Экспериментальное исследование люминесценции в жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Бирюков, Дмитрий Александрович

• Бирюков, Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бирюков, Дмитрий Александрович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Введение

1.2 Сонолюмииесценция

1.3 Гидролюминесценция

1.4 Использование в технологиях эффектов

сонолюминесценции и гидролюминесценции

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

2.1 Экспериментальная установка для исследования гидролюминесценции

2.2 Опытный образец экспериментальной установки

2.3 Экспериментальная установка для исследования многонузырьковой сонолюминесценции

2.4 Установка для изучения одноиузырьковой

сонолюминесценции

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1 Спектры гидролюминисценции: определение вращательной

и колебательной температуры среды внутри газовой полости

3.2 Экспериментальное исследование фотолюминесценции

масла

3.3 Экспериментальное исследование поглощающих свойств

масла

3.4 Экспериментальное исследование пульсаций в процессах гидролюминесценции

3.5 Экспериментальное исследование гамма-излучения в процессах гидролюминесценции

3.6 Электризация жидкости при сонолюминесценции

4. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГИДРОЛЮМИНЕСЦЕИЦИИ

4.1 О роли электрических процессов в наблюдаемых свойствах гидролюминесценции

4.2 Модель плазменных процессов в газовом пузыре при гидролюминесценции

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование люминесценции в жидкости»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при разработке ряда научно-технических проблем (в области звукохимии и альтернативной энергетики) все чаще можно услышать термин «сонолюминесцеиция». Сонолюминесиенциго можно обнаружить в ряде патентов, защищающих инновационные методы переработки продуктов нефтехимии и синтезирования медицинских препаратов. Но, как таковой, достоверной научно обоснованной теории возникновения сонолгоминесценции нет. Поэтому сонолюминесцеиция является объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований.

Данное явление исследуется уже с 1934 года, когда оно впервые было обнаружено. С того времени был совершен еще ряд существенных открытий, которые должны были внести ясность в определение истинной природы процесса сонолюминесценции. Из наиболее важных достижений можно выделить открытие процессов однопузырьковой сонолюминесценции и процессов

гидролюминесценции. Изначально авторами данных открытий предполагалось, что они приблизят их к формулировке теории физических процессов, провоцирующих явление

сонолюминисценции, но с определенной долей вероятности можно предположить, что новые процессы хоть и имеют ряд схожих параметров, все же являются обособленными физическими процессами.

Наибольшее количество результатов экспериментальных и теоретических работ указывает, что процессы сонолюминесценции

имеют электрическую природу происхождения, но также есть ряд работ, в которых приводятся аргументы в пользу тепловой теории. Определение физической природы процесса сонолюминесцепции позволит найти практическое применение данному явлению в широком спектре областей науки и техники.

Цели и задачи исследования.

Главной целью диссертационной работы являлось изучение природы соно- и гидролюминесценции, для чего необходимо было разработать и создать экспериментальные установки, позволяющие в лабораторных условиях реализовать явления сонолюминесцепции и гидролюмипесценции, с дальнейшей возможностью проведения серий экспериментов по исследованию данных явлений. Для достижения поставленных целей необходимо:

1) Разработать и создать экспериментальные установки, позволяющие проводить экспериментальное изучения соно- и гидролюминесценции.

2) Разработать методики проведения экспериментов по изучению явлений соно- и гидролюминесценции.

3) Провести анализ полученных экспериментальных данных.

Научная новизна настоящей работы заключается в том, что полученная серия успешных экспериментов позволяет прояснить механизмы ряда эффектов, важных для понимания явлений сонолюминесцепции и гидролюминесценции. В частности, изучение полученного спектра излучения гидролюминесценции и последующее определение колебательных и вращательных температур позволили провести анализ гидролюминесценции и сделать предположение, что данное явление имеет электрическую теорию возникновения. Также

подтверждают данную теорию полученные результаты экспериментов по измерению спектров гамма-излучения и мощности эквивалентной дозы. В области изучения сонолюминесценции подтверждается теория образования двойного электрического слоя па электродах, погруженных в жидкость во время сонолюминесценции.

Практическая ценность результатов работы обусловлена поиском достоверной теории возникновения явления сонолюминесценции. Полученные результаты способствуют глубокому пониманию исследуемых явлений и создают основу для разработки экспериментально обоснованной теории происхождения явлений сонолюминесценции и гидролюминесценции, что положительно влияет на внедрение данных явлений в технологические процессы. Актуальность изучения также обусловлена широким использованием диэлектрических трубопроводов при подаче углеводородных и других жидкостей к различным техническим устройствам. В дальнейшем возможно применение данных процессов в химии, в фармацевтической промышленности и при создании эффективных способов обработки поверхностей жидкостями.

