Стаття присвячена розвитку методів дослідження динаміки високотемпературного горіння на прикладі нанопорошку алюмінію. Складність в дослідженні горіння нанопорошків полягає у високій температурі і інтенсивності світіння в процесі горіння, що робить практично неможливим візуальне спостереження. В роботі розглянуті різні апаратно-програмні комплекси із застосуванням лазерного випромінювання для дослідження процесів горіння нанопорошків металів. Особливу увагу приділено прімененіюлазерного монітора на основі активного середовища на парах броміду міді для дослідження процесу горіння різних порошків і сумішей. лазерний монітор поєднує в собі функції вузькосмугового лазерного освітлювача і підсилювача яскравості, тим самим здійснює візуалізацію на вузькій довжині хвилі посилення. З його допомогою можливе спостереження зміни поверхні палаючого зразка з високим тимчасовим і просторовим дозволом.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Лі Лін, Губарєв Федір Олександрович, Мостовщиков Андрій Володимирович, Ільїн Олександр Петрович


LASER SYSTEM FOR STUDYING THE DYNAMICS OF HIGH TEMPERATURE COMBUSTION

The paper is devoted to development of methods for studying the dynamics of high-temperature combustion of aluminum nanopowder.The difficulty in studying the combustion of nanopowders is the high temperature and intensity of light emissionduring the combustion process, which makes the visual observation virtually impossible. The paper discusses various schemes using laser radiation to study the combustion processes of metal nanopowders.Particular mentions the use of the laser monitor based on an active medium on copper bromide vapor to study the combustion process of various powders and mixtures.The laser monitor combines the functions of the narrow-band laser illuminator and the brightness amplifier, thereby achieving the visualization at a narrow gain wavelength. Therefore, the laser monitor can be used to observe the changes in the surface of a burning sample with high temporal and spatial resolution.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Інтерекспо Гео-Сибір

    Наукова стаття на тему 'ЛАЗЕРНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГОРІННЯ'

    Текст наукової роботи на тему «ЛАЗЕРНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГОРІННЯ»

    ?УДК 621.373.826

    DOI: 10.33764 / 2618-981Х-2019-4-2-154-162

    ЛАЗЕРНИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ГОРІННЯ

    Лінь Лі

    Томський політехнічний університет, 634050, Росія, Томськ, пр. Леніна, 30, аспірант, тел. (923) 859-72-98, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Федір Олександрович Губарєв

    Томський політехнічний університет, 634050, Росія, Томськ, пр. Леніна, 30, кандидат фізико-математичних наук, доцент, тел. (913) 880-80-05, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Андрій Володимирович Мостовщиков

    Томський політехнічний університет, 634050, Росія, Томськ, пр. Леніна, 30, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, тел. (906) 956-88-47, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Олександр Петрович Ільїн

    Томський політехнічний університет, 634050, Росія, Томськ, пр. Леніна, 30, доктор хімічних наук, професор, тел. (913) 858-22-62, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Стаття присвячена розвитку методів дослідження динаміки високотемпературного горіння на прикладі нанопорошку алюмінію. Складність в дослідженні горіння нанопили-Рошка полягає у високій температурі і інтенсивності світіння в процесі горіння, що робить практично неможливим візуальне спостереження. В роботі розглянуті різні апаратно-програмні комплекси із застосуванням лазерного випромінювання для дослідження процесів горіння нанопорошків металів. Особливу увагу приділено застосований-ніюлазерного монітора на основі активного середовища на парах броміду міді для дослідження процесу горіння різних порошків і сумішей. Лазерний монітор поєднує в собі функції вузькосмугового лазерного освітлювача і підсилювача яскравості, тим самим здійснює візуалізацію на вузькій довжині хвилі посилення. З його допомогою можливе спостереження зміни поверхні палаючого зразка з високим тимчасовим і просторовим дозволом.

    Ключові слова: лазер на парах броміду міді, лазерний монітор, нанопорошок алюмінію, високотемпературний синтез.

