Методики диагностики пламен углеводородных топлив (стр. 3 из 3)
Схема установки для ЭПР -спектроскопического зондирования пламен:1-пробоотборник;
2-магнит спектрометра;
3-резонатор;
4-сосуд с жидким азотом;
5-монометр;
6-горелка с пламенем;
7-форбалон.
Метод резонансной флуоресценции.
Основным инструментом лазерной спектроскопии является лазер с перестраивающейся частотой, в частности, лазеры на основе органических красителей. В настоящее время благодаря использованию большого числа органических красителей (несколько сотен) с помощью таких лазеров удается генерировать излучение с любой длины волны от 0.34 до 1.2 мкм.
Удваивая частоту генерации на кристаллах КДР можно получить перестраиваемое излучение в УФ -области спектра.
Сейчас разработано много методов лазерной спектроскопии. Это – абсорбционный, оптико-акустический, метод комбинационного рассеивания. Остановимся на двух наиболее перспективных для исследования пламен: методе резонансной флуоресценции и внутрирезонансной лазерной спектроскопии. Флуоресцентный метод основан на регистрации флуоресценции, возникающей при поглощении веществом энергии лазерного пучка. Метод регистрирует квантовые переходы атомов, молекул, сопровождающиеся распадом частиц в возбужденных состояниях.
1- зеркала;
2- УФ- фильтр;
3- КДР- кристалл для удвоения частоты;
4- полупрозрачное зеркало;
5- импульсная лампа;
6- кювета с красителем;
7- эталоны Фабри-Перо;
8- зеркало;
9- реакционный сосуд;
10-ФЭУ;
11-монохроматор;
12-осциллограф.
Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия.
Весьма эффективен лазерный метод высокочувствительного обнаружения слабых линий поглощения, основанный на помещении внутрь резонатора многоходового лазера с широкой полосой поглощения среды со слабым поглощением внутри полосы усиления лазера. Этот метод был продемонстрирован в экспериментах с импульсным лазером на неодимовом стекле, взятом для возбуждении флуоресценции на красителе. Когда ячейка помещена внутрь резонатора, слабое поглощение на отдельных частотах приводит к перераспределению интенсивности излучения в различных модах. Моды, попавшие внутрь слабых линий поглощения, подавляются, т.е. происходит селективное их тушение. Это приводит к резким провалам в спектре излучения лазера, которых нетрудно обнаружить с помощью обычного спектрографа.
Схема установки внутрирезонаторной спектроскопии:1- резонатор лазера на красителях;
2- кювета с красителем;
3- поглощаемый слой;
4- поворотное зеркало;
5- спектрограф.
Высокая чувствительность метода внутрирезонаторного поглощения сравнительно с методом измерения однопроходного поглощения вне резонатора достигается за счет многократного прохождения излучения за время генерации через поглощенную среду. Эффективная длина пути в поглощающем веществе определяется произведением скорости света на время генерации лазера и достигает 30 нм. Например, при возбуждении молекул красителя с помощью лазера на неодимовом стекле (τ=10-3 с), удается обнаружить чрезвычайно слабые линии поглощения молекул (NH3, HN3, CO2, C2H2 и т.д.) обусловленные колебательно-вращательными переходами в области 9380 - 9480 см-1 с коэффициентом поглощения 10-7. Следует отметить, что метод внутрирезонаторного поглощения обладает очень высоким временным разрешением – менее 10-6 , что делает его очень перспективным для регистрации короткоживущих продуктов химических реакций радикалов и нестабильных молекул.
Лазерный магнитный резонанс (ЛМР).
Схема лазерного спектрометра магнитного резонанса с внутренним поглощением:
1- магнит;
2- модуляционные катушки;
3- прерыватель;
4- диэлектрический расщепит ель;
5- лазерная труба;
6- поглощающая труба.
Резонатор образован зеркалами С и Д. Полиэтиленовый вращающийся лучерасщепитель 4 (толщина 0.5 мм) делает излучение лазера линейно поляризованным. Вращение лучеращепителя позволяет создать распределение поляризации по отношению к внешнему магнитному полю. Отраженная мощность от лучеращепителя попадает на детекторы А и В. Детектор А служит для удержания частоты лазера на вершине контура. Детектор В регистрирует сигнал поглощения. Модуляционная катушка 2, надетая на полюсы магнита 1 создает магнитную модуляцию частотой 83 Гц. В качестве детектора использована ячейка Голея. Сигнал с этой ячейки подавался на фазовый детектор.
