Entwicklung der Zwei-Linien-Atomfluoreszenz zur 2D-Temperaturmessung bei der Flammensynthese von Nanopartikeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Flammensynthese von Nanopartikeln hat das Temperatur-Verweilzeit-Verhalten der Partikel in der Flamme wesentlichen Einfluss auf die resultierende Partikelgröße, -struktur und -morphologie. Durch den turbulenten Charakter der meisten technisch relevanten Syntheseprozesse in Flammen wird eine berührungslose Messtechnik mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zur Verbesserung des Prozessverständnisses dringend benötigt. Bisherige Messtechniken eignen sich dabei nur bedingt für Messungen in den stark partikelbeladenen Umgebungen bei der Partikelsynthese. Im Rahmen dieses Projektes wurde das Verfahren der Zwei-Linien-Atom-Fluoreszenz (Two-Line-Atomic-Fluorescence, TLAF) zur Temperaturbestimmung bei der Flammensynthese von Indium(III)-oxid Nanopartikeln weiterentwickelt. Zur Anregung der Fluoreszenzsignale wurden Optisch-Parametrische-Oszillatoren (OPOs) entwickelt, welche sich durch eine besonders schmalbandige Emission auch ohne externes Seeding durch Dauerstrichlaser auszeichnen. Zur Kalibrierung der gepulsten TLAF-Technik wurde ein für Aerosolzuführung geeigneter laminarer Brenner mit einer Matrix in Form einer hexagonal dichtesten Kugelpackung entwickelt, welcher auch über lange Betriebsdauern nicht durch Präkursorablagerungen verstopft oder durch Kondensation an gekühlten Brennerwänden zeitlich inhomogen brennt. Ein modularer und flexibel einsetzbarer Aufbau für kalibrierfreie TLAF-Messungen mit durchstimmbaren Dauerstrichlasern wurde an den Kalibrierbrenner adaptiert. Messungen wurden in verschiedenen Höhen über der Brenneroberfläche und für verschiedene Brennstoff- Luft-Verhältnisse durchgeführt. Für punktuelle Messungen wurde das Signal mittels Photomultipliern aufgezeichnet, wobei sehr niedrige Standardabweichungen der Temperatur von im Mittel 34 K erzielt werden konnten. Durch Aufweiten der Laser zu Lichtschnitten konnten 2-dimensionale kalibrierfreie TLAF-Messungen mit Hilfe einer ICCD-Kamera durchgeführt werden. Schließlich konnten Temperaturfelder in einem turbulenten Diffusionsbrenner zur Sprühflammensynthese von Indium-Oxid-Partikeln erfolgreich mittels gepulstem TLAF bestimmt werden. Durch simultane Messung im Kalibrierbrenner mit einem gemeinsamen Aufbau konnten beispielsweise Effekte von Pulsenergieschwankungen der OPOs und Änderungen im Strahlprofil direkt mit in die Auswertung einbezogen werden. Wenngleich sich der experimentelle Ansatz als komplex und aufwändig erwiesen hat, konnte das zentrale Ziel einer 2-dimensionalen Temperaturmessung bei Flammenprozessen zur Synthese von Nanopartikeln erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Versatile tunable narrowband laser source for optical temperature measurements in combustion processes, 37th International Symposium on Combustion, Dublin, Irland, 29.07.2018 – 03.08.2018
M. Labus, B. Münsterjohann, F.J.T. Huber, S. Will
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Development of a tunable solid state laser for temperature measurement in combustion processes, International Conference on Advanced Optical Technologies, Erlangen, Deutschland, 13.03.2019 – 15.03.2019
M. Labus, F.J.T. Huber, S. Will
