ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.6
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ НЕСКОЛЬКИХ ПУЗЫРЬКОВ В АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЕ СФЕРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ СОЕДИНЕНИЙ НАТРИЯ И ТЕРБИЯ
© 2013 г. Г. Л. Шарипов, Б. М. Гареев, А. М. Абдрахманов
Институт нефтехимии и катализа РАН, 450075 Уфа, Россия E-mail: glus@anrb.ru Поступила в редакцию 04.02.2013 г.
На установке для наблюдения однопузырьковой сонолюминесценции в сферическом резонаторе реализован режим стабилизации и свечения во время незначительных перемещений около положений равновесия нескольких (2—8) пузырьков в насыщенных аргоном водных растворах NaCl, NaOH, TbCl3 концентрацией 2—6 моль/л. Приведены примеры данной разновидности многопузырьковой сонолюминесценции, иллюстрирующие разнообразное пространственно-спектральное распределение кавитационных пузырьков, которые содержат либо эмиттеры, составляющие только континуум растворителя, либо также эмиттеры — металлы (Na*, Tb3+*). Особый интерес представляет стабилизация пузырьков в виде пар близкорасположенных (0.5—1 мм) пузырьков, в одном из которых светится только растворитель, а в другом — также и металл.
Ключевые слова: сонолиз, кавитация, сферический резонатор, стоячая волна, сонолюминесценция водных растворов, соединения металлов.
DOI: 10.7868/S0320791913050146
ВВЕДЕНИЕ
Свечение газопаровых пузырьков в жидкостях под действием акустических волн или сонолюминесценция (СЛ) изучается с 1934 г. [1]. После разработки метода стабилизации одного пузырька в пучности стоячей волны [2], стали различать разновидности СЛ: однопузырьковую (ОПСЛ) и многопузырьковую (МПСЛ). При МПСЛ в жидкости светится множество кавитационных пузырьков, излучающих свет с суммарной интенсивностью меньше интенсивности свечения единственного пузырька при ОПСЛ [3]. Подобное множество пузырьков возникает, например, во время сонолиза, осуществляемого с помощью погруженного в жидкость волновода, концентрирующего энергию ультразвука в небольшом объеме жидкости. Образующийся кластер пузырьков примыкает к торцу волновода [4]. Однако представлением о кластере—облаке, в котором свечение отдельных пузырьков малоразличимо, понятие МПСЛ не исчерпывается. Уже при первых исследованиях МПСЛ заметили неравномерность излучения из различных частей светящейся области жидкости, подвергаемой сонолизу [1]. Возможность создания кавитационной области в виде нескольких пространственно разделенных светящихся кластеров пузырьков затем отмечали неоднократно. Фотографии подобного режима СЛ приведены, например, недавно в работах [5—7].
Таким образом, в рамках МПСЛ можно различать, как минимум, однокластерную СЛ (ОКСЛ) и многокластерную СЛ (МКСЛ). Более того, существуют режимы МПСЛ со свечением отдельных пузырьков, которые нельзя описать как облако. Так, описано возникновение в этиленгликоле яркой кавитационной области, состоящей из тонкого слоя стабильных пузырьков, образующих две полусферы [8]. Известна "решетка пузырьков", возникающая в установке со сферическом резонатором, обыкновенно применяемым для получения ОПСЛ, при сонолизе растворов серной и фосфорной кислоты. Данная решетка представляет собой множество достаточно стабильных, но совершающих небольшие перемещения относительно положений равновесия, ярко светящихся пузырьков, распределенных по объему резонатора [9].
Приведенные примеры характерны для картин распределения пузырьков, возникающих при со-нолизе органических жидкостей или концентрированных неорганических кислот с большой вязкостью (0.01—0.1 Па с). При этом число пузырьков, обеспечивающих СЛ, достаточно велико: от сотни [9] до тысяч [8]. Однако в литературе описаны и системы, содержащие всего несколько пузырьков [10—12], начиная от двух [12], возникающие при сонолизе менее вязких жидкостей: воды и водных растворов.
Следует отметить, экспериментальные данные о сонолюминесценции систем, содержащих небольшое число пузырьков (few bubble sonolumi-nescence), достаточно скудны, хотя, несомненно, многие исследователи их наблюдали. Между тем, данная разновидность МПСЛ представляет очевидный интерес для исследования механизма процесса диссипации механической энергии колебаний и ее локальной возвратной концентрации (в виде фотонов) в пузырьковых жидкостях. Системы с небольшим количеством пузырьков, по которым распределяется поглощаемая энергия акустического поля, очевидно, можно рассматривать как переходное состояние от интенсивной ОПСЛ к малоинтенсивной МПСЛ.
