5.64 Мб 
Лазерно-индуцированное накаливание
Лазерно-индуцированное накаливание, или LII, представляет собой высокочувствительный оптический метод визуализации и количественной диагностики дисперсных частиц, в частности сажевых частиц, в реакционных потоках, системах горения и выбросах двигателей внутреннего сгорания. Метод основан на нагреве частиц интенсивным лазерным излучением до высоких температур с последующей регистрацией их теплового излучения.
Принцип метода LII
При LII-визуализации исследуемый поток частиц пересекается интенсивным лазерным световым листом в заранее заданной области измерения. Такой световой лист позволяет выполнить пространственное «сечение» реакционного или нереакционного потока и получить информацию о распределении частиц в выбранной плоскости.
Частицы, находящиеся внутри лазерного листа, поглощают энергию лазерного излучения и быстро нагреваются до температуры испарения углерода, превышающей 4000 K. В результате нагрева частицы начинают испускать интенсивное тепловое излучение, соответствующее излучению абсолютно черного тела. Это излучение называется сигналом лазерно-индуцированного накаливания.
Регистрация LII-сигнала
Возникающее излучение нагретых частиц регистрируется быстродействующей камерой с коротким временем экспозиции, синхронизированной с лазерным импульсом. Такая синхронизация необходима для точного захвата кратковременного LII-сигнала и исключения нежелательного фонового излучения.
Для обеспечения точных измерений объемной доли сажи применяются спектральная фильтрация и временное стробирование регистрируемого излучения. Оптические фильтры позволяют выделить требуемый диапазон теплового излучения и подавить паразитные оптические сигналы. Временное стробирование обеспечивает регистрацию сигнала в оптимальный момент после лазерного импульса, когда вклад фоновых процессов минимален.
Определение параметров частиц
Метод LII используется не только для визуализации распределения сажевых частиц, но и для количественного определения их характеристик. Одним из основных измеряемых параметров является объемная доля сажи в исследуемой области потока.
Кроме того, при использовании временно-разрешенной регистрации LII-сигнала возможно определение распределений первичных частиц по размерам. Такие данные получают на основе анализа отношения LII-сигналов, зарегистрированных в разные моменты времени после лазерного импульса. Скорость затухания сигнала связана с теплообменом частиц с окружающей средой и, следовательно, зависит от их размера.
Калибровка измерений
Для получения количественных данных необходима калибровка LII-сигнала. Калибровка выполняется с использованием эталонных источников с известной концентрацией частиц либо в сочетании с измерениями методом экстинкции.
Использование эталонных источников позволяет установить связь между интенсивностью регистрируемого LII-сигнала и концентрацией частиц. В случае комбинирования с экстинкционными измерениями дополнительно учитывается ослабление излучения при прохождении через среду, содержащую частицы. Это повышает достоверность определения объемной доли сажи и других параметров дисперсной фазы.
Чувствительность и области применения
Лазерно-индуцированное накаливание обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению со стандартными гравиметрическими методами отбора и анализа частиц. По чувствительности LII превосходит такие методы на несколько порядков, что позволяет регистрировать чрезвычайно низкие уровни выбросов частиц.
Особенно важным является применение LII при исследовании современных автомобильных двигателей, для которых характерны сверхнизкие выбросы твердых частиц. Высокая чувствительность метода дает возможность обнаруживать такие выбросы даже в переходных режимах работы двигателя, когда параметры потока и концентрация частиц быстро изменяются во времени.
Лазерно-индуцированное накаливание является высокочувствительным методом оптической диагностики частиц, основанным на их быстром лазерном нагреве и регистрации последующего теплового излучения. Метод позволяет выполнять пространственно-разрешенную визуализацию распределения сажевых частиц, определять объемную долю сажи и оценивать распределение первичных частиц по размерам.
Благодаря сочетанию лазерного светового листа, быстродействующей регистрации, спектральной фильтрации, временного стробирования и калибровочных процедур LII широко применяется для исследования реакционных потоков, процессов горения и выбросов современных двигателей с ультранизким содержанием частиц.
