サンディア国立研究所は、契約DE-AC04-94-AL85000下に国家核安全保障局のために、サンディア国立研究所株式会社、ロッキードマーチン社が運営するマルチプログラムの研究室です。仕事はまた、単一の研究者小グループ研究プロジェクト教授Violiの（認可番号DE-SC0002619）（ミシガン大学、アナーバー）の下で、米国エネルギー省、基礎エネルギー科学局によってサポートされていました。ウォンは、エネルギー省、科学局、エネルギー契約番号DE-AC02-05CH11231の米国部門の下に早いキャリア研究プログラムによってサポートされています。高度な光源は、契約番号DE-AC02-05CH11231の下で、米国エネルギー省のディレクター、科学局、基礎エネルギー科学局によってサポートされています。 KKHは、契約のKO 1363/18-3下、DFGによる本研究の一部の継続的な支援を認めるものです。

1。気相実験<ol><li>低圧予混合火炎を点火<ol><li>冷却水は、バーナ火炎室の壁を通って流れると炎室は〜0.1ミリバールまで排気されていることであることを確認してください。 </li><li>バーナー表面にアルゴンの1リットル/分の流量と酸素の1.5リットル/分の流量を確立し、火炎チャンバー内の80ミリバール（60トル）の圧力を維持する。 </li><li>バーナー表面上熱線点火装置を置き; 0.4リットル/分の水素流量を設定し、すぐに点火装置をアクティブにします。 </li><li>点火後、熱線点火装置をオフにし、バーナーから離れて再配置します。 </li><li>アルゴン、酸素、水素、及び所望の燃料流れを確立する。ターゲット炎[通常20〜40ミリバール（15〜30トル）]の条件に合わせて圧力を調整します。注：個々の炎のための難条件は、元の文献に提供されています。例えば、化学量論アレンのために流れ、プロピン炎があるHansen ら 22に記載されている。 </li></ol></li><li>エネルギースキャン - 光イオン化効率（PIE）曲線の取得<ol><li>イオン化チャンバ内の圧力は、10 -6ミリバール≤である場合、飛行時間型質量分析計とマイクロチャネルプレート検出器のイオン光学系に電圧を印加し、ビームライン·バルブを開く。注：（ビデオには示されていない）以前の較正実験は、質量分析計の最適な性能のための電圧設定を見つけるために使用された。 </li><li> LabVIEWをデータ取得プログラムの「一般Interface.vi」（ 図2）を起動し、ソフトウェアに「モータ」タブを使用して目的の位置にバーナーを移動します。注：このLabVIEWコードは、ビームラインで開発され、要求に応じて入手可能ですし。 </li><li>スキャンパラメータ、 すなわち 、光子エネルギーのeVのあたりのステップ数を定義するための「一般」タブを使用します。一般的には、0.05 eVでのステップサイズです使用。 </li><li>希望の開始値に光子エネルギーを設定し、「アクティブ」であると「ALSエナジー」を定義するために「ALS」タブを使用します。 </li><li> 「コントロール」パネルで、フォトダイオードによって測定された光電流を読み出すために &quot;K6485&quot;をアクティブにします。 </li><li> 「P7886」タブで、（通常は2 19と2 21の間）掃引回数、ビンの数（通常は48K）、およびビンの幅（500ピコ秒）を設定する」に設定パラメータ」ボタンを使用します。 </li><li>有効なファイルのパスと名前を入力し、コンピュータ制御、データ収集プロセスを開始する &quot;スタート&quot;をクリックしてください。 </li></ol></li><li>質量スペクトルの取得 - バーナースキャン<ol><li>飛行時間型質量分析計とマイクロチャネルプレート検出器のイオン光学系へのエネルギースキャンのような電圧を印加する。 </li><li>チャンバー内の光子ビームを可能にするためにビームラインのバルブを開きます。 </li><li> LabVIEWデータACQを開くuisition番組「一般Interface.vi」。 </li><li>ソフトウェアで「モータ」タブを使用して、サンプリングコーンのできるだけ近くに、バーナー表面を移動し、「起源」としてその位置を定義するために、 &quot;ジョガー&quot;を使用します。 「アクティブ」であるとモーターを定義します。 </li><li>スキャンパラメータ、 すなわち 、バーナーの動きの1mm当たりのステップ数を定義するための「一般」タブに使用してください。標準値は20段階中の0-5ミリメートル、15ステップ5〜20 mmであり、5ステップで20〜30ミリメートルである。 </li><li>所望の値に光子エネルギーを設定するには、 &quot;ALS&quot;タブを使用します。典型的な値は8から16.65 eVである。 </li><li> 「コントロール」パネルで、フォトダイオードによって測定された光電流を読み出すために &quot;K6485&quot;をアクティブにします。 </li><li> 「P7886」タブで、掃引回数を設定するには、サブVI（ 図3）を開始する」に設定パラメータ」ボタンを使用し、 すなわち 、質量スペクトルのADDEの数すべてのバーナーの位置で互いの上にD（通常は2〜19および2〜21）、ビン（通常は48K）の数、およびビンの幅（500ピコ秒）。 </li><li>有効なファイルのパスと名前を指定し、自動化されたデータ収集プロセスを開始し、 &quot;Start&quot;をクリックします。 </li></ol></li></ol><img alt="図2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> 図2。データ取得プログラムのグラフィカル·ユーザー·インターフェース。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> 図3。グラフィカルユーザーinterfac入力マルチチャンネルスケーラパラメータへのE。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> 2。エアロゾル実験<ol><li>近大気圧対向流火炎を点火する<ol><li>反応アウトレットが約あること、冷却水は、バーナーが流れていることを確認してください。 10ミリメートル離れて、火炎チャンバーは実現可能な最小圧力（約2バール）までポンプダウンされる。 </li><li>アルゴンで火炎室を埋め〜860ミリバール（650トル）までの圧力をもたらす。 </li><li>約イグナイタコイルを配置します。 2バーナーの出口の中心にある。 </li><li>酸化剤流：（それはチャンバーを充填するために使用されたため、Arは、既に流れているべきである）は、以下のようにガス流量を設定するO 2 0.3 L /分であり、Arは1.6 L /分;酸化剤ストリームcoflow：2.5リットル/分のAr;燃料流：H 2 0.3 L /分で、Arは2.5 L /分;燃料ストリームcoflow：アルゴン2.5 L /分。 </li><li>水素と酸素のバルブを開き、すぐにイグナイタコイルのスイッチを入れる。 </li><li>炎が点火されると、イグナイタコイルをオフ​​にし、それを撤回。 </li><li>酸素、アルゴン、及び所望の燃料流れを確立する。水素の流量、および設定圧力とターゲット炎のための所望の値に反応出口の分離をオフにします。注：ビデオに示されているプロパン火炎用の流量が、Skeen ら 4が設けられている。 </li></ol></li><li>エアロゾル質量スペクトルの取得<ol><li>イオン光学系と、AMSの検出器に適切な電圧を印加する。注：最適なパフォーマンスのための電圧設定は、ビデオには示されていない以前の較正実験において見出された。 </li><li> LabVIEWをデータ取得プログラムの「一般的なインタフェース対向-Flow.vi」を開きます。注：このVIは、モータ制御に更新された「一般的Interface.vi」の変形である新しいニーズにマッチ。 </li><li>石英マイクロプローブは、燃料流出口（ 図4）に最も近い位置になるように対向流バーナーを翻訳する「モータ」タブの「ジョガー」アプリケーションを使用します。この位置にいる間、ゼロにモーターのステップ位置をリセットします。この手順は、「原点」の位置を定義します。 </li><li>ゆっくりと空気力学的なレンズ（ADL）システムに難サンプリングラインからの流れを可能にする4回転ボールバルブを開きます。 ADLの出口での圧力は1×10 2ミリバールの近くにあることを確認してください。 </li><li>スキャンパラメータ、 すなわち、バーナーの動き（バーナースキャン）または光子エネルギー（エネルギースキャン）の1mm当たりのステップ数を定義するための「一般」タブを使用します。 </li><li>希望の光子エネルギーを設定し、希望のバーナーの位置にバーナーを移動するために「モータ」タブを使用するように「ALS」タブを使用します。 </li><li> 「P7886」タブと「セットPを使用arameters」ボタンを押すと、その中の取得パラメータを設定します。 </li><li> 「アクティブ」であると「モータ」（バーナースキャン）または「ALSエネルギー」（エネルギースキャン）を定義します。 </li><li>該当するフィールドに有効なファイルのパスと名前を挿入し、「スタート」をクリックします。エアロゾル質量スペクトルは自動的に取得されます。 </li></ol></li></ol><img alt="図4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> 図4。対向流火炎アセンブリ用バーナー運動用のグラフィカル·ユーザー·インターフェース。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a>

