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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12472 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Uma técnica de medição por espectroscopia Raman espontânea de alta frequência (1,5 kHz) é desenvolvida e aplicada para medir flutuações externas geradas na concentração local de uma mistura isotérmica de gás binário de metano e ar. A excitação Raman é fornecida por um laser de alta frequência a 527 nm em modo de pulso duplo. O sinal Stokes Raman é coletado usando uma câmera EMCCD acoplada a um intensificador de alta frequência como obturador. O sinal emitido é coletado na faixa de comprimento de onda de 596–627 nm, o que permite o rastreamento simultâneo de sinais de modo de ramificação Q de metano e nitrogênio de Stokes. As curvas de calibração são inicialmente obtidas para cada espécie (\({\text{CH}}_{4}\) e \({\mathrm{N}}_{2}\)) com base nas concentrações de estado estacionário, e posteriormente corrigido durante o uso para detectar flutuações locais de mistura instável em frequências de pulsação de gás de até 250 Hz. A principal novidade é a demonstração da espectroscopia Raman para a medição simultânea multiespécies de concentrações instáveis ​​de metano em fase gasosa e misturas de ar usando um feixe de laser com alta taxa de repetição, baixa energia por pulso, combinado com um intensificador de alta frequência e um única câmera.

A medição in situ de concentrações locais instáveis ​​de espécies em gases é uma necessidade comum em vários problemas em fluxos reagentes e não reagentes - por exemplo, para determinar a reatividade catalítica1, para fornecer dados para modelos de mistura de espécies2 ou para estudar instabilidades termoacústicas3,4 . No entanto, poucas opções estão disponíveis para medições de alta frequência (kHz). Espectroscopia de absorção de laser de diodo ajustável (TDLAS)4,5,6,7,8,9,10,11 tem sido usada para medições de linha de visão de alta frequência. A fluorescência pode ser usada para medições locais rápidas, se as espécies tiverem transições acessíveis com força de linha suficiente, como é o caso de NO, OH e espécies específicas que podem ser acessadas com onda contínua ou lasers pulsados ​​de alta frequência. Os desenvolvimentos em lasers de modo burst de alta frequência permitiram espectroscopia Raman de disparo único e multiespécie de espécies 14,15,16,17, medições de disparo único de espécies usando espectroscopia de grade 18, bem como medições Coherent Anti-Stokes Raman (CARS) de espécies 19 . No entanto, estas experiências requerem instalações altamente especializadas com uma configuração muito complexa e cara. Além disso, os lasers de explosão de pulso estão limitados a fornecer pulsos de alta taxa de repetição apenas por um curto período de tempo, seguido de um longo tempo para esfriar. As medições de dispersão Rayleigh e Rayleigh filtrada são medições em massa e, portanto, não específicas da espécie. Além disso, a dispersão de Rayleigh (mas a dispersão de Rayleigh menos filtrada) é menos adequada para sistemas em invólucros, onde a luz espalhada no mesmo comprimento de onda da bomba seria coletada (por exemplo, de paredes, partículas, etc.), e difícil de filtrar em qualquer maneira sensata. Assim, para quaisquer aplicações onde a identificação da espécie seja fundamental, ou experimentos em recintos fechados, tais medições são muito menos apropriadas e devem ser combinadas com a dispersão Raman .

As medições de espalhamento Raman espontâneo são baseadas na mudança de frequência do fóton emitido em relação ao incidente, no que se refere aos modos rovibracionais das espécies sondadas . Em particular, o deslocamento Raman \(\Delta \tilde{\nu }\) é relatado em números de onda (unidades de cm\(^{-1}\)) e é calculado usando \(\Delta \tilde{\nu } = \left( 1/\lambda _{p} - 1/\lambda _{S} \right) \times 10^7\), onde \(\lambda _{p}\) é a bomba (ou excitação) comprimento de onda e \(\lambda _{S}\) é o comprimento de onda espectral (ou emitido) em nm. Lasers pulsados ​​de alta velocidade não têm sido frequentemente considerados para medições de espectroscopia Raman de alta frequência em gases, uma vez que as seções transversais ópticas Raman são baixas e as potências dos lasers pulsados ​​típicos são insuficientes. Para superar as baixas energias do laser, os sinais Raman podem ser amplificados usando técnicas de cavidade multipassagem, porém isso limita o tempo de resolução . Avanços tecnológicos recentes introduziram lasers de alta frequência que proporcionam aumento de energia por pulso e resolução de tempo adequada1,27,28,29. Contudo, existe um compromisso entre a taxa de repetição (ou seja, a resolução da frequência da medição) e a energia fornecida por impulso. Isto se traduz em um compromisso entre a relação sinal-ruído e a resolução temporal que pode ser obtida com o sistema. Neste trabalho, um sistema de espectroscopia Raman espontânea de alta frequência (1,5 kHz), baixa energia e sem explosão é desenvolvido com o propósito de medir e caracterizar as concentrações locais de espécies de uma mistura de gás binário isotérmico não reativo (metano-ar) .