    LASER SYSTEM FOR STUDYING THE DYNAMICS OF HIGH TEMPERATURE COMBUSTION

    Lin Li

    Tomsk Polytechnic University, 30, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D. Student, phone: (913) 859-72-98, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Fedor A. Gubarev

    Tomsk Polytechnic University, 30, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D., Associate Professor, phone: (913) 880-80-05, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Andrei V. Mostovshchikov

    Tomsk Polytechnic University, 30, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (906) 956-88-47, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Alexander P. Ilyin

    Tomsk Polytechnic University, 30, Prospect Lenina St., Tomsk, 634050, Russia, D. Sc., Professor, phone: (913) 858-22-62, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    The paper is devoted to development of methods for studying the dynamics of high-temperature combustion of aluminum nanopowder.The difficulty in studying the combustion of nanopowders is the high temperature and intensity of light emissionduring the combustion process, which makes the visual observation virtually impossible. The paper discusses various schemes using laser radiation to study the combustion processes of metal nanopowders.Particular mentions the use of the laser monitor based on an active medium on copper bromide vapor to study the combustion process of various powders and mixtures.The laser monitor combines the functions of the narrow-band laser illuminator and the brightness amplifier, thereby achieving the visualization at a narrow gain wavelength. Therefore, the laser monitor can be used to observe the changes in the surface of a burning sample with high temporal and spatial resolution.

    Key words: copper bromide laser, laser monitor, aluminium nanopowder, self-propagating high-temperature synthesis.

    Вступ

    Алюміній є одним з найпоширеніших металів в земній корі, і містить велику потенційну енергію. Тому нано- та мікропорошки алюмінію, а також суміші нано- та крупнодисперсних порошків алюмінію часто використовуються в якості добавок при виробництві палива [1-6] .Крім того, заміна нанопорошків на мікронні порошки знижує собівартість керамічних порошків - продуктів згоряння сумішей порошків металів. Температура в процесі горіння нанопорошків металів досягає 2500 ° С і є джерелом інтенсивної фонової засвітки. Через інтенсивної фонової засвітки в процесі горіння, безпосереднє візуальне спостереження поверхні зразка істотно ускладнено. Застосування фільтрів дозволяє частково придушити засвічення при реєстрації швидкісний відеокамерою. Проте, питання розробки відповідного для спостереження процесу горіння обладнання залишається актуальним.

    Лазер як джерело монохроматичноговипромінювання має вузьку смугу генерації і посилення [7]. Використання активних оптичних систем з посиленням яскравості на основі активних середовищ на парах металів (лазерних моніторів) в системах неруйнівного контролю дозволяє ефективно придушити інтенсивну фонове засвічення і досліджувати характеристики високотемпературних процесів [8-14]. В роботі [10], лазерний монітор застосовувався для спостереження вугільної дуги з температурою вище 3000 ° С. В роботі [11], автори успішно сфотографували електроди капілярного розряду, температура плазми в якому перевищувала 8000 ° С. Крім цих робіт, лазерний монітор має інші потенційні застосування. Авторами роботи [12] теоретично показано, що характеристики активного середовища на парах міді або броміду міді дозволяють здійснювати спостереження крізь плазму з температурою до 40000 градусів.

    Методи і матеріали

    На рис. 1 представлена ​​схема для дослідження високотемпературного горіння з використанням лазерного монітора. На додаток до традиційної схеми лазерного монітора [12-14], запропонована схема включала лазер для ініціювання горіння і швидкодіючі фотодіоди для реєстрації середньої яскравості посиленого відбитого світла від поверхні об'єкта, а також момент початку ініціювання. Зображення в даній схемі формувалося об'єктивом з фокусною відстанню 8 см. В якості підсилювача яскравості застосовувався активний елемент на парах броміду міді з внутрішнім діаметром 2.5 см і довжиною активної області 50 см. Застосовувалася конструкція активного елементу з незалежним нагріванням активної області газорозрядної трубки і контейнерів з робочим речовиною [15] і тиратронах схема накачки.

    Мал. 1. Схема лазерного монітора:

    1 - лазер для ініціювання; 2 - затвор; 3, 10 -светоделітельние пластини;

    4, 12 - лінзи; 5 - об'єкт спостереження; 6 - підкладка; 7, 17 - об'єктиви; 8 - підсилювач яскравості; 9, 14 - фотодіоди; 11, 16 - нейтральні фільтри; 13 - дифузор;

    15 - осцилограф; 18 - вузькосмуговий фільтр; 19 - швидкісна камера; 20 - ПК

    Запис зображень здійснювалася за допомогою швидкісної камери PhotronFastcam SA1. Оглядовий вид процесу у власному світі записувався USB-камерою ELP-USBFHD01M-MFV. Використовувався швидкодіючий фотодиод Thorlabs DET10A / M з часом наростання 1 нс і осцилограф АКИП-4122/10 з часом сканування до 2 с / справ для реєстрації середньої яскравості посиленого відбитого випромінювання.

