新X射线技术可测量火焰温度 助力生产更清洁的生物燃料

盖世汽车讯 了解生物燃料（由植物、藻类或动物粪便制成的燃料）的燃烧动力学，对于制造清洁、高效、由生物燃料驱动的发动机，具有重要意义。据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）、耶鲁大学（Yale University）和宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的研究人员改进并利用X射线技术，测量燃烧时产生的极热、充满烟尘的火焰的温度。这项新技术或将有助于减少生物燃料发动机的排放。

（图片来源：science.org）

为领先生物燃料开发新的燃烧系统并非易事，其中关键障碍之一是准确测量生物燃料燃烧时产生的火焰温度。阿贡物理学家Alan Kastengren表示：“温度对火焰中的化学反应速度有很大影响。开发更好的燃烧模型，可以让研究人员设计更好的燃烧系统，无论是内燃机还是发电系统。但是，如果模型中的温度不准确，可能无法正确预测化学反应。”

用X射线和氪原子测量温度

测量火焰温度极其困难。以前，研究人员曾使用激光和其他设备来评估火焰。但是，火焰中存在的烟尘颗粒会对测量产生干扰。在很大程度上，X射线不受烟尘颗粒的影响，有可能用于分析火焰。

在这项研究中，研究人员利用并改进了一种称为X射线荧光（X-ray fluorescence）的技术。首先，将少量氪气体引入由空气和甲烷（天然气的主要成分）组成的火焰中。这是全球实验室在燃烧研究中使用的标准火焰，因为氪是一种反应性极低的元素，不会改变火焰的化学性质。

接下来，在阿贡高级光子源（APS），研究人员用高能X射线束轰击火焰。作为回应，在称为荧光的过程中，氪原子释放出具有独特能量的X射线。然后，该团队使用X射线光谱仪来检测所发射出的X射线荧光的能量，以绘制氪原子的存在状态，并量化其在火焰中的密度。然后，该团队利用理想气体定律（ ideal gas law）方程来计算火焰不同部分的温度。

该实验成功的关键是使用APS的超明亮X射线。比起实验室产生的光束，由APS等设施产生的X射线光束强度更高、更集中。

广泛的应用

研究人员通过甲烷火焰改进了X射线技术，这些方法也可以应用于测量其他火焰的温度，包括生物燃料燃烧产生的火焰。对于模拟生物燃料燃烧系统火焰的模型，将有助于提高准确性。更强大的模型，有助于发现新的操作方法，以用于飞机发动机、燃气轮机和其他发电系统，从而提高效率并减少排放。

阿贡高级化学家Robert Tranter表示：“在真实的发动机中对新燃料进行物理测试，是非常昂贵的。使用准确的燃烧模型，可以筛选燃料，有助于确定测试时间。”

更广泛地说，这种X射线方法有助于了解基本燃烧状态，支持广泛的研究领域，比如开发氢燃料系统，或利用火焰制造硅纳米颗粒，这些颗粒在医学、电池和其他领域具有潜在应用。该技术甚至有望用于燃烧研究以外的领域，支持任何需要在恶劣环境中进行准确温度测量的实验。