Достоверность полученных результатов достигается с помощью применения в экспериментах современной измерительной аппаратуры. Надежность экспериментальных данных подтверждается анализом погрешностей, детальной проработкой методик измерения и воспроизводимостью исследуемых явлений.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1) В спектре гидролюминесценции обнаружены полосы второй положительной и первой отрицательной серии молекулярного

азота, что в позволило установить колебательную и вращательную температуры области свечения.

2) Никакого достоверного превышения интенсивности гамма-излучения при гидродинамической люминесценции над фоновыми значениями в диапазоне энергий от 60 кэВ до 3 МэВ не обнаружено.

3) Определена частота пульсации свечения гидролюмипесценции, которая составила 25 - 27 Гц.

4) Определена природа возникновения сплошной составляющей спектра гидролюминесценции.

5) Проведена оценка напряжённости электрического поля внутри воздушных пузырьков при гидролюминесценции.

6) Обнаружено возникновение разности потенциала при сонолюминесценции между погруженными в жидкость электродами.

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 5 статьях в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК.

Апробация работы

Вопросы изложенные в диссертации, были доложены на: V Всероссийской молодежной конференции по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики в Москве, 10-15 ноября 2013г; на ХЫ международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 10-14 февраля 2014г; на восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве 27-28 февраля 2012г; па двадцатой международной научно-технической конференции

студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в Москве 27-28 февраля 2014г; на семинаре по физике и химии низкотемпературной плазмы им. JI.C. Поллока, Институт нефтехимического синтеза РАН в Москве 2014 г.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Текст иллюстрируется 45 рисунками и 7 таблицами, список использованной библиографии составляет 96 позиций. Общий объем диссертации составляет 105 машинописных страниц.

Список публикаций:

1.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Измерение и анализ спектра гидролюминесценции// Письма в ЖТФ, 2012, т. 38, вып. 2, С. 53 -57.

2.Бирюков Д.А., Власова М.И., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Гидродинамическая люминесценция и гамма излучение// Вестник МЭИ, 2013, № 1, С. 69-72.

3.Бирюков Д.А., Власова М.И., Герасимов Д.П., Синкевич O.A. Свечение жидкости в узком канале как триболюминесценция// Оптика и спектроскопия, 2013, Т. 114, № 5, С. 55 - 59.

4.Бирюков Д.А., Власова М.И., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Электрическое поле внутри воздушного пузырька при гидродинамической люминесценции// ТВТ, 2013, Т. 51, № 4, С. 55 -59.

5.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Электризация жидкости при сонолюминесцеиции// Письма в ЖТФ, 2014, Т. 40, вып. 3,С. 90-94.

6.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н. Экспериментальное исследование свечения жидкостей при механическом воздействии// Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, 2012, Т.4, С 43

7.Власова М.И., Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н. Определение напряженности электрического поля при гидродинамической кавитации// Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, 2013, Т. 4, С. 36.

8.Бирюков Д.А., Власова М.И., Герасимов Д.Н. Экспериментальное исследование свечения жидкости при интенсивной кавитации// Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, 2013, Т. 4, С. 35.

9.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Экспериментальное исследование гидродинамической люминесценции// V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики, 2013, С. 31.

Ю.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Синкевич O.A. Свечение жидкости в узком канале как триболюминесценция// XLI Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2014, С. 239.

П.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Экспериментальное исследование свечения жидкости при интенсивной кавитации// Двадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, 2014, Т. 4, С. 42.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Введение

Сонолюминесценция (СЛ) - эмиссия света жидкостью при воздействии на неё ультразвуковыми волнами, возникающая при кавитации пузырей, вызванных звуковыми (ультразвуковыми) колебаниями. Распространение ультразвуковой волны в жидкости сопровождается образованием кавитационных пузырей, которые, в свою очередь, при определенных условиях, начинают испускать свет. Подобное свечение также возможно зафиксировать и при механическом воздействии на жидкость, например, при пропускании жидкости через узкий канал, или при обтекании препятствий. Так как подобные процессы носят гидродинамический характер, во избежание путаницы логично было бы назвать их гидродинамической люминесценцией или гидролюминесценцией (ГЛ) [1]. Гидролюминесценция - эмиссия света жидкостью, возникающая при кавитации пузырей, вызванных гидродинамическими эффектами. Можно условно выделить два физических процесса: СЛ и ГЛ. В научном мире нет однозначной теории возникновения СЛ и ГЛ и однозначной трактовки их природы, так или иначе оба этих процесса имеют две основные теории их возникновения - «тепловую» и «электрическую». В основе «тепловой» теории лежит предположение, что при внешнем воздействии на кавитирующий пузырек внутри пего образуются высокие температуры, необходимые для испускания пузырьком излучения. «Электрическая» теория строится па электрических явлениях внутри или около кавитирующего пузырька.

