Исследование оптико-физических свойств микрочастицы методом рассеяния света на вынужденных колебаниях ее формы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

государственный комитет российской федерации

по высшему образованию

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Р Г Б О Д На правах рукописи

- 2 ЯНВ 1995

I

ИВАНОР НУНЬЕС ДЕ ОПИВЕЙРА

УДК 535.391

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МИКРОЧАСТИЦЫ МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЯХ ЕЕ ФОРМЫ

(01.04.03 - радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учегюй степени кандидата Физико-математических наук.

Москва - 1994 г.

Работа выполнена на кафедре эспериментальной физики Российского Университета дружбы народов

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук, доцент Б.П. Кулаков

Официальные опоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Ларкнн Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент Егоров Александр Алексеевич

Ведущая организация:

Московский Энергетический Институт - Технический Университет

Защита диссертации состоится -ЗА* 12± "1995 г.в£? час£$лга. на заседании диссертационного совета К 053.22.01,в Росийском

Университете дружбы народов по адресу: 117198, г. Москва,

ул.Орджоникидзе, дом 3, зал Я- 1.

*

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Росийского Университета дружбы народов по адресу: 117198, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, дом 6.

Автореферат разослан $3" 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук, Ю.И. Зшарованный

доцент „

ОБЩАЯ ХАРАЮТГЛСТЯСЛ РАБОТЫ

Актуальность темн. Исследования оптико-физических свойств изолированных микрочастиц и их ансамблеЯ, взвешенных как в газообразных, так и в жидких средах, представляет все возрастаний! интерес. Особое внимание исследователи в последние года удоляют развит™ метода рассеяния света на винуадешшх колебаниях формы жидких капель и газовых пузырьков. При освещении исследуемой частицы лазерным пучком света можно достичь обилия качественной и колгаествеяной информации о ее размере, форме, оптических свойствах, поверхностном катякении, вязкости и т.д. Резко возрастает точность измерения параметров частицы при обеспечении режвла ее дэвитации, т.е. стабильного удержания частицы в заданной точке пространства без опори или подвеса.

Интерес к этой области исследований обусловлен необходимостью решения как чисто научних, тыс и прикладных задач. Например, при изучении процессов эмульгирования капель без кавитации, при диагностика спектров размеров частиц водного аэрозоля, при изучении эффекта генерации электрсмапштного излучения поляризованными каплями на частотах их собственных колебаний, при изучешш процессов распадения и горения, пра сценке отклика клетки крови на действие ультразвукавых импульсов, частота которых совподает с частотой собственных колебаш«й ее формы и т.д.

Подчеркивая актуальность данного направления, следует добавить, что при зозбуадощта колебаний формы ловнтнрукщвй частицы изучекш* тонкой структуры индикатрисы рассеяния ев света, становятся зопмоашм ккделирование и изучение частиц сложной фэрш и дшамаа внутренних процессов в них. Следует сразу указать на сложность решения проблеш. Эта сложность связана с необходимость*) вшюлнения большого комплекса основных и шомогателыш. развородшх методических, 5киержеята.дъшх и теоретических мсследоззаяий, требуших знаний и навыков по ыэхапике, акустике, оптике, электровике и т.д.

Цель работы. Целью диссертационной работы является последовательное решение следующих задач:

1. Выбор метода и поиск режимов длительной и высокостабильной левитации частиц различной природа и широкого

диапазона размеров в заданной точке пространства.

2. Разработка теории возбуждения акустическим полем колебаний сферической частицы и теории рассеяния света на этих колебаниях.

3. Эспериментаяьное изучение различных методов и особенностей резонансного возбуждения колебаний Форш жидкой капли акустическим полем.

4.. Отработка методов, изучение режимов и учет особенностей регистрации с высоким разрешением и точностью изображения капли и исследования влияния на ее форму стационарных и динамических акустических полей.

