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

この手順の全体的な目標は、実験室規模の炭化水素炎の化学組成を分析し、燃焼環境でのそのような形成について詳細な理解を深めることです。これは、最初に約20〜80ミリバールの減圧下でバーナー安定化予混合火炎を確立することによって達成されます。2番目のステップは、これらの炎からガスを引き出し、真空紫外光イオン化を備えた特注の飛行時間質量分析計を使用して、サンプリングされた種の化学的同一性を決定することです。

次に、これらの種の濃度は、バーナーからの距離の関数として決定されます。最後のステップは、同様のアプローチを使用して、ガス相形成プロセスの結果である粒子として発生する燃焼の化学組成を研究することです。最終的には、真空紫外による火炎サンプリング質量分析です。

光イオン化は、共鳴安定化ラジカルが重要な中間体であり、1つの単純なメカニズムで観察されたすべてのすす成分を説明できるわけではないことを示すために用いられます。この方法は、燃焼プロセスに関する洞察を提供するだけでなく、大気化学、分子動力学、動力学などの研究にも使用できます。まず、アルゴンヌの1分あたり1リットルの流れと、バーナー表面を通る酸素の1分あたり1.5リットルの流れを確立し、火炎チャンバー内の圧力を80ミリバールに保ちます。

ホットワイヤーイグナイターをバーナーの表面の上に置きます。その後、水素の流量を毎分0.4リットルに設定し、点火後すぐに点火装置を作動させます。ホットワイヤーイグナイターの電源を切り、バーナーから離して再配置します。

次に、アルゴンヌの酸素、水素、燃料の望ましい流れを確立します。イオン化チャンバー内の圧力がマイナス6ミリバールの10以下の場合、通常は20〜40ミリバールのターゲットフレームの条件に一致するように圧力を調整します。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きます。

ラボビューデータ収集プログラムの一般インターフェースviを開始し、ソフトウェアのモータータブを使用してバーナーを目的の位置に移動します。これに続いて、[一般]タブを使用して、スキャンパラメータまたは光子エネルギーの電子ボルトあたりのステップ数を定義します。これに続いて、[A LS]タブを使用して、フォトン エネルギーを目的の開始値に設定し、[P 78 86]タブでアクティブにする a LS エネルギーを定義します。

パラメータの設定ボタンを使用して、スイープの数、ビンの数、およびビン幅を設定します。次に、有効なファイルパスと名前を入力し、[開始]をクリックしてコンピュータ制御データ集録プロセスを開始します。バーナースキャンの取得には、エネルギースキャンの場合と同様に、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ます。

ビームラインバルブを開き、光子ビームをチャンバー内に通します。LabVIEWデータ集録プログラムの一般インタフェースviを開いた後、モータタブの下にあるジョガーを使用して、バーナーの表面をサンプリングコーンにできるだけ近づけ、その位置を原点として定義します。次に、アクティブにするモーターを定義します。

「一般」タブを使用して、スキャンパラメータまたはバーナー移動のミリメートルあたりのステップ数を定義します。次に、[a LS] タブを使用して、光子エネルギーを目的の値 (通常は P 78 86 タブの 8 から 16.65 電子ボルト) に設定します。パラメータ設定ボタンを使用してサブバーチャルインストゥルメントを開始し、各バーナー位置で互いに重ねるスイープの数またはマススペクトルの数、ビンの数、およびビン幅を設定します。

その後、有効なファイルパスと名前を入力し、[開始]をクリックして、エアロゾル実験の対流炎のRAAが使用される自動データ収集プロセスを開始します。まず、火炎室にアルゴンを充填し、圧力を約860ミリバールまで上げます。2つのバーナー出口のほぼ中央にイグナイターコイルを再生します。

酸化剤の流れを酸素の場合は毎分0.3リットル、アルゴンの場合は毎分1.6リットルに設定し、アルゴンの場合は酸化剤の流れのCOフローを毎分2.5リットルに設定します。次に、燃料の流れを水素の場合は毎分0.3リットル、アルゴンの場合は毎分2.5リットルに設定し、燃料の流れは毎分2.5リットルに流れます。アルゴンの場合は、水素バルブと酸素バルブを開き、すぐにイグナイターコイルのスイッチを入れます。

