Development and Application of Single-Ended Picosecond Laser Diagnostics

Abstract: Popular Abstract in Swedish Föreställ dig ett stort rum med bara en liten fyrkantig, ungefär tio centimeter stor, öppning på en av väggarna. Rummet har fem meter långa väggar och är flera meter högt. Golv, tak och alla andra väggar är helt utan öppningar och är inte genomskinliga. Man misstänker att temperaturen varierar mycket så att det kan vara varmt i en del av rummet och kallt i en annan. Därför vill man kunna få reda på temperaturen i olika delar av rummet, som en väderlekskarta över rummet med temperatur angivet för varje plats. På samma sätt är man intresserad av att få kartor på vilka ämnen och hur mycket av dem som finns i rummet. Man misstänker att flera farliga ämnen, bland annat det illaluktande ämnet ammoniak, kan finnas i rummet. Även saltångor, som får metallföremål i rummet att rosta sönder, och sot, som är farligt att andas in och kan vara en indikation på ineffektiv förbränning, misstänks finnas i luften. De första idéerna på hur dessa mätuppgifter ska lösas blir troligen något i stil med: häng termometrar med en halvmeters avstånd i rummet och fyll behållare med luft från olika platser i rummet och skicka till ett laboratorium för provtagning. Tyvärr visar sig dessa idéer vara oanvändbara när villkoren för mätningarna presenteras: du får inte gå in i rummet och du får inte placera någon mätutrustning där inne. I denna avhandling presenteras en lösning på hur man stående utanför rummet ska kunna ta reda på den efterfrågade informationen. Genom att lysa med laserljus in genom den lilla öppningen och titta på det ljus som kommer tillbaks ut genom öppningen går det att göra kartor över både temperatur och vilka ämnen som finns. Tänk på en laserpuls som en centimeterlång ljuspuls bestående av många små ljuspartiklar, som flyger genom rummet. Tiden det tar för laserpulsen att färdas till en bestämd plats i rummet och tillbaka till dig igen är enkel att förutsäga eftersom hastigheten ljuspartiklarna färdas med är enormt snabb, men också mycket väl uppmätt: ungefär trehundra miljoner meter varje sekund. Vet man till exempel att det tar en sekund för laserpulsen att färdas till en plats och tillbaks igen så vet man att den färdats etthundrafemtio miljoner meter dit och lika långt tillbaks. Det blir väldigt korta tider som ska mätas när ljuset studsar på nära håll. Till exempel om ljuspulsen färdas tio meter och där studsar tillbaks igen så tar det bara 0,000 000 07 sekunder innan den är tillbaks. För att ta reda på temperaturen utnyttjar man sättet som temperatur påverkar luften. När gaspartiklar blir varma så rör de sig snabbare och får mer tomrum emellan sig. Jämför med människor som står tätt packade i en tunnelbanevagn och människor som dansar. När de dansar blir de varma, rör sig snabbare och får mer tomrum emellan sig. Tänk dig ljuspulsen som en boll som ska passera förbi dessa människor. Då är det mycket större chans att lyckas passera förbi dansgolvet än tunnelbanevagnen där bollen troligtvis kommer att studsa tillbaks direkt. På samma sätt är det större chans att ljuspulsen studsar tillbaks när gaspartiklarna är kalla och mer tätt packade. För att ta reda på vilka ämnen som finns där ljuspulsen passerat utnyttjar man en speciell egenskap som laserljus har, nämligen att färgen är väldigt välbestämd. Alla ämnen absorberar ljus med färger specifika för just det ämnet. Om man låter ljus, med en färg som ett ämne kan absorbera, färdas förbi partiklar av det ämnet så kommer ett antal av ljuspartiklarna att slukas upp av partiklarna. Genom att ändra färgen på ljuset från en färg som absorberas till en som inte absorberas av ämnet går det att ta reda på hur många partiklar av ämnet som passerats av ljuset. Det finns även andra, mer komplicerade, sätt för ljus att växelverka med partiklar, som används för att bestämma om det finns specifika ämnen, sot eller partiklar i luften som ljuspulsen färdas i. Metoden som presenteras i avhandlingen skiljer sig på två huvudsakliga sätt från de metoder som finns sedan tidigare. Det går att mäta i ett rum med bara en öppning jämfört med andra metoder som bara går att använda på rum med flera öppningar. Dessutom går kartorna över temperatur och ämnen att göra med så noggrann rumsskala (ungefär en mätpunkt varje centimeter) så att metoden är lämplig att använda i rum som är några meter stora. Detta till skillnad från tidigare liknande metoder med en mätpunkt var hundrade meter, vilket endast är användbart för mätningar i atmosfären eller över kilometerlånga sträckor. Användningsområdet för metoden är framförallt mätningar i stora förbränningsanläggningar, som kraftverk, industriella brännare och stora motorer, till exempel i cylindrarna på fartygsdieselmotorer. Det är uppenbart att det inte går att placera ut mängder av mätinstrument inuti dessa anläggningar. Dels på grund av de hårda fysiska påfrestningar dessa miljöer innebär för mätinstrumenten, men också för att det kan finnas rörliga delar som omöjliggör utplacering av mätinstrument. Med möjlighet att bättre kunna karakterisera dessa anläggningar ökar möjligheten för tillverkare och operatörer att åstadkomma en effektivare och renare förbränning som i det långa loppet kan leda till mindre negativ påverkan på människa och natur.