Min yngsta är 6 år gammal; en liten pojke i det nya millenniet. Han är inte intresserad av sagor. Det han tycker är fascinerande är fysik. Särskilt partikelfysik, även om jag inte tror att han verkligen känner till skillnaden. Han är besatt av Large Hadron Collider i CERN och tittar på TED-föreläsningar med Brian Cox. Det finns särskilt ett som handlar om vad som gick fel i LHC; det är hans favorit. Jag tror att det beror på att Brian Cox i slutet säger att de försöker upptäcka universums byggstenar genom att få små partiklar att kollidera med ljusets hastighet. Så när Leon tittar på en regnbåge föreställer han sig inte guldkrukor i slutet av regnbågen, utan snarare partiklar som kolliderar och avslöjar universums byggstenar.

Partikelspårning (i ljustermer kallad ray tracing) är i ärlighetens namn ett riktigt bra sätt att simulera ljus och dess termiska effekter. Ljuset sprids, reflekteras och bryts och orsakar termiska effekter på det objekt som det kommer i kontakt med. Brytning är en mycket viktig egenskap hos ljuset och är också ansvarig för vissa naturliga optiska fenomen, bland annat regnbågar. Så om det finns en kruka med guld i slutet av regnbågen är det verkligen en varm kruka!

I Simcenter STAR-CCM+ 2019.3 släpper vi en ny stokastisk lösare för strålning och värmeenergi (RTE) baserad på Surface Photon Monte Carlo (PMC) strålspårningsmetoden med brytningsmodellering. PMC är utan tvekan den mest exakta metoden för RTE. Den nya PMC-lösaren är därför mycket exakt och mycket effektiv och modellerar effekterna av brytning och reflektion, vilket gör den väl lämpad för strålkastartillämpningar. Jämförelser med Discrete Ordinate Model (DOM), som är den enda andra strålningsmodellen som modellerar refraktion, visar att den nya PMC-modellen är effektivare och mer exakt när det gäller att förutsäga refraktion än DOM (se jämförelsebilderna).

Refraktion är ändringen av riktningen för ljus som passerar från ett medium till ett annat eller från en gradvis förändring i mediet. I fallet med strålkastare kan detta vara strålkastarens plast eller till och med luften inuti den. Refraktion är viktigt när vi tittar på termisk säkerhet. För att kunna förutsäga var ljuset kommer att skapa en hotspot måste vi veta hur det bryts. På så sätt kan vi ta hänsyn till rätt termisk belastning från lysdioderna eller solen. Eftersom strålkastarna har flera strålningsavgivande material samt den yttre plasten bryts ljuset och skapar hotspots i vissa områden och värmen kan skada strålkastaren. Varför är det viktigt? Låt mig ge dig ett par exempel:

Exempel 1: Glödlampan är en varm fläck på täcklinsen som orsakas av den optiska linsen, t.ex. med en Xenonlampa. Denna heta punkt är typiskt sett hetare om brytning finns (i verkligheten eller modellerad) och är därför viktig för dessa typer av system.

Exempel 2: Solbelysning (instrålning) buntas av en optisk lins (t.ex. xenonlampa, LED-ljus) och har brännpunkten nära en yta som kan skapa skador. Med den nya PMC-modellen för ytor kan vi exakt förutsäga dessa hotspots och ändra konstruktionen genom att inkludera värmesköldar på rätt ställen, vilket leder till bättre och mer hållbara konstruktioner.

Spannlampor är mycket dyra och mycket känsliga. De nya konstruktionerna är också genomskinliga, vilket gör estetiken till en ganska viktig aspekt. För att tillverkarna av strålkastare ska kunna bibehålla estetiken och samtidigt vara säkra på hållbarheten måste de kunna förutsäga dessa hotspots på ett korrekt sätt.

Den tillämpning som vi tittar på i dag är strålkastarbelysning, men fler tillämpningar, t.ex. medicinska tillämpningar (röntgenstrålning, MRT-undersökningar och strålbehandling), halvledartillverkning och försvar behöver noggrann modellering av strålningsegenskaper, vilket gör PMC mycket attraktivt.

Vi återvänder till min lilla vetenskapsman och verkligheten med regnbågar och brytning. Det är så härligt att se hans entusiasm! Häromdagen sa han till mig: ”När jag blir stor ska jag bli huvudfysiker på CERN”. Jag sa naturligtvis: ”Det är jättefint, älskling! Vill du bli nästa Brian Cox?” Hans svar gav mig tårar av skratt och påminde mig om att han fortfarande bara är en liten pojke. Han sa: ”Nej mamma, jag vill hellre behålla mitt eget namn”!!!!

”För framtidens små forskare”