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May 29, 2023

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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12472 (2023) Citare questo articolo

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Una tecnica di misurazione della spettroscopia Raman spontanea ad alta frequenza (1,5 kHz) è stata sviluppata e applicata per misurare le fluttuazioni esterne generate nella concentrazione locale di una miscela di gas binaria isotermica di metano e aria. L'eccitazione Raman è fornita da un laser ad alta frequenza a 527 nm in modalità a doppio impulso. Il segnale Stokes Raman viene raccolto utilizzando una telecamera EMCCD accoppiata ad un intensificatore ad alta frequenza come otturatore. Il segnale emesso viene raccolto nell'intervallo di lunghezze d'onda 596–627 nm, che consente il tracciamento simultaneo dei segnali in modalità Q-branch di metano e azoto. Inizialmente vengono ottenute curve di calibrazione per ciascuna specie (\({\text{CH}}_{4}\) e \({\mathrm{N}}_{2}\)) in base alle concentrazioni allo stato stazionario, e successivamente corretto durante l'uso per rilevare fluttuazioni locali instabili della miscela a frequenze di pulsazione del gas fino a 250 Hz. La novità principale è la dimostrazione della spettroscopia Raman per la misurazione multispecie simultanea di concentrazioni instabili di miscele di metano in fase gassosa e aria utilizzando un raggio laser ad alta frequenza di ripetizione, bassa energia per impulso, combinato con un intensificatore ad alta frequenza e un singola telecamera.

La misurazione in situ delle concentrazioni locali instabili di specie nei gas è un'esigenza comune in vari problemi nei flussi reattivi e non reattivi, ad esempio per determinare la reattività catalitica1, per fornire dati per modelli di miscelazione delle specie2 o per studiare instabilità termoacustiche3,4 . Tuttavia, sono disponibili poche opzioni per le misurazioni ad alta frequenza (kHz). La spettroscopia di assorbimento laser a diodi accordabili (TDLAS)4,5,6,7,8,9,10,11 è stata utilizzata per misurazioni della linea di vista ad alta frequenza. La fluorescenza può essere utilizzata per misurazioni locali rapide, se le specie hanno transizioni accessibili con sufficiente intensità di linea, come nel caso di NO, OH e specie specifiche a cui è possibile accedere con onda continua12 o laser pulsati ad alta frequenza13. Gli sviluppi nei laser in modalità burst ad alta frequenza hanno consentito la spettroscopia Raman a scatto singolo e multispecie delle specie14,15,16,17, misurazioni a scatto singolo delle specie utilizzando la spettroscopia a reticolo18, nonché misurazioni Raman Coherent Anti-Stokes (CARS) delle specie19 . Tuttavia, questi esperimenti richiedono strutture altamente specializzate con una configurazione molto complessa e costosa. Inoltre, i laser a raffica di impulsi si limitano a fornire impulsi ad alta frequenza di ripetizione solo per un breve periodo di tempo, seguito da un lungo periodo di raffreddamento. Le misurazioni di Rayleigh e della dispersione filtrata di Rayleigh sono misurazioni di massa e quindi non specifiche per specie. Inoltre, la diffusione di Rayleigh (ma la diffusione di Rayleigh meno filtrata) è meno adatta per i sistemi in ambienti chiusi, dove la luce diffusa alla stessa lunghezza d'onda della pompa verrebbe raccolta (ad esempio da pareti, particelle, ecc.) e sarebbe difficile da filtrare in qualsiasi modo sensato. Pertanto, per qualsiasi applicazione in cui l'identificazione della specie è fondamentale, o per esperimenti in ambienti recintati, tali misurazioni sono molto meno appropriate e devono essere combinate con lo scattering Raman20.

Le misurazioni spontanee dello scattering Raman21,22,23 si basano sullo spostamento di frequenza del fotone emesso rispetto a quello incidente, in quanto correlato ai modi rovibrazionali delle specie sondate24,25. In particolare, lo spostamento Raman \(\Delta \tilde{\nu }\) è riportato in numeri d'onda (unità di cm\(^{-1}\)) ed è calcolato utilizzando \(\Delta \tilde{\nu } = \left( 1/\lambda _{p} - 1/\lambda _{S} \right) \times 10^7\), dove \(\lambda _{p}\) è la pompa (o eccitazione) lunghezza d'onda e \(\lambda _{S}\) è la lunghezza d'onda spettrale (o emessa) in nm. I laser pulsati ad alta velocità non sono stati spesso presi in considerazione per le misurazioni di spettroscopia Raman ad alta frequenza nei gas poiché le sezioni trasversali ottiche Raman sono basse e le potenze laser dei tipici laser pulsati sono insufficienti. Per superare le basse energie laser, i segnali Raman possono essere amplificati utilizzando tecniche di cavità multi-passo, tuttavia ciò limita la risoluzione temporale26. I recenti progressi tecnologici hanno introdotto laser ad alta frequenza che forniscono maggiori energie per impulso e un'adeguata risoluzione temporale1,27,28,29. Tuttavia, esiste un compromesso tra la velocità di ripetizione (ovvero la risoluzione in frequenza della misurazione) e l'energia erogata per impulso. Ciò si traduce in un compromesso tra il rapporto segnale-rumore e la risoluzione temporale che può essere ottenuta con il sistema. In questo lavoro, viene sviluppato un sistema di spettroscopia Raman spontanea ad alta frequenza (1,5 kHz), a bassa energia e senza burst allo scopo di misurare e caratterizzare le concentrazioni di specie locali di una miscela di gas binaria isotermica non reattiva (metano-aria) .