5. Создание высокочусвствительной оптико-механической фотоэлектрической системы регистрации индикатрисы рассеяния света в заданном диапазоне углов наблюдения.

6. Выпольнение серии эспериментальных исследований включающих изучение различных мод колебаний формы капли, в том числе в резонасном режиме, динамики внутренних процессов в ней и устойчивость к фрагментации; оценку влияния этих факторов на структуру индикатрисы рассеяния света; измерение по ней размера капли, коэффициента поверхностного натяжения, вязкости и т.д.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертационной работе результатов.

1. С целью выработки требований к параметрам экспериментальной установки и для интерпретации полученных результатов: в соответствии с общеизвестным акустическим подходом теоретически рассмотрена аадача о раооеянии плоской звуковой волны на сферической частице и получены выражения для малых амплитуд трех основных мод колебаний, удобные для практического использования при исследовании резонансных свойств частицы;

г

в рамках известного приближения Релея решена электродинамическая задача и полутени выражения для шпосяеностл рассеяния света на винуздензшх основных йодах колебания частицы. позволяющие оценить их относительный вклад в общув интенсивность рассеяния.

показано, что колебания Форш приводят к амплитудной модуляции интенсивности рассеяния света. проявляющей резонансные свойства;

- впервые получена зависимость глубины модуляции от плотнеем энергии звукового поля, иарметроа среда ц частицы.

2. Создана оригинальная урггдовка для доследования свойств изолированных лештируидях каполь методом рассеяния света на колебаниях ¿орлы, поово^шцвя получить до изображению на екрано видеомонитора сладуа&ю ноше результата:

- содтьсрадсиа шс^ая сиОил*лоо-.гь рэкет левитации;

- варвгьсгрирсваа »Кэкт рььшьаит полос аш'ер£ерашдаоноа картины при резонансе сфероидальных колебаний каша;

- методом стробоскопированна в реаоианоиом раиада изучена последовательные фаза трансформации капли;

- методе:,: 2этсметр".п: подтгервдона возмсаностх, асшльзоьшод цриО-*;2.С1Ж/1 5Яря Для определения радиуса капли в более пироном диасооиис р-^аоров частиц, нем предсказывает теория;

- дол^сли «ицщиюграша сигнала рассеяния нз сфероидальных

ЗДш лтит в обл^с-ги радуга первого порядка доя расш^ углей наблюдения и дана итерпретация наблюдаемого явления ;

хтлц-тт рззшацеаш кривые сфароадашш. колебаний капель бензола а ио ¡¿х добротности построена зависимость козф^ициен:га затухания колебаний от радиуса капель, которая хорошо согласуется с теоретической кривой;

- динамическим методом определено ко&ЗДмцшнта ыезтоверхноотного натяжения капель бензола в воде. Установлено, что оно на 3% ианыго теоретического статического значения а практически не зависит от радиуса капли. Эти результаты хорошо соответсвуют теории.

з

Практическая ценность. Приведенные результаты исследований могут быть использоданы в теории рассеяния света на колебаниях формы сферических частиц. Они представляют интерес для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований оптико-и тепло-физических свойств частиц, динамики внутренних процессов, нелинейного режима колебаний формы, процессов распада и коагуляции частиц. Результаты представляют практическую ценность для разработчиков акусто-оптических счетчиков микрочастиц.

Аттробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXVIII-XXX научных конференциях факультета физико-математических и естественных наук Роосийокого Университета дружбы народов в 1992-1994 г.г., на. всероссийской науно-практической конференции "Оптические, сотовые и спутниковые системы связи" г. Суздаль 1993 г.; на научных семинарах секции "Интегральной оптоэлёктроники" МНГОРЭС им A.C. Попова г. Москва 1993-1994 г. г.; на V международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" г. Суздаль 1994 г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 работах, список которых приведен в конце автореферата

Структура а объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы.

Содержит 133 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 4 таблиц и 12 фотографий. Список литературы состоит из 142 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дане постановка задачи, обсуждается актуальность изучаемой проблемы, формулируются основные цели и задачи исследования и методы их решения, в также приводится структура изложенная материала диссертационной работы.

