研究人員綜合利用X射線和雷射 提供汽車燃料噴霧視圖

據外媒報導，研究人員開發出一種基於雷射的新方法，提供前所未有的噴霧視圖，讓大家更加了解霧化噴霧，例如在汽車、輪船和飛機發動機中，液體燃料燃燒時的噴霧過程。在各類工業過程中，也經常會用到霧化噴霧技術，如噴漆、生產食品粉末和藥物。

“我們開發新的成像方法，從而進一步了解燃料燃燒前從液體到氣體的轉變。”瑞典隆德大學（Lund University in Sweden）物理系燃燒物理分系研究小組組長Edouard Berrocal表示，“利用這些信息，可以製訂出更智能化的燃料噴射策略，優化燃料-空氣混合比，提高燃燒效率，最終減少運輸應用中常用燃燒設備的汙染物排放。”

據介紹，新方法綜合利用X射線和雷射誘發的熒光，對霧化噴霧現象進行觀察和量化。這是以前無法做到的。通過熒光圖像，可以看清噴射液體的詳細特徵，包括大小和形狀。同時，X射線圖片可以量化液體分布狀況。

研究人員Diego Guenot表示：“通常情況下，所得到的霧化噴霧圖像都很模糊，無法具體了解內部的噴霧情況。採用我們的新成像方法，可以解決這些問題，比起以前的X射線探測值，甚至可以探測到數量更少的液體。”

觀測噴霧過程

噴霧過程很難在正常光下可視化，因為成千上萬的液滴會將光散射至各個方向。鑒於X射線光束能夠被吸收，通過檢測噴霧過程中的X射線異塵餘生量，有可能測量出液體數量。此類分析通常需要用到由大型同步加速器產生的X射線，然而，全球只有少數幾個專業機構擁有這種加速器。研究人員採用新型桌面雷射等離子加速器來克服這一障礙。該加速器由原子物理系Olle Lundh的團隊開發設計，旨在為高分辨率和時間分辨率的X射線成像定製X射線。

Lundh說:“儘管比同步加速器要小很多，但是，新型雷射加速器所產生的X射線能量範圍適宜，使其可以被液體吸收，並以飛秒脈衝的形式傳送，基本定格噴霧移動軌跡以進行成像。此外，X射線通量足夠高，可以在較大範圍內產生良好的信號。”

在雷射等離子加速器中，將高強度飛秒雷射脈衝聚焦至氣體或預先形成的等離子體中，從而產生X射線。研究人員還利用飛秒雷射脈衝進行雙光子熒光成像。這種熒光方法常在生命科學顯微鏡中使用，以提供亞毫米級高對比度圖像，但很少用於噴霧成像，因為這通常需要幾平方厘米的成像面積。

Berrocal表示：“在相對較大的範圍內進行雙光子成像，需要更多能量和超短雷射脈衝。我們利用高強度飛秒雷射束來產生X射線，因此，可以同時進行X射線和雙光子熒光成像。在相對較大的範圍內，同時執行這兩種成像方式，這是以前做不到的。”

獲得清晰的視圖

首先，研究人員將噴霧器置於X射線攝影機前，測試這項技術。通過X射線，在第一張圖像中，可以清晰地看到噴霧狀態。接著，研究人員調整設置，增加雙光子熒光成像。

與大型同步X射線源相比，採用這種綜合技術，在對汽車燃油噴射器產生的射流進行成像時，測量靈敏度更高。Guenot解釋說：“採用這種成像方法，更便於學術和工業研究人員進行研究。因為他們不僅可以利用屈指可數的同步加速器設備，也可以在全球多個雷射等離子加速器實驗室中進行研究。”

研究人員計劃繼續開發這項技術，以獲得三維噴霧圖像，並研究其變化趨勢。另外，他們希望將其應用於更具挑戰性和現實意義的噴霧器，如生物柴油或乙醇直接噴射噴霧器，以及燃氣輪機噴霧系統。