Espectroscopía Raman en chorrossupersónicos

Curso de Introducción a la Investigación 2011

Guzman Tejeda

Instituto de Estructura de la Materia (C.S.I.C.)

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 1/19

Lab. de fluidodinámica molecular

Salvador Montero

José María Fernández

Guzmán Tejeda

Juan Hernández

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 2/19

Esquema

1. Expansiones supersónicas

2. Espectroscopía Raman

3. Espectroscopía Raman en expansiones supersónicasa) Caracterización de expansionesb) Procesos de transferencia de energíac) Agregación del p-H2

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 3/19

Expansiones supersónicas

Presión límite:

P0

Pr>

(γ + 1

2

) γγ−1

Características:Aceleración

Enfriamiento

Enrarecimiento

Rotura del equilibrio termodinámico

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 4/19

Zona de silencio

0 20 40 60 80 100x/D

0.4

0.6

0.8

1

1.0x10-6

1.0x10-5

1.0x10-4

1.0x10-3

1.0x10-2

1.0x10-1

1.0x100

V/Vmax

T/T0

n/n0

Gas diatómico γ=7/5

x/D n/n0 T/T0 V/Vmax

1 0.12 0.43 0.75

10 0.001 0.063 0.97

30 0.0001 0.025 0.99

Evolución según el

modelo insentrópico.

Número de Mach

según la parametriza-

ción de Miller para una

tobera circular.

D = 100 μm

To = 295 K

x(mm) T (K)

0.1 126.8

1.0 18.6

3.0 7.4

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 5/19

Interés

Propulsión Aeronáutica

Cinética química

Espectroscopía

Agregación

Relajación molecularSeparación

isotópica

Caracterización

Caracterización

Propulsión Aeronáutica

Cinética química

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 6/19

Efecto Raman

h νi h νf

ER = h νR

νR = νi − νf

|f〉

|i〉

E = 0

νi + νR(Raman)

νi (Rayleigh)

νi (Incidente)

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 7/19

Excitación-Colección

N moléculas

Lente de

colección

Lente de

enfoque Radiación Raman.

Al monocromador

LáserI = N(

∂σ∂Ω

)[geom]I0

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 8/19

Características� �

Universal (todas las moléculas tienen espectro Raman)� �

Relación lineal entre la intensidad del espectro y la densidad� �

Medida directa de las poblaciones rotacionales y vibracionales

� �

Intervalo de 1 a 6000 cm−1� �

Resolución espacial de unas pocas micras� �

Linearidad de las intensidades en 6 órdenes de magnitud� �

Estabilidad de varias horas

� �

Debilidad intrínseca del efecto Raman� �

Baja resolución espectral 0.1-1 cm−1

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 9/19

Geometría

Precisión:

Δy = Δz = ±1μm

Resolución:

2 μm ≤ a ≤ 14 μm

5 μm ≤ b ≤ 1 mm

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 10/19

Montaje experimental p-H2

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 11/19

Montaje experimental

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 12/19

Montaje experimental

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 13/19

Caracterización

Expansiónde CO2

P=203 kPaT=300 K

D=313 μm

nne

× 105

TTe

Densidad

Temperatura rotacional

B. Maté et al. J. Fluid Mech. 426 177-197 (2001)Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 14/19

Ondas de choque frontal

0 60 120 180 ν~/cm-1

3 8 13 18Número rotacional inicial

0 60 120 180 ν~/cm-1

3 8 13 18Número rotacional inicial

J

Xc = 0.50 Trot = 236 K

Xs = 0.09 <Trot >= 59 K

Xf = 0.41 Trot = 14 K

J

Punto 2 z/D = 18.9

Trot = 115 K

Punto 3 z/D = 22.4

Trot = 267 K

Punto 1 z/D = 16

Trot = 14 K

N2 D=310μm

P0=100 kPa, Pr=100 Pa

“Raman Spectroscopy of Hypersonic Shock

Waves”. A. Ramos, B. Mate, G. Tejeda, J.M.

Fernández, and S. Montero, Phys. Rev. E

62(4), 4940-4945 (2000)

1 2 3

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 15/19

Relajación molecular

Indica el tiempo que tarda un

sistema en volver al equilibrio.