Первая глава. Посвящена подробному . аналитическому обзору научно-технической литературы, затрагивавшей тему диссертации. Рассмотрены основные методы исследований оптико-физических свойств микрочастиц различной природы взвешенных в

газообразных и кидких средах. Среди известии методов изучения втих свойств основное внимание'уделяется методу светорассеяния. Показано, что наиболее интересные результаты следует окидвть от изучения особенностей светорассеяния на колебаниях фордл

отдельной микрочастицы. Сравнительный анализ показывает что для надокной регистрации рассеянного излучения необходимо обеспечить большие амплитуды колебаний формы частиц.

Наиболее перспективной в этом случае является резонансная раскачка частицу ультразвуком, высокая точность измерения ее параметров возможно только в реккме левитации, т.е. удержания частицы в заданной точке пространства без опоры или подвеса.

Изучены три основных метода обеспечения ревима левитации: метод электростатической и электродинамической левитации зарякенных частиц, метода оптической и акустической левитация любых частиц под действием силы радиационного давления света или звука соответственно.

Соностановление достоинств и недостатков различных методов позволило виде/ж гь метод акустической левитации. Он пригоден для Ч8сгиц любой природы, взвешенных как в газовых, так и в жидких средах. Плавным изменением радиационного давления звука лэгко обеспечивается переход от линейного к нелинейному рештму больших колебаний формы кадкой частицу, вплоть до ее распада на более мелкие кашш. Относительная простота конструкции девитатора, надежность и стабильность генераторов звуковых частот позволяют, обеспечить высокую устойчивость частицы и стабильность положения во времени.

Во второй глаоэ разработана теория возбуждения акустическим полем малых колебаний сферической частицы и теория рассеяния света на колебаниях ее формы. Рассматривались газовые пузырьки и капли еидкости, сферическая форма которых автоматически обеспечивается силами поверхностного натяжения. Среда, в которой взвепены частицы и распространяется звуковая волна, считалась идеальной. Рассматривалось изменение по гармоническому закону с частотой О падвпдей звуковой волгш

радиуса я, формы частица и положение ее центра.

В результате, уравнения возмущенной поверхности, имеющей азимутальную симметрию, записанное в сферической системе координат, помещенной в центр невозмущенной частицы имеет вид:

[ ¡Г 1 7/ г(6,Г)«л | 1+ ) —£-Р((соа в) —— « 1 (1)

где в - полярный угол; Рг (соа в) - полиномы Лекандра; -амплитуда вынужденных колебаний, г - индекс моды колебаний.

В рамках общеакустического подхода при рассмотрении рассеяния плоской звуковой волны на сферической частице получено выражение для которое в линейном приближении по записывается в виде:

Ь

л

Р0 (21+1) < £ р<

—0(1_1) (1+2) 1 , С. р (2>

■ . ------ Ь.(х.)--Ь.(хЛ

Ы^х,) *0*р4х4 * * С, р4

где хА» О л/С^; хв» П */Сл; С^и св -скорости звука внутри частицы к во внешней среде; р1 и рл - плотность частицы и среды соответственно; о - коэффициент межповерхностного натяжения; Ро -амплитуда давления, связанная с плотностью мощности звуковой волны.

Входящие в уравнение (2) сферичиские функции Бесселя -Ханке ля и затрудняет исследование колебаний. Для упрощения

были введена условия х.«1, х.«1 ,то есть г%я/^«1, 2%я/\ ,

где \4и X, - длины звуковой волны в веществе частицы в

окружающей ее среде соответственно.

