Vysokorychlostní videokamera, hpv-x2

Analýza oscilací bublin vodní páry pomocí vysokorychlostní videokamery - vysokorychlostní zobrazování oscilací subMHz řádu -

Abstrakt

Místní ohřev odplyněné vody vytváří mikrobublinky tvořené převážně vodní párou a vytváří kolem nich silné proudění. K záznamu bublinek vodní páry oscilujících při frekvenci přibližně 0,5 MHz byla použita vysokorychlostní videokamera Hyper Vision™ HPV™-X2. To poskytlo cenné poznatky pro zkoumání vztahu mezi oscilací bublin a tvorbou proudění.

Úvod

Zařízení, která pracují s malým množstvím tekutiny, se nazývají mikrofluidní zařízení a jsou široce využívána v různých oblastech. Zmenšením množství zpracovávané tekutiny, například při biochemické analýze, je možné rychle provést analýzu s malým objemem vzorku. V mikrometrovém měřítku je však vliv viskozity kapaliny významný, takže stále není snadné kapaliny v úzkém kanálku účinně míchat. V nedávných zprávách byly uvedeny příklady mikrofluidních operací s využitím fototermického ohřevu a mikrobublin1)-. 3). Když je laser zaměřen na tenkou vrstvu nanočástic zlata nebo FeSi2 , světlo je absorbováno a přeměněno na teplo. Proto lze laserový bod na tenké vrstvě použít jako lokální zdroj tepla. Toto teplo vytváří ve vodě mikrobubliny, které jsou pak vystaveny teplotnímu gradientu. Tím se na povrchu bubliny vytvoří gradient povrchového napětí, který kolem ní generuje Marangoniho konvekční proud. Pokud voda nemá odplyněna, je výsledná bublina tvořena převážně vzduchem a ke konvekci dochází pouze v okolí bubliny. Na druhé straně, pokud byla voda odplyněna, jsou vzniklé bubliny tvořeny především vodní párou4)-6). A bylo zjištěno, že konvekční proudy vyvolané v okolí bubliny vodní páry jsou řádově rychlejší než proudy generované v okolí bubliny vzduchu. V těsné blízkosti bubliny dosahují rychlosti řádově 1 m/s. Očekává se, že tento jev bude užitečný jako nová mikrofluidní technika pohonu a míchání. Mechanismus, kterým ke konvekci dochází, však dosud nebyl zcela objasněn. Jedním ze zdrojů konvekce v okolí bublin vodní páry je Marangoniho síla. Jedná se o smykovou sílu generovanou gradientem povrchového napětí, který je důsledkem teplotního gradientu. Za předpokladu, že Marangoniho síla sama o sobě způsobuje konvekci, je však zapotřebí teplotní rozdíl větší než 60 K ve směru průměru bubliny. Vzhledem k tomu, že průměr bubliny vodní páry je asi 10 µm, je obtížné udržet zde velký teplotní rozdíl. Další možnou příčinou konvekce je oscilace bublin. Bylo zjištěno, že bubliny oscilují v subMHz oblasti na základě zachycení rozptýleného světla z bublin. Pro vyhodnocení síly konvekce způsobené oscilací bublin je nutné znát velikost a tvar bubliny v čase. Frekvence oscilací bublin vodní páry je však vyšší než rychlost typické kamery, což ztěžuje zachycení jejich pohybu. V tomto článku informujeme o úspěšném pozorování oscilací těchto bublin vodní páry pomocí kamery HPV-X2, která dokáže snímat obraz rychlostí až 10 Mfps.

1 Katedra mikroinženýrství, Graduate School of Engineering, Kyoto University
2 Solutions COE, divize analytických a měřicích přístrojů, Shimadzu Corporation

Generování bublin vodní páry a detekce oscilace bublin pomocí rozptylu světla 4), 6)

Nejprve byly lokálním ohřevem odplyněné vody vytvořeny bubliny vodní páry a bylo potvrzeno, že kolem bublin dochází ke konvekci. Na skleněný substrát byla nanesena tenká vrstva zlatých nanočástic jako tenká vrstva pro fototermickou konverzi. Tato tenká vrstva byla ponořena do vakuově ultrazvukem odplyněné vody a na vrstvu byl zaměřen CW laser o vlnové délce 785 nm. Obr. 1 ukazuje typický mikroskopický obraz bublin a konvekce pozorované kolem laserového bodu na tenkém filmu fototermické konverze. Byl pozorován z horizontálního směru povrchu tenké vrstvy. Malá černá kulička viditelná nad laserovým bodem nebo místním bodem ohřevu je generovaná bublina vodní páry a tečky v kapalině jsou polystyrenové kuličky přidané pro vizualizaci konvekce. Pro vizualizaci trajektorie kuliček je překryto a zobrazeno 100 snímků pořízených během 1 sekundy. Při vzniku bubliny byla odplyněná voda urychlována ve směru kolmém k povrchu substrátu, čímž vzniklo silné rotační proudění. Dále byla vzniklá bublina pozorována při trochu větším zvětšení. Při použití standardní vysokorychlostní kamery pro pozorování bubliny byla snímková frekvence nastavena na 100 kfps a doba expozice na přibližně 7 µs. Výsledky jsou uvedeny na obr. 2. Přibližně 50 µs po zahájení laserového ozařování a vytvoření bubliny byla zdánlivá velikost bubliny asi 10 µm6). Laserové ozařování po dobu delší než jedna minuta zdánlivou velikost bubliny nezměnilo. Přestože se bublina zdála být stabilní, bez ohledu na to, kolik pokusů bylo učiněno o zaostření světelného mikroskopu na bublinu, obrys bubliny se nepodařilo zaostřit, jak je znázorněno na obr. 2. Předpokládalo se, že je to způsobeno tím, že bublina kmitá s periodou kratší, než je expoziční doba fotoaparátu.

Nejprve bylo detekováno světlo rozptýlené bublinami, aby bylo možné zachytit jejich oscilace. Obr. 3 (a) ukazuje schéma měření. Podložka, na níž byla nanesena tenká vrstva pro fototermickou konverzi (tenká vrstva FeSi2, 50 nm) a odplyněná voda, byla uzavřena ve skleněné cele. Poté byl na tenkou vrstvu zaměřen CW laser, který vytvořil bubliny vodní páry. Přibližně 10 % laserového světla ozářeného za účelem vytvoření bublinek prošlo tenkou vrstvou a bylo ozářeno na bublinky. Toto světlo je bublinou rozptýleno, ale jeho směr se mění v závislosti na velikosti a tvaru bubliny. Proto byla fotonásobičová trubice (R928 vyrobená společností Hamamatsu Photonics) instalována vodorovně na povrch substrátu přes objektiv. Pomocí tohoto fotonásobiče byla měřena časová změna intenzity rozptýleného světla vstupujícího do objektivu. Časová změna intenzity detekovaného světla je znázorněna na obr. 3 (b). Osa X představuje čas a osa Y intenzitu světla. Intenzita světla se zřetelně periodicky mění s frekvencí 0,26 MHz. Pokud bublina osciluje s touto frekvencí, znamená to, že během 7 µs expoziční doby kamery osciluje přibližně dvakrát. Jinými slovy, lze předpokládat, že oscilace bubliny nelze zachytit typickými vysokorychlostními kamerami. Další experimenty s různými intenzitami laseru a velikostmi skvrn ukázaly, že bubliny vodní páry oscilují s frekvencí od 0,1 do 0,7 MHz. Bylo také zjištěno, že frekvence oscilací bubliny závisí na jejím zdánlivém průměru, a čím větší je průměr, tím nižší je frekvence oscilací bubliny. Zachycením rozptýleného světla z bublin tak bylo zjištěno, že bubliny oscilují a že existuje vztah mezi jejich zdánlivou velikostí a frekvencí oscilací. Není však jasné, jak bubliny kmitají. Je možné, že velikost bublin se nemění periodicky, ale že se může měnit jejich tvar a poloha, případně všechny tyto vlastnosti současně. K zachycení takových oscilací bublin řádu sub MHz kamerou je zapotřebí snímková frekvence přibližně desetinásobku frekvence oscilací. V důsledku toho nás zaujala vysokorychlostní videokamera HPV-X2, která dokáže zaznamenávat až 10 Mfps.

