Sonoluminescence
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Sonoluminescence 声致发光. (北京)清华大学物理系 安宇. 在 2003 年 3 月 8 日发行的 SCIENCE》 发表有关气泡聚变的文章. 太阳温度 ~1 千万度. 一、 简要历史. 1934 年, Cologne 大学的 H.Frenzel 和 H.Schultes 研究声纳时,发现声空化现象,并偶然观察到 “ 多气泡声致发光 ”( Multi-Bubble Sonoluminescence )现象. 应用广泛、物理机制不十分清楚.

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Sonoluminescence 声致发光

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Presentation Transcript


Sonoluminescence

Sonoluminescence

声致发光

(北京)清华大学物理系

安宇


Sonoluminescence

在2003年3月8日发行的SCIENCE》发表有关气泡聚变的文章

太阳温度~1千万度


Sonoluminescence

一、简要历史

1934年,Cologne 大学的H.Frenzel 和H.Schultes 研究声纳时,发现声空化现象,并偶然观察到 “多气泡声致发光”(Multi-Bubble Sonoluminescence)现象

应用广泛、物理机制不十分清楚

理论上关于气泡运动有许多研究,广泛使用的R-P方程或 modified version 就是例子(A. Prosperetti et al. 1986)。


Sonoluminescence

1988年,Mississippi 大学的D.F.Gaitan做博士论文时 观察到“单气泡声致发光”(Single-Bubble Sonoluminescence)现象

这个现象吸引了广泛关注,因为初看这个现象很奇特,(UCLA S.J.Putterman et al.)从能量角度,光频率~1017Hz,而超声频率~105,能量差12个量级;光脉冲宽度~100ps;与声场高度同步性;可能的高温 ……(C.C.Wu and P. H. Roberts 1994)


Sonoluminescence

二、单气泡声致发光现象和装置

单气泡陷在盛有水的球形烧瓶中心,烧瓶用压电陶瓷超声发生器激励,并使其稳定持续地发光数小时,肉眼可见。


Sonoluminescence

超声频率>20kHz,烧瓶中心声压峰值~1.5atm,

烧瓶直径~7cm,功放功率~200w。


Sonoluminescence

L.A. Crum,

1994.


Sonoluminescence

液体中空化气泡发光是普遍现象

Shrimpoluminescence

Lohse et al. (2001)


Sonoluminescence

机械方法

Van J. Schmid 1959

汪承灏,张德俊 1964

气泡半径可达 ~ cm


Sonoluminescence

S. J. Putterman et al. 2003


Sonoluminescence

Venturi tube

P.D.Jarman and K.J.Taylor 1965


Sonoluminescence

S. J. Putterman and

K. R. Weninger (2000)


Sonoluminescence

三、十几年来的重大进展

1、气体扩散平衡曲线


Sonoluminescence

气泡半径变化与R0、PA等参量有关,但无法人为控制R0。气泡在给定液体(温度、气体溶解度等),处于气体扩散平衡曲线,气泡才能稳定地脉动(M.M.Fyrillas and A.J.Szeri 1994)。


Sonoluminescence

J.A.Ketterling and

R.E.Apfel 1998


Sonoluminescence

2、化学反应精馏效应(SBSL air bubble rectify argon)

空气气泡发光,纯氧气或氮气或它们混合气泡,几乎不发光,惰性气体气泡发光。

实验结果与计算不相符,相图上浓度大致差100倍。解释为化学反应使气体变成溶于水的物质,只剩下氩气。(D.Lohse et al. 1997)


Sonoluminescence

3、稳定发光气泡的范围

实验和理论指出,稳定发光气泡只能是那些初始半径和外部激励声强小于某些临界值。其它区域气泡不稳定或不发光。这首先是实验确定(D.F.Gaitan et al. ),后由理论解释(S.Hilgenfeldt et al. 1996)。

解释临界初始半径很成功,但临界外部激励声强的解释比较勉强。


Sonoluminescence

D.F.Gaitan and R.G.Holt 1999


Sonoluminescence

G.Simon et al. 2001


Sonoluminescence

刘海军 安宇 2003


Sonoluminescence

4、光脉冲宽度和光谱的测量

测量 (time-correlated single photon counting TCSPC) 显示光脉冲的半高宽与光波长无关(B.Gompf 1997),否定黑体辐射机制。


Sonoluminescence

连续谱 B.P. Barber et al. 1997


Sonoluminescence

R.Hiller et al. 1992 (25,000K)

南大 陈伟中等类似结果

T = 40,000K


Sonoluminescence

5、MBSL and SBSL

Matula et al. (1995).