Эффект СЛ был впервые обнаружен в Кельнском университете в 1934 году Френцелем и Шультесом [2], однако свечение было слабым и подробно изучить его не представлялось возможным. В дальнейшем

подобные эффекты СЛ и СЛ, открытая Френцелем и Шультесом, приобретут названия многопузырьковой сонолюминесценции (МПСЛ). Большой вклад в изучении физической природы СЛ внесли Гайтан и Крам [3,4]. Им удалось получить однопузырьковую С Л (ОПСЛ) - одиночный коллапсирующий пузырек, свечение которого было стабильнее и интенсивнее МПСЛ. В 1991 году Барбэр и Патерман [5] разработали акустическую камеру, где стабильно наблюдается ОПСЛ, данный эксперимент позволил более систематические исследования явления СЛ. Благодаря стабильному свечению одиночного пузырька и долговременной пульсации в определенной точке возможно проведение достоверных физических экспериментов, таких как определение с высокой точностью радиуса пузырька и скорости движения его стенки, фиксация с высоким временным разрешением момента и длительности импульса вспышки СЛ.

Эффект гидролюминесценции впервые был обнаружен Константиновым в 1946 году [6]. При плоском обтекании водой твердого тела (круглых цилиндров) в плоском канале наблюдалось свечение позади цилиндров, при сильно развитой гидродинамической кавитации. Позднее в 1964 году Джарман и Тэйлор [7,8] наблюдали свечение в трубе Вентури [7], выполненной из пластика. В качестве рабочей жидкости использовалась вода.

Позднее, в 1966 году, Петерсон и Андерсон [9], использовав трубу Вентури из кварца, также пропустили через нее воду, изучая влияние растворенных газов на интенсивность свечения. Но достоверно определить источник эмиссии света и исследовать его в работах [7,8,9] авторам не удавалось. Причиной тому было то, что свечение появлялось кратковременно в различных точках

исследуемого потока. Систематизировать и получить устойчивое излучение света, поддающееся исследованию, удалось группе ученых под руководством Маргулиса в 1990 году [10]. В 2009 году Маргулис и Пильгуиов [1] обнаружили возникновение электрического потенциала при протекании диэлектрической жидкости через тонкое проходное отверстие диэлектрического канала.

1.2Сонолюминесцс1щия

Считается, что эмиссия света происходит после или в момент схлопывания кавитационных пузырьков, поэтому на эффект СЛ большое влияние оказывают температура и давление, а также скорость их изменения. Данный вопрос подробно изучался авторами [11,12]. С ростом температуры жидкости, в которой наблюдается эффект СЛ, происходит увеличение давления газа внутри пузырьков и, как следствие, свечение становится менее интенсивным. В работе [11] была определена температура, при которой регистрация СЛ невозможна, для воды она составляет 65 °С. Однако авторы [12] показали, что СЛ возможно зарегистрировать даже в кипящей воде, при условии, что ультразвуковой (УЗ) генератор будет кратковременно включаться, чтобы исключить дегазацию жидкости. В [12] удалось зафиксировать С Л при быстром вакуумировании системы — около 15 мм рт.ст., когда теоретически, схлоиывапие кавитационных пузырьков невозможно.

Ультразвуковая люминесценция наблюдается в широком диапазоне частот: 7 Гц - 1500 кГц [13,14]. Авторам [13,15] удалось зафиксировать С Л при частоте колебаний 7-800 Гц, авторы [14,16] фиксировали СЛ при частотах 300-1500 кГц. СЛ наблюдается не только в воде, но и в водных растворах, и в органических соединениях [17], что явно свидетельствует о множестве факторов, влияющих на данное явление. На интенсивность СЛ оказывает влияние присутствие растворенных в ней газов [18].

В [19] авторами было изучено 36 веществ и выявлена зависимость интенсивности свечения от произведения дипольного момента озвучиваемых молекул на вязкость данной среды, данные представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Вещество Дипольн 100г| Интенсивность

ый (вязкость Г) свечения

момент в в пуазах)

еденицах

Дебая

Метиловый спирт 1.64 0.591 0.97 0

Этиловый Спирт 1.64 1.192 1.94 +

Пропиловый спирт 1.66 2.230 3.70 ++

Изопропиловый спирт 1.78 1.950 3.47 +++

Бутиловый спирт 1.74 2.801 4.87 +++

Изоамиловый спирт 1.85 3.863 7.15 ++++

О-динитробензол в 6.05 0.649 3.930 -н-+

бензоле

М-динитробензол в 3.81 0.649 2.47 ++

бензоле

п-динитробензол в 0.32 0.649 0.21 0

бензоле

Основным вопросом остается природа возникновения явления СЛ. Как уже упоминалось, существует два процесса СЛ: ОПСЛ и МПСЛ. Имеются различные теории происхождения данных явлений, родство данных явлений неоднозначно.

Большое распространение в объяснении световых вспышек при кавитации получили «электрические» теории. Можно выделить

четыре основные разновидности электрических теорий возникновения свечения:

1) Левшин и Ржевкин [20] в 1937 году предположили, что С Л обусловлена образованием электрических зарядов на стенках кавитационного пузырька в результате эффекта, сходного с баллоэлектрическим (эффектом Ленарда).

