АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 3, с. 333-360
ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.6
СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ: ЭКСПЕРИМЕНТЫ И МОДЕЛИ (ОБЗОР)
© 2015 г. В. А. Борисёнок
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" 115409 Москва, Каширское ш. 31 E-mail: VABorisenok@mephi.ru
Рассмотрены три модели образования источника сонолюминесценции: модель безударного сжатия, модель ударной волны и поляризационная модель. Проведено тестирование каждой из них на результатах экспериментов по определению размеров излучающей области и углового распределения излучения; формы и длительности импульса излучения; влияния типа жидкости, состава газа, поверхностно-активных веществ, акустической частоты и температуры жидкости на интенсивность излучения; характеристик ударной волны в жидкости; спектров излучения. Показано, что наиболее удовлетворительно всю совокупность экспериментальных данных качественно объясняет поляризационная модель. Предложены методы верификации этой модели. Приведен обзор работ по исследованию возможности реализации реакции термоядерного синтеза в кавитационных системах.
Ключевые слова: сонолюминесценция, модель безударного сжатия, модель ударной волны, поляризационная модель, тестирование моделей, акустический термоядерный синтез.
DOI: 10.7868/S0320791915030053
ВВЕДЕНИЕ
Сонолюминесценцию (СЛ) определяют как явление импульсного испускания света пузырьками газа (пара, парогазовой смеси) в жидкости, подверженной периодическому акустическому воздействию [1—4]. Различают многопузырьковую (МПСЛ) и однопузырьковую (ОПСЛ) соно-люминесценцию. В первом случае излучателем является система кавитационных пузырьков, плотность которых составляет 103—105 см-3 [2]; во втором — один стабильно осциллирующий пузырек, созданный с помощью сферической или цилиндрической фокусирующей камеры [1—4]. В литературе описаны также системы с небольшим количеством пузырьков [5—7], начиная с двух [5], которые рассматривают как переходное состояние от ОПСЛ к МПСЛ.
Некоторые авторы выделяют в отдельную категорию однопузырьковую сонолюминесценцию при нестационарном состоянии пузырька, когда из-за потери пространственной устойчивости он движется относительно положения равновесия [4]. Такая СЛ имеет ряд отличий от стационарной ОПСЛ, и ее называют танцующей (dancing) [4] или движущейся (moving) [8] однопузырьковой сонолюминесценцией. Последнее название получило большее распространение в литературе [8—13]. Поэтому по аналогии далее будем называть эту разновидность СЛ однопузырько-войсонолюминесценцией в режиме движения (ОПСЛ-РД). Такой термин введен в [14].
В отношении приоритета открытия МПСЛ в литературе имеется некоторое расхождение во мнениях. Авторы [4] отдают приоритет Марине-ско и Трилату, которые обнаружили засветку фотопластинки в опытах по воздействию ультразвука на жидкость [15]. Работа [15] опубликована в 1933 г. По мнению других авторов, в частности, авторов обзоров [2, 3], честь открытия принадлежит Френцелю и Шультесу, впервые в 1934 г. в аналогичных опытах наблюдавшим свечение в жидкости невооруженным глазом [16]. ОПСЛ была открыта Гайтаном и Крамом. Сообщение о регистрации вспышек света в жидкости при пульсации одного кавитирующего пузырька в цилиндрической камере-резонаторе опубликовано в 1992 г. [17].
За время, прошедшее с момента открытия со-нолюминесценции, разработаны методы исследования этого физического явления и получены многочисленные экспериментальные данные. В частности, предложены методы формирования пузырьков в жидкости, определены области их пространственной и временной стабильности. Исследована динамика пузырьков; измерены зависимости световыхода от давления в жидкости и ее температуры, от частоты пульсаций, от состава системы жидкость—газ. Измерены спектры излучения, форма импульса света и характеристики ударной волны, образующейся в жидкости на последней стадии коллапса пузырька. Оценены размеры излучающей области, получен ряд других результатов.
Методы исследования СЛ непрерывно совершенствуются. Одним из наиболее значимых результатов за последние годы является измерение формы импульса излучения ОПСЛ с временным разрешением ~50 пс в разных областях спектра.
Самый важный вопрос в проблеме сонолюми-несценции — природа источника излучения. Предложено достаточно большое число моделей образования источника (далее по тексту — модели сонолюминесценции), но с течением времени была показана несостоятельность большинства из них. Сегодня в литературе для объяснения экспериментальных результатов в основном используют только две модели: модель безударного сжатия и модель ударной волны [1—3]. Приводятся аргументы за и против каждой модели [1—3, 18, 19], однако работы, в которых было бы показано, что какая-либо одна из них описывает всю совокупность экспериментальных данных, отсутствуют.
