Hochgeschwindigkeits-Videokamera, hpv-x2

Oszillationsanalyse von Wasserdampfblasen mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera - Hochgeschwindigkeitsabbildung von Oszillationen im Sub-MHz-Bereich -

Abstrakt

Die lokale Erwärmung von entgastem Wasser erzeugt Mikroblasen, die hauptsächlich aus Wasserdampf bestehen, und erzeugt starke Strömungen um die Blasen. Mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera Hyper Vision™ HPV™-X2 wurden Wasserdampfblasen aufgezeichnet, die mit etwa 0,5 MHz schwingen. Dies lieferte wertvolle Erkenntnisse für die Untersuchung der Beziehung zwischen Blasenschwingung und Strömungserzeugung.

Einführung

Geräte, die mit kleinen Flüssigkeitsmengen umgehen, werden als mikrofluidische Geräte bezeichnet und sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Durch die Verringerung der Flüssigkeitsmenge, z. B. bei der biochemischen Analyse, ist es möglich, schnell eine Analyse mit einem kleinen Probenvolumen durchzuführen. Allerdings ist der Einfluss der Flüssigkeitsviskosität im Mikrometermaßstab erheblich, so dass es nach wie vor nicht einfach ist, Flüssigkeiten in einem engen Kanal effizient zu mischen. In neueren Berichten wurden Beispiele für mikrofluidische Verfahren mit photothermischer Erwärmung und Mikroblasen beschrieben1)- 3). Wenn ein Laser auf eine dünne Schicht aus Goldnanopartikeln oder FeSi2 fokussiert wird, wird das Licht absorbiert und in Wärme umgewandelt. Daher kann der Laserpunkt auf der dünnen Schicht als lokale Wärmequelle genutzt werden. Diese Wärme erzeugt eine Mikroblase im Wasser, die dann einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Dadurch entsteht an der Oberfläche der Blase ein Oberflächenspannungsgefälle, das eine Marangoni-Konvektionsströmung um die Blase herum erzeugt. Wenn das Wasser nicht Wenn das Wasser nicht entgast wurde, besteht die entstehende Blase hauptsächlich aus Luft, und die Konvektion findet nur in der Nähe der Blase statt. Wurde das Wasser hingegen entgast, bestehen die erzeugten Blasen hauptsächlich aus Wasserdampf4)-6). Und es wird festgestellt, dass die Konvektionsströme, die um eine Wasserdampfblase herum entstehen, um eine Größenordnung schneller sind als die, die um eine Luftblase herum entstehen. Die Geschwindigkeit erreicht in unmittelbarer Nähe der Blase die Größenordnung von 1 m/s. Es wird erwartet, dass dieses Phänomen als neue mikrofluidische Antriebs- und Mischtechnik nützlich ist. Der Mechanismus, durch den die Konvektion entsteht, ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Eine der Quellen der Konvektion um Wasserdampfblasen ist die Marangoni-Kraft. Dabei handelt es sich um die Scherkraft, die durch das Oberflächenspannungsgefälle infolge des Temperaturgefälles entsteht. Geht man jedoch davon aus, dass die Marangoni-Kraft allein die Konvektion verursacht, so ist ein Temperaturunterschied von mehr als 60 K in Richtung des Blasendurchmessers erforderlich. Da der Durchmesser der Wasserdampfblase etwa 10 µm beträgt, ist es schwierig, dort eine große Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten. Eine weitere mögliche Ursache für die Konvektion ist die Blasenschwingung. Es wurde berichtet, dass Blasen im Sub-MHz-Bereich oszillieren, basierend auf der Erfassung von Streulicht von den Blasen. Um die Stärke der Konvektion aufgrund von Blasenschwingungen zu beurteilen, muss man die Größe und Form der Blase im Zeitverlauf kennen. Die Oszillationsfrequenz der Wasserdampfblasen ist jedoch schneller als die Geschwindigkeit einer typischen Kamera, was es schwierig macht, ihre Bewegung zu erfassen. In diesem Artikel berichten wir über die erfolgreiche Beobachtung der Oszillation dieser Wasserdampfblasen mit der HPV-X2, die Bilder mit bis zu 10 Mfps aufnehmen kann.

1 Abteilung für Mikrotechnik, Graduate School of Engineering, Universität Kyoto
2 Solutions COE, Abteilung für analytische und messende Instrumente, Shimadzu Corporation

Erzeugung von Wasserdampfblasen und Nachweis von Blasenschwingungen durch Lichtstreuung 4), 6)

Zunächst wurden Wasserdampfblasen durch lokale Erwärmung des entgasten Wassers erzeugt, und es wurde bestätigt, dass um die Blasen herum Konvektion auftritt. Eine dünne Schicht aus Goldnanopartikeln wurde auf einem Glassubstrat als photothermische Umwandlungsschicht abgeschieden. Diese Dünnschicht wurde in vakuum-ultraschallentgastes Wasser getaucht, und ein CW-Laser mit einer Wellenlänge von 785 nm wurde auf die Schicht fokussiert. Abb. 1 zeigt ein typisches mikroskopisches Bild einer Blase und einer Konvektion, die um einen Laserspot auf einer Dünnschicht für die photothermische Umwandlung beobachtet wurde. Sie wurde aus der horizontalen Richtung der Dünnschichtoberfläche beobachtet. Die kleine schwarze Kugel, die über dem Laserpunkt oder dem lokalen Heizpunkt zu sehen ist, ist die erzeugte Wasserdampfblase, und die Punkte in der Flüssigkeit sind die Polystyrolkugeln, die zur Visualisierung der Konvektion hinzugefügt wurden. Um die Flugbahn der Kugeln zu veranschaulichen, werden 100 Bilder, die innerhalb einer Sekunde aufgenommen wurden, übereinandergelegt und angezeigt. Bei der Blasenbildung wurde das entgaste Wasser in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche beschleunigt, wodurch eine starke Rotationsströmung entstand. Anschließend wurde die entstandene Blase unter etwas stärkerer Vergrößerung betrachtet. Zur Beobachtung der Blase wurde eine Standard-Hochgeschwindigkeitskamera verwendet, wobei die Bildrate auf 100 kfps und die Belichtungszeit auf etwa 7 µs eingestellt wurde. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Etwa 50 µs nach dem Start der Laserbestrahlung und der Erzeugung der Blase betrug die scheinbare Größe der Blase etwa 10 µm6). Eine Laserbestrahlung von mehr als einer Minute änderte nichts an der scheinbaren Größe der Blase. Obwohl die Blase stabil zu sein schien, konnte die Kontur der Blase nicht fokussiert werden, egal wie oft man versuchte, das Lichtmikroskop auf die Blase zu richten, wie in Abb. 2 gezeigt. Man vermutete, dass dies daran lag, dass die Blase mit einer kürzeren Periode als die Belichtungszeit der Kamera oszillierte.

