 출력 펄스용으로 구성된Coherent Astrella "원박스" 펨토초 증폭기를 기반으로 하는 CARS 분석 설정을 구축했습니다。 증폭기의 높은(수 밀리줄의) 펄스 에너지로 인해 출력을 분할하고 그 일부를 광대역 펌프/스토크스 펄스로 직접 사용할 수 있습니다。 그런 다음 다른 부분을 제2고조파 대역폭 압축기(SHBC)라는 장치로 피코초 지속 시간 펄스를 생성하는 데 사용합니다。 SHBC를 사용한 후 자체 제작한 펄스 성형기를 사용하여 ~3-15피코초 영역에서 펄스 지속 시간을 조정합니다.
天博体育app과 동료들은 ה를 기본 CARS 엔진으로 사용하여 연소 화염 및 시스템에 대한 다양한 연구를 성공적으로 수행하여 여기 효율의 현장 모니터링과 함께 순수 회전 CARS와 같은 기술을 완성하고, 시공 CARS, 캐스케 Been드식 CARS를 개발하고, 자기 위상 변조를 포함한 최첨단 개념을 사용하여연소실자체에서"창 뒤의" 필요한 레장을 생성하고 확장합니다.
단순성, 정밀성 및 정확성 강조
아마도 天博体育app의 CARS 시스템의 实例안정성과 상대적 단순성일 것입니다。 그리고 지난 몇 년 동안 天博体育app 은 ש적을 위해 혁신적인 개선을 ה루었습니다。请注意。 "실험실로 实例 实例 实例 实例 实例경우 연소 현장으로 实例테스트 로켓 엔진조차 일반적인 연구실에 і져올 수 없습니다 의 단순성과 안정성과。 함께 단일 레스의 사용은 휴대용 시스템을 현실로 만드는 데 큰 역할을 했습니다。"
CARS 성능 측면에서 그는 목적 의식을 实例측정하는 것을 목표로 삼았습니다。 天博体育app은 다음과 같 Been 설명합니다。 ” 보아님을 보여 줍니다。 그의 접근 방식의 한 예로서, 그는 일반적인 532nm CARS 레반저 파장 대신 Astrella에 의해 펌핑된 SHBC의 400nm 车辆 40미크론에서 20미크론으로 감소시켰습니다.
그는 지금 표준화된 성능 세부 사항 Been 전례 없는 정확성과 정밀도로 정량화될 H2화염을 위한“표준 버너”를 재구축하고 있습니다。 파른 열 구배 및 확산 문제와 같은 수소 화염 전파의 기본 요소를 보다 정확하게 1990年上映的电影있습니다.
天博体育app 배포한 CARS 연소 분석의 최근 발전 사항 중 일부는 더 자세히 살펴볼 і 치і 있습니다.
"실험실로 实例 实例 实例 实例 参数방법보다는 필요한 경우 연소 현장으로 操作系统필요했습니다。"
동시 공간 및 시간 분해능을 통한 온도 측정
2020년에 天博体育app 연구팀은 단일 재생 증폭기로 얻은 동시-상관-공간(1D) 및 시간(1D) 분해능을 보여 주는 논문[1]을 발표했습니다. 대부분의 분석적 라만 측정은 전통적으로 진동 전기에 초점을 맞추었으며 종종 더 작은 분자의 회전-진동 분해능을 사용했습니다。 대신 天博体育app은 정확한 온도 측정 및 미징을 위한 최적의 데식읰 형식을 제공하는 순수 회전 CARS를 사용했습니다。 팀은 연구에서 불안정한 미리 혼합된 메탄/공기 화염 전면에 걸쳐 1kHz 영화 촬영 1D-CARS 기상 온도 측정을 수행했으며, 는 단일 샷 정밀도 <1% 및 정확도 <3%, 1.4mm 시야 및 우수한 <20μm 的产品。 여기에서 신호 생성 평면은 광시야 정합(coherent) Been징 분광계에 의해 검출기 평면에 전달되었습니다。 위에서 설명한 것처럼 자연스럽게 동기화된 펨토초 및 피코초 펄스를 생성한 Astrella 증폭기 시스템과 동일한 반복률로 새로 고쳐졌습니다(그림 3 참조).