ЛМР подобен двум другим методам магнитной спектроскопии: ЭПР и ЯМР. Метод ЯМР основан на резонансном поглощении веществом радиочастотного излучения, которое обусловлено энергетическими переходами между уровнями ядерного спина. По методу ЭПР наблюдают резонансное поглощение в области более коротких длин волн (0.1 – 10 см), которые обусловлены переходами между уровнями электронных спинов. В лазерном магнитном резонаторе используется излучение лазеров в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах, чтобы вызвать резонансные переходы между вращательными или колебательно-вращательными уровнями в парамагнитных молекулах.
Разнообразие лазеров позволило создать лазерные спектрометры магнитного резонанса (ЛСМР) с различным диапазоном, такие спектрометры отличаются по некоторым техническим особенностям, но общая их структура одинакова.
Масс-спектрометрия молекулярного пучка.
Использование молекулярного пучка для исследования пламен устраняет некоторые недостатки микрозондовой техники. Например, процессы протекающие на стенке пробоотборника исключаются полностью, поскольку частицы в молекулярном пучке не соударяются. Это преимущество позволяет определять в пламенах концентрации атомов, радикалов и пероксидов, что невозможно при использовании микрозонда.
Бревер применил метод масс-спектрометрии молекулярного пучка для исследования структуры пламен, горящих при атмосферном давлении и больших давлениях.
Установка состоит из двух последовательно расположенных осесимметричных конусов и связанных с ними соосно двух коллимационных щелей, за которыми следует ионизационная коробка масс-спектрометрического анализатора. Несмотря на значительные успехи теоретических работ, посвященных вопросу формирования молекулярного пучка, все же оптимальное расстояние между вершинами конусов, как и оптимальный угол раствора конусов продолжают оставаться эмпирически подбираемыми величинами. Вся система помещается в секционированную трубу, из которой ведется непрерывная секционная откачка с нарастанием глубины вакуума от секции к секции. Например, в пространстве между входным конусом и скиммером давление не должно быть меньше (4-2,7)* 10-1 Па. Молекулярный пучок формируется скиммером и после первой диафрагмы модулируется, что обеспечивает значительное улучшение отношения полезного сигнала анализатора к сумме разнообразных шумов.
Схема формирования молекулярного пучка:
1- входной конус;
2- скиммер;
3- щели коллиматоров;
4- заслонка;
5- щели масс- спектрометра;
6 электронный пучок.
Чувствительность установки зависит от интенсивности молекулярного пучка и чувствительности масс-спектрального анализатора. Этим методом удается обнаружить в пламенах частицы с концентрацией 1013 см-3.
Применение этого метода для исследования пламен, однако, создает некоторые неудобства и имеет недостатки.
Частью они обусловлены формой напускного конуса, геометрические параметры которого определяются оптимальными условиями формирования молекулярного пучка, но эти условия являются неблагоприятными для зондирования пламен.
Так при введении в пламя входного конуса с оптимальным углом раствора возникают аэродинамические и тепловые помехи. Однако Биорди с сотрудниками установили, что входной конус с углом раствора 60 градусов позволяет производить отбор проб с точностью, не уступающей микропробоотборнику. Благодаря быстродействию (время формирования пучка составляет
с, что меньше времени релаксации и гибели подавляющего числа известных радикалов) этот метод в ряде случаев остается единственным для исследования быстропротекающих процессов.ВЫВОД.
Применение различных методов диагностики пламен позволяет получать исследователям разнообразные данные, несущие информацию о таких характеристиках пламени, как: температура, концентрация различных веществ, соединений и заряженных частиц; получать сведения о температурных, концентрационных полях, структуре пламени, полях скоростей. Каждая методика исследования имеет свои рамки применения, свои достоинства и недостатки. Полученная в результате применения этих методик информация используется учеными в дальнейшем развитии науки о горении – ложится в основу новых теорий, а также является критерием проверки существующих. Также, некоторые методы диагностики пламени играют важную роль в сфере промышленного использования процессов горения как базовый инструмент средств контроля определенных параметров технологического процесса.
Развитие методов диагностики пламен обуславливалось как развитием представлений о физике протекающих процессов, совершенствованием существующих методик, так и появлением принципиально новых приборов, становившихся базой для передовых методик диагностики.
В настоящее время развитие электроники и компьютерной техники позволяет, как улучшать техническую базу существующих устройств диагностики, так и конструировать новые автоматические комплексы для регистрации и обработки экспериментальных данных, оказывающих значительную помощь в научно-исследовательской работе.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Ксандопуло Г.И., “Фронт пламени и ингибирование процессов горения”— Автореферат, Алма-Ата, 1974.
2. Ксандопуло Г.И.,“Химия горения”¾ М.: Химия, 1980г.
3. Ксандопуло Г.И., Дубинин В.В. Химия газофазного горения;
М: Химия, 1987г.
4. ГарднерУ.мл, Химия горения¾ М: Мир,1988г.