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	<li>Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+contributions+of+flame-sampling+molecular-beam+mass+spectrometry+to+a+fundamental+understanding+of+combustion+chemistry.">Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 35, 168-191 (2009).</li><li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging"+combustion+chemistry+via+multiplexed+synchrotron-photoionization+mass+spectrometry.">Imaging" combustion chemistry via multiplexed synchrotron-photoionization mass spectrometry.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, (1039).</li><li>Leone, S. R., Ahmed, M., Wilson, K. 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著者らは、開示することは何もありません。

質量分析法を有する難サンプリングとシンクロトロンベースのVUV単一光子イオン化の記載の併用は、現在可能な実験室ベースのモデル炎の化学組成に最も詳細に説明します。質量分析計は、広いダイナミックレンジで高感度（ppm範囲）と同時に、すべてのサンプリングされた火炎の種の普遍的検出を提供します。この技術の成功のためには、インストルメンタルエネルギー容易に異性体および断片化の制御との間の良好な選択性を提供するために、調整することができるシンクロトロンで生成されたVUV光子の使用である。複雑な混合物を分析する場合、後者の要因は重要である。記載した実験の機能は、一般に異性体の分離のため、および高エネルギー電子を用いた従来のイオン化技術で使用されてガスクロマトグラフィーにより比類ある。シンクロトロンに基づく技術の限界は、その特に大きな質量電荷比のため、マサチューセッツ事実から生じnyの異なる異性体は、次いで一意に識別することができず、それらの寄与は確実に1を分離することができない、考えられる。実験結果は、異性体の難分解組成物の形で、非常に詳細な分子レベルでの燃焼の化学的性質の改良された動力学的モデルを得ることができる。 記載された実験は、非常に複雑であり、トラブルシューティング手順の説明は、ビデオおよび/または、この原稿のプロトコルセクションに記載されていることができるかのを超えています。この事実は、データ分析手順も同様である。実験の設定への変更は、通常、割り当てられた「ビームタイム」の間にオフラインで行われます。これらの実験の重点は、燃焼中間体の定量的決定であるため、安定かつ再現性の炎を持っていることは非常に重要である。また、賢明に得るために光子エネルギーおよびその他のスキャンパラメータを選択することが必要である火炎構造の信頼性を決定するための十分な実験データのN十分なセットです。 先進ライトソースで実行火炎の実験は成功した炭化水素の炎7にベンゼン生成の化学的性質を解明するために貢献してきました。前駆体として共鳴安定ラジカルの重要な役割は、プロパルギル、アリルの同定、例えば、確立、およびi-C 4 H 5基をされています。 ベンゼン生成は、全体的なすす形成プロセスにおける最初のステップであると考えられているので、付加的な努力が火炎サンプリングされたすす粒子の化学的組成を同定するために高度な光源で進行中である。以前類似スートサンプリング実験28と比較すると、この新たに確立されたエアロゾルサンプリング実験は、光子エネルギーがt精密に調整することができることを意味し、しきい値付近の質量スペクトルを記録することを可能にするOこのように断片化を避け、少しだけコンポーネントのイオン化エネルギーを超えること。さらに、断片化はまた、大部分は温度制御された銅ブロックのフラッシュ蒸発のプロセスを使用することによって回避される。しかし、実験は現在定量的データを提供することができないことによって制限される。また、記録された質量スペクトルは、粒子固有のものではありませんが、おそらく組成や大きさの異なる多数の粒子について平均化。また、結露ができ、火炎中の粒子に関連する種の同定を複雑に、サンプリングプローブで発生しません。さらに、検出された種は、真空下での銅ブロック（300〜400℃）の温度で気化するのに十分な揮発性でなければならない。それにもかかわらず、初期の定性的データは、スート前駆体種の組成物は、燃料の化学構造に依存しているとは対照的に、そのスート前駆体形成機構は、動力学的にTHER駆動されることを示唆しているmodynamically。エアロゾル質量分析の努力は初期段階現在の位置は、これまで得られた知見は、より多くの研究の機会を特定します。 すす形成プロセス上の今後の課題は、まず、芳香環、 すなわち 、インデン、ナフタレン、アントラセンなど、およびそれらの異性体の形成を超えて化学に集中する可能性があります。最終的な目標は、粒子当初の化学的性質（物理学）を理解し、（燃料の酸化からの粒子の凝固に）全体のすす生成過程を記述することができる予測モデルを開発することである。