Особенно актуально изучение режима соно-люминесценции нескольких пузырьков в водных растворах нелетучих солей (или других соединений) металлов. Как известно, для обычной МПСЛ (ОКСЛ под волноводом) в таких растворах, наряду с люминесценцией, связанной с со-нолизом растворителя — воды, наблюдается люминесценция атомов [13] и ионов металлов [14], обусловленная попаданием солей в пузырьки из раствора и последующим электронным возбуждением продуктов их сонолиза. При классической ОПСЛ, во время которой пульсирующий пузырек неподвижно зависает в пучности стоячей волны, люминесценция металла не возникает [10]. Как показано в последнее время, люминесценция металла возможна только при наличии трансляционных перемещений пузырьков, характерных как раз для ОКСЛ, и она возникает также в режиме moving-SBSL (однопузырьковой сонолюминесценции в режиме движения, ОПСЛ-РД) [15, 16]. Поскольку при стабилизации в акустическом поле более одного пузырька полной трансляционной неподвижности их трудно ожидать, весьма вероятно, что в системах нескольких пузырьков, получаемых в растворах солей, будут, как и для ОКСЛ, наблюдаться эффекты электронного возбуждения металлов. Кроме того, можно ожидать и наличия эффекта спектрально-пространственного разделения пузырьков, обнаруженного недавно для ОКСЛ растворов соединений металлов в концентрированной серной кислоте [4] и в воде
[17].
Настоящая работа выполнена с целью проверки данных предположений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использовалось оборудование, применяемое при исследовании ОПСЛ. Его основной частью являлись стеклянные резонаторы диаметром 55—56 мм с приклеенными оппозитно дисковыми пьезопреобразователями. На них подавалось синусоидальное напряжение от генератора сигналов 10—200 кГц. Частота акустического
резонанса, при которой в данных резонаторах возникала стабильная ОПСЛ в воде, составляла около 27 кГц. Все эксперименты по наблюдению сонолюминесценции нескольких пузырьков проводились при частотах ультразвука, превышающих данную частоту, но при сохранении амплитудных значений напряжения на преобразователях, соответствующих режиму ОПСЛ. Регистрация интенсивности и спектров светового излучения проводилась при помощи стандартного оборудования (ФЭУ Hamamatsu R3896, спектрофлуориметр Aminco—Bowmen J4-8202, осциллограф C1-74). Фотографии пузырьков получены цифровой фотокамерой Nicon D3000. Для приготовления растворов использовалась бидистилированная вода и соединения металлов марки не ниже "хч". Растворы после приготовления дополнительно очищались от нерастворимых примесей пропусканием через фильтр МФАС-Б-1 с размерами пор 0.05 мкм. Растворы перед использованием дегазировались ва-кууммированием до давления 0.1 Торр, затем насыщались аргоном в течении одного часа при барботировании со скоростью подачи 15 мл/с под избыточным давлением 4 Торр.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе экспериментов получены фотографии свечения, возникающего при сонолизе водных растворов NaCl, NaOH, TbCl3 при концентрациях 2—6 моль/л. Установлено, что в данных растворах при изменениях частоты ультразвука и состава раствора могут быть реализованы разные режимы свечения. Например, режим МКСЛ, когда наблюдается свечение множества неразличимых пузырьков, образующих картину пространственно разделенных кластеров, аналогичную картине, полученной ранее [7]. Возможен режим свечения отдельных десятков или примерно сотни пузырьков, описанный ранее в работе [9] как решетка пузырьков. Наблюдается также стабильное свечение всего лишь нескольких отдельных пузырьков, совершающих незначительные перемещения относительно центров их стабилизации, очевидно, локальных пучностей стоячей волны в резонаторе. Эти перемещения ведут к размытию изображений пузырьков. По нашему мнению, наряду с тривиальным обозначением "сонолюминесцен-ция нескольких пузырьков", подходящим для такой картины МПСЛ является также название "полицентровая сонолюминесценция" (ПЦСЛ).
Некоторые выявленные нами особенности, например, высокая интенсивность свечения, разнообразное пространственное распределение пузырьков, возможность получения разного набора эмиттеров в различных пузырьках (даже в очень близко расположенных соседних пузырьках), позволяют выделить ПЦСЛ в растворах соединений металлов как интересную разновидность
(а)
ч
:
0.5 мм
200 300 400 500 600 Длина волны, нм (б)
700 800
л 13 мм
0.6 мм
200 300
400 500 600 Длина волны, нм
700 800
Рис. 1. Фотографии картины ПЦСЛ, увеличенные фотографии отдельных центров свечения и спектры свечения в растворе КаОН 3 моль/л при частоте / = 69.8 кГц — а, 71.5 кГц — б. Температура раствора Т = 12—15°С, экспозиция 5 = 30 с. Вид снизу. Данные и последующие фотографии — цветные онлайн.
МПСЛ, требующую дальнейшего детального изучения.
Далее приводятся некоторые наглядные примеры этих особенностей ПЦСЛ с малым числом центров (пузырьков) в растворах соединений металлов, насыщенных инертным газом аргоном.
Из-за наличия движений пузырьки при ПЦСЛ воспринимаются глазом как "дрожащие" пят-
нышки. Размеры этих пятнышек — небольших областей пространства, которые охватываются при своих движениях пузырьками, определены наблюдениями через микроскопическую окулярную трубку и приведены на некоторых фотографиях. Другой особенностью пузырьков при ПЦСЛ в растворах соединений металлов является их возможная разная окраска, обусловленная высвечиванием неодинаковых эмиттеров.
Пузырьки могут иметь беловато-синюю окраску, далее такие пузырьки условно обозначаются как "синие". Данную окраску придает пузырькам высвечивание электронно-возбужденных продуктов сонолиза растворителя, формирующих широкий континуум, простирающийся от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.