Reaktive Fluide

Laser-Induced Incandescence (LII) ist eine leistungsstarke Diagnosetechnik, die zur Charakterisierung von Nanopartikeln in Verbrennungsumgebungen und partikelhaltigen Gasen eingesetzt wird. Sie bietet sowohl zeitaufgelöste als auch bildgebende Funktionen und ermöglicht eine detaillierte Analyse der Partikelgröße, -konzentration und -verteilung im Raum. In unserer Gruppe nutzen und entwickeln wir fortschrittliche LII-Methoden und pflegen die LIISim-Software für die Datenanalyse, die unter http://liisim.com/ abgerufen werden kann.

LII funktioniert, indem Rußpartikel mit einem hochenergetischen Laserimpuls bis zur Glühung erhitzt werden. Die Partikel absorbieren die Laserenergie, erhitzen sich schnell auf hohe Temperaturen (im Falle von Ruß etwa 4000 K) und senden beim Abkühlen Wärmestrahlung aus. Diese breitbandige Wärmeemission wird erfasst und analysiert, um die Eigenschaften der Partikel zu bestimmen. Durch die Messung der Emission bei mehreren Wellenlängen können wir den Temperaturabfall der Partikel genau bestimmen. Zu den Hauptkomponenten eines LII-Systems gehören ein gepulster Nd:YAG-Laser, ein optisches System zur Ausrichtung und Fokussierung des Laserstrahls und ein Detektor zur Erfassung des Glühsignals. Die erfassten Signale werden verarbeitet, um Informationen über Partikelgröße, Konzentration und andere Eigenschaften zu gewinnen.

Bei der zeitaufgelösten LII wird das Glühsignal als Funktion der Zeit nach dem Laserimpuls gemessen. Dieser Ansatz liefert Informationen über die Abkühlungsrate der Partikel, die mit ihrer Größe zusammenhängt. Größere Partikel kühlen langsamer ab als kleinere, sodass die Größe anhand des zeitlichen Abklingens des Signals bestimmt werden kann. Die zeitaufgelöste LII ermöglicht auch präzise Temperaturprofile der Partikel während ihrer Abkühlphase und erfasst schnelle Änderungen der Partikeleigenschaften in dynamischen Umgebungen. Während zeitaufgelöste Signale häufig über eine Anordnung von 2–4 schnellen Photomultipliern mit Bandpassfiltern erfasst werden, nutzen grundlegende Studien auch die Fähigkeiten eines Streak-Kamera-Systems, das vollständige Emissionsspektren mit einer Zeitauflösung im Nanosekundenbereich liefert.

Die bildgebende LII umfasst die Erfassung räumlich aufgelöster Bilder des Glühsignals und liefert detaillierte Informationen über die räumliche Verteilung und Morphologie von Rußpartikeln. Mit Hochgeschwindigkeitskameras oder verstärkten CCD-Kameras (ICCDs) wird das von den Partikeln über eine Ebene oder ein Volumen emittierte Licht erfasst. Dies ermöglicht die Visualisierung der Rußpartikelverteilung, die Untersuchung der Partikelaggregation und die Echtzeitüberwachung von Veränderungen in der Partikelbildung und -verteilung.

Ein wichtiger Teil unserer Forschung umfasst die Entwicklung und Pflege der LIISim-Software, einem Tool zur Simulation von LII-Signalen und zur Interpretation von Versuchsdaten. LIISim modelliert die Lasererwärmung und -kühlung von Rußpartikeln und liefert Erkenntnisse über den Einfluss verschiedener Parameter auf das LII-Signal. Es kann die Emission bei verschiedenen Wellenlängen simulieren und ermöglicht so eine genaue Bestimmung der Temperaturverfallsprofile der Partikel. Zu den Funktionen von LIISim gehören die Modellierung zeitaufgelöster und räumlich aufgelöster LII-Signale, die Optimierung von Versuchsparametern sowie eine umfassende Dokumentation und Tutorials. Weitere Informationen zu LIISim finden Sie unter http://liisim.com/.

LII wird häufig in der Verbrennungsforschung, der Umweltüberwachung und der Aerosolwissenschaft eingesetzt. In der Verbrennungsforschung hilft es, die Rußbildung und Oxidationsprozesse in Flammen und Motoren zu verstehen. In der Umweltüberwachung misst es Partikelemissionen aus industriellen Quellen und Fahrzeugen. In der Aerosolwissenschaft charakterisiert LII atmosphärische Aerosole und deren Auswirkungen auf die Luftqualität und das Klima. Im Rahmen unserer Aktivitäten zur Synthese von Nanopartikeln aus Gasphasenprozessen erweitern wir LII systematisch auf Nicht-Ruß-Materialien wie Silizium, Eisen und Metalloxide, wobei auch der Übergang von LII zur laserinduzierten Breakdown-Spektroskopie (LIBS) zusätzliche Informationen über die Partikelzusammensetzung liefern kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die laserinduzierte Glühung (LII) eine vielseitige und leistungsstarke Technik zur Charakterisierung von Rußpartikeln ist. Durch die Messung der Emission bei verschiedenen Wellenlängen kann LII den Temperaturabfall von Partikeln bestimmen und so umfassende Einblicke in Partikelgröße, -konzentration und -verteilung liefern. Unsere Entwicklung und Pflege der LIISim-Software verbessert die Nützlichkeit und Genauigkeit von LII-Messungen weiter und unterstützt damit fortgeschrittene Forschung und industrielle Anwendungen.