    Ініціювання процесу горіння нанопорошку алюмінію здійснювалося безперервним випромінюванням твердотільного 532 нм лазера і контролювалося затворомThorlabs SHB1. Лазерний промінь із середньою вихідною потужністю 200 мВт фокусувався на зразку в області, контрольованій лазерним монітором, або збоку зразка.

    У роботі досліджувався нанопорошок алюмінію з розподілом часток за розміром близьким до логарифмическому з максимумом 80 нм. розподіл

    частинок за розмірами вимірювалося аналізатором ЗИшаё2і 8АЬБ-7101 в ізопрен-панольной середовищі (99,99%). Зміст металевих домішок в нанопорош-ке не перевищувало 0,2 мас. %. Порошок у вигляді зразка прямокутної витягнутої форми містився на алюмінієву підкладку товщиною 4 мм. Зразки готувалися з використанням прес-форми і мали приблизно однакові розміри 20 * 7 * 3 мм для забезпечення зручного для вимірів часу горіння.

    Горіння нанопорошку алюмінію протікає при високій температурі, а у випадках із сумішами нанопорошку алюмінію з іншими порошками горіння може супроводжуватися розльотом продуктів згоряння. Це може привести до псування об'єктива, розташованого в безпосередній близькості від об'єкту дослідження. Щоб підвищити практичність і надійність апаратури лазерного моніторингу, запропонована схема віддаленого спостереження, яка представлена ​​на рис. 2. Схема дозволила спостерігати процес горіння нанопорошків металів на відстані 0,5 м.

    Мал. 2. Експериментальна схема:

    1 - лазер для ініціювання; 2 - затвор; 3, 9, 16 - лінзи; 4 - нанопорошок алюмінію; 5, 17 - фотодіоди; 6,11 - нейтральні фільтри; 7 - USB камера;

    8 - вогнутоедліннофокусное дзеркало; 12 - об'єктив; 10 - підсилювач яскравості;

    13 -узкополосний фільтр; 14 - швидкісна камера; 15 - ПК; 18 - осцилограф

    Когерентні оптичні методи дослідження, такі як лазерна спекл-интерферометрия, знаходять застосування в матеріалознавстві і медицині для дослідження деформацій, механічних напруг, вивчення біологічних тканин і рідин [16-18]. Для дослідження можливості застосування методу кореляції цифрових спекл-зображень для дослідження процесу горіння порошків була реалізована схема, що комбінує спекл-візуалізацію і реєстрацію середньої яскравості посилених зображень поверхні зразка. На рис. 3 представлена ​​схемавізуалізаціі, яка включає в себе три різних методи візуалізації, що доповнюють один одного: реєстрацію у власному світі USB камерою, швидкісну лазерну спекл-візуалізацію і реєстрацію середньої яскравості зображень швидкодіючими фотодіодами.

    Мал. 3. Експериментальна схема:

    1 - нанопорошок алюмінію; 2, 5 - лінзи; 3 - підсилювач яскравості; 4, 9 - нейтральні фільтри; 6 - дифузор; 7, 8 - фотодіоди; 10 - USB камера; 11 - оптичний затвор; 12-лазер підсвічування; 13-фільтр 532 нм; 14 - швидкісна камера; 15, 16 - ПК; 17 - осцилограф

    результати

    Зображення зразків нанопорошків алюмінію у власність світлі в процесі горіння в повітрі представленина рис. 4. На відеоряді, отриманому шляхом швидкісний відеозапису, показаниместо ініціірованіялазерним випромінюванням, виникнення низькотемпературного та високотемпературного стадій горіння, поширення горіння за зразком.