2) Выдвинутая Френкелем [21] в 1940 году теория объясняла свечение тем, что кавитационная полость в жидкости в момент образования является линзообразной, а нескомпенсироваппые электрические заряды противоположного знака образуются в момент разрыва жидкости и являются следствием флуктуации распределения ионов, присутствующих в жидкости, па стенках пузырька.

3) Согласно Маргулису [22], в жидкости у поверхности раздела с кавитационным пузырьком образуется двойной электрический слой.

4) В [23] Дегройс и соавторы обосновывают световую вспышку образованием электрических зарядов на стенке пузырька и, как следствие, пробоем через газовую фазу пузырька в момент схлопывания.

К сожалению, нельзя однозначно утверждать истинность вышеперечисленных теорий. В [1,24] достаточно подробно приводятся причины, в соответствии с которыми нельзя утверждать истинность вышеперечисленных теорий.

Тепловую теорию возникновения свечения при кавитации нельзя назвать основной, в первую очередь, из-за неоднократного опровержения [24] наличия высоких температур в схлопывающемся пузырьке, однако списывать ее со счетов пока что рано.

Изначально тепловую теорию предложили в [25], согласно этой теории сополюминесценция представляет собой термическое излучение газов, раскаляющихся в результате адиабатического сжатия при схлопывании кавитирующего пузыря. Температура внутри такого пузыря может достигать величин 104К. Излучение, по предположению авторов [25], являлось излучением черного тела.

К сторонникам тепловой теории возникновения сот го люминесценции можно отнести Гордеева и Сербинова [26,27]. При проведении серии экспериментов по изучению возбуждения взрыва в жидких взрывчатых веществах в [27] установлено, что инициирование взрыва кавитацией происходит не при расширении, а именно при захлопывании кавитационной полости во взрывчатой жидкости. Основываясь на полученных результатах, авторы [26,27] сделали вывод, что причиной возникновения световой эмиссии при сонолюмипесценции являются тепловые процессы, возникающие при кавитации.

Саслик с сотрудниками [ 28,29] и Барбэр [30] при проведении экспериментов по изучению СЛ углеводородов обнаружили в излучении полосы Свана. Отметим, что причина интенсивного излучения полос Свана пламенами углеводородов до сих пор не вполне ясна. Но в случае пламен более высоких углеводородов и особенно в случае ацетилена, принято считать, что имеет место термический распад (крекинг) углеводорода. Саслик с сотрудниками, проведя анализ полученных спектров, получили оценку колебательных и вращательных возбуждений, и сделали предположении о значении эффективной температуры 3000 — 5000 К.

Позднее Саслик [31] приводит более точную оценку максимальной температуры и давления в кавитационном пузырьке, рассчитывая спектры излучения СЛ. В результате получены

температура порядка 5000 К и давление ~ 1000 атм. Непосредственно Саслик склоняется к тепловой теории происхождения эмиссии света, однако подобные температуры и давления возможны и в случае электрической природы возникновения.

Нолтипг и Непайрас [32] выдвинули теорию горячего пятна, согласно которой при адиабатическом схлопывании кавитационного пузырька внутри него развиваются температуры порядка 104 К, и сделали предположение, что эмиссия света от схлопывающсгося пузырька является равновесным излучением черного тела.

Были предложены и другие варианты тепловой теории. Согласно гипотезе Гриффинга [33], свечение в воде возникает при рекомбинации радикалов Н, ОН, образовавшихся при термической гомолитической диссоциации воды. Джарман [34] рассматривал схлопывающийся кавитационный пузырек как микроскопическую ударную трубу, в которой при сжатии пузырька ударные волны фокусируются, и свечение должно быть термическим. Возможность возбуждения термоядерных реакций в пузырьке сонолюмипесценцией высказывается авторами [64,65], также есть и опровергающие данную возможность статьи [66-69] .

Рядом авторов отмечаются существенные различия между явлениями МПСЛ и ОПСЛ. Впервые на данный факт обратили внимание Барбэр и Патерман [35,36]. В своих работах они указывают, что длительность вспышки света при ОПСЛ весьма мала, ОПСЛ и МПСЛ имеют различные виды спектров, причем в случае однопузырьковой кавитации спектр может совпадать с соответствующим спектром свечения черного тела. В работе [37] температура в пульсирующем пузырьке была определена как 25 000 — 50 000 К. Также установлено, что эмиссия света происходит в момент, когда радиус коллапсирующего пузырька минимален. Тем не менее

основным вопросом, как и в случае с МПСЛ, является определение природы свечения — тепловой или электрической. Возможно, что три основных факта говорят в пользу тепловой теории, а именно:

1) длительность вспышки у ОПСЛ на два порядка меньше, чем у МПСЛ;

2) различие спектров МПСЛ и ОПСЛ, причем у ОПСЛ наблюдается совпадение снятых спектров с соответствующим спектром АЧТ [38];

3) возникновение ОПСЛ в симметрично колеблющихся сферических камерах, где колеблющийся пузырек имеет симметричную форму, поэтому доказательства электрической теории, основанные на сложной форме пузырька при МПСЛ в данном случае применить затруднительно.

Длительность соновспышки при ОПСЛ определена рядом авторов и колеблется от 12 пс [39] и 50 пс [30,36] до 350 пс [40]. Наиболее точно определить длительность одпопузырьковой вспышки удалось Гомпфу [40]. Разрешение усовершенствованной регистрирующей системы с двумя ФЭУ составляло 30 пс. Проведенные измерения показали, что в зависимости от звукового давления и концентрации газа в системе время вспышки составляет разные значения. Так, например, для ОПСЛ слабой интенсивности длительность соновспышки составило 100 пс, а при звуковом давлении 1.25 атм и концентрации кислорода 3.3% - 260 пс. Подобные длительности вспышек весьма малы по сравнению с длительностью вспышек при МПСЛ. Так, например, в [41] экспериментально было получено, что длительность светового импульса МПСЛ в 180 раз больше, чем при ОПСЛ. Подобные экспериментальные данные позволяют отнести ОПСЛ к самостоятельному физическому процессу.

Спектр, полученный в [38] (ОПСЛ), обладал рядом особенностей, не присущих спектру многопузырьковой люминесценции. Полученный спектр оказался сплошным без содержания эмиссионных полос. Авторы пришли к выводу, что экспериментально полученный спектр свидетельствует в пользу тепловой теории возникновения свечения, так как он наиболее близок по форме к спектру АЧТ, что позволяет сделать вывод о температуре внутри одиночного пузырька 37000 К [42], если рассчитывать температуру по спектру излучения черного тела.

1.3 Гидролюминесценция

Возникновение эмиссии света при гидродинамических эффектах (ГЛ), обнаруженное в 1947 г. [6] и в 1990 г. [43], имеет различный характер. Константинов в 1947 году проводил экспериментальное исследование свечения в кавитирующей струе, Колдамасовым в 1990 году обнаружено свечение при течении через диффузор. Также Колдамасовым обнаружено свечение и в кавитирующей струе, но основным объектом изучения оно не являлось [43]. Принципиальным различием открытий Константинова и Колдамасова является природа их возникновения. Теоретически можно провести аналогию с сонолюминесценцией и условно разделить процесс ГЛ на два: интенсивная ГЛ и ГЛ в кавитационной струе (аналогично МПСЛ и ОПСЛ). Интенсивная ГЛ появляется при протекании диэлектрических жидкостей через узкий канал, обычно её можно наблюдать невооруженным глазом. ГЛ в кавитационной струе появляется при обтекании жидкостью препятствий и наблюдается в кавитирующей области после препятствия. В дальнейшем речь пойдет исключительно об интенсивной ГЛ.

Открытым остается вопрос родства явлений С Л и ГЛ. Например в [10] установлены многие общие закономерности С Л и ГЛ, где, в частности, проведенные эксперименты по выявлению зависимостей интенсивности свечения от скорости потока и температуры жидкости выявили ряд общих закономерностей, присущих для СЛ (в случае СЛ интенсивность свечения зависит от звукового давления, аналогия со скоростью потока) и ГЛ. Авторы [10] определяли интенсивность свечения многоканальным амплитудным анализатором импульсов

ЛИ-1024-95. График зависимости интенсивности свечения от скорости потока представлен на (рис 1).

/

/ /

//

' /

//

Рис.1. Зависимости уровня ГЛ от скорости потока: 1 - вода, 2 -искусственная морская вода (соленость 35%) [10].

В эксперименте использовалась обычная и соленая вода, так как известно, что интенсивность СЛ в соленной воде больше, чем в обычной [44]. Такая же зависимость, только для эффекта ГЛ, наблюдалась авторами [10]. Было также высказано предположение о возможности возникновении £)-линий № в потоке ГЛ (наблюдаемых при СЛ), однако спектры свечения не были получены, и достоверно судить об этом предположении преждевременно. Также было выявлено, что при длительной работе гидродинамического контура, эффективность ГЛ снижается, что, возможно, обусловлено частичной дегазацией жидкостей.

Температурная зависимость уровня сонолюминесценции при гидродинамической кавитации представлена на рис.2. Исследования проводились при скорости обтекания 23—24 м/с. В процессе измерений было установлено, что максимальная интенсивность

свечения наблюдалась при минимальной температуре, что, в свою очередь, также было интерпретировано как подтверждающий фактор родства явлений СЛ и ГЛ.

Рис 2. Температурная зависимость уровня сонолюминесценции при гидродинамической кавитации [10].

