Молекулалық тегтеу жылдамдық өлшемі: Сұйықтар ағынының жылдамдығын анықтау әдісі
Molecular tagging velocimetry
Молекулярлық тегтеу жылдамдық өлшемі (MTV) – сұйықтар мен газдар ағынының жылдамдығын анықтау әдісі. Лазер сәулесімен молекулаларды белгілеп, ағын жылдамдығын өлшейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Молекулалық тегтеу жылдамдық өлшеуіші (МТВ) – ағынды жылдамдық өлшеуішінің нақты бір түрі, ауа және су сияқты сұйықтықтардағы ағымдардың жылдамдығын анықтауға арналған техника. Ең қарапайым нұсқасында, бір "жазу" лазерлік сәулесі сынамалық кеңістік арқылы бір рет жіберіледі. Оның траекториясы бойынша оптикалық түрде туындаған химиялық процесс басталады, нәтижесінде жаңа химиялық түрлер пайда болады немесе лазерлік сәулеге түскен молекулаларды қалған сұйықтықтан ажырату үшін, қолданыстағы молекуланың ішкі энергия күйі өзгереді. Мұндай молекулалар "белгіленген" деп аталады. Белгіленген молекулалардың бұл тізбегі енді сұйықтық ағынымен тасымалданады. Жылдамдық туралы мәліметтерді алу үшін екі уақыт сәтіндегі кескіндер алынып, талданады (әдетте кескіндердің қарқындылығын салыстыру арқылы) орын ауыстыруын анықтау үшін. Егер ағын үш өлшемді немесе турбулентті болса, тізбек тек орын ауыстыру ғана емес, деформацияланады.
Molecular tagging velocimetry (MTV) is a specific form of flow velocimetry, a technique for determining the velocity of currents in fluids such as air and water. In its simplest form, a single "write" laser beam is shot once through the sample space. Along its path an optically induced chemical process is initiated, resulting in the creation of a new chemical species or in changing the internal energy state of an existing one, so that the molecules struck by the laser beam can be distinguished from the rest of the fluid. Such molecules are said to be "tagged". This line of tagged molecules is now transported by the fluid flow. To obtain velocity information, images at two instances in time are obtained and analyzed (often by correlation of the image intensities) to determine the displacement. If the flow is three dimensional or turbulent the line will not only be displaced, it will also be deformed.
Сипаттама
Бұл таңбаланған молекулаларды визуализациялаудың үш оптикалық жолы бар: флуоресценция, фосфоресценция және лазерлік индукцияланған флуоресценция (LIF). Барлық үш жағдайда молекулалар төменгі күйге өтеді және олардың артық энергиясы фотондар түрінде шығарылады. Флуоресценция кезінде энергияның ыдырауы жылдам (атмосфералық қысымда секундтың бір бөлігінен секундқа дейін) жүреді, сондықтан "тікелей" флуоресценция таңбалау үшін тиімсіз. Фосфоресценцияда ыдырау баяу, себебі бұл ауысу кванттық механикалық тұрғыдан рұқсат етілмейді. Кейбір "жазу" схемаларында таңбаланған молекула қозу күйіне енеді. Егер молекула фосфоресценция арқылы ыдырап, сызықтың орын ауысуын байқауға мүмкіндік берсе, онда осы жазылған сызықты қадағалауға болады және қосымша визуализация қадамы қажет емес. Егер таңбалау кезінде молекула фосфоресценттік күйге жетпесе немесе молекула "оқылғанға" дейін ыдыраса, екінші қадам қажет. Таңбаланған молекула екінші лазер сәулесімен қозылады, оның толқын ұзындығы таңбаланған молекуланы ғана қозуға арналған. Молекула флуоресценция жасайды және бұл флуоресценция камерамен тіркеледі. Визуализацияның осы әдісі лазерлік индукцияланған флуоресценция (LIF) деп аталады. Оптикалық әдістер қазіргі заманғы сұйықтар жылдамдығын өлшеуде жиі қолданылады, бірақ олардың көпшілігі оптомеханикалық сипатқа ие. Оптомеханикалық әдістер ағынды өлшеу үшін тек фотоникаға ғана емес, макро өлшемді тұқымдарға да мұқтаж. Ең танымал және жиі қолданылатын мысалдар – бөлшектік бейнелеу жылдамдық өлшегіші (PIV) және лазерлік Доплер жылдамдық өлшегіші (LDV). Барлық оптикалық техникалар саласында молекулалық маркерлерді пайдаланатын ұқсас техникаларды ажыратуға болады. Допплер схемаларында жарық молекулалардан квазиэластикалық түрде шашырайды және молекулалардың жылдамдығы шашыраған жарықтың жиілігіне Доплерлік ығысуды жеткізеді. Молекулалық таңбалау техникаларында, PIV сияқты, жылдамдық өлшеуіш маркерлердің орын ауыстыруын визуализациялауға негізделген.
