Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode basée sur le laser qui offre une vue sans précédent des sprays tels que ceux utilisés pour la combustion de carburant liquide dans les véhicules, moteurs de navires et d'avions. La technique pourrait fournir de nouvelles informations sur ces sprays d'atomisation, qui sont également utilisés dans une variété de procédés industriels tels que la peinture et la production de poudres alimentaires et de médicaments.

"Nous avons développé une nouvelle méthode d'imagerie pour mieux comprendre le passage du liquide au gaz qui se produit avant la combustion du carburant, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Edouard Berrocal de la Division de physique de la combustion, Département de physique de l'Université de Lund en Suède. "Ces informations pourraient être utilisées pour développer des stratégies d'injection de carburant plus intelligentes, meilleur mélange air-carburant, combustion plus efficace et, finalement, réduire les émissions de polluants provenant des appareils à combustion généralement utilisés pour le transport.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, Berrocal et ses collègues de la Division de physique atomique du Département de physique décrivent une nouvelle approche qui combine les rayons X et la fluorescence induite par laser pour observer et quantifier des phénomènes de pulvérisation d'atomisation qui n'étaient pas accessibles auparavant. Les images de fluorescence fournissent des détails sur la forme du liquide pulvérisé, y compris sa taille et sa forme, tandis que les radiographies aux rayons X quantifient la répartition du liquide.

"D'habitude, les images des sprays d'atomisation sont floues et ne contiennent pas d'informations sur l'intérieur du spray, " dit Diego Guénot, premier auteur de l'article. "Notre nouvelle approche d'imagerie résout ces problèmes et peut même détecter de plus petites quantités de liquide que jamais auparavant avec les rayons X."

Voir dans un spray

Les pulvérisations sont très difficiles à visualiser avec une lumière normale car leurs milliers de petites gouttelettes diffusent la lumière dans toutes les directions. faisceaux de rayons X, cependant, sont également absorbés, permettant de mesurer la quantité de liquide présent en détectant la quantité de rayonnement X transmis à travers le spray.

Ce type d'analyse nécessite généralement des rayons X générés par de grands synchrotrons, qui ne sont disponibles que dans quelques établissements spécialisés dans le monde. Cependant, les chercheurs ont surmonté cet obstacle en utilisant un nouvel accélérateur laser-plasma de table développé par l'équipe d'Olle Lundh dans la division de physique atomique. Il a été conçu pour produire des rayons X adaptés à une imagerie radiographique haute résolution et résolue dans le temps.

"Même s'ils sont beaucoup plus petits qu'un synchrotron, les nouveaux accélérateurs laser produisent des rayons X dans la bonne plage d'énergie pour être absorbés par les liquides et peuvent les délivrer en impulsions femtosecondes qui gèlent essentiellement le mouvement de pulvérisation pour l'imagerie, " dit Lundh. " Aussi, le flux de rayons X est suffisamment élevé pour produire un bon signal sur une large zone."

Dans l'accélérateur laser-plasma, les rayons X sont générés en focalisant une impulsion laser femtoseconde intense dans un gaz ou un plasma préformé. Les chercheurs ont également utilisé ces impulsions laser femtosecondes pour réaliser une imagerie par fluorescence à deux photons. Cette approche par fluorescence est souvent utilisée en microscopie des sciences de la vie pour fournir des images à contraste élevé de zones submillimétriques, mais a rarement été utilisée pour imager des sprays, qui nécessitent généralement une zone d'imagerie de quelques centimètres carrés.

"L'imagerie à deux photons d'une zone relativement grande nécessite une énergie plus élevée, impulsions laser ultracourtes, " a déclaré Berrocal. " Le fait que nous ayons utilisé un faisceau laser femtoseconde intense pour générer des rayons X nous a permis d'effectuer simultanément une imagerie par rayons X et par fluorescence à deux photons. La réalisation de ces deux modalités d'imagerie en même temps avec une zone de vision relativement grande n'a jamais été réalisée auparavant. »

Obtenir une vue claire

Les chercheurs ont d'abord testé la technique en générant des rayons X et en plaçant un spray devant la caméra à rayons X. Avec la première image, il était immédiatement évident que la pulvérisation pouvait être clairement visualisée. Les chercheurs ont ensuite modifié la configuration pour ajouter l'imagerie par fluorescence à deux photons. L'utilisation de la technique combinée pour imager les jets d'eau créés par un injecteur de carburant automobile a produit une sensibilité de mesure plus élevée que celle obtenue avec les grandes sources de rayons X synchrotron.

"Cette approche d'imagerie rendra l'étude des sprays beaucoup plus facile pour les chercheurs universitaires et industriels car ils pourront effectuer des études, non seulement dans la poignée d'installations synchrotron, mais aussi dans divers laboratoires d'accélérateurs laser plasma dans le monde. » explique Guénot.

Les chercheurs prévoient d'étendre la technique pour obtenir des images 3D des pulvérisations et étudier leur évolution dans le temps. Ils souhaitent également l'appliquer à des pulvérisations plus difficiles et réalistes telles que les pulvérisations à injection directe de biodiesel ou d'éthanol ainsi que pour les systèmes de pulvérisation utilisés pour les turbines à gaz.