Imaging system with brightness amplification for a metal-nanopowder-combustion study

Abstract

This work discusses an optical system with brightness amplification—a laser monitor, as well as the system's application for real-time imaging of the surface of metal nanopowders during high-temperature combustion. The advantage of the laser monitor is its combination of microscopic magnification, laser backlighting, and narrow-band filtering, which, together with high-speed video recording, makes it possible to visualize the nanopowder surface through the intense background lighting produced by a high-temperature burning sample. We used two laser-monitor schemes with short and long focal lengths to study the dynamics of the combustion process at different spatial resolutions. For compounds whose combustion is accompanied by intense scattering of the combustion products, we recommend using the laser monitor with increased monitoring distance via a mirror-imaging scheme. This proposed technique allows real-time monitoring of the high-temperature-combustion processes accompanied by intensive lighting and product scattering at a distance of 50 cm from the optical system. Both systems allow quantitative characterization of the combustion process by registering the average output of the brightness amplifier together with the overall brightness of glowing. The combustion of nanoAl + nanoFe and nanoAl + nanoFe + microAl powder mixtures was visualized using a laser monitor for the first time and compared with the combustion of aluminum nanopowder without additives.

Laser Monitor for Studying the Combustion of Thin Layers of Metal Nanopowders

“…Combustion of metal nanopowders, in particular, mixtures of aluminum-based nanopowders, proceeds at high temperatures and is accompanied by a bright glow, which makes difficulties to the observation of the sample surface. Passive direct observation methods using cameras and light filters allow high-speed video recording of the processes [7][8][9], including with microscopic magnification [10]. High-speed imaging is an essential component of much of today's combustion research.…”

“…In [18], the possibility of observing laser ignition of aluminum nanopowder using such a system was demonstrated. Works [7][8][9] were devoted to the use of laser monitors based on copper bromide vapor active medium for studying various aluminum-containing mixtures of nano-and micron metal powders. In the previous works [7][8][9][17][18][19], we observed the side surface of a massive sample (up to 3 g) located vertically.…”

Двухканальный Лазерный Монитор Для Наблюдения Процессов Высокотемпературного Горения Нанопорошков Металлов

“…Температура при горении нанопорошков металлов может превышать 2000 K, а горение может сопровождаться интенсивным свечением и разлетом продуктов сгорания, что создает сложности при прямом наблюдении процесса, в том числе с использованием скоростных видеокамер [4][5][6]. Применение лазерных методов исследования, таких как лазерная подсветка и лазерный мониторинг, открывает возможность исследования поверхности горящих смесей нанопорошков металлов сквозь интенсивное свечение [4][5][6][7][8][9]. В работах [6][7][8] с использованием лазерного монитора на парах бромида меди нами отмечаются значительные вариации скорости распространения волн горения по поверхности образца, которые обусловлены флуктуационным характером горения нанопорошков.…”

“…Применение лазерных методов исследования, таких как лазерная подсветка и лазерный мониторинг, открывает возможность исследования поверхности горящих смесей нанопорошков металлов сквозь интенсивное свечение [4][5][6][7][8][9]. В работах [6][7][8] с использованием лазерного монитора на парах бромида меди нами отмечаются значительные вариации скорости распространения волн горения по поверхности образца, которые обусловлены флуктуационным характером горения нанопорошков. Частным случаем является лазерное инициирование, при котором распространение горения в области инициирования и в соседних областях может существенно различаться [9].…”

“…Это значение было получено нами экспериментально в традиционной схеме лазерного монитора при использовании объектива с фокусным расстоянием 2 cm. Поэтому для построения лазерной системы в работе использовались активные элементы на парах бромида меди с малой мощностью сверхизлучения, аналогичные использованным ранее в работах [5][6][7][8] Таким образом, в работе впервые реализован двухканальный лазерный монитор, который позволяет практически одновременно (в пределах одного межимпульсного периода усилителя яркости) наблюдать горение образца в одной области с различным увеличением и пространственным разрешением или одновременно в двух различных областях с одинаковым или различным увеличением и пространственным разрешением.…”