{"id":16426,"date":"2024-09-19T11:07:25","date_gmt":"2024-09-19T09:07:25","guid":{"rendered":"https:\/\/dev.shimadzu-testing.com\/?p=16426"},"modified":"2025-02-05T11:23:15","modified_gmt":"2025-02-05T10:23:15","slug":"oscillation-analysis-of-water-vapor-bubbles-using-high-speed-video-camera-high-speed-imaging-of-sub-mhz-order-oscillations","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/shimadzu-testing.com\/de\/wissen-wie\/hochgeschwindigkeits-videokamera\/oscillation-analysis-of-water-vapor-bubbles-using-high-speed-video-camera-high-speed-imaging-of-sub-mhz-order-oscillations\/","title":{"rendered":"Oszillationsanalyse von Wasserdampfblasen mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera - Hochgeschwindigkeitsabbildung von Oszillationen im Sub-MHz-Bereich -"},"content":{"rendered":"
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Abstrakt<\/strong><\/h2>\n

Die lokale Erw\u00e4rmung von entgastem Wasser erzeugt Mikroblasen, die haupts\u00e4chlich aus Wasserdampf bestehen, und erzeugt starke Str\u00f6mungen um die Blasen. Mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera Hyper Vision\u2122 HPV\u2122-X2 wurden Wasserdampfblasen aufgezeichnet, die mit etwa 0,5 MHz schwingen. Dies lieferte wertvolle Erkenntnisse f\u00fcr die Untersuchung der Beziehung zwischen Blasenschwingung und Str\u00f6mungserzeugung.\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Einf\u00fchrung<\/strong><\/h2>\n

Ger\u00e4te, die mit kleinen Fl\u00fcssigkeitsmengen umgehen, werden als mikrofluidische Ger\u00e4te bezeichnet und sind in verschiedenen Bereichen weit verbreitet. Durch die Verringerung der Fl\u00fcssigkeitsmenge, z. B. bei der biochemischen Analyse, ist es m\u00f6glich, schnell eine Analyse mit einem kleinen Probenvolumen durchzuf\u00fchren. Allerdings ist der Einfluss der Fl\u00fcssigkeitsviskosit\u00e4t im Mikrometerma\u00dfstab erheblich, so dass es nach wie vor nicht einfach ist, Fl\u00fcssigkeiten in einem engen Kanal effizient zu mischen.\nIn neueren Berichten wurden Beispiele f\u00fcr mikrofluidische Verfahren mit photothermischer Erw\u00e4rmung und Mikroblasen beschrieben1)-\n3). Wenn ein Laser auf eine d\u00fcnne Schicht aus Goldnanopartikeln oder FeSi2 fokussiert wird, wird das Licht absorbiert und in W\u00e4rme umgewandelt. Daher kann der Laserpunkt auf der d\u00fcnnen Schicht als lokale W\u00e4rmequelle genutzt werden. Diese W\u00e4rme erzeugt eine Mikroblase im Wasser, die dann einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Dadurch entsteht an der Oberfl\u00e4che der Blase ein Oberfl\u00e4chenspannungsgef\u00e4lle, das eine Marangoni-Konvektionsstr\u00f6mung um die Blase herum erzeugt. Wenn das Wasser nicht\n \nWenn das Wasser nicht entgast wurde, besteht die entstehende Blase haupts\u00e4chlich aus Luft, und die Konvektion findet nur in der N\u00e4he der Blase statt. Wurde das Wasser hingegen entgast, bestehen die erzeugten Blasen haupts\u00e4chlich aus Wasserdampf4)-6). Und es wird festgestellt, dass die Konvektionsstr\u00f6me, die um eine Wasserdampfblase herum entstehen, um eine Gr\u00f6\u00dfenordnung schneller sind als die, die um eine Luftblase herum entstehen. Die Geschwindigkeit erreicht in unmittelbarer N\u00e4he der Blase die Gr\u00f6\u00dfenordnung von 1 m\/s. Es wird erwartet, dass dieses Ph\u00e4nomen als neue mikrofluidische Antriebs- und Mischtechnik n\u00fctzlich ist. Der Mechanismus, durch den die Konvektion entsteht, ist jedoch noch nicht vollst\u00e4ndig gekl\u00e4rt.\nEine der Quellen der Konvektion um Wasserdampfblasen ist die Marangoni-Kraft. Dabei handelt es sich um die Scherkraft, die durch das Oberfl\u00e4chenspannungsgef\u00e4lle infolge des Temperaturgef\u00e4lles 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 \u00b5m betr\u00e4gt, ist es schwierig, dort eine gro\u00dfe Temperaturdifferenz aufrechtzuerhalten. Eine weitere m\u00f6gliche Ursache f\u00fcr 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 St\u00e4rke der Konvektion aufgrund von Blasenschwingungen zu beurteilen, muss man die Gr\u00f6\u00dfe 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 \u00fcber die erfolgreiche Beobachtung der Oszillation dieser Wasserdampfblasen mit der HPV-X2, die Bilder mit bis zu 10 Mfps aufnehmen kann.\n

