Entwicklung der laserinduzierten Phosphoreszenz zur Visualisierung von Temperatur- und Strömungsfeldern in Verbrennungsmotoren
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Phosphorthermometrie für Hochtemperaturanwendungen weiterentwickelt für Bedingungen, wie sie beispielsweise in Motoren, Gasturbinen oder Reaktoren der Verfahrenstechnik vorzufinden sind. Das Hauptziel war dabei die Definition und Charakterisierung neuartiger Leuchtstoffe, die auch bei hohen Temperaturen eine deutliche Steigerung der Signalintensität ermöglichen. Hierbei konnte auf die Erfahrung der Kolleginnen und Kollegen am i-MEET der FAU sowie die dort vorhandene Ausstattung für die Partikelsynthese und Charakterisierung zurückgegriffen werden, die das Projekt unterstützten. Bei der Leuchtstoffentwicklung wurden große Fortschritte gemacht. Insgesamt zeigte sich, dass die Wechselwirkung des kristallinen Wirtskristalls mit dem Aktivatorion ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung von thermographischen Leuchtstoffen ist. Einige Wirtskristalle, insbesondere (Gd,Lu)AG:Dy, YAG(BN):Dy und YAP:Dy wiesen im Vergleich zum Referenzphosphor YAG:Dy deutliche Verbesserungen in ihren Lumineszenzeigenschaften auf. Die Absolutintensität wurde auch bei hohen Temperaturen gesteigert bei gleichzeitiger Reduzierung der Abklingzeit, wobei die Temperatursensitivität ähnlich ist. Insbesondere hat der neu definierte thermographische Phosphor (Gd,Lu)AG:Dy ein großes Potential, die Grenzen der Messtechnik in der Gasphase zu höheren Maximaltemperaturen zu verschieben. Die kommerzielle Verfügbarkeit einer größeren Menge dieser Leuchtstoffe war leider zum Zeitpunkt des Projektabschlusses noch nicht gegeben. Eine neu geschaffene Hochtemperaturkalibrierzelle konnte genutzt werden für die Erweiterung des Kalibrierbereichs, was für den Leuchtstoff YAG:Dy,Er erfolgreich durchgeführt wurde. Der kalibrierte Temperaturbereich liegt nun etwas höher als für BAM:Eu und LuAG:Ce, welche am häufigsten für die Phosphorthermometrie in der Gasphase und in dem Temperaturbereich eingesetzt werden. Auch der neu identifizierte und charakterisierte Leuchtstoff SCASN:Eu deckt den Temperaturbereich bis 800 K ab und bietet v.a. aufgrund seines Anregungsspektrums für die Anwendung in Mehrphasenströmungen zahlreiche Vorteile gegenüber allen anderen hier diskutierten und bisher etablierten thermographischen Phosphoren. Auch die Methode der Abklingzeit sollte zukünftig für diesen Leuchtstoff in Betracht gezogen werden, da sie ebenfalls eine hohe Temperatursensitivität erwarten lässt. Mögliche Folgeuntersuchungen müssen für eine noch eindeutigere Vergleichbarkeit der Leuchtstoffe untereinander eine partikelbasierte Messung von Absorptionsquerschnitten und Quantenausbeuten umfassen. Hierzu sind dispergierte Partikeln erforderlich, da es in Schüttungen zu Quereinflüssen kommen kann. Hier ist auch insbesondere die Morphologie und Partikelgröße zu berücksichtigen, welche das Absorptionsverhalten und aber auch die Streuung des Signals stark beeinflusst. Vor diesem Hintergrund sind im ersten Schritt Syntheseprozesse zu verbessern, um die Partikeleigenschaften vergleichbarer zu machen und v.a. größere Mengen zu synthetisieren. Weitere Entwicklungsschritte sollten die systematische Partikelsynthese umfassen und auch andere Anwendungen der Messtechnik in reaktiven Strömungen wie verfahrenstechnische Reaktoren zum Inhalt haben. Die neu entwickelten Leuchtstoffe sind prinzipiell auch für die Bestimmung der Oberflächentemperatur bzw. auch der Flüssigphasentemperatur (hier v.a. mit SCASN:Eu) im mittleren Temperaturbereich einsetzbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Synthesis and photoluminescent properties of the Dy3+ doped YSO as a high-temperature thermographic phosphor, Journal of Luminescence 197 (2018), 23-30
L. M. Chepyga, E. Hertle, A. Ali, L. Zigan, A. Osvet, C. J. Brabec, M. Batentschuk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.12.072) - Temperature-dependent luminescence characteristics of Dy3+ doped in various crystalline hosts, Journal of Luminescence 204 (2018), 64-74
E. Hertle, L. Chepyga, M. Batentschuk, S. Will, L. Zigan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.07.032) - (Gd,Lu)AlO3:Dy3+ and (Gd,Lu)3Al5O12:Dy3+ as high-temperature thermographic phosphors, Measurement Science and Technology 30 (2019), 034001
E. Hertle, L. Chepyga, A. Osvet, C. J. Brabec, M. Batentschuk, S. Will, L. Zigan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6501/aafcac) - Characterization of the phosphor (Sr,Ca)SiAlN3: Eu2+ for temperature sensing. Journal of Luminescence 226 (2020) 117487
E. Hertle, J. Bollmann, S. Aßmann, V. Kalancha, A. Osvet, M. Batentschuk, S. Will, L. Zigan
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117487)
