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Weiterempfehlung
Februar 2014
Hergen Oltmann
Die Weitwinkel-Lichtstreuung zur Charakterisierung gasgetragener Nanopartikelaggregate
Zum Verständnis der Bildung von Ruß und anderen Nanopartikeln in Verbrennungsprozessen ist eine experimentelle Bestimmung wesentlicher morphologischer Kenngrößen der Partikel, die häufig als fraktale Aggregate beschrieben werden können, notwendig. In dieser Arbeit wird die Weitwinkel-Lichtstreuung (wide-angle light scattering, WALS) als neuartige, auf der elastischen Lichtstreuung beruhende Methode vorgestellt, welche eine effektive in-situ-Messung charakteristischer Partikelgrößen ermöglicht. Das zentrale Element dieses Ansatzes bildet ein ellipsoidal geformter Spiegel, der das radial gestreute Licht auf einen schnellen planaren Detektor umlenkt. Dadurch ist es möglich Streudiagramme über einen großen Winkelbereich bei gleichzeitig hoher Winkelauflösung aufzuzeichnen. Mit dem WALS-Ansatz werden drei verschiedene Flammen untersucht, eine rußende vorgemischte laminare Standardflamme, eine rußende turbulente Diffusionsflamme und eine Silicapartikel produzierende Diffusionsflamme. Zur Verifikation der Streulichtmessungen werden Nanopartikelproben aus den untersuchten Flammen entnommen und mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) bildgebend ausgewertet.
Die Leistungsfähigkeit des WALS-Aufbaus wird durch Messungen an der Standardflamme unter Verwendung eines kontinuierlichen Lasers gezeigt. Aus den aufgezeichneten Streudiagrammen können die effektiven Gyrationsradien für die verschiedenen Flammeneinstellungen ermittelt werden. Im Fall sehr großer Aggregate kann zusätzlich auch die fraktale Dimension bestimmt werden. Die WALS-Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den TEM-Bild-Analysen. Messungen an der turbulenten Diffusionsflamme, unter Verwendung eines Pulslasers mit entsprechend kurzen Belichtungszeiten, zeigen, dass der WALS-Ansatz auch auf turbulente Verbrennungssysteme angewandt werden kann. Auch hier gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen WALS- und TEM-Ergebnissen. Im Gegensatz zu den untersuchten fraktalen Rußaggregaten, liegen bei der Silica-Flamme, abhängig von den Flammeneinstellungen, unterschiedliche, z.T. gemischte, Partikelmorphologien im Probenvolumen vor. Die aufgezeichneten Streudiagramme bei den verschiedenen Flammeneinstellungen weisen, in qualitativer Übereinstimmung mit den TEM-Bild- Analysen, signifikante Unterschiede auf und bestätigen damit, dass der WALS-Aufbau sensitiv gegenüber den in der Silica-Flamme vorliegenden Partikelmorphologien ist. Die Auswertung führt hier zu keinen eindeutigen Ergebnissen, da die experimentellen Streulichtdaten mit sehr unterschiedlichen Partikelverteilungen ähnlich gut angepasst werden können.
Die Leistungsfähigkeit des WALS-Aufbaus wird durch Messungen an der Standardflamme unter Verwendung eines kontinuierlichen Lasers gezeigt. Aus den aufgezeichneten Streudiagrammen können die effektiven Gyrationsradien für die verschiedenen Flammeneinstellungen ermittelt werden. Im Fall sehr großer Aggregate kann zusätzlich auch die fraktale Dimension bestimmt werden. Die WALS-Messungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den TEM-Bild-Analysen. Messungen an der turbulenten Diffusionsflamme, unter Verwendung eines Pulslasers mit entsprechend kurzen Belichtungszeiten, zeigen, dass der WALS-Ansatz auch auf turbulente Verbrennungssysteme angewandt werden kann. Auch hier gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen WALS- und TEM-Ergebnissen. Im Gegensatz zu den untersuchten fraktalen Rußaggregaten, liegen bei der Silica-Flamme, abhängig von den Flammeneinstellungen, unterschiedliche, z.T. gemischte, Partikelmorphologien im Probenvolumen vor. Die aufgezeichneten Streudiagramme bei den verschiedenen Flammeneinstellungen weisen, in qualitativer Übereinstimmung mit den TEM-Bild- Analysen, signifikante Unterschiede auf und bestätigen damit, dass der WALS-Aufbau sensitiv gegenüber den in der Silica-Flamme vorliegenden Partikelmorphologien ist. Die Auswertung führt hier zu keinen eindeutigen Ergebnissen, da die experimentellen Streulichtdaten mit sehr unterschiedlichen Partikelverteilungen ähnlich gut angepasst werden können.
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