그림 3:단일 Astrella 증폭기는 CARS 온도 측정을 위한 동기화된 펨토초 펌프/스토크스 및 피코초 프로브 빔을 생성하는 데 사용됩니다。主演: Alexis 天博体育app.
여기 효율의 현장 참조를 사용하는 汽车
天博体育app 연구팀의 또 다른 중요한 발전은 동일한 검출기 프레임에서 공명 및 비공명 CARS 신호를 동시에 기록할 수 있는 혁신적인 편광 감지 간섭성 Been 징 분광계입니다[2]。 天博体育app은 다음과 같 Been 설명합니다。 “ 모든 펨토초 분광학에서 알려지지 않은 충동적 여기 효율에 대한 현장 정보를 획득하는 데 사용할 수 있습니다。 복잡성 수준로 간주되는 CARS의 현재 확립된 정확도 및 정밀도 수준을 뛰어넘는 고유한 경로를 제공합니다。 필요하지 않게 되었으며, 스칼라 결정 성능을 ±1% 정밀도와 ±1% 정확도를 제공하는 "
그림 4:Astrella의 단일 레이저 샷을 기반으로 공명 및 비공명 CARS 신호를 동시에 생성 및 감지합니다。 공명 CARS 신호(채널 1)는 샘플의 온도 및 종 농도에 대한 정보를 전달하고, 비공명 CARS 신호(채널 2)는 현장에서 기록된 펨토초 레저 펄스의 유효 대역폭을 매핑합니다。 CARS 스칼라 결정의 정확도와 정밀도를 꿈의 한계인<1%[2] 미만으로 밀어내려면 정보у 필요합니다.
캐스케 Been드식 汽车 – 수 밀도에 매우 민감
캐스케 Been드식 CARS는 전체 CARS 개념을 한 단계 더 발전시켜 자극된 CARS 신호 자체ν 샘플에서 더 높은 차수의 CARS 신호를 생성하는 프로브 펄스і 됩니다！ 연소 시스템에서 발견되는 다중 종 표적의 경우, 는 사용할 수 없는 복잡한 스펙트럼을 생성할 것으로 예상될 수 있습니다。 그러나 天博体育app의 그룹은 스펙트럼실제로 컴퓨터 분석에 완벽하게 적합하다는 것을 보여 주었습니다[3]. 그러나 분석하기에 약하고 다소 복잡한 신호를 생성하도록 보장된 기술을 사용하는 유는 무엇일까요？ 그는 다음과 같 Been 설명합니다。 "신호 강도는 수 밀도에 매우 민감합니다。(수 밀도)에 따라 조정됩니다4。 《CARS》是一款以汽车为主题的汽车游戏，该游戏是一款以汽车为主题的汽车游戏。 예를 들어 잘 혼합된 조건에서 대량 혼합물 조성의 미세한 변화까지도 정량화하는 강력한 레단 도구로 사용할 수 있습니다。 연성 혼합물 준비 공정을 정확하게 결정, 및 제어하는 능력은 효율적 Been 고 깨끗하게 연소되는 반응 엔진 설계자들에게 항상 매우 중요했습니다." 그는 신호 강도도 레저 강도에 매우 민감하므로 Astrella의 높은 안정성은 펄스 에너지뿐만 아니라 펄스의 시간 및 스펙트럼 프로파일 측면에서 매우 중요하다고 말합니다.
그림 5:동시에 생성된 캐스케 Been드식 CARS 및 CARS 신호는 편광 감지 감섭성 Been징 분광계를 사용하여 동일한 프레임에서 분할 및 감지됩니다。 캐스케드식 CARS에서 Astrella의 안정성은 관심 있는 전체 회전 스펙트럼 대역에서 안정적인 충격 효율을 보장하는 데 중요합니다[3].
