백서

CARS를 통한 연소 분석 –
진정한 로켓 과학

개요

우주 발사 산업은 문자 그대로 및 비유적으로 가속화된 속도로 도약하고 있습니다. 발사 횟수가 증가함에 따라 이러한 모든 로켓 엔진은 대기에 미치는 부정적인 영향을 최소화하면서 가능한 한 깨끗하게 연소되어야 한다는 인식이 생겨났습니다. Alexis Bohlin 박사는 다양한 연소 시스템을 분석하기 위해 고유한 Astrella 초고속 증폭기로 모두 지원되는 다양한 CARS(Coherent 반스토크스 라만 산란) 방법을 적용하는 선도적인 연구원입니다. 그의 입증된 기술과 통찰력은 Bohlin 박사가 최근 선임 연구원으로 임명되었고 에스랑예 우주 센터에서 현대 로켓 산업 시설과 긴밀히 협력할 기회를 수락한 스웨덴 룰레오 공과대학교의 키루나 우주 캠퍼스에서 더 깨끗한 로켓 추진 설계를 연구하는 데 곧 적용될 것입니다.

Combustion Analysis with CARS Figure 1

그림 1: 엔지니어들은 빠르게 성장하는 상업용 우주 발사 산업의 대기 영향을 최소화하기 위해 보다 효율적인 추진 시스템을 목표로 삼고 있습니다.

CARS – 종의 수 밀도 및 온도 측정

Bohlin 박사는 자신의 연구가 연소 분석을 위한 CARS(Coherent 반스토크스 라만분광법)에 초점을 맞추고 있다고 설명합니다. "자동차에서 용광로, 로켓 엔진에 이르기까지 연소 엔지니어들은 시스템 효율성을 개선하고 유해한 배기 가스를 줄이고자 합니다. 모든 연소원은 복잡한 화학 반응기이며 연소 조건의 성공적인 조작은 먼저 가능한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다. 레이저 진단은 관심 측정 영역을 교란하지 않고 반응 흐름의 스칼라를 정량화할 수 있는 고유한 기능이 있으며, 탁월한 공간 및 시간 해상도로 유용한 정보를 제공할 수 있습니다. 제 연구는 CARS를 사용하여 N2, O2, H2, CH4, C3H8, CO2, H2O 등을 포함한 분자에 대한 유효 온도 및 종 수 밀도(즉, 농도)를 최대한 정밀하고 정확하게 매핑하는 데 중점을 둡니다." 

"모든 연소원은 복잡한 화학 반응기이며 연소 조건의 성공적인 조작은 먼저 가능한 많은 세부 사항을 아는 데 달려 있습니다."

- Alexis Bohlin 박사 - 우주 추진 연구소 선임 연구원
룰레오 공과대학교, 스웨덴 키루나

CARS의 기본 개념은 그림 2에 나와 있습니다. 분자 샘플은 3차 비선형 광학 메커니즘을 통해 샘플과 상호 작용하는 펌프, 스토크스프로브라는 3개의 레이저 주파수(파장)로 조사되어 4차 파장인 CARS를 생성하고, CARS는 "레이저와 유사한" 간섭성 신호로 전송됩니다. 펌프스토크스 주파수 간의 차이는 조사된 분자의 두 에너지 레벨 간의 차이에 해당하며 신호 강도는 여러 자릿수만큼 공명하게 늘어납니다. 이러한 공명 향상을 통해 각 스펙트럼 피크의 강도가 종의 수 밀도와 각 종의 내부 에너지 수준의 개체군 모두에 의존하는 단일 레이저 샷을 사용하여 샘플의 에너지 준위 스펙트럼을 효율적으로 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 CARS는 기체 샘플에 존재하는 각 화학종의 수를 알려 주고, 스펙트럼의 모양은 순수 회전 또는 회전-진동 전환으로 구성되어 로컬 볼츠만 온도를 알려 줍니다. 

Combustion Analysis with CARS Figure 2

그림 2: CARS 전환을 구동하기 위한 여기 효율은 펨토초 레이저 펄스 지속 시간/대역폭에 따라 다릅니다. 펄스가 짧을수록 더 많은 전환이 일관성 있게 여기될 수 있습니다. 그림 제공: Alexis Bohlin.

