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ICCD应用—液体温度场分布及流速分析

光致发光(Photoluminescence,简称PL)是冷发光的一种,指物质吸收光子(或电磁波)后重新辐射出光子(或电磁波)的过程。从量子力学理论上,这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态,同时放出光子的过程。光致发光可按延迟时间分为荧光(Fluorescence)和磷光(Phosphorescence)。

荧光是电子由第一激发态单线态的最低振动能级跃迁到基态单线态的任一振动能级而发射的光量子,激发光停止照射后,荧光立即消失;而磷光是由第一电子激发态三线态的最低振动能级跃迁到基态单线态任一振动能级发射的光量子,当激发光停止照射后,磷光仍将延续一段时间。磷光能量比荧光小,波长比荧光长,同时磷光寿命也比荧光寿命长。荧光寿命一般维持在ns级,而磷光寿命一般能在ms甚至到s级。

荧光和磷光的强度及寿命的观测越来越多的用于物质性质检测中,比如定量分析液体中温度分布及流速等,常用的有激光诱导荧光法(LIF),基于强度比的LIF(两种荧光染料LIF),分子标记技术(MTV)等。例如MTV技术中,需要通过拍摄连续两张图像强度来计算磷光寿命,再进行温度与寿命关系的标定,从而分析液体的温度分布。其中需要用到高灵敏度及极短曝光时间的相机。而ICCD的高灵敏度及短曝光PIV模式下弱光的探测等能力能够极好的达到实验要求。其原理如下图:


图1磷光生命周期中,δt 门控时间内ICCD拍摄磷光强度原理图


图2   ICCD用于观测磷光(荧光)图像及强度分析装置图


图3 流体温度与磷光寿命标定实验结果


图4    ICCD  PIV模式下拍摄的流体中不同温度分布处磷光强度图

分幅相机:Dicam C4系统及主要参数如下:



型号 Dicam C4
快门 3 ns
分辨率 2048×2048
像元尺寸 6.5μm×6.5μm
帧频 25
接口 USB 3.0
波长响应范围 160—1300nm
最高量子效率 大于60%
制冷温度 5℃(风冷)
空间频率 76.9lp/mm
门控时间控制精度 10 ns
最大图像数 8 幅
多次曝光频率 2 MHz
A/D动态范围 16 bit