    Мал. 4. Швидкісна візуалізація горіння нанопорошку алюмінію у власному світі при лазерному ініціюванні

    Отримані зображення поверхні зразків нанопорошку алюмінію в місці спостереження за схемами на малюнках 1 і 2 представлені на рис. 5. Ре-зультатипоказалі можливість спостереження зміни поверхні зразка

    з роздільною здатністю близько 5 мкм при використанні схеми на рис. 1 і 25 мкм при використанні схеми на рис. 2, що дозволяє досліджувати поширення фронту горіння з різною деталізацією. Питання застосування тієї чи іншої схеми залежить від цілей експерименту. При використанні традиційної схеми можливо детально спостерігати процес ініціювання та поширення низькотемпературної хвилі горіння в першу секунду процесу. Схема віддаленого спостереження дозволяє досліджувати поширення високотемпературної хвилі горіння і усадку порошку.

    ,) ...., Л; МЬ -:>/ Ф. '|' • I- ~ ... - нт | | 1 г "» (ИРНК 16-ш * '• | * |'. А: Г • | | У '' - -V той,; - | Ж - V |,. *? 4 "* о.5< | .А "

    Ь) тт. А тч | * 3.68 51 4.54 5 ич

    Мал. 5. Швидкісна візуалізація горіння нанопорошку алюмінію при лазерному ініціюванні при використанні традиційної схеми лазерного монітора (а) і схеми з віддаленим наглядом (Ь)

    Застосування швидкодіючого фотодіода для вимірювання середньої інтенсивності сигналу підсилювача яскравості дає можливість кількісно оцінити зміна відображення поверхні палаючого зразка. На рис. 6 показані зміна інтенсивності відбитого світла від об'єкта в процесі горіння на-нопорошка алюмініяі сигнал ініціювання. На кривій можна виділити основні стадії горіння: ініціювання, низькотемпературну і високотемпературні стадії, а також охолодження зразка.

    На рис. 7 показані типові спекл-зображення поверхні нанопорошків до, в процесі горіння і після закінчення горіння. Обробка записаних спекл-зображень проводилась з метою обчислення коефіцієнта кореляції спекл-зображень у часі. На рис. 8 представлена ​​крива коефіцієнта кореляція для одного із зразків, на якій чітко розрізняються два тимчасові інтервали - фаза 1 і фаза 2. Зіставивши ці значення з результатами спостереження із застосуванням лазерного монітора, можна зробити висновок про їх відповідність низькотемпературного та високотемпературного стадіях горіння, а також оцінити динаміку горіння. Чим менше значення коефіцієнта кореляції, тим вище швидкість протікання процесу. Коефіцієнт кореляції, що дорівнює 1, відповідає відсутності змін поверхні в області спостереження, в яку направлений лазер підсвічування.

    Мал. 6. Осцилограми сигналів фотодіодів, зареєстровані в схемі на рис. 1:

    1 - усіленноеотраженноеізлученіе; 2 - випромінювання ініціювання

    Мал. 7. Спекл-зображення, отримані з використанням схеми на рис. 3 з нанопорошків алюмінію в якості об'єкта дослідження

    1>- | -1-I-I- | -I-I-1 | -1- | -1- | -1- |

    01 2345678

    Час (с)

    Мал. 8. Залежність коефіцієнта кореляція від часу в процесі горіння

    висновок

    Оптичні методи дослідження процесу горіння є ефек-нимінструментом для вивчення нанопорошків металів. Використовуючи представлені в роботі схеми, можливо успішно спостерігати процес горіння нанопорошків з різним дозволом, незважаючи на інтенсивну фонове засвічення, яке супроводжувало горіння. При цьому, іспользованіефотодіодов для реєстрації посиленого відбитого від поверхні зразка випромінювання дозволяє ефективно і просто визначати временниехарактерістікі процесу горіння.

    Продемонстровано можливість використання методу кореляції цифрових спекл-зображень для дослідження поверхні нанопорошків алюмінію в процесі горіння. Показана можливість застосування даного методу для визначення тимчасових характеристик процесу.

    Робота виконана за підтримки Міністерства науки і вищої освіти Російської Федерації, проект № 11.1928.2017 / 4.6.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. GromovA. A., Teipel U. Metal Nanopowders: Production, Characterization, and Energetic Applications. - М.: Weinheim: Wiley-VCH; 2014.

    2. Sundaram D. S., Yang V., Zarko E. Combustion of nano aluminum particles (Review) // Combust. Explo. Shock, - 2015. - V. 51.- P. 173-196.

    3. Sundaram D. S., Puri P., Yang V. A general theory of ignition and combustion of nano-and micron-sized aluminum particles // Combust. Flame. - 2016. - V. 169. - P. 94-109.