3. Vysokorychlostní zobrazování bublin vodní páry pomocí přístroje HPV-X2

K zachycení oscilací bublin vodní páry vznikajících v odplyněné vodě byly provedeny experimenty s pozorováním bublin pomocí přístroje HPV-X2. Schéma experimentálního uspořádání je uvedeno na obr. 4. Nejprve byl skleněný substrát, na kterém byla nanesena tenká vrstva pro fototermickou konverzi (tenká vrstva FeSi2, 50 nm), a odplyněná voda uzavřena ve skleněné cele. Ta byla umístěna na mikroskop a na tenkou vrstvu fototermické konverze byl zpoza skleněného substrátu zaměřen CW laser (vlnová délka: 830 nm, Thorlabs FPL830S). Zaměření laseru na tenkou vrstvu bylo kontrolováno pomocí kamery 1 (Baumer HXC20) ze směru kolmého k povrchu vrstvy. Vzniklé bubliny byly pozorovány horizontálně od povrchu substrátu pomocí kamery 2 (HPV-X2). Snímková frekvence byla nastavena na 5 Mfps. Aby se zabránilo zahřívání vzorku osvětlovacím světlem, byl jako osvětlovací světlo použit pulzní laser (Cavitar, systém CAVILUX Smart) s vlnovou délkou 640 nm a šířkou pulzu 20 ns. Propojením HPV-X2 a pulzního laseru pro synchronizaci časování záznamu a emise bylo možné snadno získat jasné obrazy. Kromě toho bylo možné s využitím režimu živého náhledu kamery nastavit polohu pozorování při sledování vzorku kamerou, stejně jako při použití standardní kamery. Vysokorychlostní zobrazování bubliny bylo prováděno několik sekund po zahájení laserového záření pro generování bubliny. Proto se předpokládalo, že pozorované bubliny jsou v kvazistálém stavu. Na obr. 5 je zobrazen snímek bubliny vodní páry pořízený kamerou HPV-X2. Snímek byl pořízen z vodorovného směru na povrchu substrátu. Pod obrazem bubliny je vidět zrcadlový obraz bubliny odražený na povrchu substrátu. Zachycení oscilací bublin bylo dosaženo záznamem při rychlosti 5 Mfps. Perioda oscilací bublinek získaná pomocí HPV-X2 byla přibližně 2 µs, což dobře souhlasilo s frekvencí oscilací bublinek měřenou pomocí rozptylu světla. Proto se předpokládá, že jeden cyklus oscilace bublin byl zachycen při dostatečné vzorkovací frekvenci. Kromě toho toto pozorování ukázalo, že bubliny mají tvar, který se při růstu rozšiřuje do strany k substrátu (čas = 0,0 - 1,0 µs), a tvar, který se při smršťování rozšiřuje kolmo k povrchu substrátu (čas = 1,2 - 1,8 µs). Bylo také zjištěno, že velikost bublin se během periody oscilací výrazně mění a existují okamžiky, kdy se zmenší natolik, že jsou pro kameru neviditelné (čas = 2,0 µs). Tyto výsledky pomáhají objasnit podíl oscilací na vzniku konvekce v okolí bublin.

4. Závěr

Tento článek popisuje pozorování oscilací bublin vodní páry pomocí vysokorychlostní videokamery HPV-X2. Výsledky ukázaly, jak se mění velikost a tvar bublin vodní páry během jednoho cyklu oscilace. To nás přibližuje k pochopení principu konvekce v okolí bublin vodní páry. Další využití kamery HPV-X2 v budoucnu umožní objasnit jevy, které bylo dříve obtížné vyhodnotit, například jak se bubliny pohybují, když je generováno více bublin najednou, a zda mezi pohyby bublin dochází k interakcím. Kromě toho se očekává, že tato metoda bude široce využívána nejen pro oscilace bublin, ale také k objasnění jevů proudění v mikro- a nanometrovém měřítku, čímž se vytvoří nová oblast výzkumu.