Espectroscopía Raman en chorros de gases

Espectroscopía Raman
en chorros de gases
José Mª Fernández
Laboratorio de Fluidodinámica Molecular
Instituto de Estructura de la Materia, CSIC
Grupo de Fluidodinámica Molecular
 Salvador Montero
 José Mª Fernández
 Guzmán Tejeda
Efecto Raman
Scattering
inelástico
de luz
Efecto Raman
Scattering a
i (Rayleigh) y
i+R (Raman)
|f>

|i>
R i f
E=0
i incidente
Espectroscopía Raman. Propiedades
Ventajas
Universalidad (todas las especies moleculares dan espectro Raman)
Relación lineal entre intensidad espectral y densidad molecular
Rango espectral de ~1 a 6000 cm-1
Rango dinámico de intensidades >106
Alta resolución espacial (unas pocas micras)
Limitaciones
Debilidad intrínseca del efecto Raman
Resolución espectral modesta (~0,1 cm-1)
Chorros supersónicos. Generalidades
M<<1
M>>1
M<1
Chorros supersónicos. Zona de silencio
220
4
1x10
3000
1x10
2800
180
2700
160
2600
2400
2
1x10
2300
2200
n
2100
1x101
2000
v
1900
v (m/s)
2500
Temperature / K
3
n (1022 m-3)
200
2900
2.55 bar
1.28 bar
ortho-H2
Rotational
140
para-H2
ortho-H2
para-H2
120
100
1.28 bar
80
2.55 bar
60
Translational
40
1800
0
1x10
100
1000
z (m)
1700
20
1600
0
0
500
1000
z (m)
1500
2000
•Se rompe el equilibrio TD: Ttras ≠Trot ≠ Tvib
•El chorro supersónico es un sistema dinámico, condicionado por la cinética
de colisiones: congelación Trot
Raman spectroscopy in gas jets. Geometry
Montaje experimental
Turbopump
z
Rotary
Roots
y
Gate valve
Raman signal
Laser
CCD1
Chamber
Spectrometer
CCD2
Pr
P0
Optical table
p-H2
Compressor
1m
Ortho-para H 2
Converter
n-H2
Montaje experimental
Montaje experimental
Montaje experimental
¿Qué podemos hacer con espectroscopía
Raman en chorros de gases?
 espectros de moléculas frías
 espectros de moléculas calientes
 mapas de temperaturas en chorros de gases
 mapas de densidades en chorros de gases
 transferencia de energía en colisiones
 agregación molecular
Espectroscopía Raman a baja temperatura
Intensity (cps)
3
2
C2H6, 
T=295 K
P=10 kPa
1
T=23 K
0
1320
1370
1420
1470
1520
Wavenumber (cm-1)
1570
J. M. Fernández and S. Montero, J. Chem. Phys. 118, 2657 (2003)
1620
Espectroscopía Raman de llamas
Raman intensity (arbitrary units)
a) Observed
3400
H2O a 2000 K
llama de CH4/aire
b) Calculated
3450
3500
3550
Raman shift (cm-1 )
3600
Avila et al., J. Mol. Spectrosc. 228, 38 (2004)
3650
3700
Mapa de temperatura rotacional
1.28
CO2
35
0
20
0.96
30
40
0.80
50
0.64
60
0.48
70
80
0.32
90
0.16
100
0.00
110
120
110
120
(c)
30
P0=2 bar
10
1.12
25
20
D=313 m
15
10
5
Experimental
r/R e
0
35
(d)
30
25
20
15
10
Calculated
5
0
0
Nozzle
10
20
30
40
50
60
z/Re
Maté et al., J. Fluid Mech. 426, 177 (2001)
70
80
90
100
Experimental
N2, 313 m nozzle
P0= 2 bar, T0=297 K
Slit nozzle (0.13x3 mm2)
z=300 m
dP1 / dt (sec-1)
ortho-H2
J=1
3E+5
Rate coefficients for H2:H2
collisions.
10--->30
11--->31
12--->32
13--->33
2E+5
cool
30--->12
33--->13
32--->12
31--->11
30--->10
4E+5
1E+5
spectral analysis of
population evolution
-6
-4
down
-2
0
heat
-12 -10 -8
2
4
-1E+5
12--->30
up
6
8
10 12
E hcB
15
3012 collision
E/hc = 4B
-2E+5
dP0 / dt (sec-1)
4E+5
10
para-H2
J=0
E/hcB
3E+5
2E+5
1E+5
down
J=1
up
-2
0
2
-1E+5
-2E+5
4
6
8
00--->20
01--->21
02--->22
03--->23
-4
heat
-6
30--->12
-12 -10 -8
J=2
5
12--->30
cool
20--->00
23--->03
22--->02
21--->01
J=3
10 12
E hcB
0
J=0
para-H2
ortho-H2
Montero et al., J. Chem. Phys.
125, 124301 (2006)
Agregados pequeños de para-H2
4
2
z =1D
t =75 ns
Ti =12.8 K
N=13
876 5 4
3
2 1
5
p-H2
P0=1 bar
Tobera: D= 50 m
T0=46.5 K
Raman intensity
0
4
2
5
0
4
2
0
4
2
Tejeda et al., Phys. Rev. Lett.
92, 223401 (2004)
z =3D
t =186 ns
Ti =3.2 K
z =5D
t =290 ns
Ti =1.7 K
5
z =10D
t =546 ns
Ti =0.6 K
5
0
4156
4158
4160
Wavenumber (cm-1)
4162
Microchorros de pH2 liquido
Kühnel, Fernández, Tejeda, Kalinin, Montero, Grisenti, Phys. Rev. Lett. 106, 245301 (2011)
Conclusiones
El laboratorio de Fluidodinámica Molecular del IEM ofrece
unas posibilidades excelentes de formación en física
molecular
experimental,
con
un
marcado
carácter
interdisciplinar, en problemas relevantes de la física
molecular actual.
Posibles temas de trabajo
• estudios colisionales de CO y H2O consigo mismo o con He, H2 o N2
• nucleación y cinética de condensación de H2
• estructura de agregados moleculares pequeños de H2, H2O, O2, CO, etc
• dinámica de gases en regímenes críticos o de transición
• mapas de T y densidades de llamas, y modelos de combustión