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來(lái)自隆德大學(xué)（Lund University）的研究團(tuán)隊(duì)使用雙光子激光誘導(dǎo)熒光影像技術(shù)記錄X射線的吸收進(jìn)行觀察和量化原子的噴霧過(guò)程。高對(duì)比度的熒光照片可以提供非常驚喜的噴霧結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息和最大程度的減少了自多個(gè)光源散射所造成的模糊。而且X射線影像則可以對(duì)液相是如何分布的進(jìn)行定量。汽車交通工具，輪船和飛機(jī)的引擎中液態(tài)燃油的噴霧是很難使用常規(guī)的光照來(lái)進(jìn)行可視化的觀察的，這是因?yàn)槌砂偕锨У男∫旱问沟霉庠诟鱾€(gè)方向上進(jìn)行散射。

實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖

圖解：一個(gè)X射線相機(jī)來(lái)探測(cè)傳播的X射線，而此時(shí)CMOS相機(jī)同時(shí)記錄自雙光子激發(fā)源產(chǎn)生的熒光

噴霧過(guò)程中液體的量可以通過(guò)探測(cè)X射線穿過(guò)通過(guò)液體的量來(lái)進(jìn)行測(cè)量。然而，這一辦法的測(cè)量只能通過(guò)大量的同步加速器來(lái)產(chǎn)生X射線，而這些同步加速器在世界范圍內(nèi)只有少數(shù)的裝置能夠滿足。研究人員通過(guò)發(fā)展一個(gè)桌面型的激光-等離子體加速器來(lái)產(chǎn)生X射線來(lái)定制產(chǎn)生高分辨率，時(shí)間分辨率的X射線影像來(lái)克服這一障礙。

影像的結(jié)果及其對(duì)比

在激光-等離子體加速器中，X射線的產(chǎn)生是通過(guò)聚焦的強(qiáng)烈的飛秒激光脈沖進(jìn)入到氣體或者預(yù)制等離子體中實(shí)現(xiàn)的。研究人員同時(shí)使用這些飛秒激光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)雙光子熒光影像。

來(lái)自隆德大學(xué)的研究人員發(fā)展了一個(gè)影像技術(shù)，可以提供前所未有的原子霧化的影像，原子霧化主要是指液體燃料燃燒之前的一個(gè)霧化過(guò)程。圖片（自左邊開(kāi)始）分別為 Kristoffer Svendsen博士生，博士后研究人員Diego Guénot，燃油燃燒研究小組的負(fù)責(zé)人Edouard Berrocal，原子物理研究小組的負(fù)責(zé)人Olle Lund以及博士生Jonas Bjrklund Svensson。

盡管他們的體積比同步加速器要小，新的激光加速器產(chǎn)生的X射線剛好處于液體和吸收的能量范圍，可以使用飛秒脈沖進(jìn)行傳輸，并優(yōu)雅的將噴霧的動(dòng)態(tài)圖像捕捉下來(lái)，研究人員 Olle Lundh 說(shuō)到，同時(shí)，X射線通量足夠高以至于可以在大面積的區(qū)域產(chǎn)生較好的信號(hào)。

研究人員使用一個(gè)800 mJ的激光脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間38 fs 來(lái)產(chǎn)生一個(gè)X射線光束，可以得到汽車加油嘴產(chǎn)生的水射流所投射的影像。高對(duì)比度的熒光影像的結(jié)果可以提供噴霧結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，且由于散射所造成的模糊非常少，同時(shí)結(jié)合液體的質(zhì)量可以從X射線影像中進(jìn)行提取。

相對(duì)大的區(qū)域的雙光子影像需要更高的能量，更短的激光脈沖，研究人員Edouard Berrocal說(shuō)到，我們使用一個(gè)強(qiáng)烈的飛秒激光脈沖來(lái)產(chǎn)生X射線這一事實(shí)意味著我們可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)X射線和雙光子熒光影像，依據(jù)Berrocal的結(jié)果，同時(shí)使用這兩種影像形態(tài)在較大的視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行影像觀察在以前從來(lái)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)。

為了測(cè)試這一技術(shù)的有效性，研究人員利用產(chǎn)生的X射線和在X射線相機(jī)前放置噴霧進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)噴霧可以清晰采用這一方法觀察到的時(shí)候，研究人員修改了實(shí)驗(yàn)裝置并增加了2個(gè)雙光子影像組件。使用這一組合的技術(shù)可以獲得汽車燃油噴射器所產(chǎn)生的水射流噴霧的圖像，且測(cè)量結(jié)果高度敏感，同時(shí)這一靈敏度是通過(guò)巨大的同步輻射X射線源所不能比擬的。

這一影像技術(shù)將使得研究噴霧會(huì)變得更加簡(jiǎn)單，不管是對(duì)科學(xué)研究還是工業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)均非常有用，這是因?yàn)樗麄儗?huì)使得實(shí)驗(yàn)得以實(shí)施，不僅可以在為數(shù)不多的同步加速器的設(shè)施中進(jìn)行實(shí)施，也可以 通過(guò)全世界范圍內(nèi)的種類繁多的激光-等離子體加速器實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，研究人員Diego Guénot說(shuō)到。

研究人員計(jì)劃將這一技術(shù)拓展到獲得噴霧過(guò)程中的3D影像中，并研究他們是如何隨著時(shí)間而演變的。他們同時(shí)打算將這一技術(shù)應(yīng)用到更富挑戰(zhàn)性的噴霧中，諸如生物柴油或乙醇直噴中，以及用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的噴霧系統(tǒng)中。在不久的將來(lái)，新的辦法將會(huì)應(yīng)用于表征噴霧和幫助科學(xué)家更好的理解液體霧化的物理本質(zhì)。

這一研究成果發(fā)表在期刊《Optica》上。

文章來(lái)源：Simultaneous laser-driven x-ray and two-photon fluorescence imaging of atomizing sprays，D. Guénot, K. Svendsen, J. Bjrklund Svensson, H. Ekerfelt, A. Persson, O. Lundh, and E. Berrocal，Optica Vol. 7, Issue 2, pp. 131-134 (2020)