= ℎ (3.7) Die Energie von Licht ist dadurch quantisiert und ist immer ein Vielfaches von bestimmten Photonenenergien.
Abbildung 3.3: Schema des Potentials der Energiezustände eines Moleküls und des Energieübergangs bei der laserinduzierten Fluoreszenz. Nach [28]. Energiepotential über Kernabstand der Elektronen. Innerhalb der Potentiale der elektronischen Zustände stellen die Linien die Vibrationspotentiale dar.
Abbildung 3.4: Wechselwirkung eines Zwei-Niveau-Systems mit Photonen. Nach [27]. Die Energiezustände E1 und E2 eines Moleküls Wechselwirken mit Photonen der Energie ℎ ∙ . Von links nach rechts Absorption, stimulierte Emission, spontane Emission.
Die Energie eines Moleküls kann nur bestimmte Zustände annehmen, wodurch seine Energiezustände also auch quantisiert sind. Der Energiezustand eines (mehratomigen) Moleküls wird durch den elektronischen, den Vibrations- und den Rotationszustand bestimmt. In der Regel befinden sich die Elektronen, die den elektronischen Zustand bestimmen, auch bei den Temperaturen in einer Flamme im elektronischen Grundzustand [41]. Die Moleküle haben darüber hinaus verschiedene diskrete Vibrations- und Rotationszustände deren Energien jedoch deutlich kleiner sind als die der elektronischen Zustände. Die Anzahl der möglichen Energiezustände steigt mit der Komplexität des Moleküls. Ein Schema der elektronischen und vibratorischen Energiezustände ist in Abbildung 3.3 dargestellt.
Bei der Wechselwirkung von Molekülen mit Photonen kann Absorption, stimulierte Emission und spontane Emission auftreten (siehe Abbildung 3.4). Wenn ein Photon auf ein Molekül trifft,
3.3 Laserinduzierte Fluoreszenz besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass es absorbiert wird und das Molekül in einen höheren Energiezustand überführt. Voraussetzung dafür ist, dass die Energie des Photons der Energiedifferenz der beiden Energiezustände im Molekül entspricht. Die Absorptionswahrscheinlichkeit ist also von der Wellenlänge abhängig. Bei der spontanen Emission geht ein höherer Energiezustand statistisch nach einer Zeit wieder in den energetisch günstigen Grundzustand über. Dabei wird ein Photon emittiert, das der Energiedifferenz der Zustände entspricht. Ein Molekül geht nicht zwingend durch Abgabe eines Photons in einem Schritt von einem erhöhten Energiezustand in einen niedrigeren über. Das kann über mehrere Zwischenschritte erfolgen und kann auch über Stöße mit anderen Molekülen geschehen, anstatt durch die Emission eines Photons. Zur stimulierten Emission kann es kommen, wenn ein Photon passender Frequenz auf ein Molekül in einem erhöhten Energiezustand trifft. Dabei stimuliert das auftreffende Photon die Emission eines Photons. Die beiden Photonen haben dann dieselbe Frequenz und Phase, sind also kohärent.
Abbildung 3.5: Spektrum der spontanen Emission des OH-Radikals bei Anregung der (2-0) Q18 Linie. Daten aus [60]. Die Intensität der einzelnen Linien ist zeitabhängig. Oben 0-200 ps; Unten 400-800 ps.
Jedem Übergang zwischen zwei Energieniveaus kann die Wellenläge eines Photons zugeordnet werden, welches absorbiert oder emittiert wird. Diese Wellenlänge tritt als Linie im Spektrum eines Moleküls auf. Aus den einzelnen Linien ergibt sich das Spektrum eines Moleküls, bei dem die Absorptions- oder Emissionswahrscheinlichkeiten über der Wellenlänge aufgetragen sind. Ein Teil des Spektrums des OH-Radikals ist in Abbildung 3.5 dargestellt.
