Bachelor's Thesis

Visualization of cryogenic helium flow using of laser-induced-fluorescence

Final Thesis 7.52 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Drahotský

Acad. year: 2015/2016

Supervisor: Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Martin Šiler, Ph.D.

Abstract:

This work evaluates the laser induced fluorescence method (LIF) for the vizualization of the cryogenic helium flows for experimental study of the Rayleigh–Bénard convection at the Institute of Scientific Instruments (ISI) in Brno in the labs of Cryogenics and Superconductivity group. As the tracer particles, we considered the metastable molecules He2*, that are created by the ionization of helium with themfemtosecond laser pulse and then they are excited by the lasers with appropriate wavelengths for the invocation of the fluorescence. On the basis of the research study, I have evaluated the current laser equipment at the ISI as insufficient for the experiment realization. At the end of this work, there is a list of a laser technique and other devices which are necessary for the adaptation of the LIF method in the experiments at ISI.

Keywords:

laser-induced fluorescence, Rayleigh–Bénard convection, cryogenic helium, metastable excimer helium molecules, laser ionization of helium

Date of defence

23.06.2016

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3901-3)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Bakalářská práce Jakuba Drahotského byla zaměřena na získání znalostí o nedávno publikované technice pro optickou vizualizaci tepelně generovaného proudění v supratekutém kapalném heliu metodou laserově indukované fluorescence (LIF). Získané poznatky najdou uplatnění při adaptaci uvedené metody pro vizualizaci proudění turbulentní Rayleighovy-Bénardovy konvekce (RBC) v kryogenním heliovém plynu, která je experimentálně studována v ÚPT AV ČR v.v.i. v týmu Skupiny kryogeniky a supravodivosti. Stěžejní částí práce je kvalitně zpracovaná rešeršní studie, jenž vede k pochopení principu metody LIF v kryogenním heliu. Za velice užitečné informace lze považovat uvedení fázového diagramu 4He (tlak-teplota) se zobrazením bodů, které reprezentují oblast použití metody LIF v supratekutém heliu a oblast plynného 4He, kde má být metoda použita při studiu RBC v ÚPT. Dále jsou to obrázky 1.4. a 1.5 energetických hladin atomu 4He, singletní a zejména tripletní molekuly He2, které autor vyhledal v literatuře. Pro sledování proudění metodou LIF se využívají excimerové tripletní molekuly He2* s dlouhou dobou života (~13 s), které slouží jako značkovací částice. Detailní znalost rozložení energetických hladin excimerových tripletních molekul He2* je zásadní pro nalezení správného a efektivního detekčního schématu indukované fluorescence (popis v kapitole 2.3). Dále je to v kapitole 2.2.3 popis tvorby excimerových tripletních molekul He2* na principu mnohofotonové ionizace laserovým zářením, jejíž pochopení je nezbytné k návrhu optimálních parametrů ionizačního laseru. V neposlední řadě to je vyhodnocení použitelnosti stávající laserové techniky v ÚPT, která se zdá být nevyhovující a návrh nezbytného vybavení, které doporučuje pořídit, aby metoda mohla být realizována.
Oceňuji zaujetí Jakuba Drahotského tématem bakalářské práce a jeho odhodlání pro samostudium mnohdy poměrně obtížných vědeckých publikací. Shromážděné poznatky popsané v předložené práci jsou významným přínosem pro budoucí rozvoj experimentu směrem k optické vizualizaci RBC v ÚPT. Práce byla vyhotovena v souladu s jejím zadáním a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Martin Šiler, Ph.D.

Bakalářská práce Jakuba Drahotského se zabývá laserově indukovanou fluorescencí v plynném, kryogenním, heliu. V první kapitole student uvádí motivaci ke studiu Rayleihovy-Bénardovy konvekce, která představuje modelový systém tvořený proudící kapalinou/plynem, mezi dvěma paralelními deskami se spodním ohřevem. Ukazuje souvislosti mezi některými podobnostními čísly, které charakterizují proudění. Zde by bylo vhodné k jednotlivým podobnostním číslům uvést odkazy na literaturu a ukázat, kde tato čísla vystupují v Navier-Stokesově rovnici  Dále se v této kapitole věnuje energiovým stavům atomárního a molekulárního helia s důrazem na excimerový tripletní stav He2*, který je díky dlouhé době života ideální pro vizualizaci proudění (po další excitaci).
Klíčovou částí práce je druhá kapitola. Zde student popisuje metody ionizace helia s důrazem na ionizaci pomocí laseru. Jedná se mnoha-fotonový proces s velmi nízkou účinností. Proto J. Drahotský pečlivě analyzuje podmínky pro tuto excitaci a v části 2.2.4 zavádí jednoduché aproximace pro výpočet ionizační rychlosti. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 2.2. Zde by bylo vhodné k prvním 3 sloupcům tabulky uvést referenci na zdroje provedených experimentů. Do výpočtu exponentu WN podle textu vstupuje intenzita laseru, zatímco v datech z tabulky 2.2 se operuje s počtem fotonů v pulzech vyzářených za sekundu na plochu. Bylo by vhodné toto okomentovat/zůstat konsistentní. Dále v tabulce 2.2 pro laser Brilliant b není započten faktor N!. Předpokládám, že je to z důvodu vyšší koherence záření tohoto laseru. Tento fakt by měl být v práci diskutován.
Kapitola 2 dále řeší excitaci excimerového tripletu pro vyzáření fluorescence včetně eliminace parazitních přechodů do vibračních stavů základní hladiny excitovaného He2*; shrnuje další přístroje nutné k zobrazení fluorescence; diskutuje předchozí experimentální aparatury a úpravy pro použití plynného helia.
Třetí kapitola se věnuje návrhu experimentální sestavy na ÚPT a obzvláště zavedení a vyvedení světla do a z kryostatu pomocí optických vláken. J. Drahotský zde provedl několik jednoduchých experimentů testujících útlum laserového světla v optických vláknech a přenos laserových pulzů. V závěru kapitoly předkládá seznam přístrojů, které bude nutné pro měření LIF na UPT zakoupit. Zde je drobná nepřesnost v překladu anglické terminologie, neboť “Optické desky” jsou ve skutečnosti “Optické stoly.”

Veškerá použitá literatura a relevantní je citována a stejně tak jsou uvedeny zdroje u převzatých obrázků a dat. Bohužel, ale student zvolil nevhodnou formu řazení literatury a křížových odkazů. V textu je literatura odkazována číselně, avšak seznam referencí je řazen abecedně. Bylo by vhodné reference řadit podle pořadí výskytu v práci nebo zvolit “Harvardský” styl odkazů v textu.

Z předložené bakalářské práce vyplývá, že student prokázal schopnost orientace v novém oboru a provedl vysoce kvalitní rešerši současné literatury v tomto oboru a předvedl schopnost prezentace výsledků. Také se, byť v minimální míře podílel na provedení experimentů. Všechny cíle bakalářské práce byly splněny. Práci hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová