新X射线技术可测量火焰温度助力生产更清洁的生物燃料

了解生物燃料的燃烧动力学对于制造清洁、高效的生物燃料发动机具有重要意义。据国外媒体报道，来自美国能源部阿贡国家实验室、耶鲁大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员改进并使用X射线技术来测量燃烧过程中产生的极热且充满烟雾的火焰的温度。这项新技术可能有助于减少生物燃料发动机的排放。

开发领先生物燃料的新燃烧系统并不容易，其中一个关键障碍是精确测量生物燃料燃烧时产生的火焰温度。龚物理学家Alan Kastengren说:“温度对火焰中化学反应的速度影响很大。开发更好的燃烧模型可以让研究人员设计更好的燃烧系统，无论是内燃机还是发电系统。但是，如果模型中的温度不准确，可能无法正确预测化学反应。”

用x射线和氪原子测量温度

测量火焰温度极其困难。以前，研究人员使用激光和其他设备来评估火焰。但是，火焰中的烟雾颗粒会干扰测量。在很大程度上，X射线不受烟雾颗粒的影响，可以用来分析火焰。

在这项研究中，研究人员使用并改进了一种叫做X射线荧光的技术。首先，在空气和甲烷(天然气的主要成分)组成的火焰中引入少量氪气。这是世界各地实验室在燃烧研究中使用的标准火焰，因为氪是一种反应性极低的元素，不会改变火焰的化学性质。

接下来，在阿贡高级光子源，研究人员用高能X射线束轰击火焰。作为响应，氪原子在一个被称为荧光的过程中发射出具有独特能量的X射线。然后，该团队使用X射线光谱仪检测发射的X射线荧光的能量，从而得出氪原子的存在状态，并量化其在火焰中的密度。然后，研究小组使用理想气体定律方程来计算火焰不同部分的温度。

这个实验成功的关键是使用了APS的超亮X射线。与实验室产生的射线束相比，APS和其他设施产生的X射线束具有更高的强度和更大的集中度。

广泛用于

研究人员已经改进了通过甲烷火焰的X射线技术。这些方法也可以用于测量其他火焰的温度，包括生物燃料燃烧产生的火焰。模拟生物燃料燃烧系统火焰的模型将有助于提高精确度。更强大的模型有助于发现飞机发动机、燃气轮机和其他发电系统的新操作方法，从而提高效率和减少排放。

高级化学家罗伯特·特兰特(Robert Tranter)说:“在真正的发动机中对新燃料进行物理测试是非常昂贵的。使用精确的燃烧模型，您可以筛选燃料，并帮助确定测试时间。”

更广泛地说，这种X射线方法有助于了解基本的燃烧状态，并支持广泛的研究领域，如开发氢燃料系统，或通过火焰制造硅纳米粒子，这些技术在医学，电池和其他领域有潜在的应用。这项技术甚至有望用于燃烧研究以外的领域，支持任何需要在恶劣环境下精确测量温度的实验。

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