Механизм сонолюминесценции - Mechanism of sonoluminescence

Сонолюминесценция - это явление, которое возникает, когда небольшой пузырь газа акустически подвешен и периодически перемещается в жидком растворе на ультразвуковых частотах, что приводит к схлопыванию пузырька, кавитации и излучению света. Тепловая энергия, которая выделяется при схлопывании пузыря, настолько велика, что может вызвать слабое излучение света. Механизм излучения света остается неопределенным, но некоторые из текущих теорий, которые относятся к тепловым или электрическим процессам, - это тормозное излучение, гипотеза ректификации аргона и горячая точка. Некоторые исследователи начинают отдавать предпочтение объяснениям тепловых процессов, поскольку разницы температур постоянно наблюдаются с помощью различных методов спектрального анализа. Чтобы понять механизм излучения света, важно знать, что происходит внутри пузыря и на его поверхности.

Для создания пузырька, способного проводить сонолюминесценцию, требуется установка, подобная приведенной ниже.

Текущие конкурирующие теории

До начала 1990-х все исследования различных химических и физических параметров сонолюминесценции проводились с использованием многопузырьковой сонолюминесценции (MBSL). Это было проблемой, поскольку все теории и динамика пузырьков были основаны на сонолюминесценции одиночного пузырька (SBSL), и исследователи полагали, что колебания пузырьков 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 пузырек. После того, как многие из ранних теорий были опровергнуты, оставшиеся правдоподобные теории можно разделить на два разных процесса: электрический и тепловой.

Однопузырьковая сонолюминесценция (SBSL)

SBSL излучает больше света, чем MBSL, из-за меньшего количества взаимодействий между соседними пузырьками. Еще одно преимущество SBSL заключается в том, что одиночный пузырек схлопывается без воздействия других окружающих пузырей, что позволяет проводить более точные исследования теорий акустической кавитации и сонолюминесценции. Были выдвинуты некоторые экзотические теории, например, от Швингера в 1992 году, который намекнул на динамический эффект Казимира как на потенциальный процесс испускания фотонов. Некоторые теории говорят, что место излучения света находится в жидкости, а не внутри пузыря. Другие теории SBSL объясняют, что испускание фотонов из-за высоких температур в пузыре аналогично теориям горячих точек MBSL. Что касается тепловыделения, преобладает большое количество различных процессов. Поскольку во время коллапса температуры повышаются от нескольких сотен до многих тысяч градусов Кельвина, это могут быть процессы рекомбинации молекул, эмиссии, вызванной столкновениями, эмиссии молекул, эксимеров, рекомбинации атомов, радиационного присоединения ионов, нейтрального и ионного тормозного излучения или эмиссии удерживаемых электронов в пустоты. Какая из этих теорий применима, зависит от точных измерений и расчетов температуры внутри пузыря.

Многопузырьковая сонолюминесценция (МБСЛ)

В отличие от однопузырьковой сонолюминесценции, многопузырьковая сонолюминесценция - это создание множества колеблющихся и схлопывающихся пузырьков. Обычно в MBSL световое излучение от каждого отдельного пузырька слабее, чем в SBSL, потому что соседние пузырьки могут взаимодействовать и влиять друг на друга. Поскольку каждый соседний пузырек может взаимодействовать друг с другом, это может затруднить проведение точных исследований и определение свойств схлопывающегося пузыря.

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

Пузырьковый интерьер

Одним из самых больших препятствий в исследованиях сонолюминесценции была попытка получить измерения внутренней части пузыря. Большинство измерений, таких как температура и давление, косвенно измеряются с использованием моделей и динамики пузырьков.

Температура

Некоторые из разработанных теорий о механизме SBSL приводят к прогнозам для максимальной температуры от 6000 K до 20000 K. Все они имеют общее: а) внутренняя часть пузыря нагревается и становится, по крайней мере, настолько же горячей, как измеренная. для МБСЛ: б) водяной пар является основным ограничивающим фактором температуры и в) средняя температура по пузырьку не поднимается выше 10000 К.

Пузырьковая динамика

Эти уравнения были составлены с использованием пяти основных предположений, четыре из которых являются общими для всех уравнений:

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

Пятое предположение, которое меняется в зависимости от формулировки, относится к термодинамическому поведению жидкости, окружающей пузырек. Эти предположения сильно ограничивают модели, когда пульсации велики, а скорости стенок достигают скорости звука .

Формулировка Келлера – Миксиса

Формулировка Келлера – Миксиса - это уравнение, выведенное для больших радиальных колебаний пузырька, находящегося в звуковом поле. Когда частота звукового поля приближается к собственной частоте пузыря, это приведет к колебаниям большой амплитуды. Уравнение Келлера – Миксиса учитывает вязкость, поверхностное натяжение, падающую звуковую волну и акустическое излучение, исходящее от пузырька, что ранее не учитывалось в расчетах Лаутерборна. Лаутерборн решил уравнение, которое Plesset, et al. модифицированный на основе оригинального анализа Рэлея больших колеблющихся пузырьков. Келлер и Миксис получили следующую формулу:

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

где радиус пузырька, точки обозначают первые и вторые производные по времени, является плотность жидкости, является скоростью звука через жидкость, это давление на жидкостной стороне интерфейса пузыря, время, и это запаздывающее давление движения. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ rho _ {l}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle p_ {B} (R, t)}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle p_ {A} (t + R / c)}$

Формулировка Просперетти

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

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

где - температура, - теплопроводность газа, - радиальное расстояние. ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle r}$

Формулировка Флинна

Эта формулировка позволяет изучать движения 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 с помощью межфазной температуры. 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 улучшенного метода Эйлера .