There are three optical ways via which these tagged molecules can be visualized: fluorescence, phosphorescence and laser induced fluorescence (LIF). In all three cases molecules relax to a lower state and their excess energy is released as photons. In fluorescence this energy decay occurs rapidly (within s to s at atmospheric pressure), thus making "direct" fluorescence impractical for tagging. In phosphorescence the decay is slower, because the transition is quantum mechanically forbidden. In some "writing" schemes, the tagged molecule ends up in an excited state. If the molecule relaxes through phosphorescence, lasting long enough to see line displacement, this can be used to track the written line and no additional visualisation step is needed. If during tagging the molecule did not reach a phosphorescing state, or relaxed before the molecule was "read", a second step is needed. The tagged molecule is then excited using a second laser beam, employing a wavelength such that it specifically excites the tagged molecule. The molecule will fluoresce and this fluorescence is captured by means of a camera. This manner of visualisation is called laser induced fluorescence (LIF). Optical techniques are frequently used in modern fluid velocimetry but most are opto mechanical in nature. Opto mechanical techniques do not rely on photonics alone for flow measurements but require macro size seeding. The best known and often used examples are particle image velocimetry (PIV) and laser Doppler velocimetry (LDV). Within the field of all optical techniques we can distinguish analogous techniques but using molecular tracers. In Doppler schemes, light quasi elastically scatters off molecules and the velocity of the molecules convey a Doppler shift to the frequency of the scattered light. In molecular tagging techniques, like in PIV, velocimetry is based on visualizing the tracer displacements.
Схемалар
MTV техникалары, реактивті қозғалтқыштар, жалын, жоғары қысымды ыдыстар сияқты қиын жағдайларда жылдамдық өлшеуге мүмкіндік беретіні дәлелденді, онда Пито түтігі, қызған жіппен жылдамдық өлшеу және PIV сияқты техникалардың жұмыс істеуі қиын. MTV саласы салыстырмалы түрде жас; алғашқы іске асыру демонстрациясы 1980-ші жылдары пайда болды және ауада қолдану үшін әзірленген және зерттелген схемалардың саны әлі де аз. Бұл схемалар қандай молекула туындайтынына, ағынды сыртқы молекулалармен толықтыру қажеттігіне және қандай толқын ұзындығы қолданылатынына қарай өзгеше.
MTV techniques have proven to allow measurements of velocities in inhospitable environments, like jet engines, flames, high pressure vessels, where it is difficult for techniques like Pitot, hot wire velocimetry and PIV to work. The field of MTV is fairly young; the first demonstration of implementation emerged within the 1980s and the number of schemes developed and investigated for use in air is still fairly small. These schemes differ in the molecule that is created, whether seeding the flow with foreign molecules is necessary and what wavelength of light is being used.
