Extension of Raman Spectroscopy for in-situ gas analysis
- Reference number
- ITM17-0313
- Start and end dates
- 190101-211231
- Amount granted
- 4 024 148 SEK
- Administrative organization
- Lunds tekniska högskola
- Research area
- Other
Summary
The main goal is to extend the capabilities of Raman spectroscopy for non-intrusive measurements of chemical species in gas-phase, in situ, under challenging conditions where use of this method previously has been restricted or even unattainable. The technique enables simultaneous detection of multiple species and signals can be readily converted into quantitative species concentrations. Low signals, however, limit species detection sensitivity and make measurements sensitive to interfering signals and backgrounds. New instrumentation, a pulsed laser of high power and high repetition rate, can enhance Raman signal-to-background ratio and detection sensitivity significantly. Moreover, specially designed components for signal filtering and novel methodology enable efficient background suppression. The work plan includes investigations of optimum configurations in terms laser parameters, laser beam configurations in the measurement region, and background suppression and filtering. Quantitative species concentrations obtained by use of the developed method are highly valuable for research on gas-phase processes such as combustion, gasification, catalysis, and plasma phenomena. In particular, such information is directly useful for validation of computational models widely used in academia as well as industry for prediction of processes. Use of results obtained from the developed method for such purposes contributes to a long-term impact of the proposal.
Popular science description
Ansökans mål är att utvidga användningsområdet för Raman spektroskopi för beröringsfria mätningar in situ av koncentration för kemiska ämnen i gasfas, under förhållanden där sådan diagnostik tidigare varit begränsad eller inte möjlig. Med Raman spektroskopi kan flera ämnen mätas samtidigt och signaler kan relativt enkelt konverteras till absoluta ämneskoncentrationer. Mätningar i gasfas är dock en utmaning p.g.a. den bakomliggande svaga Ramanspridnings-processen, i synnerhet för mätningar in situ, det vill säga i den position där processen eller fenomenet som studeras verkligen sker. Låga signaler begränsar detektionsgränsen och gör mätningar känsliga för störande signaler och bakgrunder. Ny instrumentering för att hantera dessa utmaningar utgörs bland annat av pulsade lasrar med hög effekt, ca. 100 W, och hög repetitionsfrekvens. Den höga effekten kombinerad med detektion av signal under ett kort tidsintervall kring de emitterade laserpulserna kan signifikant förbättra signal till bakgrunds förhållande och detektionskänslighet. Hög lasereffekt möjliggör även Raman mätningar med röda eller när-infraröda våglängder, tidigare inte praktiskt möjliga, för vilka interferenser från laserinducerad fluorescens kan undvikas eller undertryckas. Vidare så kommer speciellt designade komponenter och ny metodologi för filtrering att möjliggöra effektiv undertryckning av bakgrunder. Ansökan avser att ta fram avancerade konfigurationer för Raman spektroskopi genom att kombinera teknisk utveckling för instrumentering med resultat från ny forskning inom diagnostik. Mätning av ämneskoncentrationer i olika gasfas-processer med den utvecklade metoden ger relevant information för ett flertal olika forskningsområden inom akademi och industri, exempelvis förgasning, förbränning, plasma processer, katalys och syntes av kemikalier. Mätresultat i form av kvantitativa värden är direkt användbara och ytterst värdefulla för utveckling och validering av beräkningsmodeller för simuleringar av fenomen. Precisa och validerade modeller utgör i sin tur kraftfulla verktyg för utveckling inom industrin och bidrar därmed till dess konkurrenskraft. Resultat framtagna med den utvecklade metoden kan också bidra till en hållbar utveckling då utökad förståelse och validering av modeller för processer som förgasning, förbränning och reaktioner i atmosfären möjliggör optimering av dessa med minimering av skadliga utsläpp.