CC BY
22Влияние статического давления на спектры сонолюминесценции воды кавитационной области.
Гордейчук Т.В. ftanya@poi.dvo.ru)
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН.
Сонолюминесценция - слабое свечение жидкостей в ультразвуковом поле, возникающее при быстром, почти адиабатическом сжатии кавитационных пузырьков. Спектральные исследования СЛ являются эффективным методом для изучения условий, возникающих внутри кавитационного пузырька [1]. Общая интенсивность и форма спектров сонолюминесценции кавитационной области (СЛКО) воды зависит от многих факторов: природы растворенного газа, статического давления, температуры жидкости, частоты и интенсивности ультразвука и др.
Влияние статического давления на спектры СЛКО остается до сих пор вопросом, до конца не изученным. Известно, что зависимость интенсивности СЛКО от давления описывается кривыми с максимумом [2, 3]. В данной работе представлены результаты исследований спектров СЛКО в атмосфере различных инертных газов (Аг, Кг, Xe) для различных значений гидростатического давления в диапазоне от 1 до 2 Атм. Спектры были получены от кавитационной области, расположенной вблизи источника интенсивного ультразвука (расстояние между наконечником излучателя и кварцевым окошком ультразвуковой ячейки составляло 10 мм).
Экспериментальная установка (Рис. 1) подробно описана в предыдущих работах [4, 5].
Дистиллированную воду насыщали инертным газом и непрерывно прокачивали через термостатируемую стальную ультразвуковую ячейку (внутренний
диаметр 2 см, объем 50 мл). Дополнительное давление в ячейке создавали с помощью перистальтического насоса. Температуру
раствора внутри ячейки
поддерживали постоянной и равной примерно 9 °С. Частота ультразвукового облучения равнялась 22 кГц. Общую поглощенную ультразвуковую мощность (41.5 Вт) измеряли калориметрическим методом. Спектры СЛ анализировали в диапазоне от 200 до 500 нм с помощью монохроматора (фокусное расстояние 0,6 м, дифракционная решетка 1200 штрихов/мм, обратная линейная дисперсия 1,3 нм/мм). В качестве детектора служил ФЭУ-100. Относительная спектральная чувствительность
1
| Вольтметр |~
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
детектирующей системы была определена с помощью дейтериевой лампы ДДС-30 с известным спектральным распределением интенсивности излучения.
Результаты и их обсуждение.
Экспериментальные результаты представлены на рис. 2. Спектры СЛКО состоят из полос излучения OH* радикала с максимумами при 280, 310, 340 нм и континуума [5]. Общая интенсивность СЛ возрастает в ряду инертных газов Ar< Ю< Xe как 1: 5: 16, что соответствует ранее опубликованным результатам [5].
Увеличение статического давления от 1 до 2 Атм сопровождается
(а) уменьшением OH* эмиссии по отношению к континууму;
(б) уменьшением общей интенсивности СЛ;
(в) усилением части спектра при X < 300 нм, (этот эффект проявляется особенно существенно в случае использования ксенона, как насыщающего газа).
о 3
Рис. 2. Аг
1 Атм
2 Атм
220
270
320 370
Длина волны, нм
420
470
1= 4
Ч и
Аг
Рис. 2. 1 Атм
320 370
Длина волны, нм
5
5
* 4
3
2
2
1
1
0
0
220
270
220
270
320 370
Длина волны, нм
420
470
7
6
5
4
3
2
1
0 220
Рис. 2. 2 Атм
X.
•^Аг^.
270
320 370 Длина волны, нм
420
470
Рис. 2. Спектры СЛКО воды, насыщенной инертными газами, для различных значений статического давления. Спектры нормированы с коэффициентом нормировки, равным значению интенсивности при 400 нм.
Увеличение статического давления в растворе приводит к увеличению порога кавитации [6], и, в результате, к уменьшению количества кавитационных пузырьков. Кроме того, первоначально насыщенная газом жидкость становится недонасыщенной для данного увеличенного значения давления, что также ведет к снижению количества кавитационных пузырьков. С другой стороны, увеличение статического давления повышает интенсивность коллапса отдельных пузырьков, что означает увеличение конечных температуры и давления внутри пузырька. Таким образом, энергия и интенсивность излучения от отдельного пузырька будет выше, что должно найти отражение в спектре СЛКО. Эти два процесса, уменьшение концентрации пузырьков и увеличение интенсивности схлопывания отдельных пузырьков с ростом статического давления в ячейке, определяют как интенсивность, так и спектральное распределение сонолюминесценции.