В [10] сделали вывод, что основные исследованные факторы: температура, наличие растворенных солей, скорость потока жидкости (аналог интенсивности ультразвука), - влияют на уровень свечения, возникающего при гидродинамической кавитации, так же как и на СЛ при ультразвуковой кавитации.

Вместе с тем рядом авторов проведены эксперименты и теоретические выкладки, которые, напротив, свидетельствуют о различии эффектов С Л и ГЛ. Например в [45,46] обсуждается механизм ГЛ, существенным образом зависящий от наличия стенок канала и потому принципиально не переносимый на СЛ. В [46] приводятся гидродинамические свойства ГЛ (зависимость возникновения интенсивности свечения от толщины канала и

скорости потока (рис.3)), подробно представлена экспериментальная установка и приведено теоретическое обоснование возникновения свечения индустриального масла, прокачиваемого через узкий канал диаметром 1.5 мм. Теоретически было доказано, что в рамках электрогидродинамической модели среды происходит разделение зарядов в тонком электродиффузионном пограничном слое, вследствие чего на границе раздела генерируются сильные электрические поля, достаточные для возникновения автоэлектронной эмиссии из стенки канала и возникновения свечения движущейся через узкий канал жидкости. Было высказано предположение, что это происходит вследствие прилипания электронов к молекулам с положительным электронным родством.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бирюков, Дмитрий Александрович, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Маргулис М.А., Пильгунов В.Н. Свечение и электризация при течении диэлектрических жидкостей в узком канале// ЖФХ, т. 83, №8, с. 1585 - 1590, 2009.

2. Frenzel Н. Schultes Н. Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser// Z. Phys. Chem. B27,p 421,1934.

3. Crum С. C., Reynolds G. T.// J. Acoust. Soc. Am. 78, p.137, 1985.

4. Gaitan D. F., Crum С. C., Roy R. A.// J. Acoust. Soc. Am. 91, p. 3166, 1992.

5. Barber B. P., Putterman S. J.//Nature (London) 352 p.318, 1991.

6. Константинов В.А. //Доклад АН СССР т. 56, с. 259, 1947.

7. Jarman P.D. Taylor K.J.// Brit J. Appl. Phys. V.15, p.321, 1964.

8. Jarman P.D. Taylor K.J.// Ibid. V. 16 p. 675, 1965.

9. Peterson F.B., Anderson T.P. Light Emission from Hydrodynamic Cavitation// The Physics of Fluids, v. 10, № 4, p. 874 - 879,1967.

Ю.Вербанов B.C., Маргулис M.A., Демин C.B. и др.

Сонолюминесценция, возникающая при гидродинамической кавитации. I. Основные характеристики процесса// ЖФХ, т. 64, № 12, с. 3357-3361,1990.

11.Флии Г. 11Физическая акустика (ред. У Мэзон, пер. с англ.) Т. 1,ч. Б (Москва.: Мир, 1967) с. 7.

12.Смородов Е. А., Курочкин А. К., Валитов Р. Б., Маргулис М. А.// ЖФХ т.60, с. 893, 1986.

13.Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сон-ция //Мое.: Химия, 1986.

14.Young R. F. //J. Acoust. Soc. Am. 60, v.l, 1976.

15.Margulis M. A. Sonochemistry and Cavitation //London: Gordon & Breach, 1995.

16.Suslick К. S., Flint E. B. //Nature London p.554, 1987.

17.Голубничий П. П., Гончаров В. Н., Протопопов X. В.// Акуст. жури. 1969.

18.Эльпинер И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие//М.: Физматгиз, 1963.

19.Эльпипер И.Е. Ультразвуковая люминесценция обзор// Аккустический журнал т. 6, вып. 1, с. 3-15, 1960.

20.Левшин В. Н., Ржевкин С. Н.//ДЛН СССР, т. 16, с. 407, 1937.

21.Френкель Я. И.//ЖФХт. 14, с. 305, 1940.

22.Маргулис М.А. // Журнал Физ. Химии т. 59, с. 1497,1985.

23.Degrois М., Baldo P.// Ultrasonics, v. 12, p. 25, 1974.

24.Магулис М.А. Сонолюминесценция//УФН, т. 170, № 3, с. 263 -287,2000.

25.Noltingk В. Е., Neppiras Е. АЛ Proc. Phys. Soc. v.63, р.674,1950.

26.Гордеев В.Е., Сербинов А.И., Трошин Я.К.// О тепловой теории свечения кавитирующей жидкости, УДК 534.222:532.528.

27.Гордеев В. Е., Сербинов А. П., Трошин Я. К.// Возбуждение взрыва жидких взрывчатых веществ кавитацией, Прикл. мех. и тех. физика, т.1, 45—53, 1967.

28.Flint Е.В., Suslick K.S.,// J. Amer. Chem. Soc. 111 p. 6987 ,1989.

29.Suslick K.S., Flint E.B.//Nature (London) 330 p.554 ,1987.

30.Barber B.P., // Phys. Rep. 281 p.65, 1997.