단일 Ultrafast 레이저 증폭기를 사용하는 CARS

오늘날 CARS는 충동적 여기를 통해 가능한 한 많은 전환을 매핑하는 것이 목표이기 때문에 일반적으로 Ultrafast 레이저 펄스로 수행됩니다. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "저희는 펌프/스토크스 빔에 대한 펨토초 지속 시간 펄스가 필요합니다. 이 펄스는 많은 관심 에너지 레벨을 동시에 포함하는 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖기 때문입니다. 50fs 미만의 짧은 펄스 지속 시간은 대부분의 이원자 및 삼원자 종에 대해 충동적인 것으로 간주될 수 있으며 분자를 여기시키는 가장 효율적인 형태를 제공합니다. 그런 다음 조정 가능한 협대역 프로브 펄스, 즉 피코초 지속 시간 펄스가 필요하므로 CARS 스펙트럼(그림 2의 신호)은 다양한 분자 표적의 잘 분해된 스펙트럼 기능으로 구성됩니다. 또한 동일한 레이저 소스에서 두 펄스를 모두 얻을 수 있으면 측정 위치에서 이 펄스가 자동으로 동기화되어 설정이 크게 간소화되고 근접한 간격을 둔 전환 사이의 신호 박동도 샷 간에 감소하고 신호 대 잡음비가 증가합니다."

네덜란드 델프트 공과대학교에 있는 그의 연구실에서 Bohlin과 그의 학생들은 35fs 출력 펄스용으로 구성된 Coherent Astrella "원박스" 펨토초 증폭기를 기반으로 하는 CARS 분석 설정을 구축했습니다. 이 증폭기의 높은(수 밀리줄의) 펄스 에너지로 인해 출력을 분할하고 그 일부를 광대역 펌프/스토크스 펄스로 직접 사용할 수 있습니다. 그런 다음 다른 부분을 제2고조파 대역폭 압축기(SHBC)라는 장치로 피코초 지속 시간 펄스를 생성하는 데 사용합니다. SHBC를 사용한 후 자체 제작한 펄스 성형기를 사용하여 ~3-15피코초 영역에서 펄스 지속 시간을 조정합니다.

Bohlin과 동료들은 이를 기본 CARS 엔진으로 사용하여 연소 화염 및 시스템에 대한 다양한 연구를 성공적으로 수행하여 여기 효율의 현장 모니터링과 함께 순수 회전 CARS와 같은 기술을 완성하고, 시공 CARS, 캐스케이드식 CARS를 개발하고, 자기 위상 변조를 포함한 최첨단 개념을 사용하여 연소실 자체에서 "창 뒤의" 필요한 레이저 파장을 생성하고 확장합니다.

 

단순성, 정밀성 및 정확성 강조

아마도 Bohlin의 CARS 시스템의 가장 중요한 측면은 보다 전통적인 접근 방식에 비해 안정성과 상대적 단순성일 것입니다. 그리고 지난 몇 년 동안 Bohlin은 이러한 목적을 위해 혁신적인 개선을 이루었습니다. 그는 다음과 같이 말합니다. "실험실로 가져올 수 있는 소형 엔진에만 사용 가능한 실험실에 얽매인 방법보다는 필요한 경우 연소 현장으로 가져올 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법이 필요했습니다. 분명히 테스트 로켓 엔진조차 일반적인 연구실에 가져올 수 없습니다. Astrella의 단순성과 안정성과 함께 단일 레이저 소스의 사용은 휴대용 시스템을 현실로 만드는 데 큰 역할을 했습니다."

CARS 성능 측면에서 그는 목적 의식을 가지고 세계 최고의 정밀도와 정확도로 측정하는 것을 목표로 삼았습니다. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "레이저 분광학의 역사는 실험 매개변수를 더 자세히 측정하는 것이 숫자에 소수점을 찍는 것이 아님을 보여 줍니다. 오히려 종종 중요하고 새로운 과학을 나타냅니다." 그의 접근 방식의 한 예로서, 그는 일반적인 532nm CARS 레이저 파장 대신 Astrella에 의해 펌핑된 SHBC의 400nm 출력을 사용하여 CARS 이미징의 점 확산 기능을 40미크론에서 20미크론으로 감소시켰습니다.

그는 지금 표준화된 성능 세부 사항이 전례 없는 정확성과 정밀도로 정량화될 H2 화염을 위한 "표준 버너"를 재구축하고 있습니다. 가파른 열 구배 및 확산 문제와 같은 수소 화염 전파의 기본 요소를 보다 정확하게 살펴봄으로써 1990년대에 이루어진 측정을 기반으로 한 오래된 이론과 가정을 확인하고 있습니다.

Bohlin이 배포한 CARS 연소 분석의 최근 발전 사항 중 일부는 더 자세히 살펴볼 가치가 있습니다.

"실험실로 가져올 수 있는 소형 엔진에만 사용 가능한 실험실에 얽매인 방법보다는 필요한 경우 연소 현장으로 가져올 수 있는 보편적으로 적용 가능한 방법이 필요했습니다."