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

где радиус пузырька, точки обозначают первые и вторые производные по времени, является плотность жидкости, является скоростью звука через жидкость, это давление на жидкостной стороне интерфейса пузыря, время, и это движущее давление. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ rho _ {l}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle dp_ {B} (R, t)}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle p_ {A} (t)}$

Уравнение Рэлея – Плессе

Теория динамики пузырьков была начата в 1917 году лордом Рэли во время его работы с Королевским флотом по исследованию кавитационных повреждений гребных винтов кораблей. За несколько десятилетий его работы были усовершенствованы и развиты Милтоном Плессетом , Андреа Просперетти и другими. Уравнение Рэлея – Плессета :

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

где - радиус пузыря, - производная второго порядка радиуса пузыря по времени, - производная первого порядка радиуса пузыря по времени, - плотность жидкости, - давление в газе (которое равно предполагается однородным), - фоновое статическое давление, - синусоидальное управляющее давление, - вязкость жидкости, - это поверхностное натяжение на границе раздела газ-жидкость. ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle {\ ddot {R}}}$${\ displaystyle {\ dot {R}}}$${\ displaystyle \ rho _ {l}}$${\ displaystyle p_ {g}}$${\ displaystyle P_ {0}}$${\ Displaystyle P (t)}$${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ gamma}$

Поверхность пузыря

Поверхность схлопывающегося пузырька, подобная 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 решениях в различных условиях. К сожалению, его труднее 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 кавитации обычно не происходит, засеять пузырь можно несколькими способами:

1. Переходное вскипание из-за короткого импульса тока в нихромовой проволоке.
2. Небольшая струя воды возмущает поверхность, вызывая появление пузырьков воздуха.
3. Быстро формирующаяся 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.

Крах

Как только одиночный пузырек стабилизируется в пучности давления стоячей волны, его можно заставить излучать световые импульсы, заставляя пузырек совершать сильно нелинейные колебания. Это достигается за счет увеличения давления акустической волны, чтобы нарушить устойчивый, линейный рост пузырька, который заставляет пузырек схлопываться в неуправляемой реакции, которая возвращается только из-за высокого давления внутри пузырька на его минимальном радиусе.

Afterbounces

Свернувшийся пузырь расширяется из-за высокого внутреннего давления и испытывает убывающий эффект, 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 пузыря соответствуют антиузлам давления.

Химия поверхности

Влияние различных химических веществ, присутствующих в растворе, на скорость схлопывающегося пузыря было недавно изучено. Было показано, что нелетучие жидкости, такие как серная и фосфорная кислоты , производят вспышки света длительностью несколько наносекунд с гораздо меньшей скоростью стенки пузырька и производят в несколько тысяч раз большее световое излучение. Этот эффект, вероятно, маскируется в SBSL в водных растворах из-за поглощения света молекулами воды и загрязнителями.

Поверхностное натяжение

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

Световое излучение

Инерция схлопывающегося пузырька создает высокие давления и температуры, способные ионизировать небольшую часть благородного газа в объеме пузырька. Эта небольшая часть ионизированного газа прозрачна и позволяет регистрировать объемную эмиссию. Свободные электроны из 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 в случае сонолюминесценции происходит только объемное излучение. Когда звуковая волна достигает минимума энергии, пузырь расширяется, и электроны могут рекомбинировать со свободными ионами и останавливать излучение света. Время светового импульса зависит от энергии ионизации благородного газа аргоном, имеющего световой импульс 160 пикосекунд.

Электрические процессы

В 1937 году при объяснении эмиссии света предпочтение было отдано электрическим разрядам. Первые идеи были о разделении зарядов в кавитационных пузырьках, которые рассматривались как сферические конденсаторы с зарядами в центре и на стенке. При схлопывании емкость уменьшается, а напряжение увеличивается до тех пор, пока не произойдет электрический пробой. Еще одним предложением было разделение зарядов за счет увеличения флуктуаций заряда на стенке пузырька, однако разрыв должен происходить во время фазы расширения динамики пузырька. Эти теории разряда должны предполагать, что излучающий пузырь испытывает асимметричный коллапс, потому что симметричное распределение заряда не может излучать свет.

Тепловые процессы

Поскольку схлопывание пузырька происходит в течение микросекунд, теория горячих точек утверждает, что тепловая энергия возникает в результате адиабатического схлопывания пузырька. В 1950 г. предполагалось, что внутренние температуры пузырька достигают 10 000 К при схлопывании сферически-симметричного пузырька. В 1990-х годах Суслик использовал спектры сонолюминесценции для измерения эффективных температур излучения в пузырьковых облаках (многопузырьковая сонолюминесценция) до 5000 К, а в последнее время - до 20000 К в кавитации с одним пузырьком.

При схлопывании пузырька, в котором возникает кавитация, на короткое время образуется горячая точка. Это горячее пятно содержит высокотемпературное ядро, окруженное более холодной внешней оболочкой.

Стабильность формы пузыря

Ограничение на окружающий размер пузыря определяется появлением нестабильности в форме колеблющегося пузыря. Пороги устойчивости формы зависят от изменений радиальной динамики, вызванных различной вязкостью жидкости или частотами движения. Если частота уменьшается, параметрическая нестабильность подавляется, поскольку стабилизирующее влияние вязкости может проявляться дольше, чтобы подавить возмущения. Однако схлопывание пузырей, вызываемых низкочастотными колебаниями, способствует более раннему возникновению неустойчивости Рэлея-Тейлора. Пузырьки большего размера можно стабилизировать, чтобы показать сонолюминесценцию при приложении не слишком высокого давления нагнетания. На низких частотах водяной пар становится более важным. Пузырьки можно стабилизировать, охлаждая жидкость, при этом излучается больше света.

Смотрите также

• Bubble Fusion

Рекомендации