3.3.2 Planare laserinduzierte Fluoreszenz
Die resonante Wechselwirkung von Licht und Molekülen wird bei Messungen der planaren laserinduzierten Fluoreszenz benutzt, um die räumliche Verteilung von Konzentrationen bestimmter Moleküle zu bestimmen. Bei der laserinduzierten Fluoreszenz wird ein Molekül durch einen Laser, dessen Wellenlänge einem elektronischen Energieübergang eines Moleküls entspricht, angeregt. Durch spontane Emission fällt das Molekül nach einer gewissen Zeit wieder in den elektronischen Grundzustand zurück. Das Zurückfallen kann dabei auch über mehrere
Zwischenschritte, in denen das Molekül auch seinen Vibrations- und Rotationszustand ändert, erfolgen (siehe Abbildung 3.3). Dadurch ist die emittierte Wellenlänge oft größer als die eingestrahlte Laserwellenlänge.
Bei der planaren laserinduzierten Fluorenzenz (PLIF) wird der Laser wie bei PIV Messungen zu einem Lichtschnitt geformt und eine chemische Spezies in einer Ebene angeregt. Mit einer Kamera, die in der Regel senkrecht zum Lichtschnitt positioniert ist, kann das in der Regel rotverschobene Fluoreszenzsignal abgebildet werden. Mit geeigneten optischen Filtern kann die Anregungswellenlänge des Lasers geblockt werden.
In der Verbrennungsforschung wird PLIF häufig verwendet, um die Verteilung des OH-Radikals zu visualisieren. Bei der Verbrennung von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen tritt OH als Zwischenprodukt in der Reaktionszone auf. Die OH-Konzentration steigt über die Flammenfront stark an, sodass der höchste Konzentrationsgradient sehr dicht an der Reaktionszone liegt und verbleibt in geringerer Konzentration im Abgas. Durch die Lokalisierung des höchsten Konzentrationsgradienten kann mit OH-PLIF die Position der Reaktionszone bestimmt werden.
In [13] und [4] wurde LIF verwendet, um die PAK-Verteilung in rußenden Flammen zu messen.
Es wurden verschiedene Anregungswellenlängen verwendet und das emittierte Licht wurde mit Spektrometern detektiert. Da eine Vielzahl an unterschiedlichen PAKs in den Flammen gebildet werden und die einzelnen PAKs eine Vielzahl an Absorptions- und Emissionsbanden haben, lag breitbandiges Emissions- und Absorptionsverhalten vor, sodass keine einzelnen Spezies isoliert detektiert werden konnten. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass bei Anregung mit UV-Licht die detektierte Fluoreszenz von PAKs stammt. In [42] wurde die PAK-Verteilung in einer gasstabilisierten Kohleflamme gemessen. Auf die spektralen Eigenschaften von einigen bei der Kohleverbrennung auftretenden Kohlenwasserstoffen wird in Abschnitt 5.4 eingegangen.
4 Die optisch zugängliche Kohlebrennkammer
Das Ziel des Brennkammerdesigns ist, die Lücke zwischen offenen, gasstabilisierten Laborflammen und reinen Staubflammen im Technikumsmaßstab zu schließen. Dabei soll die gute optische Zugänglichkeit offener Laborflammen beibehalten werden, aber eine geschlossene Brennkammer mit möglichst realitätsnaher Geometrie entwickelt werden. Gleichzeitig soll die Brennkammer gut numerisch abbildbar sein. Für das Design gib es also folgende Anforderungen:
1. Eine hervorragende optische Zugänglichkeit, um umfangreiche optische Messungen zu ermöglichen. Über die großzügigen Zugänge geht jedoch viel Strahlungswärme verloren, weshalb die Stabilisierung einer reinen Kohleflamme nicht möglich ist.
2. Eine möglichst realitätsnahe Geometrie, um möglichst viele Phänomene, die im Brennernahbereich von industriellen Brennern auftreten, abbilden zu können.
3. Eine geschlossene Brennkammer, um möglichst exakte und reproduzierbare Randbedingungen zu erhalten.
4. Gute numerische Abbildbarkeit, um Simulationen der Brennkammer zu vereinfachen.
Dazu soll die Möglichkeit einer strukturierten Vergitterung der Brennkammer geschaffen werden.
5. Betreibbarkeit im Labor, da die laseroptischen Messtechniken nur mit großem Aufwand außerhalb des Laserlabors verwendet werden können.
Um eine möglichst realitätsnahe Geometrie zu verwirklichen, wird eine Brennkammer im Technikumsmaßstab als Vorlage verwendet. Die Vorlage wird dann soweit angepasst, dass die übrigen Anforderungen erfüllt werden.