甲烷/氨气/氧气混合燃烧过程中的多自由基辐射特征使用基于千眼狼（Revealer）高灵敏度高速摄像机NEO25(UV)构建的多波段紫外成像系统进行时空分辨观测。

1.实验背景

低温氧化反应动力学研究中，火焰内部关键自由基（如NO*,OH*,CH*,NH2*）的生成与演化直接决定燃烧反应路径分支、放热结构以及污染物生成机制。尤其在甲烷-氨气混合燃烧体系中，氨的引入改变自由基池结构，使传统基于整体发光或温度场的诊断手段难以满足反应区分辨需求。

基于窄带滤波的自发辐射成像方法可实现特征自由基的选择性观测，但对于＜300 nm紫外波段，受辐射信号弱、空气吸收显著及光学系统透过率低等因素影响，成像质量与时间分辨率之间存在明显的耦合约束。

针对这一问题，研究团队引入千眼狼（Revealer）NEO25(UV)高速摄像机，构建紫外多波段成像体系，对不同特征波段辐射信号进行时间分辨观测，分析成像系统配置在弱光燃烧诊断中的适用性。

2.实验设备

实验采用以高速摄像机为核心的非接触式光学诊断平台。

●成像系统：选用千眼狼（Revealer）NEO25(UV)高速摄像机，具有1280×1024 @25000 fps时空分辨率，光谱探测范围200 nm~1100 nm波段，在弱光紫外250 nm波段下量子效率可达60%（图1），为深紫外弱辐射信号探测提供了基础。

图1 高速摄像机NEO25(UV)光谱响应图

●光学系统：一是紫外专用成像镜头，包括100 mm/F2.0 与75 mm/F3.2两种规格，兼顾光通量与视场范围；二是滤光片中心波长分别为228 nm、310 nm、430 nm与632 nm的窄带滤光片，用于分离不同自由基辐射信号。

●其他设备：引入像增强器进行光电倍增，用于NO* 228 nm紫外波段观测中放大入射光子信号，从而提升成像系统信噪比，实现高速成像。

整体成像系统由“高速摄像机NEO25(UV)+紫外光学+窄带滤波+像增强器”构成。

3. 实验方法

实验在开放式燃烧炉中进行，通过底部供气实现甲烷、氨气、氧气的稳定混合燃烧。火焰处于自由发展状态，减少壁面效应对辐射场的干扰。

针对不同自由基，分别配置对应滤光片并调整千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO25(UV)采集参数，控制实验变量如下：

●光谱：选择不同中心波长以区分NO*、OH*、CH*与NH2* 自由基发射。

●成像参数：调节帧率（20~1000 fps）与曝光时间实现动态捕捉。

●灵敏度：通过改变高速摄像机增益或引入像增强器实现光子信号放大。

●光学通量：通过光圈与焦距优化光子收集效率。

实验针对不同波段进行多组参数扫描，识别成像能力与时间分辨率之间的约束关系。

4. 实验数据与分析

4.1 228 nm（NO*）深紫外成像

228 nm波段对应NO*辐射，其信号强度极弱且受空气吸收显著，引入像增强器后，千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO25(UV)在100 fps最大曝光条件下可实现火焰轮廓的清晰捕捉（图2），图像显示反应区主要集中于火焰轴向区域，呈现细长结构特征。

随着帧率进一步提高，图像信号迅速衰减，说明该波段成像受限于入射光子数，而非高速摄像机的读出性能。

图2 甲烷+氨气燃烧 228 nm-100 fps-100mm/F2.0光圈（接像增强器）

4.2 310 nm（OH*）主反应区结构

310 nm波段对应OH*辐射，是典型的主反应区标志信号。NEO25(UV)高速摄像机，在无像增强器条件下，可在100 fps获得清晰火焰轮廓（图3）。当帧率进一步提高，信号不足导致成像能力下降。