    4. Сичов. Е., Мержанов А. Г., високотемпературний синтез наноматеріалів // Успіхи хімії - 2004. - Т. 73. - № 2. - С. 157-170.

    5. Kharatyan S. L., Merzhanov A. G. Coupled SHS Reactions as a useful tool for synthesis of materials: An overview // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. - 2012. - Т. 21, № 1. С. 59-73.

    6. Il'in A. P, Mostovshchikov A. V., Root L. O. Growth of aluminum nitride single crystals under thermal explosion conditions // Tech. Phys. Lett. - 2011. - Т. 37. № 10. С. 965-966.

    7. Євтушенко Г.С. Шиянов Д.В., Губарєв Ф.А. Лазери на парах металів з високими частотами проходження імпульсів. 2-е видання. - Томськ: Изд-во Томського політехнічного університету, 2012. - 276 с.

    8. Batenin V. M., Klimovskii I. I., Selezneva L. A. Research of surfaces of electrodes of a carbon arc during its burning // Doklady Akademii Nauk, - 1988. - Т. 303. № 4. С. 857- 860.

    9. Abramov D. V., Arakelian S. M., Galkin A. F., Klimovskii I. I., Kucherik A. O., Prokoshev V. G. On the possibility of studying the temporal evolution of a surface relief directly during exposure to high-power radiation // Quantum Electron. - 2006. - Т. 36, № 6. - С. 569-575.

    10. Buzhinsky R. O., Savransky V. V., Zemskov K. I., Isaev A. A., Buzhinsky O. I. Observation of objects under intense plasma background illumination // Plasma Phys. Rep. - 2010. - Т. 36. № 13. - С. 1269-1271.

    11. Kuznetsov A.P., Gubskii K.L., Savjolov A.S., Sarantsev S.A., Terekhin A.N., Buzhinskij R.O. Visualization of plasma-induced processes by a projection system with a Cu-laser-based brightness amplifier // Plasma Physics Reports. - 2010. Т. 36. № 5. С. 428-437.

    12. Evtushenko G.S., Trigub M.V., Gubarev F.A., Evtushenko T.G., Torgaev S.N., Shiyanov D.V. Laser monitor for non-destructive testing of materials and processes shielded by intensive background lighting // Rev. Sci. Instrum.- 2014. - V. 85. - P. 033111-1-033111-5.

    13. Li L., Mostovshchikov A. V., Il'in A. P., Gubarev F. A. Monitoring of aluminum nanopowder combustion ignited by laser radiation // Prog. Electromagn. Res. Lett. - 2018. -V. 75. - P. 125-130.

    14. Li L., Ilyin A.P., Gubarev F.A., Mostovshchikov A.V., Klenovski i M.S. Study of self-propagating high-temperature synthesis of aluminium nitride using a laser monitor // Ceram. Int. -2018. - V. 44. - N 16. - P. 19800-19808.

    15. Андрієнко О.С., Губарєв Ф.А., Дімак В.А., Іванов А.І., Левицький М.Є., Суханов В.Б., Троїцький В.О., Федоров В.Ф., Філонов А.Г., Шиянов Д.В. Лазери на парах броміду міді нового покоління // Оптика атмосфери і океану. - 2009. - Т. 22. - № 10. -С. 999-1009.

    16. Hild F., Roux S. Digital image correlation: From displacement measurement to identification of elastic properties - a review // Strain. - 2006. - V. 42. - P. 69-80.

    17. Tuchin V. V. Coherent optical techniques for the analysis of tissue structure and dynamics // J. Biomed. Opt. - 1999. - V. 4. - C. 106-124.

    18. Лі Л., Ситник Ю.Д., Губарєв Ф.А., Пеккер Я.С.Оценка згортання крові по кореляційним характеристикам лазерних спекл-зображень // Медична техніка. -2018. - № 3. - С. 23-25.

    © Л. Лі, Ф. А. Губарєв, А. В. Мостовщиков, А. П. Ільїн, 2019


    Ключові слова: ЛАЗЕР НА ПАРАХ бромід МЕДИ / ЛАЗЕРНИЙ МОНІТОР / нанопорошок АЛЮМІНІЮ / Високотемпературного синтезу / COPPER BROMIDE LASER / LASER MONITOR / ALUMINIUM NANOPOWDER / SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити