Механизм сонолюминесценции

Сонолюминесценция — это явление, которое возникает, когда небольшой газовый пузырек акустически подвешивается и периодически перемещается в жидком растворе на ультразвуковых частотах, что приводит к коллапсу пузырька, кавитации и излучению света. Тепловая энергия, выделяющаяся при схлопывании пузыря, настолько велика, что может вызвать слабое излучение света. Механизм излучения света остается неясным, но некоторые из современных теорий, которые подразделяются на тепловые или электрические процессы, включают тормозное излучение, аргона , выпрямления гипотезу и горячая точка. Некоторые исследователи начинают отдавать предпочтение объяснениям термических процессов, поскольку различия температур постоянно наблюдаются с помощью различных методов спектрального анализа. Чтобы понять механизм излучения света, важно знать, что происходит внутри и на поверхности пузыря.

Для создания пузыря, который может сонолюминесцировать, необходима установка, подобная следующей.

теории

До начала 1990-х годов все исследования различных химических и физических переменных сонолюминесценции проводились с использованием многопузырьковой сонолюминесценции (MBSL). Это была проблема, поскольку все теории и динамика пузырьков были основаны на сонолюминесценции одиночных пузырьков (SBSL), и исследователи считали, что колебания соседних пузырьков могут влиять друг на друга. Сонолюминесценция одиночного пузыря не была достигнута до начала 1990-х годов и позволила изучить влияние различных параметров на одиночный кавитирующий пузырь. После того, как многие ранние теории были опровергнуты, оставшиеся правдоподобные теории можно разделить на два разных процесса: электрический и тепловой.

Однопузырьковая сонолюминесценция

SBSL излучает больше света, чем MBSL, из-за меньшего количества взаимодействий между соседними пузырьками. Еще одним преимуществом SBSL является то, что одиночный пузырь схлопывается, не подвергаясь воздействию других окружающих пузырьков, что позволяет более точно исследовать теории акустической кавитации и сонолюминесценции. Были выдвинуты некоторые экзотические теории, например, Швингер в 1992 году намекнул на динамический эффект Казимира как на потенциальный процесс эмиссии фотонов. Некоторые теории утверждают, что излучение света находится в жидкости, а не внутри пузыря. Другие теории SBSL объясняют, что излучение фотонов из-за высоких температур в пузыре аналогично теориям горячих точек MBSL. Что касается теплового излучения, преобладает большое разнообразие различных процессов. Поскольку во время коллапса температура увеличивается от нескольких сотен до многих тысяч кельвинов, процессы могут представлять собой молекулярную рекомбинацию, эмиссию, вызванную столкновениями, молекулярную эмиссию, эксимеры, атомную рекомбинацию, радиационное присоединение ионов, нейтральное и тормозное излучение ионов или эмиссию удерживаемых электронов в пустоты. Какая из этих теорий применима, зависит от точных измерений и расчетов температуры внутри пузыря.

Многопузырьковая сонолюминесценция (MBSL)

В отличие от однопузырьковой сонолюминесценции, многопузырьковая сонолюминесценция представляет собой образование множества колеблющихся и схлопывающихся пузырьков. Обычно в MBSL излучение света от каждого отдельного пузырька слабее, чем в SBSL, поскольку соседние пузырьки могут взаимодействовать и влиять друг на друга. Поскольку каждый соседний пузырь может взаимодействовать друг с другом, это может затруднить проведение точных исследований и характеристику свойств схлопывающегося пузыря.

Мультипузырьковая сонолюминесценция создает множество колеблющихся и схлопывающихся пузырьков, которые излучают свет. Обычно световое излучение слабее, чем при однопузырьковой сонолюминесценции. Яркие синие точки, которые можно увидеть при просмотре изображения с высоким разрешением, представляют собой сонолюминесцентные пузырьки.

Интерьер пузыря

Одним из самых больших препятствий в исследованиях сонолюминесценции были попытки измерить внутреннюю часть пузыря. Большинство измерений, таких как температура и давление, измеряются косвенно с использованием моделей и динамики пузырьков.

Температура

Некоторые из разработанных теорий о механизме SBSL приводят к прогнозам пиковой температуры от 6000 К до 20 000 К. Все они имеют общее: а) внутренняя часть пузыря нагревается и становится по крайней мере такой же горячей, как измеренная для МБСЛ б) водяной пар является основным температуроограничивающим фактором и в) средняя температура по пузырю не поднимается выше 10 000 К.

Динамика пузыря

Эти уравнения были составлены с использованием пяти основных допущений: четыре из них являются общими для всех уравнений:

1. Пузырь остается сферическим
2. Содержимое пузырьков подчиняется закону идеального газа.
3. Внутреннее давление остается равномерным по всему пузырю.
4. не происходит испарения или конденсации. Внутри пузырька

Пятое предположение, которое меняется в каждой формулировке, относится к термодинамическому поведению жидкости, окружающей пузырь. Эти предположения сильно ограничивают модели, когда пульсации велики и скорости стенок достигают скорости звука .

-

Формулировка Келлера-Миксиса представляет собой уравнение, полученное для больших радиальных колебаний пузырька, оказавшегося в звуковом поле. Когда частота звукового поля приближается к собственной частоте пузырька, это приводит к колебаниям большой амплитуды. Уравнение Келлера-Миксиса учитывает вязкость, поверхностное натяжение, падающую звуковую волну и акустическое излучение, исходящее от пузыря, что ранее не учитывалось в расчетах Лаутерборна. Лаутерборн решил уравнение, которое Плессе и др. модифицированный из оригинального анализа Рэлея больших колеблющихся пузырей. Келлер и Миксис получили следующую формулу:

$\left(1-{\frac {\dot {R}}{c}}\right)R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R^{2}}}\left(1-{\frac {\dot {R}}{3c}}\right)=\left(1+{\frac {\dot {R}}{c}}\right){\frac {1}{\rho _{l}}}\left[p_{B}(R,t)-p_{A}\left(t+{\frac {R}{c}}\right)-P_{\infty }\right]+{\frac {Rdp_{B}(R,t)}{\rho _{l}cdt}}$

где $R$ – радиус пузырька, точками обозначены первая и вторая производные по времени, $\rho _{l}$ - плотность жидкости, $c$ - скорость звука в жидкости, $p_{B}(R,t)$ - давление на жидкой стороне границы раздела пузырька, $t$ это время, и $p_{A}(t+R/c)$ – это движущее давление с задержкой по времени.

Просперетти

Просперетти нашел способ точно определить внутреннее давление пузырька, используя следующее уравнение.

${\dot {p}}={\frac {3}{r}}\left((\gamma -1)K{\frac {\partial T}{\partial r}}{\Bigg |}_{R}-\gamma p{\dot {R}}\right)$

где $T$ это температура, $K$ – теплопроводность газа, а $r$ это радиальное расстояние.

Формулировка Флинна

Эта формулировка позволяет изучать движение и влияние теплопроводности, сдвиговой вязкости, сжимаемости и поверхностного натяжения на небольшие кавитационные пузырьки в жидкостях, которые приводятся в движение полем акустического давления. Влияние давления пара на кавитационный пузырь также можно определить по межфазной температуре. Формулировка специально разработана для описания движения пузыря, который расширяется до максимального радиуса, а затем резко схлопывается или сжимается. Эта система уравнений была решена с использованием усовершенствованного метода Эйлера .

$\left(1-{\frac {\dot {R}}{c}}\right)R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R^{2}}}\left(1-{\frac {\dot {R}}{3c}}\right)=\left(1+{\frac {\dot {R}}{c}}\right){\frac {1}{\rho _{l}}}\left[p_{B}(R,t)-p_{A}(t)-P_{\infty }\right]+{\frac {R}{\rho _{l}c}}\left(1-{\frac {\dot {R}}{c}}\right){\frac {dp_{B}(R,t)}{dt}}$

где $R$ – радиус пузырька, точками обозначены первая и вторая производные по времени, $\rho _{l}$ - плотность жидкости, $c$ - скорость звука в жидкости, $dp_{B}(R,t)$ - давление на жидкой стороне границы раздела пузырька, $t$ это время, и $p_{A}(t)$ это движущее давление.

–

Теория динамики пузырьков была начата в 1917 году лордом Рэлеем во время его работы в Королевском флоте по исследованию кавитационных повреждений гребных винтов кораблей. На протяжении нескольких десятилетий его работы уточнялись и развивались Мильтоном Плессе , Андреа Просперетти и другими. Уравнение Рэлея–Плессе. является:

$R{\ddot {R}}+{\frac {3}{2}}{\dot {R^{2}}}={\frac {1}{\rho _{l}}}\left(p_{g}-P_{0}-P\left(t\right)-4\mu {\frac {\dot {R}}{R}}-{\frac {2\gamma }{R}}\right)$

где $R$ - радиус пузырька, ${\ddot {R}}$ — производная второго порядка радиуса пузырька по времени, ${\dot {R}}$ - производная первого порядка радиуса пузырька по времени, $\rho _{l}$ - плотность жидкости, $p_{g}$ – давление в газе (которое предполагается однородным), $P_{0}$ – фоновое статическое давление, $P(t)$ – синусоидальное движущее давление, $\mu$ - вязкость жидкости, а $\gamma$ – поверхностное натяжение границы раздела газ-жидкость.

Пузырьковая поверхность

Поверхность схлопывающегося пузырька, подобного тем, которые наблюдаются как в SBSL, так и в MBSL, служит пограничным слоем между жидкой и паровой фазами раствора.

Поколение

MBSL наблюдался во многих различных растворах и в самых разных условиях. К сожалению, его сложнее изучать, поскольку пузырьковое облако неравномерно и может содержать широкий диапазон давлений и температур. SBSL легче изучать из-за предсказуемой природы пузыря. Этот пузырь поддерживается стоячей акустической волной умеренного давления, примерно 1,5 атм. Поскольку при таких давлениях кавитация обычно не возникает, пузырек можно засеять несколькими способами:

1. Переходное кипение при кратковременном импульсе тока в нихромовой проволоке.
2. Небольшая струя воды возмущает поверхность, образуя пузырьки воздуха.
3. Быстро формируемая паровая полость с помощью сфокусированного лазерного импульса.

Стоячая акустическая волна, которая содержит пучности давления в центре защитной оболочки, заставляет пузырьки быстро сливаться в один радиально колеблющийся пузырь.

Свернуть

Как только одиночный пузырь стабилизируется в пучности давления стоячей волны, его можно заставить излучать импульсы света, заставляя пузырь испытывать сильно нелинейные колебания. Это достигается за счет увеличения давления акустической волны, чтобы нарушить устойчивый линейный рост пузыря, что приводит к коллапсу пузыря в результате неконтролируемой реакции, которая возвращается только из-за высокого давления внутри пузыря на его минимальном радиусе.

Послеотскоки

Схлопнувшийся пузырь расширяется из-за высокого внутреннего давления и испытывает уменьшающийся эффект до тех пор, пока пучность высокого давления не вернется в центр сосуда. Пузырь продолжает занимать более или менее то же пространство из-за силы акустического излучения, силы Бьеркнеса и силы плавучести пузыря.

Колебания пузырька соответствуют пучностям давления.

Химия поверхности

Недавно было изучено влияние различных химических веществ, присутствующих в растворе, на скорость схлопывания пузыря. нелетучие жидкости, такие как серная и фосфорная кислота, производят вспышки света длительностью в несколько наносекунд с гораздо меньшей скоростью стенок пузырьков. Было показано, что и производя в несколько тысяч раз большее световое излучение. Этот эффект, вероятно, маскируется в SBSL в водных растворах за счет поглощения света молекулами воды и примесями.

Поверхностное натяжение

Из этих результатов можно сделать вывод, что разница в поверхностном натяжении между этими разными соединениями является источником разных излучаемых спектров и временных масштабов, в которых происходит излучение.

Световое излучение

Инерция схлопывающегося пузыря создает высокие давления и температуры, способные ионизировать небольшую часть благородного газа в объеме пузыря. Эта небольшая фракция ионизированного газа прозрачна и позволяет обнаружить объемные выбросы. Свободные электроны ионизированного благородного газа начинают взаимодействовать с другими нейтральными атомами, вызывая тепловое тормозное излучение. Поверхностное излучение излучает более интенсивную вспышку света с большей продолжительностью и зависит от длины волны. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при сонолюминесценции происходит только объемная эмиссия. Когда звуковая волна достигает впадины с низкой энергией, пузырек расширяется, и электроны могут рекомбинировать со свободными ионами и останавливать излучение света. Время светового импульса зависит от энергии ионизации благородного газа, при этом у аргона световой импульс составляет 160 пикосекунд.

Сияние (Вт/нм)	Относительная яркость
1.50 × 10 −12	Яркий
9.00 × 10 −13	Полуяркий
1.75 × 10 −13	Дим
7.00 × 10 −14	Очень тускло
2.00 × 10 −14	Очень тусклый

Тип решения	Средний макс. излучение (Вт/нм)
Ксенон в воде	1.04 × 10 −9
Криптон в воде	8.00 × 10 −10
Аргон в воде	7.75 × 10 −10
Неон в воде	5.40 × 10 −10
Гелий в воде	4.45 × 10 −11
3 Он в воде	3.60 × 10 −11

Электрические процессы

В 1937 году объяснения излучения света были отданы в пользу электрических разрядов. Первые идеи касались разделения зарядов в кавитационных пузырьках, которые рассматривались как сферические конденсаторы с зарядами в центре и на стенках. При коллапсе емкость уменьшается, а напряжение увеличивается до тех пор, пока не произойдет электрический пробой. Еще одним предложением было разделение зарядов за счет усиления флуктуаций заряда на стенках пузырька, однако пробой должен произойти во время фазы расширения динамики пузырька. Эти теории разряда должны предполагать, что излучающий пузырь подвергается асимметричному коллапсу, поскольку симметричное распределение заряда не может излучать свет.

Термические процессы

Поскольку коллапс пузыря происходит в течение микросекунд, теория горячих точек утверждает, что тепловая энергия возникает в результате адиабатического коллапса пузырька. В 1950 году предполагалось, что при коллапсе сферического симметричного пузыря внутренняя температура пузырька достигает 10 000 К. В 1990-х годах спектры сонолюминесценции были использованы Сусликом для измерения эффективных температур излучения в пузырьковых облаках (многопузырьковая сонолюминесценция) 5000 К. а в последнее время температуры до 20 000 К при кавитации одиночных пузырьков.

При схлопывании пузырька, испытывающего кавитацию, на небольшое время образуется горячая точка. Эта горячая точка содержит высокотемпературное ядро, окруженное более холодной внешней оболочкой.

Стабильность формы пузырьков

Предел окружающего размера пузырька определяется появлением неустойчивостей формы колеблющегося пузырька.Пороги устойчивости формы зависят от изменений радиальной динамики, вызванных различной вязкостью жидкости или частотой возбуждения. При уменьшении частоты параметрическая неустойчивость подавляется, поскольку стабилизирующее влияние вязкости может проявляться дольше, подавляя возмущения. Однако коллапс низкочастотных пузырей благоприятствует более раннему возникновению нестабильности Рэлея-Тейлора. Пузырьки большего размера можно стабилизировать для проявления сонолюминесценции при приложении не слишком высокого давления. На низких частотах водяной пар становится более важным. Пузырьки можно стабилизировать путем охлаждения жидкости, при этом излучается больше света.

См. также

• Слияние пузырей