使用KURO高性能sCMOS相機(jī)進(jìn)行燃燒氣體的高光譜和多維CARS測(cè)量

愛(ài)丁堡大學(xué)的Brian Peterson博士的實(shí)驗(yàn)室利用光譜和基于激光的分析方法進(jìn)行燃燒氣體的流體動(dòng)力學(xué)和熱傳遞方面的研究。

對(duì)于類(lèi)似汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的燃燒室，溫度在300-400開(kāi)爾文的“低溫”氣缸壁(冷壁)和溫度達(dá)到幾千開(kāi)爾文的燃燒氣體之間形成了陡峭的溫度梯度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的趨勢(shì)也愈加明顯。這就帶來(lái)了新的問(wèn)題：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)變小，氣缸表面與燃燒氣體的相互作用和熱流顯著增加，導(dǎo)致燃燒效率降低以及燃料無(wú)法完全燃燒，產(chǎn)生更多大氣污染。

David Escofet-Martin博士是該小組的研究助理，他致力于利用相干反斯托克斯拉曼光譜(coherent anti-Stokes Raman spectroscopy, CARS)實(shí)驗(yàn)對(duì)這些熱流過(guò)程進(jìn)行定量測(cè)量和研究。

對(duì)于燃燒過(guò)程的研究人員來(lái)說(shuō)，CARS測(cè)量是極為有力的一種工具，因?yàn)槠涔庾V數(shù)據(jù)中包含了包括溫度、壓力、燃燒和未燃燒燃料的數(shù)量以及不同分子數(shù)量比(例如氮和氧的摩爾比)等信息。如果在一次測(cè)量中就能對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)燃燒區(qū)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的理解就會(huì)更加全面。

圖1：CARS測(cè)量示意圖

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Peterson博士實(shí)驗(yàn)室的CARS測(cè)量裝置使用鈦-藍(lán)寶石激光器產(chǎn)生的800納米、35飛秒的泵浦光束和釔鋁石榴石晶體激光器產(chǎn)生的20皮秒的探測(cè)光束，其中每個(gè)探測(cè)光束的時(shí)間延遲可以調(diào)整。泵浦和探測(cè)光束通過(guò)柱面透鏡，在實(shí)驗(yàn)腔中產(chǎn)生重疊光片，因此沿著光片交叉線的所有點(diǎn)都可以被同時(shí)探測(cè)到。

探測(cè)光片朝向光譜儀的入口狹縫，并沿狹縫軸做物理分離。在色散之后，每個(gè)信號(hào)的光譜圖像都會(huì)在相機(jī)上進(jìn)行探測(cè)。在探測(cè)到的圖像中，研究人員可以獲得光譜信息(x軸)、空間信息(y軸)以及時(shí)間信息(傳感器頂部和底部區(qū)域的兩個(gè)光譜圖像，通過(guò)調(diào)整探測(cè)光束的時(shí)間延遲產(chǎn)生)。

圖2：?jiǎn)螐垳y(cè)試用火焰-腔壁光譜圖

挑戰(zhàn)

CARS測(cè)量雖好，但挑戰(zhàn)也不小。

首先，用于CARS測(cè)量的探測(cè)器必須足夠大，不僅要覆蓋實(shí)驗(yàn)的光譜帶寬，還要覆蓋垂直軸上的空間信息。然后，對(duì)于Peterson實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，相機(jī)還必須具有足夠快的讀取速度、幀速才可以滿足需求，因?yàn)槠銫ARS實(shí)驗(yàn)通常使用50幀/秒或更高的幀速工作。

另一個(gè)讓問(wèn)題變得復(fù)雜的地方與信號(hào)強(qiáng)度的劇烈變化有關(guān)。由于溫度梯度的存在，旋轉(zhuǎn)CARS信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍橫跨幾個(gè)數(shù)量級(jí)。雖然EMCCD相機(jī)具有足夠的幀速，但當(dāng)通過(guò)調(diào)整電子增益提高微弱信號(hào)的信噪比時(shí)，相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)顯著減小。

客戶說(shuō)

Brian Peterson博士：“相比于使用EMCCD，我們使用KURO后更好地完成了對(duì)于燃燒氣體的高靈敏度、多維CARS測(cè)量。探測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍顯著增加，幀速也滿足需求?！?/p>

解決方案

為了克服這些挑戰(zhàn)，Peterson實(shí)驗(yàn)室使用了普林斯頓儀器的全套解決方案。他們將KURO 1200B背照式sCMOS相機(jī)安裝在焦距為750mm的普林斯頓儀器SP2750光譜儀上。KURO 1200B的CMOS傳感器具有1200×1200個(gè)像素，靶面大小滿足多維測(cè)量所需的光譜和空間范圍。

KURO具有大于95%的量子效率(QE)，與EMCCD類(lèi)似。同時(shí)其讀出噪聲較低，非常適合檢測(cè)微弱的信號(hào)。但在動(dòng)態(tài)范圍方面與KURO相比于EMCCD則具有更大的優(yōu)勢(shì)。在16位位深下，KURO的全幅讀出速度高達(dá)41幀/秒(不使用全幅模式時(shí)更高)。

圖3：KURO相機(jī)產(chǎn)品圖

總的來(lái)說(shuō)，與Peterson實(shí)驗(yàn)室以前的EMCCD相比，使用KURO相機(jī)顯著提高了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍，使得多維CARS測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了顯著提升。

審核編輯 黃宇