Häufig will man in Verbrennungs- und Gasmischungsprozessen (Gasturbine, Motor, Feuerungsanlagen) oder chemischen Prozessanlagen (wandbeheizte Strömungsrohre, Mikrokanäle von Brennstoffzellen, usw.) die Verteilung der darin befindlichen Gase (Brennstoff, Luft, Restgase) kennen, oder deren räumlich-zeitliche Vermischung mit einer zweiten Gaskomponente studieren. Falls diese Komponenten zur Fluoreszenzangeregt werden können, kann man die Gase mit Hilfe der Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) sichtbar machen. Häufig weisen die beteiligten Gase aber kein geeignetes Absorptionsspektrum auf oder ihre Fluoreszenzintensität ist nach Laseranregung sehr gering. Um trotzdem die interessierende Gaskomponente (z.B. flüssiger oder gasförmiger Brennstoff bei der motorischen Verbrennung) „sichtbar" zu machen, mischt man ihr einen geeigneten Markierungsstoff (Tracer) bei, der bei ähnlichen Verdampfungseigenschaften wie der Brennstoff ein gut bekanntes Absorptions-/Fluoreszenzspektrum besitzt,und somit eine optische Diagnostik mit geeigneten Laser-Lichtquellen erlaubt. Typische Tracer sind Toluol oder 3-Pentanon. In Abbildung 1(links) ist als Beispiel das Fluoreszenzspektrum von Toluol gezeigt, wie es nach Anregung des Gases mit Laserstrahlung bei 266 nm erscheint [1,2].

Abbildung 1: Turbulente Mischung von Gasströmen, sichtbar gemacht mit Tracer-LIF

Um aus den LIF Signalen der Tracer quantitative Informationen über die Verteilung der Kraftstoffmenge im Beobachtungsvolumen zu ziehen, müssen die photo-physikalischen Eigenschaften des Tracers gut bekannt sein. Dazu gehören die Abhängigkeiten der Tracer LIF-Signalintensität von Gasdruck, Temperatur und Stoßgasumgebung [3]. Die direkte Messung von Absorptions- und Fluoreszenz-Spektren der Tracer unter bekannten Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) kann zur Validierung von Modellen zur Simulation des photo-physikalischen Verhaltens (intramolekulare Energieumwandlung, Schwingungsrelaxation, usw.) während eines Anregungs-/Fluoreszenz-Prozesses herangezogen werden.

Am IVG steht für die systematische Untersuchung von Tracern in der Gasphase eine optisch zugängliche Hochdruckzelle (bis 30 bar) zur Verfügung, bei der die zugeführten Gase bis zu Temperaturen von 1200 °C (1473 K) aufgeheizt werden können. Um thermische Zersetzung während der Experimente zu minimieren, werden die Gase in einer keramischen Röhre mit großer Strömungs-Geschwindigkeit kontinuierlich durch die heiße Zelle geführt. Abbildung 2 (rechts) zeigt eine Ansicht der Hochdruckzelle zusammen mit Gaszuführungen und elektrischen Regeleinrichtungen. Die kontrollierte Dosierung der Gase (bei flüssigen Tracern erfolgt zunächst eine Verdampfung) wird durch elektronische Flussregler gewährleistet.
Die Tracer werden durch einen Nd:YAG-Laser bei 266 nm angeregt und ihre Fluoreszenzspektren mit einer Kombination aus Spektrometer und intensivierter CCD-Kamera (in Abbildung 2 rechts) aufgenommen.

In Abbildung 3 sind Ergebnisse solcher Messungen dargestellt. Im linken Teilbild erkennt man die Druckabhängigkeit der Fluoreszenzintensität von 3-Pentanon, wenn sich dieser Tracer in einer Umgebung aus Stickstoff (grüne Punkte), Luft (hellblaue Punkte) bzw. Sauerstoff (dunkelblaue Punkte) befindet. Das rechte Teilbild zeigt das Verhalten der gemessenen LIF-Intensität von Toluol in Luft (eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff). Man erkennt die starke Abnahme der Fluoreszenzintensität dieses Tracers mit zunehmendem Luftdruck. Dafür wird der damit steigende Sauerstoff-Partialdruck verantwortlich gemacht.

Literatur:

[1] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Oxygen quenching of toluene fluorescence at elevated temperatures," Appl. Phys. B 80, 777-784 (2005).
[2] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Absorption and Fluorescence of Toluene Vapor at Elevated Temperatures," Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 2940-2945 (2004).
[3] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone under engine-related temperature and pressure conditions," Proc. Combust. Inst. 30, 1545-1553 (2005).