\n1 Abteilung f\u00fcr Mikrotechnik, Graduate School of Engineering, Universit\u00e4t Kyoto
\n2 Solutions COE, Abteilung f\u00fcr analytische und messende Instrumente, Shimadzu Corporation\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Erzeugung von Wasserdampfblasen und Nachweis von Blasenschwingungen durch Lichtstreuung 4), 6)<\/h2>\n

Zun\u00e4chst wurden Wasserdampfblasen durch lokale Erw\u00e4rmung des entgasten Wassers erzeugt, und es wurde best\u00e4tigt, dass um die Blasen herum Konvektion auftritt. Eine d\u00fcnne Schicht aus Goldnanopartikeln wurde auf einem Glassubstrat als photothermische Umwandlungsschicht abgeschieden. Diese D\u00fcnnschicht wurde in vakuum-ultraschallentgastes Wasser getaucht, und ein CW-Laser mit einer Wellenl\u00e4nge von 785 nm wurde auf die Schicht fokussiert.\nAbb. 1 zeigt ein typisches mikroskopisches Bild einer Blase und einer Konvektion, die um einen Laserspot auf einer D\u00fcnnschicht f\u00fcr die photothermische Umwandlung beobachtet wurde. Sie wurde aus der horizontalen Richtung der D\u00fcnnschichtoberfl\u00e4che beobachtet. Die kleine schwarze Kugel, die \u00fcber dem Laserpunkt oder dem lokalen Heizpunkt zu sehen ist, ist die erzeugte Wasserdampfblase, und die Punkte in der Fl\u00fcssigkeit sind die Polystyrolkugeln, die zur Visualisierung der Konvektion hinzugef\u00fcgt wurden. Um die Flugbahn der Kugeln zu veranschaulichen, werden 100 Bilder, die innerhalb einer Sekunde aufgenommen wurden, \u00fcbereinandergelegt und angezeigt. Bei der Blasenbildung wurde das entgaste Wasser in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfl\u00e4che beschleunigt, wodurch eine starke Rotationsstr\u00f6mung entstand.\nAnschlie\u00dfend wurde die entstandene Blase unter etwas st\u00e4rkerer Vergr\u00f6\u00dferung betrachtet. Zur Beobachtung der Blase wurde eine Standard-Hochgeschwindigkeitskamera verwendet, wobei die Bildrate auf 100 kfps und die Belichtungszeit auf etwa 7 \u00b5s eingestellt wurde. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Etwa 50 \u00b5s nach dem Start der Laserbestrahlung und der Erzeugung der Blase betrug die scheinbare Gr\u00f6\u00dfe der Blase etwa 10 \u00b5m6). Eine Laserbestrahlung von mehr als einer Minute \u00e4nderte nichts an der scheinbaren Gr\u00f6\u00dfe 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 k\u00fcrzeren Periode als die Belichtungszeit der Kamera oszillierte.\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t