Interés: Importancia en mecánica

cuántica molecular, dinámica de ga-

ses, astrofísica

A(i)+B(j)kij→�m� A(�)+B(m)

Ecuación maestra:

∂Pi

∂t= n

∑j�m

(−PiPjkij→�m + P�Pmk�m→ij)

10

0

70

Jet a

xis

Z (m

m)

~~

0 40 80 120Wavenumber (cm-1)

Ram

an In

tens

ity, I

NN

+2

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19N =

Tr = 133.1 K

Tr = 50.4 K

Tr = 31.9 K

Tr = 22.4 K

Tr = 19.0 K

BSZS

NS

Expansión de O2:po = 23 kPa, To = 297 K, D = 280 µm

J.Pérez-Ríos

etal.J.Chem

.Phys(en

prensa)

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 16/19

Relajación molecular (2)

Expansión de O2: po = 230 kPa, To = 297 K, D = 280 µmkij→lm× 1020 m3s−1

ij → lm ΔE/B T=22 K T=10 K

13→ 11 10 3621 3754(267) (626)

15→ 11 28 1132 1076(201) (<2800)

15→ 13 18 5475 5478(278) (1951)

15→ 33 8 5351 5477(368) (1456)

33→ 11 20 806 826(65) (277)

33→ 13 10 4060 4218(236) (753)

35→ 13 28 2948 2788(171) (2070)

35→ 33 18 3941 3709(240) (2317)

35→ 15 10 4728 4557(535) (3122)

37→ 17 10 3075 2922(2411) –

39→ 19 10 2217 2050– –

55→ 15 28 1242 1179(394) –

55→ 35 18 3544 3472(548) –

57→ 17 28 1804 1752(1801) –

57→ 37 18 4838 4546(2483) –

1

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 17/19

Condensación de para-hidrógeno

133355

1234567813

0

2

4

0

2

4

0

2

4

0

2

4

0

1

Inte

nsid

ad R

aman

(% d

e la

señ

al d

el m

onóm

ero)

4153 4155 4157 4159 4161

Numeros de ondas (cm-1)

ξ =24t =1.3 μsTi =0.2 K

ξ =10t =546 nsTi =0.6 K

(×5)

ξ =5t =290 nsTi =1.7 K

(×5)

ξ =3t =186 nsTi =3.2 K

(×5)

ξ =1t =75 nsTi =12.8 K

(×5)∗

N≈

N:

0

2

40

2

40

2

0

2

0

2

0

2

0

2

4

Inte

nsid

ad R

aman

(% d

e la

señ

al d

el m

onóm

ero)

4150 4155 4160

Numeros de ondas (cm-1)

ξ =35.7t =1.47 μsTi ≈0.1 K

L

S

ξ =21.4t =894 nsTi ≈0.2 K

S

L

ξ =14.3t =608 nsTi ≈0.3 K

LS

ξ =8.6t =377 nsTi ≈0.6 K

SL

ξ =7.1t =316 nsTi ≈0.8 KS

L

ξ =5.7t =259 nsTi ≈1.1 K

L

ξ =4.3t =200 nsTi ≈1.6 K

L ∗

D=

50μ

m

P 0=

1ba

rT

0=

46K

D=

50μ

m

P0 =

2bar

T0 =

36.5K

Agregados pequeños Fase condensada

G.

Teje

daet

al.

Phys

.R

ev.

Let

t.92

(22)

,223

401

(200

4)

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 18/19

Conclusiones

El laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM ofreceunas posibilidades excelentes de formación en física experi-mental, con cierto carácter interdisciplinar y una visión integralde problemas relevantes de la física molecular actual.

Posibles temas de trabajo:

Estudios colisionales de O2, CO y H2O consigo mismas o con He, H2

o N2

Nucleación y cinética de condensación de H2

Estructura de agregados moleculares pequeños de H2, H2O, N2, CO...

Caracterización de chorros supersónicos

Búsqueda de la superfluidez del pH2

Curso de Iniciacion a la Investigacion 2011 Espectroscopıa Raman en chorros supersonicos– p. 19/19