В результате получены выражения для радиальных 70, трансляционных 7 и сфероидальных колебаний частицы

соответственно. Определены - условия проявления резонансных

свойств. Показано, что особенно ярко выражены резонансные эффекты на сфероидальных колебаниях формы. Их добротпость на несколько порядков превышает добротность радиальных колебаний, что объясняется ничтожным переизлучением звука при колебаниях формы, гопсходявдх с сохранением объема честишь Расмотрены случаи газового пузнрька в жидкости и аидкйИ капли в воздуха или в несмешивавдейся с ней жидкости.

Показано, что при падении на частицу, совершающую вннунденные колебания, плоской электромагнитной волны частоты ю»П, рассеянное электромагнитное излучение будет промоделировано по амплитуде частотой П. Получены соответствующие выражения для радиальной, трансляционной и сфероидальной мод колебаний частицы.

Показано, что наибольший интерес представляет рассеяние света на сфероидальных колебаниях чвстицы, т.к. трансляционные колебания дают малый вклад в рассеяние света в дипольном приближении, а радиальные колебания в несжимаемой жидкости практически невозможны.

В результате выражение для интенсивности рассеяния света на сфероидальных колебаниях формы чвстицы приобретает вид:

_° I J__

с - скорость света в вакууио* т «=п/% - относительный показатель

преломления вещества частицы; \ - вектор напряженности

электрического шля света; Й -еданичннй вектор в направлении рассеяния света.

Высокая добротность сфероидальных колебаний частицы на

7

частоте резонанса с£=24о/(2рв + Зр^). я* позволяет по ней определить радиус я частицы с точностью, превосходящей точность всех других методов.

Третья глава посвящена экпериментальному исследованию оптико-физических свойств левитирующей капли методом рассеяния света на вынужденных колебаниях ее формы. Глава состоит из двух частей. В первой части дается подробное описание эсперимантальной установки. Во второй части представляются результаты эспериментальных исследований оптико-физических свойств частицы.

Установка включает в себя следующие системы: системы левитации и возбуждения колебаний форм частицы акустическим методом; оптическую систему формирования пучка света, зондирующего - частицу; систему диагностики распределения акустического поля в резонаторе левитатора; оптико-телевизионную систему формирования изобравения частицы; фотоэлектрическую систему регистрации рассеяного частицей свете.

В первой части главы изложены результаты основных исследований, приведших к разработке каждой из названных систем и описаны принципы работы каждой системы в отдельности. Описана методика подготовки и осуществления регат лештвции частицы, методика возвувдения колебаний формы частицы, методика настройки, и калибровки оптико-телевизионной системы формирования изображения, методика получения изобракекия исследуемой капли теневых? методом, стробоскопический метод наблюдения динамических периодических процессов и т.д.

Во второй части главы приведены эсшриментаяьше результаты исследований, обоснованные анализом влияния факторов, определяющих режимы левитации и рассеяния света на колебаниях формы жИдкой капли. Показано, что большое значение для исследований приобретает стабильность положения в пространство левитирующей капли для исключения флуктуации интенсивности и искажения формы индикатрисы рассеяния. Устойчивость полокешш частицы определяется размерами и конструкцией резонатора-левитатора, типом колебаний и мощностью, возбуждаемой е нем стоячей волны. Эти характеристики в свою очередь зависят от

8

выбора конструкции пьезоакустического излучателк, его формы, размеров, материала пьезокерамики, от выбора частоты возбуждения толщинной или радиальной мод колебаний пьезоэлемента и правильного согласовал«! его с задающим генератором ультразвука.

Отмечено, что учет всех противоречивых факторов, определяющих форму индикатрисы рассеяния, определяет в конечном счете точность измерения всех параметров и характеристик частицы.

Осуществлено визуальное изучение формы капли в статическом и динамическом режимах. Теневым методом наблюдения изучены сфероидальные колебания капель бензола в реальном маштабе времени, методом стробоскопирования зафиксированы разные фазы колебания. По результатам наблюдения определены пространственная ориентация, геометрия формы капли, резонансные частоты сферойдальных колебаний.