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Abb. 1 Erzeugung von Wasserdampfblasen durch photothermische Umwandlung und Umgebungskonvektion<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Abb. 2 Mikroskopische Aufnahme einer Wasserdampfblase (Belichtungszeit: 7 \u00b5s)<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\tZun\u00e4chst 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 D\u00fcnnschicht f\u00fcr die photothermische Umwandlung (FeSi2-D\u00fcnnschicht, 50 nm) aufgebracht wurde, wurde in einer Glaszelle mit entgastem Wasser versiegelt. Dann wurde ein CW-Laser auf die D\u00fcnnschicht fokussiert, um Wasserdampfblasen zu erzeugen. Etwa 10 % des zur Erzeugung der Blasen eingestrahlten Laserlichts wird durch die D\u00fcnnschicht hindurch auf die Blasen eingestrahlt. Dieses Licht wird von der Blase gestreut, aber seine Richtung variiert je nach Gr\u00f6\u00dfe und Form der Blase. Daher wurde eine Photomultiplier-R\u00f6hre (R928 von Hamamatsu Photonics) horizontal auf der Oberfl\u00e4che des Substrats durch eine Objektivlinse installiert. Mit dieser Photomultiplier-R\u00f6hre wurde die zeitliche Ver\u00e4nderung der Intensit\u00e4t des in die Objektivlinse eintretenden Streulichts gemessen.\nDer zeitliche Verlauf der gemessenen Lichtintensit\u00e4t ist in Abb. 3 (b) dargestellt. Die X-Achse steht f\u00fcr die Zeit und die Y-Achse f\u00fcr die Lichtintensit\u00e4t. Die Lichtintensit\u00e4t \u00e4ndert sich deutlich periodisch mit einer Frequenz von 0,26 MHz. Wenn die Blase mit dieser Frequenz schwingt, bedeutet dies, dass die Blase w\u00e4hrend der 7 \u00b5s Belichtungszeit der Kamera etwa zweimal schwingt. Mit anderen Worten: Man kann davon ausgehen, dass die Blasenschwingungen von typischen Hochgeschwindigkeitskameras nicht erfasst werden k\u00f6nnen. Weitere Experimente mit unterschiedlichen Laserintensit\u00e4ten und Spotgr\u00f6\u00dfen 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 abh\u00e4ngt, und je gr\u00f6\u00dfer der Durchmesser, desto niedriger die Oszillationsfrequenz der Blase.\nDurch die Erfassung des von den Blasen gestreuten Lichts konnte also festgestellt werden, dass die Blasen oszillieren und dass ein Zusammenhang zwischen ihrer scheinbaren Gr\u00f6\u00dfe und der Oszillationsfrequenz besteht. Es ist jedoch nicht klar, wie die Blasen oszillieren. Es ist m\u00f6glich, dass sich die Gr\u00f6\u00dfe der Blasen nicht periodisch \u00e4ndert, sondern dass sich ihre Form und Position oder alle diese Merkmale gleichzeitig \u00e4ndern. 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 f\u00fcr die HPV-X2 entschieden, eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera, die bis zu 10 Mfps aufnehmen kann.\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Abb. 3 (a) Schematisches Diagramm eines optischen Systems zur Erfassung von Streulicht aus einer Wasserdampfblase\n(b) Zeitliche Variation der erfassten Lichtintensit\u00e4t<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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3) Hochgeschwindigkeitsbildgebung von Wasserdampfblasen mit dem HPV-X2<\/h2>\n