Abb. 1 Erzeugung von Wasserdampfblasen durch photothermische Umwandlung und Umgebungskonvektion
Abb. 1 Erzeugung von Wasserdampfblasen durch photothermische Umwandlung und Umgebungskonvektion
Abb. 2 Mikroskopische Aufnahme einer Wasserdampfblase (Belichtungszeit: 7 µs)
Abb. 2 Mikroskopische Aufnahme einer Wasserdampfblase (Belichtungszeit: 7 µs)
Zunächst wurde also das von den Blasen gestreute Licht erfasst, um die Schwingungen der Blasen zu erfassen. Abb. 3 (a) zeigt eine schematische Darstellung der Messung. Ein Substrat, auf das eine Dünnschicht für die photothermische Umwandlung (FeSi2-Dünnschicht, 50 nm) aufgebracht wurde, wurde in einer Glaszelle mit entgastem Wasser versiegelt. Dann wurde ein CW-Laser auf die Dünnschicht fokussiert, um Wasserdampfblasen zu erzeugen. Etwa 10 % des zur Erzeugung der Blasen eingestrahlten Laserlichts wird durch die Dünnschicht hindurch auf die Blasen eingestrahlt. Dieses Licht wird von der Blase gestreut, aber seine Richtung variiert je nach Größe und Form der Blase. Daher wurde eine Photomultiplier-Röhre (R928 von Hamamatsu Photonics) horizontal auf der Oberfläche des Substrats durch eine Objektivlinse installiert. Mit dieser Photomultiplier-Röhre wurde die zeitliche Veränderung der Intensität des in die Objektivlinse eintretenden Streulichts gemessen. Der zeitliche Verlauf der gemessenen Lichtintensität ist in Abb. 3 (b) dargestellt. Die X-Achse steht für die Zeit und die Y-Achse für die Lichtintensität. Die Lichtintensität ändert sich deutlich periodisch mit einer Frequenz von 0,26 MHz. Wenn die Blase mit dieser Frequenz schwingt, bedeutet dies, dass die Blase während der 7 µs Belichtungszeit der Kamera etwa zweimal schwingt. Mit anderen Worten: Man kann davon ausgehen, dass die Blasenschwingungen von typischen Hochgeschwindigkeitskameras nicht erfasst werden können. Weitere Experimente mit unterschiedlichen Laserintensitäten und Spotgrößen ergaben, dass die Wasserdampfblasen mit Frequenzen zwischen 0,1 und 0,7 MHz schwingen. Es wurde auch festgestellt, dass die Oszillationsfrequenz der Blase von ihrem scheinbaren Durchmesser abhängt, und je größer der Durchmesser, desto niedriger die Oszillationsfrequenz der Blase. Durch die Erfassung des von den Blasen gestreuten Lichts konnte also festgestellt werden, dass die Blasen oszillieren und dass ein Zusammenhang zwischen ihrer scheinbaren Größe und der Oszillationsfrequenz besteht. Es ist jedoch nicht klar, wie die Blasen oszillieren. Es ist möglich, dass sich die Größe der Blasen nicht periodisch ändert, sondern dass sich ihre Form und Position oder alle diese Merkmale gleichzeitig ändern. Um solche Blasenschwingungen im Sub-MHz-Bereich mit einer Kamera zu erfassen, ist eine Bildrate erforderlich, die etwa dem Zehnfachen der Schwingungsfrequenz entspricht. Daher haben wir uns für die HPV-X2 entschieden, eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera, die bis zu 10 Mfps aufnehmen kann.
Abb. 3 (a) Schematisches Diagramm eines optischen Systems zur Erfassung von Streulicht aus einer Wasserdampfblase (b) Zeitliche Veränderung der erfassten Lichtintensität
Abb. 3 (a) Schematisches Diagramm eines optischen Systems zur Erfassung von Streulicht aus einer Wasserdampfblase (b) Zeitliche Variation der erfassten Lichtintensität

