Onderzoekers hebben een nieuwe op laser gebaseerde methode ontwikkeld die een ongekend beeld geeft van sprays zoals die worden gebruikt voor de verbranding van vloeibare brandstof in voertuigen, scheeps- en vliegtuigmotoren. De techniek zou nieuwe inzichten kunnen opleveren in deze verstuivingssprays, die ook worden gebruikt in een verscheidenheid aan industriële processen zoals schilderen en het produceren van voedselpoeders en medicijnen.

"We hebben een nieuwe beeldvormingsmethode ontwikkeld om de overgang van vloeistof naar gas beter te begrijpen die plaatsvindt vóór de verbranding van brandstof, " zei onderzoeksteamleider Edouard Berrocal van de afdeling Combustion Physics, Afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Lund in Zweden. "Deze informatie kan worden gebruikt om slimmere strategieën voor brandstofinjectie te ontwikkelen, betere brandstof-luchtmenging, efficiëntere verbranding en uiteindelijk, de uitstoot van vervuilende stoffen van verbrandingsapparaten die doorgaans voor transport worden gebruikt, te verminderen."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, Berrocal en collega's van de afdeling Atomic Physics van het Department of Physics beschrijven een nieuwe benadering die röntgenstralen en laser-geïnduceerde fluorescentie combineert om vernevelende sprayfenomenen te observeren en te kwantificeren die voorheen niet toegankelijk waren. De fluorescentiebeelden geven details over de vorm van de gespoten vloeistof, inclusief de grootte en vorm, terwijl de röntgenfoto's kwantificeren hoe de vloeistof wordt verdeeld.

"Gebruikelijk, afbeeldingen van verstuivingssprays zijn wazig en bevatten geen informatie over het interieur van de spray, " zei Diego Guénot, eerste auteur van het artikel. "Onze nieuwe beeldvormingsbenadering lost deze problemen op en kan zelfs kleinere hoeveelheden vloeistof detecteren dan ooit tevoren met röntgenstralen."

In een spray kijken

Sprays zijn erg moeilijk te visualiseren met normaal licht omdat hun duizenden kleine druppeltjes het licht in alle richtingen verstrooien. röntgenstralen, echter, worden ook geabsorbeerd, waardoor het mogelijk is om de hoeveelheid aanwezige vloeistof te meten door de hoeveelheid röntgenstraling te detecteren die door de spray wordt uitgezonden.

Dit type analyse vereist meestal röntgenstralen die worden gegenereerd door grote synchrotrons, die beschikbaar zijn bij slechts een paar gespecialiseerde faciliteiten over de hele wereld. Echter, de onderzoekers overwonnen deze barrière door gebruik te maken van een nieuwe laser-plasmaversneller op tafel, ontwikkeld door het team van Olle Lundh in de afdeling Atomic Physics. Het is ontworpen om röntgenstralen te produceren die zijn afgestemd op hoge resolutie en tijdsopgeloste röntgenbeeldvorming.

"Ook al zijn ze veel kleiner dan een synchrotron, de nieuwe laserversnellers produceren röntgenstralen in het juiste energiebereik om door vloeistoffen te worden geabsorbeerd en kunnen deze in femtoseconde pulsen afgeven die de sproeibeweging in wezen bevriezen voor beeldvorming, "zei Lundh. "Ook, de röntgenflux is hoog genoeg om over een groot gebied een goed signaal te produceren."

In de laser-plasmaversneller, Röntgenstralen worden gegenereerd door een intense femtoseconde laserpuls te focussen in een gas of een voorgevormd plasma. De onderzoekers gebruikten deze femtoseconde laserpulsen ook om fluorescentiebeeldvorming met twee fotonen uit te voeren. Deze fluorescentiebenadering wordt vaak gebruikt in biowetenschappelijke microscopie om beelden met een hoog contrast van submillimetergebieden te verkrijgen, maar is zelden gebruikt voor het afbeelden van sprays, waarvoor meestal een beeldoppervlak van enkele vierkante centimeters nodig is.

"Beeldvorming met twee fotonen van een relatief groot gebied vereist hogere energie, ultrakorte laserimpulsen, " zei Berrocal. "Het feit dat we een intense femtoseconde laserstraal gebruikten om röntgenstralen te genereren, betekende dat we gelijktijdig röntgen- en twee-fotonfluorescentiebeeldvorming konden uitvoeren. Het is nog niet eerder gedaan om deze twee beeldvormende modaliteiten tegelijkertijd uit te voeren met een relatief groot bekeken gebied."

Een duidelijk beeld krijgen

De onderzoekers testten de techniek eerst door röntgenstralen te genereren en een spray voor de röntgencamera te plaatsen. Met de eerste afbeelding het was meteen duidelijk dat de spray duidelijk zichtbaar was. De onderzoekers wijzigden vervolgens de opstelling om de fluorescentiebeeldvorming met twee fotonen toe te voegen. Het gebruik van de gecombineerde techniek voor het afbeelden van waterstralen die door een brandstofinjector voor auto's zijn gemaakt, leverde een hogere meetgevoeligheid op dan is bereikt met de grote synchrotron-röntgenbronnen.

"Deze beeldvormingsbenadering zal het bestuderen van sprays veel gemakkelijker maken voor zowel academische als industriële onderzoekers, omdat ze studies kunnen uitvoeren, niet alleen bij het handjevol synchrotronfaciliteiten, maar ook bij verschillende laserplasma-versnellerlaboratoria over de hele wereld", legt Guénot uit.

De onderzoekers zijn van plan de techniek uit te breiden om 3D-beelden van sprays te verkrijgen en te bestuderen hoe ze in de loop van de tijd evolueren. Ze willen het ook toepassen op meer uitdagende en realistische sprays zoals biodiesel of ethanol directe injectiesprays, evenals voor spraysystemen die worden gebruikt voor gasturbines.