Forskere kombinerer røntgenstråler og laserlys til billedspray

Forskere har udviklet en ny laserbaseret metode, der giver et hidtil uset syn på sprays som dem, der bruges til forbrænding af flydende brændstof i køretøjer, skibs- og flymotorer. Teknikken kunne give ny indsigt i disse forstøvningssprays, som også bruges i en række industrielle processer såsom maling og fremstilling af fødevarepulver og medicin.

"Vi udviklede en ny billeddannelsesmetode for bedre at forstå overgangen fra væske til gas, der sker før brændstofforbrænding, "sagde forskerteamleder Edouard Berrocal fra Division of Combustion Physics, Institut for Fysik ved Lunds Universitet i Sverige. "Denne information kan bruges til at udvikle smartere brændstofindsprøjtningsstrategier, bedre brændstof-luftblanding, mere effektiv forbrænding og ultimativt, reducere forurenende emissioner fra forbrændingsanordninger, der typisk bruges til transport."

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, Berrocal og kolleger fra Institut for Fysik' Afdeling for Atomfysik beskriver en ny tilgang, der kombinerer røntgenstråler og laserinduceret fluorescens for at observere og kvantificere forstøvningsspray-fænomener, som ikke tidligere var tilgængelige. Fluorescensbillederne giver detaljer om den sprøjtede væskes form, inklusive dens størrelse og form, mens røntgenbillederne kvantificerer, hvordan væsken fordeler sig.

"Som regel, billeder af forstøvningsspray er slørede og indeholder ikke oplysninger om sprayens indre, " sagde Diego Guénot, avisens første forfatter. "Vores nye billedbehandlingsmetode løser disse problemer og kan endda detektere mindre mængder væske, end der nogensinde er blevet opdaget før med røntgenstråler."

Ser ind i en spray

Sprays er meget vanskelige at visualisere med normalt lys, fordi deres tusindvis af små dråber spreder lys i alle retninger. røntgenstråler, imidlertid, absorberes også, gør det muligt at måle mængden af ​​tilstedeværende væske ved at detektere mængden af ​​røntgenstråling, der transmitteres gennem sprayen.

Denne type analyse kræver normalt røntgenstråler genereret af store synkrotroner, som kun er tilgængelige på få specialiserede faciliteter rundt om i verden. Imidlertid, forskerne overvandt denne barriere ved at bruge en ny bord-top laser-plasma accelerator udviklet af Olle Lundhs team i afdelingen for atomfysik. Det var designet til at producere røntgenstråler, der er skræddersyet til højopløselig og tidsopløst røntgenbillede.

"Selvom de er meget mindre end en synkrotron, de nye laseracceleratorer producerer røntgenstråler i det rigtige energiområde til at blive absorberet af væsker og kan levere det i femtosekundsimpulser, der i det væsentlige fryser spraybevægelsen til billeddannelse, sagde Lundh. røntgenstrømmen er høj nok til at producere et godt signal over et bredt område."

I laser-plasma acceleratoren, røntgenstråler genereres ved at fokusere en intens femtosekund laserpuls ind i en gas eller et præformet plasma. Forskerne brugte også disse femtosekund laserimpulser til at udføre to-foton fluorescensbilleddannelse. Denne fluorescensmetode bruges ofte i biovidenskabsmikroskopi til at give højkontrastbilleder af submillimeterområder, men er sjældent blevet brugt til billedspray, som normalt kræver et billedareal på nogle få kvadratcentimeter.

"To-foton billeddannelse af et relativt stort område kræver højere energi, ultrakorte laserimpulser, " sagde Berrocal. "Det faktum, at vi brugte en intens femtosekund laserstråle til at generere røntgenstråler betød, at vi samtidig kunne udføre røntgen og to-foton fluorescensbilleddannelse. At udføre disse to billeddannelsesmodaliteter på samme tid med et relativt stort set område er ikke blevet gjort før."

At få et klart overblik

Forskerne testede først teknikken ved at generere røntgenbilleder og placere en spray foran røntgenkameraet. Med det første billede, det var straks tydeligt, at sprayen tydeligt kunne visualiseres. Forskerne ændrede derefter opsætningen for at tilføje to-foton fluorescensbilleddannelse. Brug af den kombinerede teknik til at afbilde vandstråler skabt af en brændstofinjektor til biler gav en højere målefølsomhed, end der er opnået med de store synkrotron røntgenkilder.

"Denne billeddannelsestilgang vil gøre det meget lettere at studere sprays for både akademiske og industriforskere, fordi de vil være i stand til at udføre undersøgelser, ikke kun på den håndfuld synkrotronfaciliteter, men også på forskellige laserplasmaacceleratorlaboratorier over hele verden. "forklarede Guénot.

Forskerne planlægger at udvide teknikken til at få 3D-billeder af sprays og studere, hvordan de udvikler sig over tid. De ønsker også at anvende det på mere udfordrende og realistiske sprøjtemidler såsom biodiesel eller ethanol-spray med direkte indsprøjtning samt til sprøjtesystemer, der bruges til gasturbiner.