3) Hochgeschwindigkeitsbildgebung von Wasserdampfblasen mit dem HPV-X2

Um die Schwingungen der Wasserdampfblasen in entgastem Wasser zu erfassen, wurden Experimente zur Beobachtung der Blasen mit einem HPV-X2 durchgeführt. Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus ist in Abb. 4 zu sehen. Zunächst wurde ein Glassubstrat, auf dem eine Dünnschicht zur photothermischen Umwandlung (FeSi2-Dünnschicht, 50 nm) aufgebracht war, und entgastes Wasser in einer Glaszelle versiegelt. Diese wurde auf ein Mikroskop gesetzt, und ein CW-Laser (Wellenlänge: 830 nm, Thorlabs FPL830S) wurde von der Rückseite des Glassubstrats auf die photothermische Umwandlungsdünnschicht fokussiert. Die Fokussierung des Lasers auf die Dünnschicht wurde mit der Kamera 1 (Baumer HXC20) aus der Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche überprüft. Die erzeugten Blasen wurden mit der Kamera 2 (HPV-X2) horizontal von der Substratoberfläche aus beobachtet. Die Bildrate wurde auf 5 Mfps eingestellt. Um eine Erwärmung der Probe durch das Beleuchtungslicht zu vermeiden, wurde ein gepulster Laser (Cavitar, CAVILUX Smart System) mit einer Wellenlänge von 640 nm und einer Pulsbreite von 20 ns als Beleuchtungslicht verwendet. Durch den Anschluss eines HPV-X2 und eines gepulsten Lasers zur Synchronisierung der Aufnahme- und Emissionszeitpunkte konnten helle Bilder leicht erzielt werden. Durch die Verwendung des Live-Modus der Kamera konnte außerdem die Beobachtungsposition eingestellt werden, während die Probe mit der Kamera betrachtet wurde, genau wie bei der Verwendung einer Standardkamera. Die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Blase wurden einige Sekunden nach dem Beginn der Laserstrahlung zur Blasenbildung durchgeführt. Daher wurde davon ausgegangen, dass sich die beobachteten Blasen in einem quasistationären Zustand befinden. Abb. 5 zeigt ein Bild einer Wasserdampfblase, aufgenommen mit einem HPV-X2. Das Bild wurde aus der horizontalen Richtung auf der Substratoberfläche aufgenommen. Unter dem Bild der Blase ist ein Spiegelbild der auf der Substratoberfläche reflektierten Blase zu sehen. Die Oszillationen der Blasen wurden durch Aufnahmen mit 5 Mfps erfasst. Die mit dem HPV-X2 ermittelte Periode der Blasenschwingung betrug etwa 2 µs, was gut mit der mittels Lichtstreuung gemessenen Schwingungsfrequenz der Blase übereinstimmte. Daher wird davon ausgegangen, dass ein einzelner Zyklus der Blasenschwingung mit einer ausreichenden Abtastrate erfasst wurde. Darüber hinaus zeigte diese Beobachtung, dass die Blasen eine Form haben, die sich seitlich zum Substrat erstreckt, wenn sie wachsen (Zeit = 0,0 - 1,0 µs) und eine Form, die sich senkrecht zur Substratoberfläche erstreckt, wenn sie sich zusammenziehen (Zeit = 1,2 - 1,8 µs). Es wurde auch festgestellt, dass die Größe der Blase während der Oszillationsperiode erheblich schwankt, und es gibt Momente, in denen sie so weit abnimmt, dass sie für die Kamera unsichtbar ist (Zeit = 2,0 µs). Diese Ergebnisse tragen dazu bei, den Beitrag der Oszillation zur Bildung von Konvektion um Blasen herum zu klären.

Abb. 4 Schematische Darstellung eines optischen Systems zur Hochgeschwindigkeitsabbildung der Oszillationen von Wasserdampfblasen
Abb. 4 Schematische Darstellung eines optischen Systems zur Hochgeschwindigkeitsabbildung der Oszillationen von Wasserdampfblasen
Abb. 5 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Oszillation der Wasserdampfblasen
Abb. 5 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Oszillation der Wasserdampfblasen

4. schlussfolgerung

Dieser Artikel beschreibt die Beobachtung von Wasserdampfblasenschwingungen mit einer HPV-X2 Hochgeschwindigkeits-Videokamera. Die Ergebnisse zeigen, wie sich Größe und Form der Wasserdampfblasen während eines einzigen Schwingungszyklus ändern. Dies bringt uns dem Verständnis des Prinzips der Konvektion um Wasserdampfblasen näher. Der weitere Einsatz des HPV-X2 wird es in Zukunft ermöglichen, Phänomene zu erforschen, die bisher nur schwer zu bewerten waren, z. B. wie sich die Blasen bewegen, wenn mehrere Blasen gleichzeitig erzeugt werden, und ob es Wechselwirkungen zwischen den Blasenbewegungen gibt. Darüber hinaus wird erwartet, dass diese Methode nicht nur für Blasenschwingungen, sondern auch zur Aufklärung von Strömungsphänomenen im Mikro- und Nanometerbereich eingesetzt wird und damit ein neues Forschungsgebiet eröffnet.

4. Referenzen

1) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 106 (4) (2015) 043101.

 

2) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 108 (7) (2016) 071603.

 

3) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Nanotechnology, 29 (6) (2018) 065201.

 

4) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Scientific Reports, 7 (2017) 45776.

 

5) Namura, K., Imafuku, S., Kumar, S., Nakajima, K., Sakakura, M., Suzuki, M.: Scientific Reports, 9 (1) (2019) 4770.

 

6) Namura, K., Okai, S., Kumar, S., Nakajima, K., Suzuki, M.: Advanced Materials Interfaces, 7 (18) (2020) 2000483.

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