分子成長とすす生成過程のための一貫性のある予測メカニズムを確立することは、燃焼化学研究8,9における最大の課題の一つです。燃焼プロセスは、微粒子の大気汚染（PM 2.5 - ≤2.5μmの空気力学的直径によって定義された微粒子）の半分以上を占め、これらの不要な燃焼副生成物の排出量を減らすために、そして、それは彼らのアイデンティティを知ることが重要である、濃度、および形成は10をパスウェイ。燃焼副生成物の性質は、それが燃料と燃焼される条件によって影響される。多くの研究は、急性環境や健康への影響11月13日に燃焼排出量をリンクされています。例えば、燃焼発生粒子は、大気の質、大気の可視性、および地球の大気の放射バランスに大きな影響を持っている。これは、空気中のくしの化学組成と仮定する焼灼によって生成された粒子は一般に多環式芳香族炭化水素（PAH）に関連付けられているそれぞれの毒性を決定する。後者の種は、煤の分子前駆体であると考えられ、それらは、不完全燃焼プロセスで形成されている。繰り返しますが、これらのプロセスを識別するためには依然として困難な課題である。 一般的に言えば、これらの排出の原点にある燃焼反応は、多くの異なる反応種を含む、複雑な燃料および酸化分解経路をたどる。これらは、金利、温度と圧力14,15に依存反応の数百または数千のネットワーク内に接続されている。 20〜80ミリバール（15〜60トル）程度の低い圧力で確立することができる層状、予混合バーナで安定化されたフラット炎は、一般に、この複雑な化学的ネットワークを解明し、汚染物質を調査するために使用される標準的な燃焼環境の一つを表す可能性Yは、プロトタイプの燃料16を与えられた。それらが火炎前面に到達したときにこの構成では、燃料と酸化剤は、既に混合し;従って、燃焼速度は、化学プロセスによってではなく、混合することによって支配される。準大気圧でこれらの炎を操作することにより、反応領域の物理的な厚さは、レーザベースまたはプローブサンプリング技術1,17との温度および濃度勾配の改善された空間分解能を可能にする、増加される。 正確には、このような火炎の化学組成を分析するために、解析ツールは、同時に全ての種の普遍的検出、高感度、ダイナミックレンジ、異性体間の良好な選択性、および分子断片化の制御を提供することが必要である。燃焼化学研究におけるブレークスルーは、調整可能な真空紫外線（VUV）放射線が近THREするために用いられるシンクロトロン光源での火炎サンプリング質量分析法を用いて達成された単一光子イオン化5,6 shold。添付のビデオで示されているローレンス·バークレー国立研究所のア​​ドバンスト光源（ALS）での火炎の実験では、ガスサンプルは、石英コーンによって予混合火炎の中から引き出される高真空中に拡大し、VUVによってイオン化光子は1,5。実験設定を図1に概略的に示されている。この実験の成功の鍵は、最小限、あるいは光断片化を回避し、異性体特異1,3を可能にするために調整することが適切な範囲内の光子のエネルギー電離されている、5,18。ビデオに示すように、光イオン化効率（PIE）曲線は、私たちは、複雑な混合物中の難特定の異性体種を同定することを可能に光子エネルギー19を調整することによって記録することができる。個々の種のためのPIE曲線は、一般的に明確な特徴を持っている、 すなわち、イオン化しきい値、形状、および強度。ビデオALSOは、バーナ面までの距離の関数として個々の成分のモル分率プロファイルを決定するために使用される実験的なアプローチを示している。 これらのALSベースの燃焼実験は、炭化水素炎におけるすす生成過程におよび酸素化、次世代のバイオ由来燃料1,20の酸化に焦点を当ててきた。スート形成問題に関しては、実験は、多くの新たな洞察を明らかにした。要約すると、現在の燃料の化学構造は、前駆体分子の同一性（および量）に影響し、その結果、多くの異なる経路が全体のスート形成工程7,21の第一段階に寄与し得ることが理解される。 ALSベースのエアロゾル質量分析計を有する難生成された煤粒子の化学成分を同定する際に煤形成の化学的性質へのより深い洞察を得た。 EXPであるこの新しい実験では、ビデオの後半にlained、非予混合（拡散）炎が使用されます。実験設定は図1にも示されている。この構成では、火炎は、燃料および酸化剤の二つの対向する層状ジェット間大気圧に近い圧力[933ミリバール（700トル）]に確立される。燃料と酸化剤流が反応ゾーンの外に分離されたままなので、この構成は、分子成長プロセスを検討する良い機会を提供します。難生成された粒子は、石英マイクロプローブを使用して炎から引き抜かれ、その後、粒子が気化し、その個々の成分にバラバラに点滅加熱銅ターゲット、上に空気力学的なレンズシステムで集中している。これらの分子ビルディングブロックは、その後、ALSからのVUV光子によってイオン化され、対応するイオンは、質量4が選択される。すべての必要な作業は、ビデオに表示することができますが、エアロゾルデータはすすの形成メカニズムはkineticallあるかもしれないことを示唆している<html> Yと熱力学的に制御されていない。さらに、データはまた、小さな芳香族種がHの抽象化とC 2の反復配列により、より大きな多環芳香族炭化水素（PAH）に成長した、広く受け入れられ、H-抽象化-C 2 H 2 -付加（HACA）メカニズムことを示しているH 2 -付加反応は、全く観察され、粒子の成分を説明することはできません。 ビデオと組み合わせることで、以下のプロトコルは、データ収集の手順を詳しく説明します。 <img alt="図1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> 図1。文献[からのアクセス許可を持つローレンス·バークレー国立研究所の高度な光源で難サンプリング分子ビームとエアロゾル質量分析実験の模式図。 2と4。9fig1highres.jpg &quot;ターゲット=&quot; _blank &quot;&gt;この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