Sonoluminescence

SBSL in adiponitrile.

Didenko et al. (2000).

spectral line

due to an excitation of CN


Sonoluminescence

OH

Young et al. (2001).


Sonoluminescence

1、MBSL and SBSL 本质上可能没有区别,MBSL 与发光弱的 SBSL 相似。这时线谱是重要的。

2、气泡内有液体的蒸汽,这些蒸汽分子会分解(化学反应)。但泡内温度允许根(OH、CN)存在。

3、液体的蒸汽压影响气泡发光亮度,蒸汽压

低的有机溶剂与水一样可以获得SBSL。


Sonoluminescence

6、发光机制或温度

Simple model Hilgenfeldt et al. (1999)

  • electron-ion bremsstrahlung,

  • electron-neutral bremsstrahlung,

  • radiative recombination

温度在 20,000~30,000K

没有考虑水蒸气


Sonoluminescence

疑问:考虑水蒸气会如何?

温度在 7,000~18,000K


Sonoluminescence

Sonoluminescence spectra of CrCO6 in octanol solutions

Y. T. Didenko et al.

(2000)


Sonoluminescence

Radiative attachment:形成负离子H-或O-时发光。

Excimers:激发态惰性气体原子与基态原子结合,分解时发光。

Ion–atom bremsstrahlung and recombination:

离子-原子交换电荷和离子-原子复合发光

化学发光

D. HAMMER and L. FROMMHOLD 2001

最终能既解释光脉冲宽度,也要解释光谱


Sonoluminescence

7、冲击波

气泡反弹时向外发射冲击波

Pecha and Gompf (2000).


Sonoluminescence

气泡内部?

C.C. Wu and

P.H.Roberts 1993


Sonoluminescence

还考虑在界面上热交换,冲击波很难产生

Vuong and Szeri, 1996;


Sonoluminescence

Prosperetti et al. 1988;

Prosperetti and Lezzi (1986)

液体可压缩效应


Sonoluminescence

Gilmore, 1952; Brennen, 1995

考虑液体可压缩性,冲击波消失,但温度仍很高。 L.Yuan et al. 1998,应崇福 安宇 2002


Sonoluminescence

气泡聚变,内聚的冲击波加热气泡内的气体,计算的最高温度达到~1千万度


Sonoluminescence

太阳中心:

温度

107K

压强

1014Pa


Sonoluminescence

8、水蒸气效应

B.P. Barber et al. 1997


Sonoluminescence

Yasui, K., 1997

Storey, B. D., and A. J. Szeri, 2000

认识到水蒸气的影响,以及相关化学反应

但预测温度大不相同,原因是均匀模型不考虑扩散效应

另外化学反应速率在这种极端条件下如何变化,没有任何知识


Sonoluminescence

G.E.Vazquez and S.J.Putterman 2000

光强差4倍以上


Sonoluminescence

安宇 等 2003


Sonoluminescence

9、非球形发光气泡


Sonoluminescence

The jet from a transient bubble

Claus-Dieter Ohl et al. 1999


Sonoluminescence

Period doubling

Mogens T. Levinsen et al. 2003


Sonoluminescence

Period doubling in phase diagram

Mogens T. Levinsen et al. 2003


Sonoluminescence

10、增强发光

通过换溶液、换气体,增大驱动声压都可以使发光加强

值得一提的是利用谐频超声或脉冲

Hirotsugu Ogi et al. 2003,

Li Sheng-qiong(李晟琼)等 2003


Sonoluminescence

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