Aufklärung photophysikalischer Vorgänge als Grundlage zur quantitativen bildgebenden Untersuchung von Gas-Mischungsprozessen mit Tracer-LIF-Verfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden Fluoreszenzeigenschaften von Toluol und anderen neuartigen Tracern mit verbesserten Fluoreszenzeigenschaften unter verschiedenen Anregungs- und Umgebungsbedingungen untersucht. Zur Untersuchung des Selbstquenchings von aromatischen Tracern, das bevorzugt bei hohen Laserfluenzen auftritt, wurde sowohl die Laserfluenz als auch die Tracerkonzentration variiert. Während der Untersuchungen wurde bestätigt, dass Stöße zwischen zwei angeregten Tracermolekülen für das Selbstquenching verantwortlich sind. Die Temperaturabhängigkeit wurde vermessen. Bereits bei leicht erhöhter Temperatur konnte dabei kein Selbstquenching mehr nachgewiesen werden. Anhand von anschließenden Messungen mit o-Xylol wurde gezeigt, dass Selbstquenching durch Kollision von angeregten Tracermolekülen kein Sonderfall für Toluol ist. Durch systematische Variation der Anregungswellenlängen und Temperaturen wurde ein bestehendes Modell zur Bestimmung der Besetzung nach Laseranregung für Anisol und Toluol weiterentwickelt. Mit einem Pikosekundenlasersystem wurden bei Anregungswellenlängen zwischen 246 und 274 nm die effektive Fluoreszenzlebensdauer bei verschiedenen Drücken gemessen. Die Ermittlung druckunabhängige Lebensdauern ermöglichten die Bestimmung der Anregungswellenlänge zur Anregung ins mittlere thermische Niveau. Ab-initio-Berechnungen verbesserten die Genauigkeit der Bestimmung der Besetzung nach Laseranregung. Messungen zeigten zudem einen Zusammenhang zwischen innerer Umwandlung und sauerstoffabhängiger Rotverschiebung. In den Experimenten wurden sowohl Niederdruck- als auch Hochdruck-Hochtemperaturmessungen durchgeführt. Die Niederdruckmessungen ermöglichten erstmals den Nachweis eines Übergangs von photoinduziertem Kühlen zu Heizen bei Toluol. Hochdruck-Hochtemperaturmessungen in einer neuen Messzelle dienten als Kalibrationsdaten für Hochdruckanwendungen in einem bisher unerforschten Druck-Temperatur-Bereich. Bei diesen Hochdruckmessungen wurden die effektiven Fluoreszenzlebensdauern für Substanzen wie Toluol und 1,2,4-Trimethylbenzol im Druckbereich von 1 bis 50 bar untersucht. Diese Daten validierten Ergebnisse aus der letzten Antragsperiode bis zu Drücken von 10 bar und zeigten einen weiteren nichtlinearen Abfall der Fluoreszenzlebensdauer bis etwa 20 bar. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Einfluss der Schwingungsrelaxation mit der Temperatur zunimmt. Fluoreszenzspektren bei Drücken bis zu 50 bar zeigten eine stärkere Rotverschiebung als bei niedrigeren Drücken. Bei Temperaturen von 873 K und Drücken über 20 bar wurde schließlich ein Abbau von Toluol zu Pyrolyseprodukten festgestellt. Basierend auf bereits gängigen Stepladdermodellen und unserer modifizierten Berechnung der ursprünglichen Anregungsenergie im S1 wurde durch globale Optimierung ein Model erstellt, dass die Fluoreszenzlebensdauer in Abhängigkeit der Anregungswellenlänge und der Temperatur korrekt wiedergeben soll. Bei der Implementierung ergaben sich jedoch Probleme beim gleichzeitigen globalen Anpassen aller vorhandenen Messdaten, was auf eine Limitierung des Modells hindeutet. Derweil ist die Tracer-Sim Datenbank, die in der ersten Phase gegründet wurde, bereits auf ca. 1300 Datensätze gewachsen und durch eine externe Nutzerschnittstelle, eine Sammlung von empirischen Modellen und einem Auswertemodul für Zwei-Farben-Detektion erweitert worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Excitation wavelength dependence of the fluorescence lifetime of anisole. Physical Chemistry Chemical Physics, 21(27), 14562-14570.
Baranowski, Thomas; Dreier, Thomas; Schulz, Christof & Endres, Torsten
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Wavelength dependence of anisole, Gordon Conference Laser Diagnostics in Energy and Combustion Science (2019)
T. Baranowski; T. Endres; T. Dreier & C. Schulz