<table><tbody><tr><td>Flame-sampling mass spectrometer</td><td></td><td></td><td>custom-built</td></tr><tr><td>Aerosol mass spectrometer</td><td></td><td></td><td>custom-built</td></tr></tbody></table>

flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes

以下の実験のプロトコルとそれに付随するビデオはローレンス·バークレー国立研究所1-4の高度な光源の化学動力学ビームライン（ALS）で実施されている難実験と懸念している。このビデオでは、実験室ベースのモデル炎の複雑な化学構造が調整可能なシンクロトロンによって生成された真空紫外線（VUV）放射を有する難サンプリング質量分析法を用いて分析する方法を示しています。この実験的なアプローチは、高い感度と広いダイナミックレンジ5,6との異性体の解決の能力を兼ね備えています。ビデオの最初の部分はバーナーで安定化され、減圧（20〜80ミリバール）層状予混合炎を含む実験について説明します。小型の炭化水素燃料は、一般的な実験手法を実証するために選択された火炎のために使用した。これは、種のプロファイルは、バーナ面からの距離の関数として取得されるか示す方法およびVUVの同調性れる光子エネルギーは、それらのイオン化エネルギーに基づいて、多くの燃焼中間体を同定するために有利に使用される。例えば、この技術は、すす形成プロセスの気相側面を研究するために使用されており、ビデオがどのように共鳴安定例えばC 3 H 3、C 3 H 5などの基、およびi-C 4 Hを示す図5に示すように、重要な中間体7として同定される。研究は、すす形成プロセスが注目されている、及び、炭素原子数百万を含む化学構造は単にミリ秒でわずか数の炭素原子を有する燃料分子から組み立てられるので、化学的観点から、このプロセスは非常に興味深い。ビデオの第二の部分は、対向流拡散火炎及びシンクロトロン系エアロゾル質量分析法は、燃焼によって生成された煤粒子4の化学組成を研究するために使用される新しい実験を、強調している。実験結果は、Tを示している帽子は広く受け入れられ、H-抽象化-C 2 H 2 -付加（HACA）のメカニズムを観察し、大きな多環芳香族炭化水素（PAH）の形成を担当する唯一の分子成長過程ではありません。

低圧予混合バーナーからの火炎サンプリングされたガスの典型的な質量スペクトルを図5に示す。信号に寄与する種の識別は、各質量対難サンプリングされた光イオン化効率（PIE）曲線によって明らかにされる電荷（m / z）の比と既知の異性体固有のイオン化エネルギーとPIE曲線への比較。火炎サンプリングされたPIE曲線はのm / z = 39（C 3 H 3）、41（C 3 H 5）については、図6に示されているの典型的な例。データは、化学量論プロピン炎22から取得されます。信号は明確に共鳴安定化プロパルギル及びアリルラジカルに由来するとそれらの特徴的なイオン化しきい値によって識別されます。多くのm / z値のために、複数の異性体は、日常的に複数のしきい値を観察することによって同定される。多くの例では、m / z、例えば、文献で ​​広く議論されている= 40（アレンおよびプロピン）、44（エテノール及びアセトアルデヒド）、54（1,3 -ブタジエン、1 -ブチン、2 -ブチン）、又は78（フルベン及びベンゼン）23-27。 <img alt="図5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> 図5飛行時間型質量スペクトル。化学量論プロピンO 2火炎中で低圧予混合バーナ〜1.25ミリメートル距離で9.9 eVでの光子を録音。次のステップで概説されるように全てのピークを容易に様々な燃焼中間に割り当てることができる。 <img alt="図6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> 図6。 のm / z = 39および41用の難サンプリングした光イオン化効率曲線。共鳴安定化ラジカルがプロパルギルAllylが明確に観測されたイオン化しきい値に基づいて識別することができます。 異性体組成が分かったらプロトコルの項で上述したように、質量スペクトルは、のような個々の種の異性体特異的なモル分率プロファイルの決定を可能にするために、火炎内の異なる位置内の様々な光子エネルギーでから取られるバーナ面からの距離の関数。低圧予混合バーナーから化学量論プロピン火炎中フルベンとベンゼンの代表的なモル分率プロファイルは、図7 22に示されている。各炎のために、典型的に40から50個々のモル分率プロファイルの合計に至るまで種について決定される科学的な目標に応じたm / z = 1 のm / z = 78（ベンゼンおよび/ ​​またはフルベン）乃至（H原子）、またはさらに高い。これらのモル分率プロファイルは次いで、燃焼化学モデルとvの予測能力を評価するために使用されるそれらをalidate。 <img alt="図7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> 図7。実験モル分率プロファイル。低圧予混合バーナーから化学量論プロピン火炎中フルベンとベンゼンのプロファイル。 典型的なエアロゾル質量スペクトルを図8に示されている。それはプロパン対向流拡散火炎内から採取した。イオン信号は、 のm / z = 226付近のピーク150〜600 のm / z比を有する種が観察された。これは、質量スペクトルで観察された種の全てを特定したり、その可能な形​​成経路を解明するために、現在の実験的な能力を超えている。上記の（とビデオに示されている）などの燃料出口からの距離の関数として、質量スペクトルを取ることは空間的に分解されたプロファイルが用意されています。 REPREsentative例は、M / Z = 256（C 20 H 16）種のため、図8の入口に示されている。同様のプロファイルは、結果的に任意の燃焼化学モデルの検証ターゲットとして使用することができただけでなく、他の種のいずれかを得ることができる。 <img alt="図8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> プロパンO 2対向流拡散火炎から図8炎サンプリングされたエアロゾルの質量スペクトル。入口は、m / z = 256におけるC 20 H 16種のための代表的な空間分解プロファイルを示す。