Проведена проверка возможности применения метода интерференции для изучения статических и динамических свойств ловитарупцей капли. Показано, что наблюдаемый эффект размывания интерференционных полос под углом радуга первого порядка является признаком резонанса при возбуждении сфероидальных колебаний капли. Этим методом изучена зависимость резонансной частоты сфероидальных колебаний капли бензола от ее радиуса. Ошибки измерения радиуса капель не превышали 5% .

Исследованы особенности осциллограмм сигнала рассеяния света в области радуги первого порядка в случае покоящихся и колеблющихся капель бензола. Зафиксирован. эффект аномально-высокого рассеяния света в области радуги первого порядка в резонансном режиме. Изучена зависимость формы осциллограмм от угла наблюдения, соотношение между постоянной и переменной соотовляпцих осциллограмм сигнала рассеяния.

Метод«« фотометрии исследованы резонансные свойства капель бензола. Измерены резонансные кривые капель различного размера, определена их добротность, исследованы их вязкие свойства. Изучена зависимость шиповерхностного натяжения от радауса капли. Изучена зависимость резонансной частоты от радиуса капли.

Таким образом экспериментально показана возможность

использования вынувдешшх колебаний Форш отдельно взятой капли для измерения о достаточно высокой точностью ее оптико-физических парметров и характеристик. Серия перечисленных метода позволяет изучать поведение капли в статике и динамике.

основные! результаты диссертаций.

1. Определены условия и экспериментально подтверждена возможность высокостабильной левитации в жидкой среде отдельных частиц, относительная плотность которых леаиг в пределах 0,б5<рО1ГН<1,59 (гексая, толуол, бензол, четирех-хлорцстнй углзрод в воде).

2. • Зкедариментальнш изучением распределении! иолл стоячей волны в цилиндрическом акустическом резонатора подтверждена возможность возбуедешш осесишетричеаиа код т>ша (1 ,0,ф) и устойчивой левитации микрочастиц, ь заданной то'а^о строго на оси резонатора.

3. Изучены условия возбуждения акустическим полом трансляционных колебаний, сфероидальных и более шеокого порядка колебаний форш зшдких лвшгаруиаа каяоль.. Рыааачшо фазы колебаний наблюдались теневым методом на экране монитора опткко-толевизионной системы в резашэ ' сгрсбиекошцюаащщ.

4.. Показана возмошость кзучешя шзшии.. схацпоаарайи. а динамических акустических нолей т щосч^ачьыщь цраацаяц;»; и геометрия Форш жидкой капли.

5. Изучены условия распада капель в реюше больших выплитуд яри возбуждении сфороадаяьюй ыо£д ноасЛишй форда. Наблвдался распад капель О-ксилола в вола ара ь;люлини9 услохьй Тж>1.0 Л .

6. При наблюдении на экране монитора итерфервациошо& картины рассеяния света каплей под углом радуги иерсиш шрадка зафиксирован эффект размывания полос в резонансном решме сфероидальных колебаний формы. Показана возможность ¡¿¿цользовашш этого эффекта для определения растра капли с ошбкой, не превышапцей 5Х.

7. Нетодом фотометрии рассеянного каплей света

экспериментально изучена зависимость углового положения главного максимума радуги первого порядка от размера капли бензола в диапозоне радиусов 264+2280 мкм. Экспериментально подтверждена возможность использования приближения Эйри в диапозоне радиусов капли 75+1200 мкм.

8. Зарегистрирован эффект аномально высокой интенсивности рассеяния света в резонансном режиме сфероидальных

колебания. Изучена зависимость формы осциллограммы сигнала

рассеяния света, наблюдаемой в виде многогорбой кривой, от угла наблюдения в области радуги первого порядка при резонансном возбуждении сфероидальных колебаний капли. Зависимость формы осциллограммы от угла наблюдения итерпретированна, как вклад дополнительных максимумов, наблюдаемых в индикатрисе рассеяния покоящейся капли, в интенсивность рассеяния под данным углом наблюдения. Конфигурация осциллограмм отражает вклад соответствующих фазовых состояний колеблющейся капли в интенсивность рассеяния.