동시 공간 및 시간 분해능을 통한 온도 측정

2020년에 Bohlin 연구팀은 단일 재생 증폭기로 얻은 동시-상관-공간(1D) 및 시간(1D) 분해능을 보여 주는 논문[1]을 발표했습니다. 대부분의 분석적 라만 측정은 전통적으로 진동 전이에 초점을 맞추었으며 종종 더 작은 분자의 회전-진동 분해능을 사용했습니다. 대신 Bohlin은 정확한 온도 측정 및 이미징을 위한 최적의 데이터 형식을 제공하는 순수 회전 CARS를 사용했습니다. 팀은 이 연구에서 불안정한 미리 혼합된 메탄/공기 화염 전면에 걸쳐 1kHz 영화 촬영 1D-CARS 기상 온도 측정을 수행했으며, 이는 단일 샷 정밀도 <1% 및 정확도 <3%, 1.4mm 시야 및 우수한 <20µm 라인 확산 기능을 통해 달성되었습니다. 여기에서 신호 생성 평면은 광시야 정합(coherent) 이미징 분광계에 의해 검출기 평면에 전달되었습니다. 이는 위에서 설명한 것처럼 자연스럽게 동기화된 펨토초 및 피코초 펄스를 생성한 Astrella 증폭기 시스템과 동일한 반복률로 새로 고쳐졌습니다(그림 3 참조).

Combustion Analysis with CARS Figure 3

그림 3: 단일 Astrella 증폭기는 CARS 온도 측정을 위한 동기화된 펨토초 펌프/스토크스 및 피코초 프로브 빔을 생성하는 데 사용됩니다. 그림 제공: Alexis Bohlin.

여기 효율의 현장 참조를 사용하는 CARS

 

Bohlin 연구팀의 또 다른 중요한 발전은 동일한 검출기 프레임에서 공명 및 비공명 CARS 신호를 동시에 기록할 수 있는 혁신적인 편광 감지 간섭성 이미징 분광계입니다[2]. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "이 탐지 체계는 이전의 모든 펨토초 분광학에서 알려지지 않은 충동적 여기 효율에 대한 현장 정보를 획득하는 데 사용할 수 있습니다. 이 새로운 프로토콜은 널리 사용되기에는 복잡성 수준이 상당히 높지만 이미 기상 진단의 벤치마크로 간주되는 CARS의 현재 확립된 정확도 및 정밀도 수준을 뛰어넘는 고유한 경로를 제공합니다. 이 혁신을 통해 보정이 정말 필요하지 않게 되었으며, 스칼라 결정 성능을 ±1% 정밀도와 ±1% 정확도를 제공하는 궁극적인 꿈의 한계까지 밀어붙일 수 있는 이 방법의 분명한 전망이 보입니다." 

 

Combustion Analysis with CARS Figure 4

그림 4: Astrella의 단일 레이저 샷을 기반으로 공명 및 비공명 CARS 신호를 동시에 생성 및 감지합니다. 공명 CARS 신호(채널 1)는 샘플의 온도 및 종 농도에 대한 정보를 전달하고, 비공명 CARS 신호(채널 2)는 현장에서 기록된 펨토초 레이저 펄스의 유효 대역폭을 매핑합니다. CARS 스칼라 결정의 정확도와 정밀도를 꿈의 한계인<1%[2] 미만으로 밀어내려면 정보가 필요합니다.

캐스케이드식 CARS – 수 밀도에 매우 민감

캐스케이드식 CARS는 전체 CARS 개념을 한 단계 더 발전시켜 자극된 CARS 신호 자체가 샘플에서 더 높은 차수의 CARS 신호를 생성하는 프로브 펄스가 됩니다! 연소 시스템에서 발견되는 다중 종 표적의 경우, 이는 사용할 수 없는 복잡한 스펙트럼을 생성할 것으로 예상될 수 있습니다. 그러나 Bohlin의 그룹은 스펙트럼이 실제로 컴퓨터 분석에 완벽하게 적합하다는 것을 보여 주었습니다[3]. 그러나 분석하기에 약하고 다소 복잡한 신호를 생성하도록 보장된 기술을 사용하는 이유는 무엇일까요? 그는 다음과 같이 설명합니다. "신호 강도는 수 밀도에 매우 민감합니다. (수 밀도)에 따라 조정됩니다4. 따라서 CARS 종 측정의 감도를 높이려는 저희의 사명을 실제로 지원합니다. 예를 들어 잘 혼합된 조건에서 대량 혼합물 조성의 미세한 변화까지도 정량화하는 강력한 레이저 진단 도구로 사용할 수 있습니다. 가연성 혼합물 준비 공정을 정확하게 결정, 이해 및 제어하는 능력은 효율적이고 깨끗하게 연소되는 반응 엔진 설계자들에게 항상 매우 중요했습니다." 그는 신호 강도도 레이저 강도에 매우 민감하므로 Astrella의 높은 안정성은 펄스 에너지뿐만 아니라 펄스의 시간 및 스펙트럼 프로파일 측면에서 매우 중요하다고 말합니다.

