apresentação

Luminiscência
Quimiluminescência
Robert E. Leandro
MEEA
Mestrado em Engenharia Mecânica
Departamento de Eng. Mecânica
13 Out 2004
Luminescência
• Após excitarmos uma espécie química, esta pode
emitir luz ao desexcitar.
• O comprimento de onda da luz emitida vai
depender do nível para o qual o electrão
transitou quando foi excitado, e para o qual ele
regressará.
Tipos de Luminescência
•três tipos de processos de produção de “luz fria”:
•
Fosforescência
•
Fluorescência
•
Quimiluminescência
•Quimiluminescência é a produção de luz a partir de uma
reacção química, em excesso em relação à radiação de
corpo negro esperada desse corpo. Daí ser
frequentemente referida como “luz fria”.
Mecanismo de Emissão de Luz
+
C2*
Fosforescência
Fluorescência
Quimiluminescência
C2
516 nm
Fotão Emitido
E= h
Fonte de excitação
Tempo de relaxamento
Fotoindução
~ minutos
Reacção química
ms ~ ns
•Fotoluminescência
• Exemplos:
Fluorescência
Fosforescência
Quimiluminescência
• Quando, numa reação química duas ou mais espécies
reagem entre si por vezes surgem nos produtos da
reacção uma espécie que se encontra excitada e pode
emitir luz ao se desexcitar.
A+B
C*

 C* + D
C + h
Quimiluminescência
Bioluminescência
• Existem na Natureza animais, plantas e bactérias
que contêm enzimas capazes de produzir
reacções químicas que emitem luz.
Quimiluminescência
Chamas
• A Quimiluminescência está intrisicamente ligada à
cinética química que suporta o processo de combustão
• As espécies químicas que provocam essa luz, em
chamas limpas, são principalmente o C2, CH e OH.
Quimiluminescência
• Passos da reacção de maior intencidade QL
516 nm
Luminosidade
da Chama
431 nm
308 nm
Luminosidade da Chama – Espectro
Exemplo do espectro de luz de uma chama azul.
OH*, CH* e C2* são os principais
radicais quimiluminiscentes
Comprimentos de onda emitidos
• Radicais e produtos da combustão comuns :
Espécie
Comprimentos de
onda (nm)
OH*
306 – 315
NH*
336
CN*
359, 386
CH*
390, 431
C2*
469 – 473, 510 – 516
CH2O*
395, 423
CO2*
Banda de emissão
308 nm
431 nm
513 nm
A Técnica
• Espécies quimiluminiscentes formadas durante o
processo de Combustão podem dar informações
importantes sobre esse mesmo processo de
Combustão.
Intensidade de emissão é proporcional à
concentração de radicais
• Existência ou não de reacção
• Identificação da posição da frente de
chama
A Técnica
•
Dependência Linear da quimiluminiscência com o caudal de
combustível, para um mesmo regime de escoamento (Clark, 1958).
•
Dependência com a razão de equivalência (Clark, 1958).
Quimiluminescência mínima
de CH e máxima de C2 para
zonas ricas da razão de
equivalência.
Como é que esta informação pode ser
usada?
A Técnica
concentração de
OH* , C2* e CH*
razão de OH* / CH*
razão de C2* / CH*
razão de OH* / C2*
Proporcional à taxa de
reacção
Proporcional à razão
de equivalência
Modelos tendem a falhar em zonas onde a chama
é sujeita a elevadas taxas de estiramento e
curvatura (Teod. 2004)
A Técnica
•
Resolução espacial das medidas
de emissão de radicais
coincidem com a zona de
reacção devido ao tempo de
vida curto dos radicais.
Tempo de vida (s)
C2*
10-7
CH*
10-5
OH*
10-7
MAS
•
Medidas são normalmente feitas ao longo de uma
linha de integração. Medidas locais são mais
difíceis.
Aplicação da Técnica a
Combustão não Estacionária
Necessidades
Elevada Resolução
Temporal
PM t~ns
Elevada Resolução
Espacial
Optica de Cassegrain
Medidas Locais
Sistema de Focagem :
z
• Espelhos de Cassegrain
•
Elevada Resolução Espacial
from Beduneau & Ikeda (2002)
Resolução Espacial
• Lente Esférica
Medidas Locais
Sonda com Lente Esférica
•
Indices de refracção dependem de :
- aberrações cromáticas
•
Dimensões do Volume de Controle:
- aberrações geométricas
Sonda com óptica de
Cassegrain
Intensidade cromática
Fibra Optica
Lente Colimadora
Filtro de
interferência
C2*(513 nm)
Espelho Dicroico
Filtro de
interferência
OH* (308nm)
PMs
I/P
Exemplo de Aplicação (1)
•
I/P = const.
IP
CH* e OH
•
I/P = m + b
I = P(m + b)
C2*
Exemplo de Aplicação (1) cont.
•
•
I1 / I2 = m  + b
à priori > m  > resolução (C2/OH)
mas quanto mais pobre o regime < I(C2)
Exemplo de Aplicação (11)
Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen
Exemplo de Aplicação (11) cont.
Distribuição radial de OH em Chama do tipo Bunsen
Exemplo de Aplicação (111)
Resolução
Spherical
lens
Temp.
[t]
√
Esp.
[x]
_
[t]
e [x]
?
Langmuir
Probe
√
√
√
Cassegrain
Optics
√
+
?
Exemplo de Aplicação (11I) cont.
References
•
Beduneau, J.-L. & Ikeda,Y. (2002), Application of Laser Ignition on Laminar
Flame Front Structure Investigation. Presented in the 11th symposium of
Applications of Lasers Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal.
•
Clark, T. (1958). Studies of OH,CO and C2 radiation from laminar and
turbulent propane-air and ethylene-air flames. NACA Technical notes 4266.