การเผาไหม้ภาพจากกล้องเลเซอร์ที่รวดเร็วมากแบบเรียลไทม์

กล้องเลเซอร์แบบยิงครั้งเดียวความเร็วสูงพิเศษได้ถ่ายภาพการเผาไหม้ของไฮโดรคาร์บอนด้วยรายละเอียดที่มากที่สุด เช่นเดียวกับการฉายแสงใหม่เกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้ ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาโดยทีมนักฟิสิกส์และวิศวกรที่ สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ในสหรัฐอเมริกา มหาวิทยาลัยโกเธนเบิร์ก ในสวีเดนและ ฟรีดริช-อเล็กซานเดอร์-มหาวิทยาลัยแอร์ลังเงิน-เนิร์นแบร์ก ในเยอรมนี – สามารถช่วยไขความลึกลับพื้นฐานในฟิสิกส์สมัยใหม่ เช่น พลาสมาร้อน โซโนลูมิเนสเซนซ์ และนิวเคลียร์ฟิวชันได้ นักวิจัยกล่าว เทคโนโลยีนี้อาจมีประโยชน์สำหรับการถ่ายภาพทางชีวการแพทย์และการสังเกตการแพร่กระจายของแสงในวัสดุแบบเรียลไทม์

โมเลกุลโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน (PAH) และอนุภาคเขม่าที่เกิดขึ้นเมื่อไฮโดรคาร์บอนถูกเผาไหม้มีอายุการใช้งานที่สั้นมาก (ตามลำดับของนาโนวินาที) และปฏิกิริยาการเผาไหม้โดยทั่วไปนั้นเร็วมากและเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว นั่นคือจะไม่เกิดซ้ำ การศึกษาการเผาไหม้จึงต้องใช้การถ่ายภาพที่เร็วมากเพื่อจับภาพกระบวนการเหล่านี้

นักวิจัยนำโดย โยเกชวาร์ นาถ มิชราได้สร้างกล้องเลเซอร์ที่สามารถทำได้โดยสร้างวิดีโอด้วยความเร็วสูงสุด 12.5 พันล้านภาพต่อวินาที ซึ่งเร็วกว่าเทคนิคความเร็วสูงในปัจจุบันอย่างน้อยหนึ่งพันเท่าซึ่งจำกัดไว้ที่หนึ่งล้านเฟรมต่อวินาที (fps) อุปกรณ์ใหม่นี้ทำงานโดยการถ่ายภาพวัสดุในชั้นสองมิติโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า single-shot laser sheet compressed ultrafast photography (LS-CUP)

วิธีการนี้ขึ้นอยู่กับการยิงเลเซอร์พัลส์ระยะเวลานาโนวินาทีเดียวไปยังตัวอย่าง ตรงกันข้ามกับเทคนิคก่อนหน้านี้ที่ใช้พัลส์หลายตัวเพื่อให้ได้ล้านเฟรมต่อวินาที พัลส์เหล่านี้สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพและทางแสงของเขม่าได้ เนื่องจากเลเซอร์จะเพิ่มพลังงานและความร้อนให้กับระบบ

“เทคนิคนี้ช่วยให้เราสามารถแยกพารามิเตอร์ที่สำคัญออกจากไดนามิกอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้ เช่น อายุการเรืองแสงของโมเลกุล PAH (ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม) ขนาดอนุภาคนาโนของเขม่า ขนาดกลุ่มเขม่า และอุณหภูมิของอนุภาค” Mishra อธิบาย “เป็นครั้งแรกที่เราถ่ายภาพ PAHs แบบ 2 มิติแบบช็อตเดียวที่ความเร็ว 1.25 พันล้านเฟรมต่อวินาที และจากภาพการกระเจิงของแสงเลเซอร์ เราได้แผนที่ขนาดของไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้”

รวมสองรูปแบบการถ่ายภาพ

ในการศึกษานี้ ทีมงานได้รวมรูปแบบการถ่ายภาพสองแบบ ได้แก่ การถ่ายภาพด้วยแผ่นเลเซอร์ (LS) และการถ่ายภาพความเร็วสูงแบบบีบอัด (CUP) “แผ่นเลเซอร์จะตัดระนาบ 2 มิติของตัวอย่าง 3 มิติโดยพื้นฐานแล้ว” Mishra อธิบาย “ดังนั้น มันจึงแสดงโปรไฟล์เชิงพื้นที่และเชิงเวลาของไดนามิกที่เกิดขึ้นในระนาบของโพรบ ตัวอย่างเช่น ความปั่นป่วนและอันตรกิริยาระหว่างสารเคมีชนิดต่างๆ ในการถ่ายภาพแบบช็อตเดียว เราใช้อัลกอริธึมการตรวจจับแบบบีบอัดกับภาพจากกล้องแบบริ้วมาตรฐาน” เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

กล้องสามารถถ่ายสารเคมีประเภทต่างๆ เช่น PAH และเขม่าได้แบบเรียลไทม์ ตามลำดับของนาโนวินาทีถึงซับนาโนวินาที Mishra กล่าวเสริม “ด้วย XNUMX พันล้าน fps คุณสามารถดูได้ว่าเขม่าวิวัฒนาการมาจาก PAH อย่างไร ข้อดีอีกประการหนึ่งคือเราสามารถบันทึกสองสายพันธุ์ได้ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากกล้องมีช่องสัญญาณความเร็วสูงสองช่อง ซึ่งเป็นสิ่งที่มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการถ่ายภาพเชิงปริมาณ”

การไหลของน้ำมันเชื้อเพลิง ความดัน และความผันผวนของความร้อนทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของการเผาไหม้ในเครื่องยนต์จรวด

ตามที่นักวิจัยซึ่งรายงานผลงานของพวกเขาใน แสง: วิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้กล้องใหม่สามารถใช้ร่วมกับวิธีการถ่ายภาพระนาบที่มีอยู่แล้วสำหรับการวิจัยการเผาไหม้ นอกเหนือจากการศึกษาดังกล่าวแล้ว LS-CUP ยังสามารถใช้สำหรับการสังเกตการณ์การเผาไหม้ของไฮโดรเจน การเผาไหม้ของพลาสมาและผงโลหะแบบเรียลไทม์ได้อีกด้วย

สำหรับงานในอนาคต Mishra กล่าวว่าเขาและเพื่อนร่วมงานของเขากำลังมองหาที่จะทำการถ่ายภาพแบบเรียลไทม์แบบเรียลไทม์สำหรับการปรับขนาดโมเลกุลของ PAH โดยใช้พัลส์ระยะเวลา femtosecond โดยใช้ anisotropy ของฟลูออเรสเซนซ์แบบสองช่องสัญญาณกับโครงการปัจจุบันของพวกเขา “เรากำลังศึกษาผลกระทบของความคล่องแคล่วของเลเซอร์สูงในเขม่าออกซิเดชั่นและกระบวนการกราฟิติเซชันที่อาจจำเป็นสำหรับการผลิตวัสดุนาโนที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบสำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยี” Mishra กล่าว

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-camera-images-combustion-in-real-time/