CARS - Coherent Anti-Stokes Raman Scattering



 

CARS-Einsatz an einer Fett-Mager-
Brennkammer im Institut für Antriebstechnik.
(siehe Veröffentlichungen 8.)

In realen Brennräumen spielen Mischung und Aufenthaltszeit der Reaktanden bei bestimmten Drücken und Temperaturen eine entscheidende Rolle für den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses und die Schadstoffentstehung. Aus diesem Grund ist zum Gesamtverständnis der Verbrennung die Kenntnis lokaler Temperatur- und Konzentrationsverteilungen von Bedeutung. Durch optische Untersuchungsmethoden sind insbesondere die Gasgeschwindigkeit ( L2F, LDA, DGV, PIV ), die Mischung von Brennkammerströmungen (QLS), die Zusammensetzung der Brenngase LIF, Raman-Streuung, CARS) und die Temperatur (CARS, Raman-Streuung, LIF, Rayleigh-Streuung) ohne Störung der Strömung erfassbar.

Die Breitband-CARS-Meßtechnik (siehe Veröffentlichungen 1.) ermöglicht die orts- und zeitaufgelöste Erfassung von Temperaturen und Konzentrationen in Brennräumen. Sie liefert so Informationen über die Mischung von Brennkammerströmungen und den zeitlichen Verlauf des Energieumsatzes, welche zur Optimierung der Verbrennungsmodellierung eingesetzt werden können. Der aus dem Einsatz der Messtechnik folgende Erkenntnisgewinn wird zur Optimierung des Verbrennungsprozesses genutzt und trägt so zu einer Reduktion der Schadstoffemissionen von Brennkammern bei. Beim Breitband-BOXCARS-Verfahren (siehe Veröffentlichungen 2.) werden drei gepulste Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz im zu untersuchenden Medium fokussiert und überlagert. Durch die Wechselwirkung der elektromagnetischen Felder mit dem zu untersuchenden Medium wird ein Signalstrahl generiert, welcher Informationen über den Zustand der Probe enthält.
Die Bestimmung von Temperatur oder Konzentration beruht auf der Analyse der Intensitätsverteilung des spektral aufgelöst erfassten Streulichtes. Die Temperaturinformation hängt nicht von der absoluten Signalintensität, sondern von der Spektrenkontur ab; welche sich charakteristisch mit der Temperatur ändert.

Die CARS-Messtechnik wird schon seit den siebziger Jahren eingesetzt (siehe Veröffentlichungen 1-3.) und ist in Übersichtsartikeln (siehe Veröffentlichungen 4-6.) dargestellt. Das Messverfahren ist für den Einsatz in Brennräumen besonders geeignet, da es insbesondere zur Stickstoff-Thermometrie über einen weiten Druck- und Temperaturbereich (siehe Veröffentlichungen 8, 9.) einsetzbar und unempfindlich gegen Hintergrundstrahlung ist.

CARS wird im DLR an den Standorten Köln, Stuttgart und Lampoldshausen eingesetzt.

Experiment Set-up

 CARS Signal
zum Bild CARS Signal

Beim Breitband-BOXCARS werden ein spektral breitbandiger Farbstofflaserstrahl und zwei schmalbandige grüne Laserstrahlen eingesetzt. Daher wird durch einen "Einzelpuls" des CARS-Lasers ein komplettes CARS-Spektrum erzeugt. Typische Pulsdauern liegen bei 10 ns bis 15 ns; sie ermöglichen also zeitaufgelöste Messungen und die Erfassung von Häufigkeitsverteilungen der gesuchten Größen.

 


Kontakt
Dr.rer.nat. Michael Fischer
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Triebwerksmesstechnik
Tel: +49 2203 601-2576

E-Mail: Michael.Fischer@dlr.de
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