Уменьшение количества кавитационных пузырьков в нашем случае является, вероятно, доминирующим процессом, определяющим зависимость общей интенсивности СЛ от статического давления (Рис. 3). Этот эффект может быть следствием конструктивных особенностей ячейки. Поскольку длина волны ультразвука (7,5 см для частоты 22 кГц) велика, по сравнению с размерами ячейки, жидкость вблизи вершины наконечника ультразвукового излучателя можно считать несжимаемой. В соответствии с законом Бернулли, быстрые изменения потоков, обтекающих кромку вершины наконечника при его периодическом движении в несжимаемой жидкости, приведут к формированию области низкого давления - интенсивному источнику кавитационных пузырьков. Таким образом, в нашем случае, вероятно, существует дополнительный механизм образования пузырьков ("гидродинамическая" кавитация), который формирует сильное кавитационное поле вблизи кромки вершины наконечника излучателя. Увеличение статического давления приведет к увеличению порогов кавитации, как для акустической, так и для "гидродинамической" кавитации, и, в результате, к уменьшению общей интенсивности СЛ.
Изменение спектров СЛ при увеличении статического давления (Рис. 2) свидетельствуют в пользу утверждения о том, что, чем выше статическое давление, тем более интенсивным является процесс схлопывания отдельных пузырьков. Аналогичные изменения в спектрах СЛКО (уменьшение ОН* по отношению к континууму и усиление части спектра при X < 300 нм) наблюдали при исследовании влияния интенсивности ультразвука и теплопроводности газов на спектры СЛКО [7].
ч 2 т-
" Если рассматривать молекулярную эмиссию
Л-1.5- как механизм СЛ, объяснение изменений,
и < наблюдаемых в спектрах СЛ, будет
1.2 1.4 1.6 1.8
аналогично предложенному в [5, 7]. Рост температуры внутри пузырька ведет как к увеличению числа и разнообразия молекулярных и атомарных частиц в
"ошичеСкэе давление, Атм" пузырьке так и к °браз°ванию широк°ГО
спектра возбужденных состояний у этих Рис. 3. Влияние статического давления на частиц, которые могут участвовать в интенсивность СЛ воды в атмосфере Аг и Хе. формировании континуума спектров СЛ [5,
7].
Таким образом, с ростом температуры внутри пузырька континуум вырастал бы быстрее, чем ОН*-эмиссия (Рис. 2). Аналогичный эффект впервые наблюдали в [7] для спектров СЛКО воды в присутствии инертных газов: УФ часть спектров увеличивалась в ряду газов от Аг к Хе (см. также Рис. 2). Было высказано предположение [5], что
источником широкой полосы излучения при X < 300 является излучение
*
низкомолекулярных соединений и эксимеров типа Н2О М (М - атом газа или молекула воды). Кроме того, энергии возбужденных состояний ОН радикала (1^ 0, 2^ 0 при 280 и 260 нм, соответственно, и другие переходы при X < 300 нм) могут давать вклад в УФ часть спектра СЛ.
Эти высокоэнергетические состояния будут преимущественно заселяться при более высоких температурах [7]. Таким образом, увеличение статического давления в жидкости приводит к увеличению температуры внутри пузырька, и, в результате, к увеличению числа находящихся в возбужденном состоянии частиц, которые могут давать вклад в УФ часть спектров СЛКО.
Автор признателен Ю.Т. Диденко и А.О. Максимову за полезную дискуссию. Работа поддержана грантом РФФИ р01-02-96901.
[1] McNamara, W. B., Didenko, Y. T., Suslick, K. S. // Nature (London) 1999, 401, 772-775.
[2] Henglein A., Gutierres M. // J. Phys. Chem. 1993, 97, 158-162.
[3] Chenke P. K., Fogler H. S. // J. Phys. Chem. 1983, 87, 1644-1646.
[4] Didenko Y. T., Gordeychuk T. V., Koretz V. L. // J. Sound Vibr. 1991, 147, 409-416.
[5] Didenko Y. T., Pugach S. P. // J. Phys. Chem. 1994, 98, 9742-9749.
[6] Walton A. J., Reynolds G. T. // Adv. Phys. 1984, 3, 595-660.
[7] Didenko Y. T., Gordeychuk T. V. // Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 5640-5643.
