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2.1. Laser Plasma Spectroscopy
2.2. Laser Generated Micro-Jet
2.3. Velocity Interferometer System for Any Reflector
2.4. 고압환경에서 알루미늄 입자의 점화 연소 특성 실험
2.5. Diagnostics
 
2.4. 고압환경에서 알루미늄 입자의 점화 연소 특성 실험

연속 CO2레이저를 이용하여 고온의 조건을 만들고, 펄스 레이저를 이용한 레이저 삭마는 알루미늄 점화의 연구에 적합한 높은 압력 조건을 생성한다.


Fig. 1. Schematic of ignition of aluminum particles under high pressure (via pulsed laser) and images of aluminum particles ignition


30 ~ 330 W의 CO2레이저 빔은 알루미늄 와이어 1mm의 단면적에 조사된다. 레이저 빔은 실험이 지속되는 동안 고온 환경을 유지하기 위해 입자 방출의 방향과 같게 조사된다. 레이저 조사용 시편으로 사용되는 알루미늄 와이어의 직경은 1mm로, 레이저 가열에 의해 표면 온도가 빠르게 상승 할 수 있게 해준다. 그리고 점화를 유지하기 위한 삭마 대상 시편을 지속적으로 공급하기 위해 와이어의 길이는 충분히 길게 유지된다.
다음 그림은 알루미늄 와이어의 초기 온도에 따른 알루미늄 입자의 점화를 보여준다. 점화 패턴은 와이어 온도가 830 K 미만인 경우 입자의 연소 형태가 점과 같이 나타난다. 하지만830 K 이상에서는 연소 입자의 궤적이 줄과 같이 관찰된다.
연소 형태가 점과 같이 관찰되는 것은 나노 크기의 알루미늄 입자 연소가 가지는 짧은 연소 시간 때문이며, 마이크로 크기의 입자 연소의 경우 연소 시간이 길어 반대로 연소의 궤적을 형성한다. 특히 알루미늄 와이어가 900 K 이상으로 가열 될 때, 활발한 점화가 관찰되는데 이는, 높은 온도에서 큰 입자가 방출되기 때문인 것으로 판단된다.



Fig. 2. The b/w inverted emission images of ignition (Upper) and measured relative intensity ratio of AlO band-484 nm (Lower) for each system setup: (a) Pulsed laser only, (b) CO2laseronly,(c)Combined pulsed laser and CO2laser.


점화의 가시화는 알루미늄 입자 화염의 모양을 확인하고 연소 시간과 점화 지연 시간을 측정하고 비교하는 데 도움을 준다. 260 mJ 펄스 레이저만 조사한 경우 발생한 플라즈마의 생성과 소멸을 보여주고 있다.
플라즈마는 생성후 작아지고, 냉각됨에 따라 급속하게 감소하게 하여, 150 μs 후 사라진다. 330W의 CO2레이저만이 작동하는 동안에는 단지 작은 백색 반점만이 나타나고 연소가 일어나지 않는다. 그림의 emission 흔적은 알루미늄이 녹으면서 발생한 것으로 보인다.
260mJ 의 펄스 레이저와 330 W의 CO2빔 가열이 결합된 것이 그림 (c)이며 여기서 플라즈마와 알루미늄 연소가 모두 관찰된다. 초기 플라즈마는 펄스 레이저 단독조사로 얻은 (a)의 경우와 유사하다.
하지만, 플라즈마와 연소가 150 μs를 초과하여 지속적으로 나타난다. 알루미늄 입자는 15 μs에 생성되기 시작하고, 입자의 방출은 150 μs 후에도 지속된다. 알루미늄 입자의 점화 및 연소를 확인하기 위해 분광기를 사용하여 AlO의484 nm 파장을 추적하였다. 펄스 레이저 단독으로 사용하는 경우 AlO 대역(484 nm)의 상대적인 강도 비는 10 μs를 넘어서면서 급격히 감소하여 사라진다. 그러나 CO2 레이저 빔과 경우 펄스가 동시에 조사될 때는 상대적인 강도 비가 11 μs에서 최대에 도달하며 지속된다.