Газдары
Газдағы сұйықтық механикасының ең толық зерттеулері RELIEF және APART схемаларын пайдалану арқылы жүргізілді. Екі техниканы да қосымша тұқым себудің қажеті жоқ, жай ауада қолдануға болады. RELIEF жүйесінде қоздырылған оттегі іздеуші ретінде қолданылады. Бұл әдіс молекуланың релаксациясына тыйым салатын кванттық-механикалық қасиеттерін пайдаланады, сондықтан қоздырылған оттегі салыстырмалы түрде ұзақ өмір сүреді. APART нитрит оксидінің "фотосинтезіне" негізделген. NO тұрақты молекула болғандықтан, оның көмегімен жасалған суреттер, теория бойынша, кез келген уақытқа дейін сақталады. Тағы бір жақсы дамыған және кеңінен сипатталған, өте жоғары дәлдік беретін техника – гидроксилдік белгілеу жылдамдық өлшегіші (HTV). Ол су буының фотодиссоциациялануына және нәтижесінде пайда болатын OH радикалын LIF арқылы көруге негізделген. HTV көптеген сынақ жағдайларында, бөлме температурасындағы ауа ағынынан бастап, қуыс ішіндегі Мах 2 ағынына дейін сәтті қолданылды.
The most thorough fluid mechanics studies in gas have been performed using the RELIEF scheme and the APART scheme. Both techniques can be used in ambient air without the need for additional seeding. In RELIEF, excited oxygen is used as a tracer. The method takes advantage of quantum mechanical properties that prohibit relaxation of the molecule so that the excited oxygen has a relatively long lifetime. APART is based on the "photosynthesis" of nitric oxide. Since NO is a stable molecule, patterns written with it can, in principle, be followed almost indefinitely. Another well developed and widely documented technique that yields extremely high accuracy is hydroxyl tagging velocimetry (HTV). It is based on photo dissociation of water vapor followed by visualization of the resulting OH radical using LIF. HTV has been successfully demonstrated in many test conditions ranging from room air temperature flows to Mach 2 flows within a cavity.
Сұйықтықтар
Сұйықтықтарда үш МТВ әдісі жіктеледі: тікелей фосфоресценция (фосфоресцентті бояуды пайдалану), сіңіру (фотохроматикалық бояуды пайдалану) және фотоөнімдік флуоресценция (көбінесе қақпақ бояуды пайдалану) арқылы МТВ. Тікелей фосфоресценцияға негізделген МТВ-ді іске асыру ең оңай, себебі люминесцентті қозған молекулалық күйді тудыру үшін бір лазер жеткілікті. Фосфоресценция сигналы, әдетте, флуоресценциядан әлсіз және анықтау қиынырақ. Екінші әдіс, сіңіру арқылы МТВ, фотохромикалық бояудың флуоресценциялық қасиеттерін қайтымды түрлендіруге негізделген. Бұл схема алкоголь мен майларда жақсы нәтижелер көрсетті, бірақ суда нәтиже бермеді, себебі онда әдеттегі бояулар ерімейді. МТВ-нің үшінші түрі алғаш рет 1995 жылы сұйықтықтарда "молекулалық қозғалыстың фотоактивті, интрузивті емес қадағалауы" (PHANTOMM) деген атпен қолданылды. PHANTOMM техникасы бастапқыда көк лазермен қозған флуоресцеин негізіндегі қақпақ бояуды пайдаланды. Соңғы кезде, импульстік ультракөк және жасыл лазерлермен сәтті қолданылған родамин негізіндегі қақпақ бояу да пайдаланылды.
In liquids, three MTV approaches have been classified: MTV by direct phosphorescence (using a phosphorescent dye), absorbance (using a photochromic dye), and photoproduct fluorescence (typically using a caged dye). MTV based on direct phosphorescence is the easiest technique to implement because a single laser is needed to produce a luminescent excited molecular state. The phosphorescence signal is generally weaker and harder to detect than fluorescence. The second technique called MTV by absorbance relies on the reversible alteration of the fluorescence properties of a photochromic dye. The scheme showed good results in alcohol and oils, but not in water in which typical dyes are not soluble. The third variant of MTV was first deployed in liquids in 1995 under the name "photoactivated nonintrusive tracking of molecular motion" (PHANTOMM). The PHANTOMM technique initially relied on a fluorescein based caged dye excited by a blue laser. More recently, a rhodamine based caged dye was successfully used with pulsed UV and green lasers.