9. Методом фотометрии получена зависимость резонансной частоты сфероидальных колебаний от радиуса капли в диапозоне от 680 до 1710 мкм. Построены резонансные характеристики, определены добротность колебаний и коэффициент затухания колебаний. Динамическим методом определено значения межповерхностного натяяения , оказавшегося на 3% меньше табличного статического значения. Показана возможность изучения вязких свойств жидкости методом возбуждения резонансных колебаний капля.

10. Создана оригинальная установка для изучения оптико-физических свойств частиц веществе методом рассеяния света на вынужденных колебаниях их фэр*и без механического контакта.

II

Основные результаты диссертации опубликована в работах:

1. Кулаков Б.П., Нуньес И. Метода левитации микрочастиц и исследования оптико-физических свойств среды. //Тезисы докладов XXVIII научной конференции факуяьтетадазико-математических и естественных наук. Часть 1. Ы.:Иэд. РУДН, 1992. с.17.

2. Нуньес И., Кулаков Б.П. Рассеяние света на колебаниях Форш кидкх капель. ' // Тезисы докладов XXVIII научной конференции факультета физико-математических и естественных, наук. - Часть 1. Ы.:Изд. РУДН, 1992. с.18.

3. Нуньес И., Кулаков Б.П. Экспериментальное изучение условий левитации жидкой капли и возбуждение колебанийее формы. // Тезисы докладов XXIX научной конференции факультета физико-математических и естественных наук. Часть 1. М.:Изд. РУДН, 1993. с.13-14.

4.Гордеев А.Н., Нуньес И., Кулаков Б.П. Вынужденные колебания сферической частицы в звукоеом поле. // Тезисы докладов XXX научной конференции факультета физико-математических в естественных наук. Часть 1. м.:изд. РУДН, 1994. с.19.

5.Гордеев А.Н., Нуньес И., Кулаков Б.П. Рассеяние свате не колебаниях формы сферической частицы (Теория). // Тезисы докладов XXX научной конференции факультета физико-математических и естественных наук. Часть 1. Ы.:Изд. РУДН, 1994. с.20.

б.Нуньес И., Кулаков Б.П. Рассеяние света наиолебаюшх формы сферической частицы (Эксперимент). // Тезисы . докладов XXX научной конференции факультета фшико-матекатическЕУЕ естественных наук. Часть 1. М.:Изд. РУДН, 1994. с.21

7. Кулаков Б.Г!., Нуньес И. Рассеянии лазерного излучения на колебаниях форма левитирующей капли, // Тезисы докладов У международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" - Суздаль, 1994 г., с. 35-33.

8.Нуньес И., Кулаков Б.П. Анализ факторов,огградвляи'.^х режимы левитации и рассеяния света на колебаниях форда яидкой капли. // Тезисы докладов V международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике.медицине" - Суздаль, 1934 г., с. 3^-35.

f runes De 01 ire Ira iTanor

An Investigation of optlco-physlcal properties of the micropartlcles by the method of light-scattering on the forced OBClllatlon of particle shape.

iBsmcr

In the dissertation a review and dlacualon of current literature on methods of micropartlcles' levltation In gaseous and liquid media are given (about too references). The theory of excitation by acoustic field for the shape oscillations of a ■ spherical particle and the theory of light-scattering on such oscillations are developed. A description of experimental set up and of principles of operation for its subsystems is given. The reoulto of experimental studies of optlco-physlcal characteristics (dimension, shape, surface tension, viscosity etc.) are presented for liquid levitating droplets obtained by the intensity measurements of scattered light on driven shape oscillations. The Inference from the effects observed is given and an accurancy of the results have been evaluated. The possible further Investigations with use of the original experimental set up are discussed.

I6.I2,94rv

Octeeu 0,75rr. jr. Tgpy 100

Inn. B7JIH, Qfm*omiKHH3er 3

3ag, 564