Настоящая работа — обзор результатов исследования сонолюминесценции, в основном однопу-зырьковой. В ней сделана попытка проанализировать результаты экспериментов в рамках нескольких моделей СЛ. Критерий такого тестирования — "правильная" модель должна описывать всю совокупность экспериментальных данных. Приведен также обзор работ по исследованию возможности реализации реакций термоядерного синтеза в пузырьковых системах.
При составлении обзора использованы, в основном, публикации в зарубежных журналах. Причина тому следующая.
Кавитация и сопутствующие ей явления и эффекты изучались и изучаются во многих странах, в том числе достаточно активно в СССР и РФ, о чем свидетельствует большое количество статей в специализированных журналах. Например, можно отметить статьи [20—31], опубликованные в разное время в "Акустическом журнале". Однако в этих и других русскоязычных публикациях основному предмету настоящей работы — однопу-зырьковой сонолюминесценции — внимания, за малым исключением, не уделено.
1. СОЗДАНИЕ ПУЗЫРЬКОВ
Кавитация — образование в капельной жидкости полостей (пузырьков), заполненных газом, паром или их смесью. Систему кавитационных пузырьков для исследования МПСЛ создают в объеме жидкости с помощью ультразвуковых излучателей. В акустическом поле пузырьки распределены неоднородно. Они самоорганизуются в структурные ансамбли в форме кластеров, содержащих иногда всего несколько пузырьков, ни-теподобных структур, похожих на паутину из пузырьков, и в виде облаков из плотноупакованных пузырьков. Структуры образуются за счет сил притяжения и отталкивания при взаимодействии пузырьков с акустическим полем и друг с другом
[4, 32]. Теоретическое описание таких систем — задача чрезвычайно трудная, но отдельные попытки в этом направлении делаются. В [4], например, сформулирована задача N пузырьков. Она аналогична соответствующей задаче астрофизики, но имеет намного более сложные силы взаимодействия между элементами системы [4].
Экспериментальному исследованию многопузырьковых структур и МПСЛ посвящено большое количество работ. Достаточно подробная информация о методах и результатах исследований приведена в работах [2, 4, 32].
Одиночный пузырек в жидкости можно создать с помощью нескольких методов. Пузырек формируют импульсом сфокусированного лазерного излучения (оптический пробой), электрическим пробоем, взрывом небольшого количества взрывчатого вещества [4]. Названные методы имеют определенные недостатки, ограничивающие их применение. Это образование плазмы внутри пузырька при пробоях; возмущение, вносимое электродами при электрическом пробое; продукты взрыва при микровзрыве.
Наиболее распространен следующий способ создания одиночного пузырька [1—4]. Сферический или цилиндрический сосуд заполняют жидкостью с растворенным в ней газом. С помощью пьезоэлектрического привода в жидкости создают стоячую акустическую волну с пучностью в центре сосуда. В определенном интервале амплитуд акустического поля ра в жидкости образуется кавитационный пузырек, который захватывается пучностью волны и пульсирует с частотой акустического поля. Реже в такой системе применяют метод генерации пузырьков с помощью тонкой металлической проволочки (чаще всего платиновой), размещенной на дне сосуда. Пузырек образуется при подаче на проволочку импульса электрического тока, а затем поднимается (левитирует) в акустическую ловушку. Это относительно новый метод [4].
С помощью метода, основанного на захвате акустической ловушкой, получают стабильные пузырьки с равновесным радиусом Я0 порядка нескольких микрометров (при нормальных условиях). "Лазерный" метод позволяет формировать пузырьки большего размера: здесь Я0 может варьироваться от десятков микрометров до единиц миллиметров [4].
Оригинальный метод создания пузырьков используют в экспериментах по исследованию акустического термоядерного синтеза. Он рассмотрен в разделе 5.
Стабильное существование пузырька возможно только при выполнении ряда условий. В обзоре [4] называют три вида стабильности: позиционную, сферическую и диффузионную. При позиционной стабильности пузырек не изменяет положения в пространстве, несмотря, например,
на плавучесть. При сферической — пузырек сохраняет сферическую форму, например, при сильном коллапсе. Диффузионная стабильность означает, что пузырек предохранен от исчезновения или роста, несмотря, например, на поверхностное натяжение или диффузию.
Область стабильности пузырька в системе жидкость—газ определяется совокупностью параметров, характеризующих внешнее воздействие на систему [4, 32—35]. Это, в основном, амплитуда ра и частота/ акустического поля, статическое давлениерй, парциальное давление растворенного газарр и температура жидкости Ту В этой области "время жизни" пузырька может исчисляться миллиардами циклов (несколькими сутками) [33], что делает его удобным объектом для исследования. Стабильно пульсирующий пузырек — недостаточное условие для возникновения стабильной ОПСЛ. Она имеет место только в некоторой части области стабильности, в определенных интервалах значений названных выше параметров. Например, эксперименты по исследованию ОПСЛ при нормальных условиях проведены, в основном, при /а = 20-40 кГц и ра = 1.0-1.5 атм [1, 3, 4]. Если в жидкости предварительно с
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.