4.3 Discrimination des signaux de LIF, d’émission et de diffusion laser
Nous avons pris soin de séparer la fluorescence de l’émission propre de la flamme (sans laser) et de la diffusion du laser par les particules (Mie, Rayleigh). La Figure 4.7 présente trois essais diffé-rents de combustion du butalane (0b) réalisé à 3 bar :
• Dans la flamme avec laser en résonnance avec la raie 2 de l’aluminium, on observe le signal diffus des nanoparticules d’aluminium. Les points rouges disséminés dans l’image corres-pondent à la fluorescence intense émise par les gouttes d’aluminium fondues (plusieurs centaines de microns). Laser Intensif Objectif Optiques Enceinte Chamade Accès laser CO2
• Dans la flamme avec laser hors résonnance, ces agglomérats n’émettent pas, ce qui prouve que la diffusion de Mie est bien éliminée dans la bande à 394 nm (Δλ = 87 nm).
• Le niveau de signal dans la flamme sans laser est équivalent à celui avec le laser hors réso-nance. Le seul bruit est donc dû à l’émission propre de la flamme qui est négligeable (à 3 bar), le rapport Fluorescence/émission étant supérieur à 30.
Figure 4.7 Comparaison des images instantanées (non corrigées), obtenues lors de trois essais de combus-tion d’échantillons de butalane (0b) chargée en nano et micro particules d’aluminium à P= 3 bar. La
dyna-mique de signal est de 0-700 coups. Le laser vient de la droite.
De la comparaison de ces trois images, on en déduit que le signal observé à 3 bar avec le laser ré-sonnant résulte de la fluorescence de l’aluminium.
Lorsque la pression augmente, l’émission devient non négligeable : elle s’amplifie d’un facteur 150 entre 3 et 10 bar. Il n’est alors plus possible de comparer la fluorescence et l’émission en faisant deux essais, un essai avec laser (LIF + émission) puis sans laser (émission), car la structure de flamme est très turbulente. C’est particulièrement le cas pour le butalane (08), à cause des parti-cules chaudes éjectées de la surface de façon aléatoire.
On décide donc de fixer la cadence du laser à 5 kHz et celle de l’acquisition à 10 kHz pour enregis-trer une image sur deux sans laser. De cette façon, deux images consécutives (espacées de 100 µs) sont comparées pour mesurer le rapport signal sur fond (SNR) car en 100 µs, la flamme évolue peu (comme on le verra par la suite). La mesure LIF à 10 kHz serait possible avec deux caméras syn-chronisées positionnées face à face (l’enceinte CHAMADE possède deux hublots en vis-à-vis), l’une
Deux images séparées de 100 µs, sans et avec laser, sont présentées Figure 4.8 dans le cas du pro-pergol chargé en nano- et microparticules Al à 10 bar. On mesure ainsi le rapport signal sur bruit dû à l’émission de la flamme (SNR). Comme la flamme est très diffuse et compte tenu du bref délai entre les images (100 µs), on peut soustraire l’émission de l’image (LIF + émission) pour obtenir uniquement une image LIF corrigée (Figure 4.8).
Figure 4.8 Comparaison des images instantanées (i) d’émission (ii) LIF + émission (iii) LIF corrigée, obtenues avec un délai de 100 µs sur un échantillon de butalane (0b) chargée en nano et micro particules
d’aluminium à P= 10 bar. La dynamique de signal est de 0-2500 coups.
Comme on peut le voir, la répartition radiale est assez symétrique à 3 bar (Fig. 1.4) alors qu’à 10 bar, le signal se concentre sur le bord droit de la flamme, par où arrive le laser. Nous expliquons cette inhomogénéité (également observée à 8 bar) par l’atténuation de l’énergie de la nappe au travers de la flamme lorsque la densité est plus forte. Cet effet causé par l’atténuation du laser a déjà été observé sur les images LIF de la nacelle à 53 mbar de N2 dans l’enceinte cube (partie 5.1). Sur l’image de droite de la Figure 4.8, dans la zone de signal maximal, avant que le faisceau laser ne soit atténué, le signal est important avec un SNR de 34. Au centre de la flamme, le SNR est de 5. Le signal s’atténue d’un facteur 7 sur 1 mm. Cela indique une forte concentration d’atomes Al dans cette flamme, probablement bien supérieure à 1012 atome.cm-3. Sur le fond de signal diffus causé par le nuage de nanogouttelettes, on observe quelques points très intenses (indiqués par des ronds rouges sur la Figure 4.8) qui marque la présence de grosses gouttes/agglomérats d’aluminium en fusion.
Rappelons que l’image en émission propre de la flamme, (Figure 4.8 gauche) est filtrée à 394 nm pour détecter la fluorescence de l’aluminium. L’origine de l’émission est donc une question impor-tante. Elle peut provenir de plusieurs sources :
• De l’émission des gaz chauds • De l’incandescence des particules
• De l’émission des atomes Al excités par des phénomènes intrinsèques à la combustion du propergol (excitation thermique, collisions, chimiluminescence, etc.).
Une étude préalable en spectroscopie d’émission a permis de quantifier l’émission du doublet Al sur le continuum d’émission. La Figure 4.9 montre les raies d’émission de Al pendant la combus-tion d’un échantillon de butalane (0b) à 10 bar (mêmes condicombus-tions que Figure 4.8). Dans la bande du filtre passe-bande (390-399 nm à mi-hauteur), le doublet de l’aluminium émet (1,1 105) sur un continuum d’émission important (9 104). Le ratio est de 1,22 pour cette expérience réalisée avec une caméra intensifiée.
Sur la Figure 4.8 (gauche), la contribution dominante (SNR = 10 par rapport au bruit de la caméra à 10 bar) est donc bien l’émission propre de la flamme, qui est aussi caractérisée par sa répartition spatiale très homogène (image de gauche).
Figure 4.9 Spectre d’émission moyenné à 10 bars d’une flamme de butalane (0b).
L’avantage d’utiliser la LIF de Al par rapport à la spectroscopie d’émission dans ce type de flamme est bien démontré : son SNR est bien meilleur sur les images (ii) et (iii) (entre 10 et 100).
L’émission de la flamme chargée en grosses particules d’aluminium (butalane 08) à 12 bar est bien plus intense (Figure 4.10). Avec cette butalane, on observe un plus grand nombre de gouttes/agglomérats (points brillants) que dans la flamme avec des particules ultrafines (plus dif-fuse globalement). En comparant les deux images, on localise le surplus de signal due à la fluores-cence sur 5 zones très intenses (entouré par des ronds rouges, dans la Figure 4.10) correspondant
de tailles des particules centrée à 60 µm est cependant large. En conséquence, il n’est pas possible de distinguer gouttes et agglomérations uniquement sur la taille de la fluorescence. La fluores-cence émise par certaines de ces gouttes/agglomérats a une forme de croissant de lune. Cette forme s’explique sans doute par l’absorption du laser dans une goutte (ronde) très dense en atomes.
Figure 4.10 Comparaison des images instantanées (non corrigées) de signal d’émission et LIF (100 µs plus tard) obtenues lors de la combustion d’un échantillon de butalane (08) chargée en particules d’aluminium
de 60 µm à P= 12 bar. La dynamique de signal est de 0-3000 coups