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NCN absorption cross section determination; Re-assessment of the zero-pressure radiative lifetime measurements

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-03070425

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03070425

Submitted on 15 Dec 2020

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NCN absorption cross section determination;

Re-assessment of the zero-pressure radiative lifetime measurements

Nathalie Lamoureux, Sebastian Hesse, Nancy Faßheber, Gernot Friedrichs, Pascale Desgroux

To cite this version:

Nathalie Lamoureux, Sebastian Hesse, Nancy Faßheber, Gernot Friedrichs, Pascale Desgroux. NCN

absorption cross section determination; Re-assessment of the zero-pressure radiative lifetime measure-

ments. Gordon conference, Laser Diagnostics, Jun 2019, Les Diablerets, Switzerland. �hal-03070425�

(2)

NCN absorption cross section determination; 

Re‐assessment of the zero‐pressure radiative lifetime measurements

Nathalie Lamoureux 1 , Sebastian Hesse 2 , Nancy Faßheber 2 , Gernot Friedrichs 2 and Pascale Desgroux 1

Gordon conference, Laser diagnostics, Les Diablerets, Swiss, June 2019

1 – University of Lille, CNRS, URM8522 ‐ PC2A Physicochimie des Processus de combustion et l’atmosphère, F‐59000 Lille, France 2 – Christian Albrechts University, Institute of Physical Chemistry, Kiel, Germany

Experimental Approach

Results Motivations and Objectives

Radiative lifetime measurements of 

3

NCN using a picosecond laser

□ Constant gas flow rate of NCN 3 (1 ppm diluted in Ar).

□ Total pressure was increased by increasing the gas flow rate of Ar.

□ Gas flow rate was adjusted at each pressure in order to have a complete renewal of the gas mixture every second.

Excimer ps laser

329 nm

f = 75 mm f = 200 mm

Gas mixture port

NCN

3

synthesis

□ Cyanogen azide (NCN 3 ) served as NCN source

□ NCN 3 (extremely explosive) synthesis from  NaN 3 and BrCN

□ Product characterisation by FTIR

NCN

3

decomposition

1 NCN is generated from the 193 nm excimer  laser photolysis of NCN 3 , followed by collision  induced intersystem crossing (CIISC) forming 

3 NCN

NCN 3 + h  NCN( 1 ) + N 2 NCN( 1 ) + M  NCN( 3 ) + M

□ [ 3 NCN] = [ 1 NCN] 0 was assumed after a delay time of 400 ‐ 1000 µs. (Dammeier et al., Int. J. Chem. 

Kin. 45 (2013))

NCN 3 diluted in Ar was introduced into the reactor at  298 K and low pressures (p < 10 mbar). 

Methods Smith et al. JCP (1989) Present work NCN(

3

) source Microwave discharge flow 

tube of CF

4

in N

2

NCN

3

photolysis with a 193 nm  wavelength radiation Laser excitation

at 329.13 nm

10 ns pulse length, 0.3 cm

‐1

bandwidth 35 ps pulse length, 3.5 cm

‐1

bandwidth Bath gases Xe, NO, NO

2

, CO, O

2

, N

2

O, Kr, 

SF

6

, Ar Ar

Collection at 

329 nm Boxcar Fast PMT (rise time 1.5 ns), oscilloscope  12 bit vertical resolution, 1 GHz Radiative 

lifetime 183 6 ns  183.3 3.5ns

Quenching rate 

in Ar 1.2 10 m

3

s

‐1

3.6 10 m

3

s

‐1

Acknowledgements

This work is a contribution to the CPER research project CLIMIBIO. The authors thank the French Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, the Hauts de France Region and the European Funds for Regional Economical Development for their financial support to this project.

3

NCN fluorescence lifetime

□ Excitation of  3 NCN by using the ps‐laser at  = 329.1 nm.

3 NCN fluorescence lifetime collected at 329 nm by fast PMT.

5.490 10

6

1 183.3 ns

Summary

Conclusion and Outlook

3 NCN fluorescence lifetimes could be measured down to pressures of p = 1 kPa.

• Measurements confirmed the value of  = 183 ns measured by Smith et al., hence the previously used  lifetime is not the reason for the disagreement in the NCN absorption cross section.

• We also could not identify potential collisionless intersystem crossing processes from  3 NCN to  1 NCN that  may have interfered with the lifetime measurements.

• NCN yield from the NCN 3 decomposition needs to be reassessed.

• Analysis of new shock tube measurements for NCN absorption cross section are in progress. 

Aim

Measurement of absolute NCN concentrations in flames by CRDS.

Species concentration of NCN can be determined from the absorbance A and the absorption cross section    NCN 

Determination of the absorption cross‐section

From spectral simulations and the experimental radiative lifetime

Temperature dependent simulation of the absorption spectrum using PGOPHER  (Western, JQSRT 186 (2017))

Excitation LIF spectra recorded at room temperature  (Smith et al. , J. Chem. Phys. 91 (1989))  and 1660 K  (Lamoureux et al.,  Combust. Flame 160 (2013))

Absorption spectrum recorded at room temperature  (Dammeier and Friedrichs, J. Phys. Chem. A 114 (2010))

Excellent ability of the simulated spectrum to fit the experimental ones over a wide temperature range

The hot band (010) ‐ (010) peaks in the vicinity of the cold band (000) ‐ (000) (separation by only 0.03 nm)

Quantification requires the calculation of the electronic transition dipole moment |M

K’K”

|

" "

1

"

(Hansson and Watson, J. Mol. Spectrosc. 233 (2005))

Using the radiative lifetime, which was reported only once for NCN  (Smith et al., 1989) , one obtains:

cm molecule 3.3 10 exp 1.80 10 K (±22%)

From experimental shock tube measurements (thermal decomposition of NCN

3

in Ar bath)

Has been measured directly only once  (Dammeier and Friedrichs, 2010) , yielding

cm molecule 1.43 10 exp 1.91 10 K (±25%) Issues

Disagreement between the experimental and the calculated NCN absorption cross‐section by a factor of 2.6.

What are the reasons?  1.) Radiative lifetime or 2.) Expected NCN concentrations in shock tube experiments.

Loss (cm-1)

30382 30383 30384 30385

wavenumber (cm-1) 0.0x100

5.0x10-16 1.0x10-15 1.5x10-15 2.0x10-15

NCN absorption spectrum at 298K Dammeier and Friedrichs, 2010 simulated, all QP21andQP22

QQ22 Q1band head of the (010)-(010)

31subband origin

0 0.4 0.8 1.2

0.05 kPa

0 200 400 600 800

time (ns) 0

0.4 0.8 1.2

1 kPa

0 200 400 600 800

time (ns)

signal (a.u) signal (a.u.)

5.0x106 5.2x106 5.4x106 5.6x106 5.8x106

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

partial pressure Ar (kPa)

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