Short-Pulse Photofragmentation and Fluorescence-based Diagnostics - Development and Applications

Abstract

The work presented in the thesis covers the use of laser-induced fluorescence (LIF) and photofragmentation laser-induced fluorescence (PFLIF) with short laser pulses to determine species concentrations in different combustion environments. To attain quantitative species concentrations using LIF investigations of the influence of collisional quenching on the fluorescence signal strength is of vital importance, which can be done by measuring the fluorescence lifetime. A method for simultaneous measurements of fluorescence lifetimes of two species, present along a line, is described and discussed. The experimental setup is based on picosecond laser pulses tuned to excite two different species, whose fluorescence signals are detected with a streak camera. The concept is demonstrated for fluorescence lifetime measurements of CO and OH in laminar methane/air flames. The measured one-dimensional lifetime profiles generally agree well with lifetimes calculated from quenching cross sections found in literature and quencher concentrations predicted by the GRI 3.0 chemical mechanism. DIME, dual imaging with model evaluation, a method enabling fluorescence lifetime imaging of toluene is shortly discussed.

The second technique, i.e. PFLIF, is used to study H2O2 and HO2, which both are molecules lacking accessible bound electronically excited states. Here, a pump laser pulse of 266 nm dissociates the molecules into OH fragments, which after a short time delay (nanosecond time scale), are probed with LIF using a second laser pulse tuned to an OH absorption line. The technique is investigated based on both nanosecond and picosecond pulses, in which the picosecond pulses offer the possibility to study the dissociation process in great detail. In the work presented, PFLIF is for the first time used for two-dimensional imaging of HO2 in laminar flames and for quantitative imaging of H2O2 in a homogenous charged compression (HCCI) engine. In methane/air flames an interfering OH signal contribution is observed in the product zone and found to originate from photolysis of hot CO2, whereas an interfering OH signal contribution is observed in the reaction zone arising from free oxygen atoms formed when HO2 is photodissociated and reacting with CH4 and/or H2O. In the HCCI experiments, one- and two-dimensional quantitative H2O2 concentrations at different piston positions are extracted via an on-line calibration procedure. In terms of mass fraction levels, the crank-angle resolved experimental data agree well with simulated H2O2 mass fractions. The minor deviations are mainly due to signal interference from HO2 not accounted for in the experiments, and inhomogeneities in the H2O2 spatial distributions not predicted by the models. Finally, PFLIF is employed for OH thermometry in different reacting flows, including the HCCI engine. The method creates OH molecules at a lower temperature range than where they naturally occur, i.e. providing OH thermometry at lower temperatures. In this temperature regime the technique also becomes more sensitive since the rotational population distribution has a stronger temperature dependence.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Eld har fascinerat människan i alla tider. Att sitta och värma sig vid en lägereld, sjunga sånger eller bara titta på hur elden rör sig är något de flesta har upplevt. Hur många har egentligen funderat på var värmen kommer ifrån, hur den gula färgen uppstår eller vad eld egentligen består av? Några av frågorna finns det nu svar på, men fortfarande finns det mycket att utforska.

De flesta håller nog med om att förbränning är något människan har sysslat med sedan urminnes tider, till exempel för matlagning och uppvärmning, och snart borde tillhöra historien. Så är dock ingalunda fallet. Idag kommer mer parten av all energiproduktion i världen från förbränning av fossila bränslen. Det verkar därmed troligt att vi kommer fortsätta utnyttja förbränning ett bra tag framöver. Det är därför viktigt att förstå olika förbränningsprocesser, för att minska bränsleförbrukningen, partikel-utsläppen och minimera miljöpåverkan. Förbränning är väldigt komplicerat och innefattar i allmänhet tusentals reaktioner mellan hundratals olika ämnen. De kemiska reaktionerna sker mycket snabbt och är starkt beroende av tryck, temperatur och koncentrationen av ämnen i den närliggande miljön.

