В 1000 раз быстрее: Самая быстрая в мире лазерная камера снимает горение в реальном времени
Освещая поверхность образца короткими импульсами лазерного излучения, можно снимать последовательность различных химических и физических реакций. Исследовательская группа, в которую вошли ученые из Гетеборгского университета, разработала самую быструю в мире лазерную камеру с одним импульсом, которая как минимум в тысячу раз превосходит по скорости самое современное оборудование для диагностики горения. Это открытие имеет огромное значение для изучения молниеносного горения углеводородов.
Что происходит с материалом, сгорающим в разных условиях? Для изучения этого вопроса ученые используют лазерную камеру, которая фотографирует материал в виде двумерного слоя, известную как LS CUP (single-shot laser sheet compressed ultrafast photography). Наблюдая за образцом со стороны, можно увидеть, какие реакции и излучения происходят во времени и пространстве. Исследователи использовали LS-CUP для изучения горения различных углеводородов.
12,5 млрд. изображений в секунду
Физики из Гетеборгского университета совместно с коллегами из США и Германии разработали сверхбыструю лазерную камеру, способную создавать видео с рекордной скоростью — 12,5 млрд. изображений в секунду, что как минимум в тысячу раз быстрее, чем у лучших современных лазерных установок. Это позволило исследователям проиллюстрировать горение с таким временным разрешением, которое никогда ранее не было достигнуто.
Чем больше снимков сделано, тем точнее мы можем проследить ход событий». При сгорании углеводородного топлива образуются наноразмерные частицы сажи, различные световые явления и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), представляющие опасность для окружающей среды», — говорит Йогешвар Натх Мишра, один из исследователей Гетеборгского университета, который сейчас представляет полученные результаты в научной статье в журнале Light: Science Applications.
Короткоживущие частицы сажи
Частицы сажи углеводородов составляют 70% материала межзвездного пространства и являются также интересным наноматериалом, имеющим применение в электронике и энергетике. Частицы сажи и ароматических углеводородов чрезвычайно недолговечны, время их жизни при сгорании измеряется наносекундами. Горение характеризуется чрезвычайно быстрыми реакциями, которые не повторяются. Для изучения горения необходимы сверхбыстрые методы получения изображений, что и было достигнуто исследователями с помощью новой лазерной камеры.
«Раньше проблемы возникали, когда камера была ограничена несколькими миллионами изображений в секунду. Для получения двумерных изображений различных видов горения требовались многократные лазерные импульсы, что влияло на температуру горения при добавлении энергии лазера», — говорит Йогешвар Натх Мишра.
Применение во многих областях исследований
Новая лазерная камера делает уникальный снимок с помощью одного лазерного импульса. Скорость получения изображения достигает 10 млрд. снимков в секунду и может быть легко адаптирована для наблюдения всех типов лазерно-индуцированных сигналов на протяжении всего времени жизни частицы. Область применения прибора выходит далеко за рамки исследований горения и может быть использована в физике, химии, биологии и медицине, энергетике и экологии.
Справка: «Одноимпульсная плоскостная визуализация сверхбыстрой динамики наночастиц и температуры в пламени в реальном времени со скоростью миллиард кадров в секунду», Йогешвар Натх Мишра, Пенг Ванг, Флориан Дж. Бауэр, Йиде Чжан, Даг Хансторп, Стефан Вилл и Лихонг В. Ванг, 21 февраля 2023 г., Light: Science Applications . DOI: 10.1038/s41377-023-01095-5