31.Suslick K.S. // in Intern. Symposium on Nonlinear Acoustics, Gottingen, September 1999.

32.Noltingk B.E., Neppiras E.A.// Proc. Phys. Soc. V.63 p. 674,1950.

33.Griffing V., Sette D.// Phys. Rev. v.57, p. 234, 1952.

34.Jarman P. D.// J. Acoust. Soc. Am. V.32, p.1459, 1960.

35.Barber В. P., Putterman S. J. //Nature (London) am. 352, p. 318,

1991.

36.Barber B. P., Putterman S. J. // Phys. Rev. Lett. V.69, p. 3839,

1992.

37.Greenland P. T . // Contemp. Phys. V.40 p.l 1, 1999.

38.Hiller R., Putterman S. J., Barber B. P. // Phys. Rev. Lett. 69 p.l 182, 1992.

39.Moran M. // Jetai. Nucí. Instr. Methods v.96,c p. 651, 1995.

40.Gompf В., Gunte R., Nick G., Pecha R.// Phys. Rev.

41.Giri A., Arakeri V. H. H Phys. Rev. v. 58, p.2713, 1998.

42.Quti P., Dezhkunov N. Y., Francescutto A., Iernetti G., ASME Fluids E. Division Summer Meeting, // June 22-26,1997.

43.Колдамасов А.И. Плазменное образование в кавитирующей диэлектрической жидкости// ЖТФ, т. 61, вып. 2, с. 188 - 190, 1991.

44.Harvey Е. N. // J. Am. Chem. Soc. V.61, p. 2392, 1939.

45.Герценштейн С.Я., Монахов A.A. Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналах // «Физико-химическая кинетика в газовой динамике», т. 5,2007.

46.Герценштейн С.Я., Монахов А.А. Электризация и свечение жидкости в коаксиальном канале с диэлектрическими стенками // «Механика жидкости и газа», № 3, с. 114-119, 2009.

47.Патент Р JN° 2293608// Способ создания наэлектризованного аэрозоля диэлектрической жидкости с ядохимикатами и лекарственными препаратами.

48.0чкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. // М.: ФИЗМАТЛИТ, с. 592, 2010.

49.Laux С. О., Spence Т. G., Kruger С. H. Plasma Sources 11 Sci. Techno 1. V. 12, p.125-138, 2003.

50.Chalraborty В., Pan Y.K. Franc-Condon Factors lor the transitions,//p. 165, 1970.

51.Kovacs I. Totational structure in the spectra of diatomic molecules. //Budapest: Academia Kiado p. 307, 1969.

52.Kuzmenko N. E., Pavlov Verevkin V.B. Calculation of Franc-Condon Factors, 1985.

53.Lin S.N., Wutz D., Eyring H. // Proc. Nati. Acad. Sci. USA.. V. 77, №3, p. 1245-1247, 1980.

54.Curie D. Luminescence in Crystals. // London: Methuen& Co Ltd, p.332, 1963.

55.Gaft M., Reisfeld R., Panczer G. Modern Luminescence Spectroscopy of Minerals and Materials. // Springer, p. 356, 2005.

56.Kitai A. Luminescent Materials and Applications. // p.278, 2008.

57.Duignan J.P., Oswald I.D.H., Sage I.C., Sweeting L.M.,Tanaka K., Ishihara Т., Hirao K., Bourhill G. // J. Luminescence, v. 97, p. 115-126, 2002.

58.Красовицкий Б.М., Болотин Б.М. Органические люминофоры. //М.: Химия, с. 336, 1984.

59.Кудрявцев А.А., Знаменщиков А.Н., Волкова С.С.,Паничева Л.П. // Вестн. Тюменского гос. Ун-та. № 5 "Химия", с. 56-62, 2011.

60.Кудрявцев А.А., Знаменщиков А.Н., Волкова С.С.,Паиичева Л.П. // Вестн. Тюменского гос. Ун-та. № 5 "Химия", с. 63-70. 2011.

61.Бельшина Ю.Н., Телегин М.А., Шарапов С.В. //Вестн. Санкт-Петербургского ун-та гос. Противопожарной службы МЧС России. № 1, с. 44-53,2009.

62.Бирюков Д.А., Герасимов Д.Н., Сиикевич О.А. Измерение и анализ спектра гидролюминесценции// «Письма в ЖТФ», т. 38, вып. 2, с. 53 -57. 2012.

63.Ермолаева Н.В., Голубков Ю.В. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. // №3, с. 49-53, 2012.

64.Taleyarkhan R.P., Block R.C., Lahey R.T., Nigmatulin R.I., Nuclear Emissions During Self-Nucleated Cavitation. // Physics Review Letters, 96, 034301, 2006.

65.Taleyarkhan R.P., Nigmatulin, R.I., Block, R.C. Additional evidence of nuclear emissions during acoustic cavitation. // Physical Review E, v. 69, p. 1091, March, 2004.