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Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

質量分析による全ての種のオンライン分析を実験室規模の炎からのガスサンプリングは、燃焼プロセス中に発生する化学化合物の複合混合物を調査するための強力な方法である。シンクロトロンで生成された真空紫外光を経由して調整可能なソフトなイオン化と相まって、この技術は異性分解情報と、潜在的にフラグメントフリーマススペクトルを提供します。

先進ライトソースで難実験：すす生成プロセスに新たな洞察

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

flame-experiments-at-advanced-light-source-new-insights-into-soot

Research

JoVE Journal

Engineering

12.8K ビュー.  Sandia National Laboratories. 質量分析による全ての種のオンライン分析を実験室規模の炎からのガスサンプリングは、燃焼プロセス中に発生する化学化合物の複合混合物を調査するための強力な方法である。シンクロトロンで生成された真空紫外光を経由して調整可能なソフトなイオン化と相まって、この技術は異性分解情報と、潜在的にフラグメントフリーマススペクトルを提供?...

ビデオ: Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement is used. Here we operate a Nd:YAG laser at a frequency of 10 Hz at the fundamental wavelength of 1,064 nm. The 14 nsec pulses with anenergy of 190 mJ/pulse are focused to a 50 &#181;m spot size to generate a plasma from optical breakdown or laser ablation in air. The microplasma is imaged onto the entrance slit of a 0.6 m spectrometer, and spectra are recorded using an 1,800 grooves/mm grating an intensified linear diode array and optical multichannel analyzer (OMA) or an ICCD. Of interest are Stark-broadened atomic lines of the hydrogen Balmer series to infer electron density. We also elaborate on temperature measurements from diatomic emission spectra of aluminum monoxide (AlO), carbon (C2), cyanogen (CN), and titanium monoxide (TiO).
The experimental procedures include wavelength and sensitivity calibrations. Analysis of the recorded molecular spectra is accomplished by the fitting of data with tabulated line strengths. Furthermore, Monte-Carlo type simulations are performed to estimate the error margins. Time-resolved measurements are essential for the transient plasma commonly encountered in LIBS.

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Time-resolved atomic and diatomic molecular species are measured using LIBS. The spectra are collected at various time delays following the generation of optical breakdown plasma with Nd:YAG laser radiation&#160;and are analyzed to infer electron density and temperature.

測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析<sub&gt; 2</sub&gt;、CN、およびTiOスペクトラ[次のレーザー誘起光学破壊

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

工学

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions. 
Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.
The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex interactions occurring at the interface between gas-phase flames and condensed-phase fuels. The current research provides a technique to explore the dynamic relationship between a combustible condensed fuel surface and gas-phase flames in laminar boundary layers. Experiments have previously been conducted in both forced and free convective environments over both solid and liquid fuels. A unique methodology, based on the Reynolds Analogy, was used to estimate local mass burning rates and flame heat fluxes for these laminar boundary layer diffusion flames utilizing local temperature gradients at the fuel surface. Local mass burning rates and convective and radiative heat feedback from the flames were measured in both the pyrolysis and plume regions by using temperature gradients mapped near the wall by a two-axis traverse system. These experiments are time-consuming and can be challenging to design as the condensed fuel surface burns steadily for only a limited period of time following ignition. The temperature profiles near the fuel surface need to be mapped during steady burning of a condensed fuel surface at a very high spatial resolution in order to capture reasonable estimates of local temperature gradients. Careful corrections for radiative heat losses from the thermocouples are also essential for accurate measurements. For these reasons, the whole experimental setup needs to be automated with a computer-controlled traverse mechanism, eliminating most errors due to positioning of a micro-thermocouple. An outline of steps to reproducibly capture near-wall temperature gradients and use them to assess local burning rates and heat fluxes is provided.

We describe the use of micro-thermocouples to estimate local temperature gradients in steady laminar boundary layer diffusion flames. By extension of the Reynolds Analogy, local temperature gradients can be further used to estimate the local mass burning rates and heat fluxes in such flames with high accuracy.

定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.

A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated species. The synthesis approach inhibits the topochemical effect promoting rapid hydration when exposed to the relative humidity of ambient air. This stable, amorphous, nano-particle material was analyzed using differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA) and showed an exothermic energy release at low temperature (i.e., 180 &#176;C) for the transformation of I4O9 into I2O5. This additional exothermic energy release contributes to an increase in overall reactivity of I4O9 when dry mixed with nano-aluminum (Al) powder, resulting in a minimum of 150% increase in flame speed compared to Al + I2O5. This study shows that as an oxidizer, I4O9 has more reactive potential than other forms of iodine(V) oxide when combined with Al, especially if I4O9 can be passivated to inhibit absorption of water from its surrounding environment.