炎が点火したら、イグナイターコイルをオフにして引っ込めます。この時点で、酸素、アルゴン、および燃料の望ましい流れを確立します。水素の流れを止め、圧力と反応物出口の分離を希望の値に設定します。

ターゲットの炎用。エアロゾル質量分析計のイオン光学系と検出器に適切な電圧を印加します。次に、ラボビューデータ取得プログラムの一般インターフェース対向フローviを開きます。

モータータブのジョガーアプリケーションを使用して、対向フローバーナーを平行移動し、石英微生物が燃料ストリーム出口に最も近い位置にくるようにします。この位置で、モーターのステップ位置をゼロにリセットします。これに続いて。

クォーターターンボールバルブをゆっくりと開き、火炎サンプリングラインから空力レンズまたはDLシステムへの流れを可能にします。A DLの出口の圧力が、負の2ミリバールの1×10に近いことを確認します。[一般]タブを使用して、スキャンパラメータ、またはバーナーの動きまたは光子エネルギーのミリメートルあたりのステップ数を定義します。

[a LS]タブを使用して目的の光子エネルギーを設定し、[モーター]タブを使用してバーナーを目的のバーナー位置に移動します。次に、P 78 86タブとその中のパラメータ設定ボタンを使用します。取得パラメータを設定するには、モーターまたはLSエネルギーをアクティブに定義します。

適切なフィールドに有効なファイルパスと名前を挿入し、[開始]をクリックしてエアロゾル質量スペクトルを取得します。ここには、低圧プレミックスバーナーからの火炎サンプリングガスの典型的な質量スペクトルが示されています。シグナルに寄与する種の同一性は、各マスター電荷比のフレームサンプリングされた光イオン化効率またはPIE曲線、および既知の異性体特異的イオン化エネルギーおよびPIE曲線との比較によって明らかになります。

ここでは、フレームサンプリングされたPIEカーブの典型的な例を示します。マスターチャージ率が 39 と 41 の場合。データは、ストイアメートル法のプロパン炎から取得されます。

このシグナルは、その特性的なイオン化閾値によって明確に識別され、安定化されたアリアルおよび対立遺伝子ラジカルに由来します。多くのマスター電荷比値では、複数の閾値を観察することで、複数の異性体が日常的に同定されます。多くの例が文献で広く議論されています。

たとえば、マスター電荷比は、アレンとプロパンの場合は40、エタノールとアセトアルデヒドの場合は44、1の場合は54、ブタジエンは3つ、ブタンは1つ、ブタンは2つ、フリンとベンゼンは78に等しくなります。異性体の組成が判明すると、さまざまな光子エネルギーで、炎のさまざまな位置からマススペクトルが取得され、個々の種の異性体特異的なモル分率プロファイルを決定できるようになります。バーナー表面からの距離の関数として、低圧プレミックスバーナーからのSTO幾何学的プロパン炎中のフューリンとベンゼンの代表的なモル分率プロファイルをここに示します。

各炎について、通常、科学的な目標に応じて、マスター電荷比が1に等しいものからマスター電荷比が78以上に等しいものまで、合計40〜50の個々のモル分率プロファイルが決定されます。次に、これらのモル分率プロファイルを使用して、燃焼化学モデルの予測能力を評価し、それらを検証します。典型的なエアロゾルの質量スペクトルがここに示されていますが、プロパン対向流拡散火炎イオン信号内から採取されたものは、マスター電荷比が150〜600の範囲で、ピークが約202の種で観察されました。

マススペクトルで観察されたすべての種を特定したり、それらの可能な形成経路を解明したりすることは、現在の実験能力を超えています。パスウェイは、説明したように、燃料出口からの距離の関数としてそのようなマススペクトルを取り、空間的に解決されたプロファイルを提供します。ここでは、質量電荷比が256に等しい場合の代表的な例を示します。他のどの種についても同様のプロファイルを取得できるため、任意の燃焼化学モデルの検証ターゲットとして使用できます。

習得すれば、熟練したオペレーターはこの技術を使用して、わずか数時間以内に火炎データの完全なセットを記録できます。