66.Говердовский A.A., Имшенник B.C., Смирнов В.ГГ, О переспективах термоядерной энергетике на основе кавитации пузырей. // Успехи физических наук, т. 183, №4.

67.Shapira D.,Saltmarsh М., Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles—-Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence. // Phis. Rev. Let. v. 89 n. 10.

68.Lipson A.G. Comment on "Nuclear Emissions During Self-Nucleated Acoustic Cavitation// PRL 97, 149401, 2006.

69.Naranjo В., Comment on "Nuclear Emissions During Self-Nucleated Acoustic Cavitation. // PRL 97, 149403, 2006.

70.Бирюков Д.А., Власова M.H., Герасимов Д.Н., Сиикевич О.А. Гидродинамическая люминесценция и гамма излучение// Вестник МЭИ. № 1, с. 69 - 72, 2013.

71.Полянский В.А., Панкратьева И.Л. Образование сильных электрических полей при течении жидкости в узких каналах // ДАН, т. 403, № 5, с. 619 - 622, 2005.

72.Бирюков Д.А., Власова М.Н., Герасимов Д.Н., Синкевич О.А. Свечение жидкости в узком канале как триболюминесценция // Оптика и спектроскопия, т. 114, № 5, с. 55 - 59, 2013.

73.Френкель Я.И. Об электрических явлениях, связанных с кавитацией, обусловленной ультразвуковыми колебаниями в жидкости // ЖФХ. т. 14, в. 3, с. 305 - 308, 1940.

74. West В. J., Bologna М., Grigolini P. Physics of Fractal Operators, //p. 354 , Spriger, 2003.

75.Маргулис M.A., Маргулис И.М. Современное состояние теории локальной электризации кавитационных пузырьков. // ЖФХ. т. 81, № 1, с. 136-147, 2007.

76.Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. // М.: Физматгиз, 1965.

77.Синкевич. О.А., СтахановИ.П. Физика плазмы. // М. Высшая школа, 1991.

78.Aleksandrov N.L., Anokhin Е.М. Low-energy electron attachment and detachment in vibrationally exited oxygen// J. Phys. D.: Appl. Phys. v. 42, № 22, p. 225210, 2009.

79.Frederickson K., Lee W., Palm P., Adamovich V., Rich J.W., Lempert W.R. Mitigation of electron attachment to oxygen in high pressure air plasmas by vibrational excitation // Journal of Applied Physics, v. 101, №29, p. 093302, 2007.

80.Райзер Ю.П. Физика газового разряда.//М.: Наука, с. 592, 1987.

81.Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона. // УФН 136 с. 25-59, 1982.

82.Смородов Е А, Курочкин А К, Валитов Р Б, Маргулис М А // ЖФХ 60 с. 893, 1986.

83.Luth Y. Solid Surface, Interface and Thin Films. // 7th ed. Springer, p. 559, 2001.

84.Margulis M.A. // Ultrasonics, v.23, p. 157, 1985.

85.Хаврошкин О.Б., Быстров В.П. Сонолюминесценция и Sono-Fusion // Прикладная физика №5, 2007.

86. Канаков В.А. Селивановский Д.А. О совместных проявлениях сонолюминесценции и субгармоники в акустическом поле. // Акустический журнал том 56, № 4, с. 447-451, 2010.

87.Маргулис М.А. Электрические явления в многопузырьковых электрических полях. //ЖФХ т. 81, № 7, с. 1334-1338, 2007.

88.Пильгунов В.Н., Ефремова К.Д. // Доклад 6 Всеросийское совещание «Инженерно-физические проблемы новой техники» М. МГТУ им Баумана, 2001.

89. Андреев А.П., Баранов Д.С., Молодов А.К.// Матер.8 Российская конференция по холодной трансмутации ядер, Дагомыс, Сочи, 2001.

90. Harvey E.N. J. Am. Chem. Soc. V.61, p. 2392, 1939.

91.Didenko Y. T., Gordeychuk T. V. Multibubble sonoluminescence spectra of water, which resemble single-bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. v. 84, n. 24. p. 5640-5643, 2000.

92.Гордейчук T.B., Диденко Ю.Т., Пугач С.П. Спектры сонолюминесценции воды на высокой и низкой частотах ультразвука // Акустический журнал, т.42, N2, с. 274-275, 1996.

93. Диденко Ю.Т., Пугач С.П., Гордейчук Т.В. Спектры сонолюминесценции воды: Влияние мощности ультразвукового облучения // Оптика и спектроскопия, v.80, N6, с.913-919, 1996.

94. Chambers L. A. The emission of visible light from pure liquids during acoustic excitation.// Physic. Rev. 49, 11, p.811, 1936.

95. Chambers L A. The emission of visible light from cavitated liquids. // J. Chem. Phys. 5, 5, p. 290-292. 1937.

96.Flint E. B., Suslick K. S. // Science v. 253, p. 1397, 1991.