Combustion Analysis with CARS Figure 5

그림 5: 동시에 생성된 캐스케이드식 CARS 및 CARS 신호는 편광 감지 간섭성 이미징 분광계를 사용하여 동일한 프레임에서 분할 및 감지됩니다. 캐스케이드식 CARS에서 Astrella의 안정성은 관심 있는 전체 회전 스펙트럼 대역에서 안정적인 충격 효율을 보장하는 데 중요합니다[3].

자체 압축 펄스를 통한 초광대역 CARS

온도 측정법과 캐스케이드식 CARS 방법이 화염에 있는 하나 또는 두 개의 종을 대상으로 하는 반면 Bohlin의 그룹은 연소와 관련된 모든 주요 종(예: O2, H2, CH4, CO2)을 동시에 모니터링할 수 있는 방법도 시연했습니다. 이 방법에서는 현장에서 초광대역 펨토초 펄스를 생성하는 확립된 방법을 사용합니다. 그들은 이 방법을 이용하여 Bohlin이 Astrella 출력의 "소프트 압축"이라고 하는 것을 화염에서 실제로 생성되는 펨토초 레이저 유도 필라멘트를 통해 35fs에서 약 24fs까지 수행합니다[4]. 이렇게 하면 방금 나열된 모든 화학 종의 회전 진동 서명 밴드에 이르는 "지문 영역" 1,200~1,600cm-1에 액세스할 수 있습니다. 이 압축 기술은 필라멘트의 후미 가장자리에서 변환 제한 출력을 생성하고 CARS 프로브 볼륨은 필라멘트가 fs 및 ps 빔을 교차한 후 4mm까지 형성됩니다. Bohlin은 다음과 같이 설명합니다. "초광대역 펄스를 현장에서 생성하는 것은 추가 펄스 압축 장치와 처프 보상 광학 장치를 사용할 필요가 없어 광학 설정을 단순화하는 놀라운 이점입니다. 예를 들어 로켓 추진 장치의 모니터링 액세스 창은 2.5cm 두께의 유리일 수 있습니다. 이러한 두꺼운 창으로 인한 펨토초 펄스의 분산은 다른 방법으로는 거의 불가능합니다. 대신 제어가 매우 용이한 필라멘트 현장 생성 방법을 사용할 수 있는 것은 Astrella 출력의 놀라운 안정성을 보여 주는 또 다른 증거입니다."

Combustion Analysis with CARS Figure 6

그림 5: 초광대역 CARS에서 전체 1,200~1,600cm-1 영역에 걸친 펄스가 화염 내부에 생성되어 분산 보상 문제 없이 두꺼운 유리창을 통해 모니터링할 수 있습니다. 이미지 제공: Alexis Bohlin.

"대신 제어가 매우 용이한 필라멘트 현장 생성 방법을 사용할 수 있는 것은 Astrella 출력의 놀라운 안정성을 보여 주는 또 다른 증거입니다."

진정으로 도약하는 연구.

요약하자면 델프트 공과대학교의 Alexis Bohlin이 이끄는 연구 그룹은 다양한 화염 및 연소원에서 열 구배 및 수 밀도를 매핑하는 CARS 이미징 및 분광학의 능력과 다용성을 입증했습니다. 그들의 연구는 정밀도와 정확도를 높이는 공통 주제로 연결되어 있으며 실험 설정은 모두 Astrella를 공통의 중요 레이저 요소로 사용합니다. Bohlin은 이제 이러한 방법을 적용하여 키루나 우주 캠퍼스, 룰레오 공과대학교 및 에스랑예 우주 센터에서 로켓 추진 시스템을 분석할 것입니다.

 

참고 문헌

1.     L. Castellanos, F. Mazza, D. Kliukin, A. Bohlin, Pure-rotational 1D-CARS spatiotemporal thermometry obtained with a single regenerative amplifier system, Opt. Lett. 45, 4662-4665 (2020). [편집자 선정] 

 

귀사의 문제 해결을 돕기 위해 무료 상담을 예약하십시오.