引入像增强器后，NEO25(UV)可在1000 fps条件下捕捉连续火焰结构（图4）。图像显示火焰前缘呈现明显波动，反映剪切层不稳定性及局部流动对反应区的影响。

图3 甲烷+氨气燃烧 310 nm-100 fps-8000 μs曝光-100mm/F2.0光圈（无像增强器）

图4 甲烷+氨气燃烧 310 nm-1000 fps-最大曝光-100 mm/F2.0光圈（接像增强器）

4.3 430 nm（CH*）火焰前沿结构

430 nm波段信号强度高于紫外波段，在1000 fps最大曝光条件下，无需像增强器，NEO25(UV)高速摄像机可实现稳定成像。其捕捉的图像中可清晰辨识火焰前缘的弯曲及局部卷吸结构，反映出流动与燃烧耦合引起的界面形态变化。相较OH信号，CH更贴近火焰外边界，说明NEO25(UV)高速摄像机适用于界面追踪与火焰传播速度分析。

图4 甲烷+氨气燃烧 430 nm-1000 fps-最大曝光-100 mm/F2.0光圈（无像增强器）

4.4 632 nm（NH2*基）含氮反应路径

632 nm波段对应NH2*辐射，处于可见光范围，辐射强度显著高于紫外波段。NEO25(UV)在1000 fps条件下，无需增强器即可获得高对比图像。图5显示火焰整体亮度较高，结构较为饱满，NH2*分布范围明显大于OH*与CH*，表明其在较宽温度区间内存在，反映氨燃烧过程中中间产物扩散及后续二次反应过程。

图5 甲烷+氨气燃烧 632 nm-1000 fps-最大曝光-100 mm/F2.0光圈（无像增强器）

4.5 不同波段成像能力与成像系统配置关系

基于多波段实验结果，可从成像系统能力角度对高速摄像机NEO25(UV)的适用范围归纳如下：

●228 nm深紫外波段（NO*）辐射信号处于极低光子通量区间，成像完全受限于光子统计噪声。此时高速摄像机NEO25(UV)需通过搭配像增强器实现光电信号倍增，完成百帧量级观测。

●310 nm与430 nm波段（OH*、CH*）辐射强度提升，成像系统逐步由光子受限过渡至参数受限。此时高速摄像机NEO25(UV)在未搭载像增强器条件下可实现百帧级成像，引入像增强器后，可扩展至千帧级时间分辨成像。

●632 nm可见光波段（NH2*），辐射信号强度较高，高速摄像机NEO25(UV)无需像增强器即可稳定支持1000 fps高速成像。

5.实验结论

本研究基于NEO25(UV)高速摄像机构建的多波段燃烧成像系统，对甲烷/氨气混合燃烧中典型自由基辐射进行系统观测，结果表明：

I. 不同波段自由基辐射强度差异决定成像系统的基本配置路径。NO*（228 nm）需依赖像增强器才能实现有效观测；OH*（310 nm）在像增强器辅助下可提升至千帧级时间分辨；CH*与NH2*在无增强条件下即可支持高速成像。

II. 成像帧率与信号强度之间存在耦合关系。低光子通量条件下，成像系统性能受光子统计限制；在高光强条件下，成像系统性能主要受参数设置约束。

III. 火焰结构在不同自由基成像下呈现出空间分层特征：CH对应火焰前沿，OH表征主反应区，而NH2反映含氮中间产物分布，为多波段诊断提供图像数据支持。

IV. NEO25(UV)高速摄像机在深紫外至可见光范围内表现出良好的跨波段适应能力，通过与像增强器及光学系统的组合，可覆盖多类燃烧诊断应用场景。

结语

以千眼狼（Revealer）NEO25(UV)为核心的“高速摄像机-紫外光学-窄带滤波-像增强器”成像体系，是实现低温氧化反应动力学可视化的关键技术路径，为后续开展高时空分辨反应机理研究及低碳燃烧技术开发提供可靠实验工具。

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责任编辑：kj005

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