Laser-baserade tekniker erbjuder möjligheten att studera kaotiska (turbulenta) flöden, kemiska och fysikaliska reaktioner, men även mätningar av temperaturer och ämneskoncentrationer. Laserljus besitter egenskaper som gör det möjligt att mäta på långa avstånd och i miljöer där det är svårt att komma åt sitt mätobjekt. En annan viktig fördel är att när laserljuset passerar genom till exempel en eld störs inte de kemiska reaktionerna som kontinuerligt äger rum. Mätningarna blir därmed beröringsfria samtidigt som man mäter i objektets naturliga miljö. Slutligen, lasern ger möjligheten att samla in detaljerad information om hur ämneskoncentrationer är fördelade i två dimensioner och hur de ändrar sig i tiden.

Den vanligaste tekniken som används inom förbränning heter laser-inducerad fluorescens (LIF). Tekniken bygger på att man belyser den molekyl man är intresserad av med laserljus innehavande en specifik färg. Molekylen kommer att absorbera ljuset och därmed energin, vilket leder till att molekylen hamnar i ett högre energitillstånd. Detta kan liknas vid att man får energi så att man kan ta sig upp ett steg i en trappa. Varje molekyl som lasern lyft upp ett trappsteg har möjligheten att sända ut en fluorescensfoton (ljus) när den faller tillbaka till det lägsta trappsteget (grundtillståndet). Olika molekyler har olika avstånd mellan trappstegen, vilket innebär att man med olika energi på ljuset, dvs. olika färg, kan nå till olika trappsteg och därmed studera enskilda molekyler. I den bästa av världar betyder det att man genom att mäta antalet fluorescensfotoner kan bestämma antalet molekyler. Tyvärr är verkligheten en annan. Mer än 99 procent (typiskt vid normalt tryck) av molekylerna på det övre trappsteget sänder inte ut ljus. Istället förlorar molekylerna sin överskottsenergi genom kollisioner med sina grannar. Intensiteten på fluorescensljuset ger därför inte information om det exakta antalet molekyler. Istället måste man ta reda på hur kollisionerna påverkar fluorescensljuset. Om det är många kollisioner kommer fluorescensljuset vara kortlivat, medan det blir långlivat om kollisionerna är få. I detta arbete har längden på fluorescensljuset studerats i olika förbränningssituationer, t.ex. en flamma och ett gas flöde. När ett mått på kollisionernas inverkan är bestämt kan mätdata korrigeras och man är ett stort steg närmare målet att bestämma en absolut ämneskoncentration.

Laser-inducerad fluorescens bygger på att trappstegen hos molekylerna består av hela trappsteg. Det finns molekyler där de högre energinivåerna är som rutschkanor istället för trappsteg. Detta leder till att när man sänder in laserljus på molekylen så kommer den ”glida av” trappsteget, vilket innebär att molekylen kommer sönderdelas (dissocieras) istället för att skicka ut ljus. I detta arbete beskrivs hur man kan studera dessa molekyler med en teknik som heter fotofragmentation laser-inducerad fluorescens. Tekniken har använts för att mäta ämneskoncentrationen av väteperoxid (H2O2) och hydroperoxyl (HO2) i verkliga förbränningssituationer, t.ex. i en motor och i en flamma.

Möjligheten att mäta ämneskoncentrationer är en viktig pusselbit för förståelsen av moderna förbränningsprocesser. En ökad kunskap är avgörande för till exempel utvecklingen av effektivare och miljövänligare motorkoncept. Målet är att ytterligare minska bränsleförbrukningen och utsläppen av farliga ämnen och partiklar i vår luft. För en bättre miljö, inte bara för oss utan även för framtida generationer.

• author: Jonsson, Malin
• supervisor: Joakim Bood; Marcus Aldén
• opponent: Prof. Dreier, Thomas, Institute for Combustion and Gas Dynamics – Reactive Fluids, University Duisburg-Essen, Germany
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Hydroxyl radical (OH), Short-pulse excitation, Photofragmentation, Combustion diagnostics, Laser-induced fluorescence, Hydrogen peroxides, Collisional quenching, Fysicumarkivet A:2015:Jonsson
• pages: 196 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergsalen, department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2015-11-20 13:15:00
• ISBN: 978-91-7623-515-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2ae61883-4e62-416b-9010-1c704e744c3e (old id 8058123)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:22:06
• date last changed: 2018-11-21 20:52:36