Um die Schwingungen der Wasserdampfblasen in entgastem Wasser zu erfassen, wurden Experimente zur Beobachtung der Blasen mit einem HPV-X2 durchgef\u00fchrt. Eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus ist in Abb. 4 zu sehen. Zun\u00e4chst wurde ein Glassubstrat, auf dem eine D\u00fcnnschicht zur photothermischen Umwandlung (FeSi2-D\u00fcnnschicht, 50 nm) aufgebracht war, und entgastes Wasser in einer Glaszelle versiegelt. Diese wurde auf ein Mikroskop gesetzt, und ein CW-Laser (Wellenl\u00e4nge: 830 nm, Thorlabs FPL830S) wurde von der R\u00fcckseite des Glassubstrats auf die photothermische Umwandlungsd\u00fcnnschicht fokussiert. Die Fokussierung des Lasers auf die D\u00fcnnschicht wurde mit der Kamera 1 (Baumer HXC20) aus der Richtung senkrecht zur Schichtoberfl\u00e4che \u00fcberpr\u00fcft. Die erzeugten Blasen wurden mit der Kamera 2 (HPV-X2) horizontal von der Substratoberfl\u00e4che aus beobachtet. Die Bildrate wurde auf 5 Mfps eingestellt. Um eine Erw\u00e4rmung der Probe durch das Beleuchtungslicht zu vermeiden, wurde ein gepulster Laser (Cavitar, CAVILUX Smart System) mit einer Wellenl\u00e4nge 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 au\u00dferdem die Beobachtungsposition eingestellt werden, w\u00e4hrend 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 durchgef\u00fchrt. Daher wurde davon ausgegangen, dass sich die beobachteten Blasen in einem quasistation\u00e4ren Zustand befinden.\nAbb. 5 zeigt ein Bild einer Wasserdampfblase, aufgenommen mit einem HPV-X2. Das Bild wurde aus der horizontalen Richtung auf der Substratoberfl\u00e4che aufgenommen. Unter dem Bild der Blase ist ein Spiegelbild der auf der Substratoberfl\u00e4che 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 \u00b5s, was gut mit der mittels Lichtstreuung gemessenen Schwingungsfrequenz der Blase \u00fcbereinstimmte. Daher wird davon ausgegangen, dass ein einzelner Zyklus der Blasenschwingung mit einer ausreichenden Abtastrate erfasst wurde. Dar\u00fcber hinaus zeigte diese Beobachtung, dass die Blasen eine Form haben, die sich seitlich zum Substrat erstreckt, wenn sie wachsen (Zeit = 0,0 - 1,0 \u00b5s) und eine Form, die sich senkrecht zur Substratoberfl\u00e4che erstreckt, wenn sie sich zusammenziehen (Zeit = 1,2 - 1,8 \u00b5s). Es wurde auch festgestellt, dass die Gr\u00f6\u00dfe der Blase w\u00e4hrend der Oszillationsperiode erheblich schwankt, und es gibt Momente, in denen sie so weit abnimmt, dass sie f\u00fcr die Kamera unsichtbar ist (Zeit = 2,0 \u00b5s). Diese Ergebnisse tragen dazu bei, den Beitrag der Oszillation zur Bildung von Konvektion um Blasen herum zu kl\u00e4ren.\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t

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Abb. 4 Schematische Darstellung eines optischen Systems zur Hochgeschwindigkeitsabbildung der Oszillationen von Wasserdampfblasen<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Abb. 5 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Oszillation der Wasserdampfblasen<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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4. schlussfolgerung<\/h2>\n

Dieser Artikel beschreibt die Beobachtung von Wasserdampfblasenschwingungen mit einer HPV-X2 Hochgeschwindigkeits-Videokamera. Die Ergebnisse zeigen, wie sich Gr\u00f6\u00dfe und Form der Wasserdampfblasen w\u00e4hrend eines einzigen Schwingungszyklus \u00e4ndern. Dies bringt uns dem Verst\u00e4ndnis des Prinzips der Konvektion um Wasserdampfblasen n\u00e4her. Der weitere Einsatz des HPV-X2 wird es in Zukunft erm\u00f6glichen, Ph\u00e4nomene 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. Dar\u00fcber hinaus wird erwartet, dass diese Methode nicht nur f\u00fcr Blasenschwingungen, sondern auch zur Aufkl\u00e4rung von Str\u00f6mungsph\u00e4nomenen im Mikro- und Nanometerbereich eingesetzt wird und damit ein neues Forschungsgebiet er\u00f6ffnet.\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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4. Referenzen <\/h2>\n
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1) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 106 (4) (2015) 043101.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

2) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 108 (7) (2016) 071603.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

3) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Nanotechnology, 29 (6) (2018) 065201.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

4) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Scientific Reports, 7 (2017) 45776.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

5) Namura, K., Imafuku, S., Kumar, S., Nakajima, K., Sakakura, M., Suzuki, M.: Scientific Reports, 9 (1) (2019) 4770.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

6) Namura, K., Okai, S., Kumar, S., Nakajima, K., Suzuki, M.: Advanced Materials Interfaces, 7 (18) (2020) 2000483.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Herunterladen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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