一种测量燃烧火焰温度的新 X 射线技术将产生更清洁的生物燃料。

了解生物燃料（由植物、藻类或动物粪便制成的燃料）的燃烧动力学对于制造清洁、高效的生物燃料动力发动机至关重要。这些动态的一个重要驱动因素是温度。

来自美国能源部 (DOE) 的阿贡国家实验室、耶鲁大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家们已经改进并使用了 X 射线技术来测量燃烧产生的极热、充满煤烟的火焰中的温度。这种测量在历史上一直具有挑战性。这项新技术将有助于减少生物燃料发动机的排放。该研究发表在《科学进展》上。

测量和模拟碳烟甲烷/空气火焰中的氪数密度。(A) 与 (B) 具有相同空间尺度的火焰照片。(B) 整个火焰中的实验（左）和模拟（右）氪数密度的图像图。(C) 在燃烧器 (HAB) 上方几个高度处氪数密度的径向分布。测量的误差条由灰色阴影区域表示。收集 2D 数据的总时间：2 小时。图片来源：Matthew J. Montgomery 等人，Science Advances (2022)

生物燃料需要优化

减少因化石燃料燃烧而产生的温室气体和其他污染物的排放将需要对能源系统进行重大变革。美国能源信息署报告称，全球有超过 10 亿辆化石动力汽车，预计传统汽车数量将在 2038 年达到顶峰。

同时，先进、清洁燃烧的生物燃料可能有助于减少污染物。对于飞机、轮船和其他重型车辆来说尤其如此，这些车辆仍然难以用当前技术实现电气化。

但是为先进的生物燃料开发新的燃烧系统并非易事。一个关键的障碍是准确测量生物燃料燃烧产生的火焰温度。温度是研究人员用来模拟燃烧火焰及其排放的模型中的关键输入。

“温度对火焰中的化学反应速率有很大影响，”该研究的作者之一、阿贡的物理学家艾伦·卡斯滕格伦说：“如果模型没有准确的温度，他们可能无法正确预测化学反应。更好的燃烧模型允许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。”

采用 X 射线和氪原子测量温度

测量火焰温度非常困难。研究人员此前曾使用激光和其他设备来评估火焰。然而，火焰中存在的烟灰颗粒会干扰它们测量温度的能力。

X 射线在很大程度上不受烟尘颗粒的影响，因此另一种可能性是使用 X 射线束进行火焰分析。阿贡、耶鲁和宾夕法尼亚州立大学的研究人员使用并改进了一种称为 X 射线荧光的技术。该技术涉及几个步骤。首先，他们将少量气体氪引入由空气和甲烷（天然气的主要成分）组成的火焰中。这是世界各地的实验室在燃烧研究中使用的标准火焰。氪是一种反应性极低的元素，因此它不会改变火焰的化学性质。

接下来，在美国能源部科学办公室用户设施阿贡的高级光子源 (APS) 中，研究人员用高能 X 射线束轰击火焰。作为回应，氪原子在称为荧光的过程中释放出具有独特能量的 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。这使研究人员能够绘制氪原子的存在图并量化它们在整个火焰中的密度。然后，该团队使用与温度和密度相关的理想气体定律等式计算了火焰不同部分的温度。

实验成功的一个关键是在 APS 使用超亮 X 射线束。由 APS 等设施产生的 X 射线束比在实验室中产生的光束具有更大的强度和更集中的光束。

“实验室规模的 X 射线源有点像灯泡。X 射线束向各个方向发射，”Kastengren 说：“使用同步加速器，X 射线束都朝着同一个方向前进。这使我们更容易有效地使用光束来测量与火焰的相互作用。”

应用该技术的多种方法

虽然研究人员使用甲烷火焰改进了 X 射线技术，但这些方法可用于测量其他火焰的温度，包括生物燃料燃烧产生的火焰。这有助于提高用于模拟生物燃料燃烧系统中火焰的模型的准确性。更强大的模型可能有助于发现操作飞机发动机、燃气轮机和其他能源产生系统的新方法，从而提高效率并降低排放。

“想象一下将飞机从标准燃料转换为可持续航空燃料，”阿贡高级化学家、该研究的作者罗伯特·特兰特说：“您需要了解该开关对发动机燃烧特性的影响，以确保其正常运行。在现实世界的发动机中对新燃料进行物理测试非常昂贵。准确的燃烧模型可以筛选燃料以帮助确定何时使用做那些测试。”

更广泛地说，X 射线方法可以促进对燃烧基本方面的理解，支持广泛的研究领域。例如，他们可以为开发燃烧氢气产生能量的系统提供信息。他们可以帮助研究使用火焰来制造硅纳米粒子，这在医学、电池和其他领域具有潜在的应用。

该技术甚至可以应用于燃烧研究之外。它可以潜在地支持任何需要在恶劣环境中进行精确温度测量的实验室实验。

“我们总是遇到研究人员需要精确温度测量的不同系统，”Tranter 说：“我们愿意与他们合作。”

除了 Kastengren 和 Tranter，作者还有耶鲁大学的 Matthew J. Montgomery；Hyunguk Kwon，宾夕法尼亚州立大学；耶鲁大学的丽莎 D. Pfefferle；特拉维斯赛克斯，阿贡；宾夕法尼亚州立大学的袁轩和耶鲁大学的查尔斯·S·麦肯纳利。