Forskare har utvecklat en ny laserbaserad metod som ger en oöverträffad bild av sprayer som de som används för förbränning av flytande bränsle i fordon, fartygs- och flygmotorer. Tekniken kan ge nya insikter om dessa atomiserande sprayer, som också används i en mängd olika industriella processer som målning och tillverkning av matpulver och läkemedel.

"Vi utvecklade en ny bildmetod för att bättre förstå övergången från vätska till gas som uppstår före bränsleförbränning, " sa forskargruppsledaren Edouard Berrocal från Division of Combustion Physics, Fysiska institutionen vid Lunds universitet. "Denna information kan användas för att utveckla smartare bränsleinsprutningsstrategier, bättre bränsle-luftblandning, effektivare förbränning och, i sista hand, minska utsläppen av föroreningar från förbränningsanordningar som vanligtvis används för transport."

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, Berrocal och kollegor från Institutionen för fysiks avdelning för atomfysik beskriver ett nytt tillvägagångssätt som kombinerar röntgenstrålar och laserinducerad fluorescens för att observera och kvantifiera atomiserande sprayfenomen som tidigare inte var tillgängliga. Fluorescensbilderna ger detaljer om den sprutade vätskans form, inklusive dess storlek och form, medan röntgenröntgenbilderna kvantifierar hur vätskan fördelas.

"Vanligtvis, bilder på sprayer är suddiga och innehåller inte information om sprayens inre, sa Diego Guénot, tidningens första författare. "Vår nya avbildningsmetod löser dessa problem och kan till och med upptäcka mindre mängder vätska än vad som någonsin har upptäckts tidigare med röntgenstrålar."

Ser in i en spray

Sprayer är mycket svåra att visualisera med normalt ljus eftersom deras tusentals små droppar sprider ljus i alla riktningar. röntgenstrålar, dock, absorberas också, gör det möjligt att mäta mängden vätska som finns genom att detektera mängden röntgenstrålning som sänds genom sprayen.

Denna typ av analys kräver vanligtvis röntgenstrålar genererade av stora synkrotroner, som är tillgängliga på endast ett fåtal specialiserade anläggningar runt om i världen. Dock, forskarna övervann denna barriär genom att använda en ny bordslaser-plasmaaccelerator som utvecklats av Olle Lundhs team på avdelningen för atomfysik. Det var utformat för att producera röntgenstrålar skräddarsydda för högupplösta och tidsupplösta röntgenbilder.

"Även om de är mycket mindre än en synkrotron, de nya laseracceleratorerna producerar röntgenstrålar i rätt energiområde för att absorberas av vätskor och kan leverera den i femtosekundspulser som i huvudsak fryser sprayrörelsen för avbildning, sade Lundh. röntgenflödet är tillräckligt högt för att ge en bra signal över ett stort område. "

I laserplasmaacceleratorn, röntgenstrålar genereras genom att fokusera en intensiv femtosekund laserpuls i en gas eller en förformad plasma. Forskarna använde också dessa femtosekundlaserpulser för att utföra tvåfotonfluorescensavbildning. Denna fluorescensmetod används ofta i biovetenskaplig mikroskopi för att ge högkontrastbilder av submillimeterområden men har sällan använts för bildsprayer, som vanligtvis kräver en bildyta på några kvadratcentimeter.

"Tvåfotonavbildning av ett relativt stort område kräver högre energi, ultrakorte laserpulser, ", sa Berrocal. "Det faktum att vi använde en intensiv femtosekundlaserstråle för att generera röntgenstrålar innebar att vi samtidigt kunde utföra röntgen- och tvåfotonfluorescensavbildning. Att utföra dessa två avbildningsmetoder samtidigt med ett relativt stort visat område har inte gjorts tidigare. "

Att få klar sikt

Forskarna testade först tekniken genom att generera röntgenstrålar och placera en spray framför röntgenkameran. Med den första bilden, det var omedelbart uppenbart att sprayen tydligt kunde visualiseras. Forskarna modifierade sedan inställningen för att lägga till tvåfotonfluorescensavbildningen. Att använda den kombinerade tekniken för att avbilda vattenstrålar skapade av en bränsleinjektor för bilar gav en högre mätkänslighet än vad som har uppnåtts med de stora synkrotronröntgenkällorna.

"Denna avbildningsmetod kommer att göra det mycket lättare att studera sprayer för både akademiska forskare och industriforskare eftersom de kommer att kunna utföra studier, inte bara vid en handfull synkrotronanläggningar, men också på olika laserplasmacceleratorlaboratorier över hela världen. ”förklarade Guénot.

Forskarna planerar att utöka tekniken för att få 3D-bilder av sprayer och studera hur de utvecklas över tiden. De vill också tillämpa det på mer utmanande och realistiska sprayer som biodiesel eller etanol direktinjektionssprutor samt spraysystem som används för gasturbiner.