Модуль E20-10 в оптико-акустических экспериментальных исследованиях

Внедрение: 2013-2017 г.

Ниже мы приводим выдержки из двух работ разных лет группы учёных из Владивостока, использовавших модуль E20‑10 в схемах физических экспериментов. 

В работе [1] 2013 года представлены результаты экспериментальных исследований акустической эмиссии из зоны оптического пробоя в жидкости. Изучены спектральные характеристики и энергетика акустической волны, генерируемой в жидкости при расширении плазменного образования, инициируемого оптическим пробоем на длине волны 532 nm. Показано, что наблюдаются 2 спектральных максимума, характеризующих акустическую эмиссию, при этом наблюдается смещение в низкочастотную область низкочастотного максимума при увеличении энергии лазерного импульса. В целом наблюдается линейная зависимость акустического давления от энергии лазерного импульса. Показано, что по акустическим данным удается воспроизвести функцию R(t), которая согласуется с характерными зависимостями R(t), получаемыми из оптических данных. Последнее особо важно для изучения пробоя в непрозрачных средах.

Схема эксперимента представлена на рисунке 1. В эксперименте для возбуждения оптического пробоя использовался ND:YAG лазер "Brilliant B" (длина волны 532 nm, длительность импульса 10 ns, энергия в импульсе до 180 mJ, изменяющаяся в режиме модулированной добротности). Регистрация оптического пробоя осуществлялась с применением оптического многоканального анализатора спектров Flame Vision PRO System с временным разрешением 3 ns.

В эксперименте излучение лазера (1) с помощью поворотного зеркала (2) и линзы (3) фокусировалось в жидкость. Излучение плазмы (4) оптического пробоя проецировалось линзой (6) на входную щель монохроматора (7), сопряженного с CCD-камерой (5). Управление осуществлялось компьютером (8).

В качестве широкополосного акустического приемника использовался гидрофон типа 8103 фирмы Brüel & Kjær (9), информация с которого оцифровывалась и записывалась с применением модуля E20‑10 с частотой оцифровки 5 MHz.

В экспериментах были получены серии снимков оптического пробоя при экспозиции 3 ns с различным шагом временной задержки td относительно начала пробоя. Далее проводилась обработка изображений в зависимости от времени задержки, так что можно было изучить динамику образования и роста пузырьков в жидкости. Анализ одновременно записанной акустической информации позволял связать динамику пузырьков с параметрами акустической эмиссии из области оптического пробоя.

Рисунок 1. Схема эксперимента: 1 – лазер; 2 – поворотное зеркало; 3 - линза; 4 – плазма; 5 - CCD-камера; 6 - линза; 7 – монохроматор; 8 – компьютер.

На рисунке 2 представлены оптические изображения области пробоя в воде, которые были получены при различной фокусировке лазерного излучения линзами. В результате пробой происходил либо в толще воды (слева), либо в приповерхностных слоях воды (в центре), либо наблюдался смешанный пробой, представляющий собой комбинацию указанных выше типов пробоя (справа).
 

Рисунок 2. Различные режимы пробоя в воде: слева – локализованный в толще воды, в центре – приповерхностный, справа – смешанный.

На рисунке 3 представлена спектральная плотность акустической эмиссии от различных режимов пробоя в воде. Видно, что характер акустической эмиссии и значения спектральных плотностей звука существенно различаются в зависимости от характера оптического пробоя.

Рисунок 3. Спектральная плотность акустической эмиссии при различных режимах пробоя в воде: слевa – при наличии только одного из различных режимов пробоя в воде (представленные на рисунке 2), справа – при наличии смешанного пробоя в воде.

Работа [1] выполнена при поддержке РФФИ, проект 12‑02‑01048, проект 12‑03‑31816 мол_а.

В работе [2] 2017 года показано, что при воздействии ультразвука наблюдаются резкое увеличение акустической эмиссии и увеличение интенсивности спектральных линий растворенных элементов в водных растворах NaCl, NaHCO3 и CaCl2, что позволяет говорить о новом комбинированном методе лазерной и ультразвуковой искровой спектроскопии. Решена задача синхронизации акустического и оптического излучения, что позволило выявить зависимость интенсивности спектральных линий от фазы ультразвукового воздействия.

Эксперименты проводились по следующей схеме. Излучение лазера (1) с помощью поворотного зеркала и линзы (9) фокусировалось в жидкость. Излучение плазмы оптического пробоя проецировалось линзой (10) на входную щель монохроматора (7), сопряженного с CCD-камерой (6). Управление осуществлялось компьютером (8). Для анализа динамики пробоя и параметров акустической волны, инициируемой оптическим пробоем, в качестве широкополосного акустического приемника использовался гидрофон типа 8103 фирмы Brüel & Kjær (3), информация с которого оцифровывалась и записывалась с применением модуля E20‑10 фирмы L‑Card с частотой оцифровки 5 MHz. Для излучения ультразвуком использовались цифровой генератор импульсов произвольной формы ГСПФ 053 (4) и усилитель мощности У7‑5 (5).

Рисунок 4. Схема эксперимента: 1 – лазер; 3 – гидрофон типа 8103; 4 – цифровой генератор импульсов произвольной формы ГСПФ 053; 5 – усилитель мощности У7‑5; 6 – CCD-камера; 7 – монохроматор; 8 – компьютер; 9 – поворотное зеркало и линза; 10 – линза.

Рисунок 5. Интенсивность линий I натрия без использования (1) и с использованием (2) ультразвука при концентрации раствора NaCl, равной 10 (слева) и 3.5 % (справа).

Рисунок 6. Слева – усиление интенсивности I линии иона кальция в зависимости от амплитуды акустического излучения при давлении 0, 12, 25 kPа. Справа – усиление интенсивности I линий однократного ионизированного дублета кальция (Ca II) в зависимости от фазы акустического поля (3π/2 – фаза растяжения, 0 – фаза, в которой влияние ультразвука несущественно).

В работе [2] показано, что при воздействии ультразвука наблюдается усиление линии при всех концентрациях используемых растворов, что свидетельствует об эффективности спектроскопического возбуждения жидкости ультразвуком. Представленная методика синхронизации акустического и оптического излучения позволила определить зависимость интенсивности спектральных линий от фазы ультразвукового воздействия. Полученные результаты свидетельствуют о возможности повышения эффективности лазерно-искровой спектроскопии (ЛИС) жидкости в поле ультразвука и позволяют говорить о возможности прикладного применения ультразвука в технологии ЛИС.

Работа [2] выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 16‑02‑00841‑а, 15‑32‑20878 мол_а_вед).

Авторы статей являются научными сотрудниками нескольких научных учреждений и учебных заведений Владивостока – Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, Дальневосточного федерального университета, Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского.

Источники:

1. Буланов А.В., Нагорный И.Г., Соседко Е.В. Особенности акустической эмиссии при оптическом пробое жидкости под действием Nd:YAG-лазера // Журнал технической физики. – 2013. – Т. 83, вып. 8. – С. 117‑120.
2. Буланов А.В., Нагорный И.Г., Соседко Е.В. Особенности спектроскопии при лазерном пробое воды и водных растворов в ультразвуковом поле // Письма в ЖТФ. – 2017. – Т. 43, вып. 16. – С. 55‑60.

Разработчик: А.В. Буланов, И.Г. Нагорный, Е.В. Соседко