Reaction Kinetics and Combustion Dynamics of I4O9 and Aluminum Mixtures

A protocol for measuring flame speeds of a reactive mixture composed of tetraiodine nonoxide (I4O9) and aluminum (Al) is presented. A method for resolving reaction kinetics using differential scanning calorimetry (DSC) is also presented. It was found that I4O9 is 150% more reactive than other iodine(V) oxides.

反応速度と私の燃焼ダイナミクス<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt;とアルミニウムの混合物

Tetraiodine nonoxide (I4O9) has been synthesized using a dry approach that combines elemental oxygen and iodine without the introduction of hydrated ...

Split Point Analysis and Uncertainty Quantification of Thermal-Optical Organic/Elemental Carbon Measurements

Researchers from myriad fields frequently seek to quantify and classify concentrations of carbonaceous aerosols as organic carbon (OC) or elemental carbon (EC). This is commonly accomplished using thermal-optical OC/EC analyzers (TOAs), which enable measurement via controlled thermal pyrolysis and oxidation under specific temperature protocols and within constrained atmospheres. Several commercial TOAs exist, including a semi-continuous instrument that enables on-line analyses in the field. This instrument employs an in-test calibration procedure that requires relatively frequent calibration. This article details a calibration protocol for this semi-continuous TOA and presents an open-source software tool for data analysis and rigorous Monte Carlo quantification of uncertainties. Notably, the software tool includes novel means to correct for instrument drift and identify and quantify the uncertainty in the OC/EC split point. This is a significant improvement on the uncertainty estimation in the manufacturer&#8217;s software, which ignores split point uncertainty and otherwise uses fixed equations for relative and absolute errors (generally leading to under-estimated uncertainties and often yielding non-physical results as demonstrated in several example data sets). The demonstrated calibration protocol and new software tool enabling accurate quantification of combined uncertainties from calibration, repeatability, and OC/EC split point are shared with the intent of assisting other researchers in achieving better measurements of OC, EC, and total carbon mass in aerosol samples.

This article presents a protocol and software tool for the quantification of uncertainties in the calibration and data analysis of a semi-continuous thermal-optical organic/elemental carbon analyzer.

熱光学有機/元素炭素測定の分割点解析と不確実性定量

Researchers from myriad fields frequently seek to quantify and classify concentrations of carbonaceous aerosols as organic carbon (OC) or elemental carbon ...

環境学

Combustion Chemistry of Fuels: Quantitative Speciation Data Obtained from an Atmospheric High-temperature Flow Reactor with Coupled Molecular-beam Mass Spectrometer

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This flexible tool offers a detailed observation of chemical gas-phase kinetics in reacting flows under well-controlled conditions. The vast range of operating conditions available in a laminar flow reactor enables access to extraordinary combustion applications that are typically not achievable by flame experiments. These include rich conditions at high temperatures relevant for gasification processes, the peroxy chemistry governing the low temperature oxidation regime or investigations of complex technical fuels. The presented setup allows measurements of quantitative speciation data for reaction model validation of combustion, gasification and pyrolysis processes, while enabling a systematic general understanding of the reaction chemistry. Validation of kinetic reaction models is generally performed by investigating combustion processes of pure compounds. The flow reactor has been enhanced to be suitable for technical fuels (e.g. multi-component mixtures like Jet A-1) to allow for phenomenological analysis of occurring combustion intermediates like soot precursors or pollutants. The controlled and comparable boundary conditions provided by the experimental design allow for predictions of pollutant formation tendencies. Cold reactants are fed premixed into the reactor that are highly diluted (in around 99 vol% in Ar) in order to suppress self-sustaining combustion reactions. The laminar flowing reactant mixture passes through a known temperature field, while the gas composition is determined at the reactors exhaust as a function of the oven temperature. The flow reactor is operated at atmospheric pressures with temperatures up to 1,800 K. The measurements themselves are performed by decreasing the temperature monotonically at a rate of -200 K/h. With the sensitive MBMS technique, detailed speciation data is acquired and quantified for almost all chemical species in the reactive process, including radical species.

An investigation of the oxidative combustion chemistry of novel biofuels, fuel components, or jet fuels by comparison of quantitative speciation data is presented. The data can be used for kinetic model validation and enables fuel assessment strategies.This manuscript describes the atmospheric high-temperature flow reactor and demonstrates its capabilities.

燃料の燃焼化学: と大気の高温流動反応器から得られる定量的な種分化データ結合分子線質量分析計

This manuscript describes a high-temperature flow reactor experiment coupled to the powerful molecular beam mass spectrometry (MBMS) technique. This ...

化学

Wind Tunnel Experiments to Study Chaparral Crown Fires

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low velocity fire wind tunnel where two distinct layers of fuel were constructed to represent surface and crown fuels in chaparral. Chamise, a common chaparral shrub, comprised the live crown layer. The dead fuel surface layer was constructed with excelsior (shredded wood). We developed a methodology to measure mass loss, temperature, and flame height for both fuel layers. Thermocouples placed in each layer estimated temperature. A video camera captured the visible flame. Post-processing of digital imagery yielded flame characteristics including height and flame tilt. A custom crown mass loss instrument developed in-house measured the evolution of the mass of the crown layer during the burn. Mass loss and temperature trends obtained using the technique matched theory and other empirical studies. In this study, we present detailed experimental procedures and information about the instrumentation used. The representative results for the fuel mass loss rate and temperature filed within the fuel bed are also included and discussed.