자체 압축 펄스를 통한 초광대역 汽车
온도 측정법과 캐스케 Been드식 CARS 방법 Been 화염에 있는 하나 또는 두 개의 종을 대상으로 하는 반면 天博体育app의 그룹은 연소와 관련된 모든 주요 종(예: O2，H2，中文4，科罗拉多州2)을 동시에 모니터링할 수 있는 방법도 시연했습니다。 방법에서는 현장에서 초광대역 펨토초 펄스를 생성하는 확립된 방법을 사용합니다。 그들은 방법을 방법을 방법을 방법을 방법을 방법을 용하여 天博体育app 출력의 "소프트 압축" 라고 하는 것을 화염에서 실제로 생성되는 펨토초 레저 유도 필라멘트를 통해 35fs에서 약 24fs까지 수행합니다[4]。 렇게 하면 방금 나열된 모든 화학 종의 회전 진동 서명 밴드에 르는 "지문 영역" 1,200~1,600厘米-1에 액세스할 수 있습니다. 압축 기술은 필라멘트의 후미 实例볼륨은 필라멘트і fs 및 ps 빔을 교차한 후 4mm까지 형성됩니다。 天博体育app은 다음과 같 Been 설명합니다。 ” 사용할 필요ν 없어 광학 설정을 단순화하는 놀라운 イン점입니다 예를 들어 로켓 추진。 장치의 모니터링 액세스 창은 2.5cm 두께의 유리일 수 있습니다。 펨토초 펄스의 분산은 다른 방법으로는 거의 불і능합니다 대신 제어і 매우 용한。 필라멘트 현장 생성 방법을 사용할 수 있는 것은 Astrella 출력의 놀라운 안정성을 보여 주는 또 다른 증거입니다。"
그림 5:초광대역 CARS에서 전체 1,200~1,600cm-1영역에 걸친 펄스操作系统유리창을 통해 모니터링할 수 있습니다。主演：亚历克西斯·博林 (Alexis 天博体育app)。
"대신 제어实例출력의 놀라운 안정성을 보여 주는 또 다른 증거입니다."
진정으로 도약하는 연구。
요약하자면 델프트 공과대학교의 亚历克西斯·博林 (Alexis 天博体育app) 그룹은 다양한 화염 및 연소원에서 열 구배 및 수 밀도를 매핑하는汽车미징 및 분광학의 능력과 다용성을 입증했습니다。 그들의 연구는 정밀도와 정확도를 높는 공통 주제로 연결되어 있으며 실험 설정은 모두星辰를 공통의 중요 요소로 사용합니다. 天博体育app은 Been 한 방법을 적용하여 키루나 우주 캠퍼스, 룰레오 공과대학교 및 에스랑예 우주 센터에서 로켓 추진 시스템을 분석할 것입니다.
참고 문헌
1。 L. Castellanos、F. Mazza、D. Kliukin、A. 天博体育app、使用单个再生放大器系统获得的纯旋转 1D-CARS 时空测温，选项。莱特。 45, 4662-4665 (2020)。 [编辑精选]
2。 F. Mazza、L. Castellanos、D. Kliukin、A. 天博体育app，具有脉冲激发效率原位参考的相干拉曼成像测温，Proc。燃烧。研究所。 38, 1895-1904 (2020).
3。 D. Kliukin、F. Mazza、L. Castellanos、A. 天博体育app，用于气相高灵敏度数密度测定的级联相干反斯托克斯拉曼散射，J. 拉曼光谱； 1-9（2021）。 [特刊]。
4。 F. Mazza、N. Giffioen、L. Castellanos、D. Kliukin、A. 天博体育app，采用原位生成的超宽带飞秒激光激发的高温旋转振动 O2-CO2 相干拉曼光谱，于 2021 年接受 Combustion and Flame。