In - situ ταχεία και μη - διαταρακτική διαγνωστική διαδικασιών καύσης και των προϊόντων με φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενου από λέϊζερ (LIBS)

Abstract

Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) has attracted a lot of scientificinterest during the last two decades as it is generally considered to be an experimentallysimple and efficient laser-based technique which can perform real-time, qualitative andquantitative elemental analysis. The basic idea of LIBS is the creation of spark/plasmathrough tight focusing of a laser beam on the surface or into a sample, the subsequentexcitation and atomization of the species of the sample at the location where the spark isformed and the final detection and spectroscopic analysis of the emitted radiation fromthe decaying plasma. Seeing the numerous advantages holding the technique, LIBS hasbeen proposed for many practical, technical and technological applications in variousscientific areas. On the other hand, in the field of combustion, the proportion of fuel in acombustible mixture is of great importance as it strongly affects the efficiency of thechemical processes and the production of soot emissions. Therefore, there is acontinuously increasing need for the development of a rapid and non-perturbativediagnostic technique for the determination of the fuel content locally in the flamestructure with good spatial and temporal resolution.Ιn the present dissertation, LIBS technique which offers such advantages has beenapplied for combustion diagnostics purposes. During the experiments, laser systems withpulse duration in the scale of ns and fs have been applied as excitation sources, while thecombustible mixtures under investigation were hydrocarbon-air flames, of laminar andturbulent flow with simple and more complicated structures. From the LIBS spectra inflames of different compositions, it was exhibited that there is a strong dependence of theintensities of various spectral lines on the equivalence ratio, which demonstrates that theprecise determination of the amount of fuel can be performed. Also based on thiscorrelation, the determination of the equivalence ratio locally everywhere within theflame can be achieved giving useful information about its structure. Finally, a similardiagnostic technique has been employed. The dielectric breakdown is held using a sparkgenerator and the technique is called electrical Spark Induced Breakdown Spectroscopy(SIBS). The emitted light of the two plasmas induced by optical and electrical excitationwas collected and a comparative study was performed.

Τα τελευταία χρόνια, η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενο από λέιζερ (LIBS)έχει προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς αποτελεί μία πειραματικά απλήκαι αποτελεσματική τεχνική, η οποία παρέχει τη δυνατότητα λήψης μετρήσεων γιααπευθείας ποιοτική και ποσοτική στοιχειακή ανάλυση. Η τεχνική LIBS στηρίζεται στηδημιουργία σπινθήρα/πλάσματος μέσω ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ στηνεπιφάνεια ή στο εσωτερικό του δείγματος, στην ακόλουθη διέγερση και ατομοποίησητων στοιχείων του στόχου και στην τελική καταγραφή και φασματοσκοπική ανάλυση τηςεκπεμπόμενης ακτινοβολίας του πλάσματος. Λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων πουσυγκεντρώνει η τεχνική, το LIBS έχει προταθεί για πληθώρα πρακτικών, τεχνικών καιτεχνολογικών εφαρμογών σε ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών πεδίων. Από την άλλη μεριά,στον τομέα της καύσης, η ποσότητα καυσίμου σε ένα εύφλεκτο μίγμα είναι αντικείμενομείζονος σημασίας καθώς επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των χημικών διεργασιώνκαι την παραγωγή και εκπομπή ρύπων. Επομένως, δημιουργείται η ανάγκη ανάπτυξηςμίας γρήγορης και μη παρεμβατικής διαγνωστικής τεχνικής για τη μέτρηση τηςπεριεκτικότητας του καυσίμου τοπικά στη φλόγα με καλή τόσο χωρική όσο και χρονικήανάλυση.Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, η τεχνική LIBS η οποίασυγκεντρώνει όλα αυτά τα πλεονεκτήματα χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σκοπό. Κατά τηδιάρκεια των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκαν πηγές λέιζερ διάρκειας παλμών ns και fs,ενώ τα συστήματα καύσης που μελετήθηκαν ήταν φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα,στρωτής και τυρβώδους ροής, απλής και συνθετότερης γεωμετρίας. Από τα LIBSφάσματα φλογών διαφορετικής σύστασης, προέκυψε λοιπόν ότι υπάρχει μία ισχυρήεξάρτηση μεταξύ των εντάσεων διαφόρων φασματικών γραμμών με το λόγοισοδυναμίας. Επομένως, μέσω της συσχέτισης αυτής μπορεί να επιτευχθεί με μεγάληακρίβεια τόσο η μέτρηση της περιεκτικότητα σε καύσιμο φλογών άγνωστης σύστασηςόπως επίσης και η μέτρηση της κατανομής του καυσίμου τοπικά μέσα σε όλη την έκτασητης φλόγας παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για την δομή της. Τέλος, εφαρμόστηκεμία παραπλήσια διαγνωστική τεχνική, κατά την οποία η διηλεκτρική κατάρρευση τουμέσου ήταν αποτέλεσμα ενός ηλεκτρικού σπινθήρα: electrical Spark Induced BreakdownSpectroscopy (SIBS) όπου και πραγματοποιήθηκε η συγκριτική μελέτη της ακτινοβολίαςτου πλάσματος επαγόμενο μέσω οπτικής και ηλεκτρικής διέγερσης.