This protocol describes wind tunnel experiments designed to study the transition of a fire from the ground to the canopy of chaparral shrubs.

風洞実験によるシャパラル クラウン火災を検討

The present protocol presents a laboratory technique designed to study chaparral crown fire ignition and spread. Experiments were conducted in a low ...

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory setups is presented. The experiments are easily repeatable compared to operational scale experiments (pool diameter &#8805;2 m), while still featuring quite realistic in situ burning conditions of crude oil on water. Experimental conditions include a flowing water sub-layer that cools the oil slick and an external heat flux (up to 50 kW/m2) that simulates the higher heat feedback to the fuel surface in operational scale crude oil pool fires. These conditions enable a controlled laboratory study of the burning efficiency of crude oil pool fires that are equivalent to operational scale experiments. The method also provides quantitative data on the requirements for igniting crude oils in terms of the critical heat flux, ignition delay time as a function of the incident heat flux, the surface temperature upon ignition, and the thermal inertia. This type of data can be used to determine the required strength and duration of an ignition source to ignite a certain type of fresh or weathered crude oil. The main limitation of the method is that the cooling effect of the flowing water sub-layer on the burning crude oil as a function of the external heat flux has not been fully quantified. Experimental results clearly showed that the flowing water sub-layer does improve how representative this setup is of in situ burning conditions, but to what extent this representation is accurate is currently uncertain. The method nevertheless features the most realistic in situ burning laboratory conditions currently available for simultaneously studying the flammability and burning efficiency of crude oil on water.

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

Here, we present a protocol to simultaneously study the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil under conditions that simulate in situ burning operations on the sea.

その場で燃焼の実験的研究のための実験: 燃焼と原油の燃焼効率

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory ...

Flame Photometry: Overview

Flame photometry, also known as flame emission spectrometry, is a technique used for the qualitative and quantitative analysis of elements present in a sample using a flame as the source of excitation energy. The concept of flame photometry was realized in the early 1860s by Kirchhoff and Bunsen, who discovered that specific elements emit characteristic radiation when excited in flames. The first instrument developed for this purpose was used to measure sodium (Na) in plant ash using a Bunsen flame. However, the challenge lay in finding the most effective way to introduce the sample into the flame. It wasn&#39;t until 1929, when Lundegardh introduced a nebulizer, that a significant breakthrough was made, allowing a reproducible introduction of the sample into the flame.
In flame emission spectrometry, the nebulizer converts a liquid sample into a fine mist or aerosol. This is achieved by passing a high-pressure gas stream over the end of a capillary tube containing the sample and aspirating it into a spray chamber. The aerosol produced is then passed to the burner, where flame heat desolvates it, forming dry particles that volatilize and produce free atoms for analysis.
Early instruments utilized quartz prism spectrographs and photographic recording to disperse and capture atomic emission lines. However, advancements in optical filters and electrical photodetectors replaced these components, improving precision and convenience.
Flame photometry involves introducing the sample solution into a nebulizer, which converts it into a fine mist or aerosol. The atomized sample then enters the flame, along with air or oxygen and a fuel gas such as propane or acetylene. The flame provides the thermal excitation necessary to energize the atoms in the sample. As these excited atoms relax, their emitted radiation is detected by a photocell or photomultiplier.
Flame photometry is particularly effective in measuring sodium, potassium, lithium, and calcium elements. The flame used in flame photometry is typically a propane-air flame with a temperature range of 1900-2000 &#176;C, although alternative flames like butane-air or natural gas-air can also be used. Flame photometry has some limitations that can be overcome by using higher temperatures and more reducing flames, such as air-acetylene, along with higher-resolution spectrometric detection. However, these approaches are not cost-competitive compared to the more broadly applicable flame atomic absorption spectrometry or AAS technique.

Flame Photometry:概要

Flame photometry, also known as flame emission spectrometry, is a technique used for the qualitative and quantitative analysis of elements present in a ...

先進ライトソースで難実験：すす生成プロセスに新たな洞察

要約

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測定と原子状水素と二原子分子のAlO、Cの分析

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

定常流境界層の拡散火炎における局所熱フラックスとバーニング料金の推定のための実験的方法論

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

反応速度と私の燃焼ダイナミクス

熱光学有機/元素炭素測定の分割点解析と不確実性定量

燃料の燃焼化学: と大気の高温流動反応器から得られる定量的な種分化データ結合分子線質量分析計

風洞実験によるシャパラルクラウン火災を検討

その場で燃焼の実験的研究のための実験: 燃焼と原油の燃焼効率

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