Cameră video de mare viteză, hpv-x2

Analiza oscilațiilor bulelor de vapori de apă cu ajutorul camerei video de mare viteză - Imagistica de mare viteză a oscilațiilor de ordinul sub-MHz- -

Rezumat

Încălzirea locală a apei degazate generează microbulii, formate în principal din vapori de apă, și creează fluxuri puternice în jurul bulelor. O cameră video de mare viteză Hyper Vision™ HPV™-X2 a fost utilizată pentru a înregistra bule de vapori de apă care oscilează la aproximativ 0,5 MHz. Acest lucru a oferit informații valoroase pentru investigarea relației dintre oscilația bulelor și generarea fluxului.

Introducere

Dispozitivele care manipulează cantități mici de lichid se numesc dispozitive microfluidice și sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii. Prin reducerea cantității de lichid manipulat, de exemplu, în analiza biochimică, este posibilă efectuarea rapidă a unei analize cu un volum mic de probă. Cu toate acestea, efectul vâscozității fluidului este semnificativ la scară micrometrică, astfel încât nu este încă ușor să se amestece eficient fluidele într-un canal îngust. În rapoartele recente, au fost raportate exemple de operare microfluidică utilizând încălzirea fototermică și microbulile1)- 3). Atunci când un laser este focalizat pe un film subțire de nanoparticule de aur sau FeSi2, lumina este absorbită și transformată în căldură. Prin urmare, punctul laser de pe filmul subțire poate fi utilizat ca sursă locală de căldură. Această căldură generează o microbulă în apă, care este apoi supusă unui gradient de temperatură. Acest lucru creează un gradient de tensiune superficială pe suprafața bulei, care generează un curent de convecție Marangoni în jurul acesteia. În cazul în care apa nu a fost degazată, bula rezultată este compusă în principal din aer, convecția producându-se numai în vecinătatea bulei. Pe de altă parte, dacă apa a fost degazată, bulele generate sunt compuse în principal din vapori de apă4)-6). Și se constată că curenții de convecție induși în jurul unei bule de vapori de apă sunt cu un ordin de mărime mai rapizi decât cei generați în jurul unei bule de aer. Viteza ajunge la 1 m/s în imediata vecinătate a bulei. Se așteaptă ca acest fenomen să fie util ca o nouă tehnică de conducere și de amestecare microfluidică. Cu toate acestea, mecanismul prin care are loc convecția nu a fost încă complet elucidat. Una dintre sursele de convecție din jurul bulelor de vapori de apă este forța Marangoni. Aceasta este forța de forfecare generată de gradientul de tensiune superficială rezultat din gradientul de temperatură. Cu toate acestea, presupunând că forța Marangoni provoacă singură convecția, este necesară o diferență de temperatură mai mare de 60 K în direcția diametrului bulei. Deoarece diametrul bulei de vapori de apă este de aproximativ 10 µm, este dificil să se mențină o diferență mare de temperatură în acest punct. O altă cauză posibilă a convecției este oscilația bulei. S-a raportat că bulele oscilează în domeniul sub-MHz pe baza captării luminii împrăștiate de bule. Pentru a evalua puterea convecției datorate oscilațiilor bulei, este necesar să se cunoască dimensiunea și forma bulei în timp. Cu toate acestea, frecvența de oscilație a bulelor de vapori de apă este mai mare decât viteza unei camere obișnuite, ceea ce face dificilă captarea mișcării acestora. În acest articol, raportăm despre observarea cu succes a oscilației acestor bule de vapori de apă utilizând HPV-X2, care poate capta imagini la o viteză de până la 10 Mfps.

1 Departamentul de Microinginerie, Școala Superioară de Inginerie, Universitatea din Kyoto
2 Solutions COE, Analytical & Measuring Instruments Division, Shimadzu Corporation

Generarea bulelor de vapori de apă și detectarea oscilației bulelor utilizând împrăștierea luminii 4), 6)

În primul rând, au fost create bule de vapori de apă prin încălzirea locală a apei degazate și s-a confirmat apariția convecției în jurul bulelor. O peliculă subțire de nanoparticule de aur a fost depusă pe un substrat de sticlă ca o peliculă subțire de conversie fototermică. Acest film subțire a fost scufundat în apă degazată cu ultrasunete în vid, iar un laser CW cu o lungime de undă de 785 nm a fost focalizat pe film. Fig. 1 prezintă o imagine microscopică tipică a unei bule și a convecției observate în jurul unui punct laser pe un film subțire de conversie fototermică. Aceasta a fost observată din direcția orizontală a suprafeței filmului subțire. Sfera neagră mică vizibilă deasupra punctului laser, sau punctul de încălzire locală, este bula de vapori de apă generată, iar punctele din fluid sunt sferele de polistiren adăugate pentru a vizualiza convecția. Pentru a vizualiza traiectoria sferelor, sunt suprapuse și afișate 100 de imagini luate în 1 secundă. Când s-a format bula, apa degazată a fost accelerată într-o direcție perpendiculară pe suprafața substratului, creând un flux rotațional puternic. În continuare, bula rezultată a fost observată sub o mărire ceva mai mare. Folosind o cameră standard de mare viteză pentru a observa bula, rata cadrelor a fost setată la 100 kfps, iar timpul de expunere la aproximativ 7 µs. Rezultatele sunt prezentate în fig. 2. La aproximativ 50 µs, după începerea iradierii laser și crearea bulei, dimensiunea aparentă a bulei era de aproximativ 10 µm6). Iradierea cu laser pentru mai mult de un minut nu a modificat dimensiunea aparentă a bulei. Deși bula părea stabilă, indiferent de câte încercări au fost făcute pentru a focaliza microscopul optic pe bulă, conturul bulei nu a fost focalizat, după cum se arată în figura 2. S-a considerat că acest lucru se datorează faptului că bula oscila la o perioadă mai scurtă decât timpul de expunere al camerei.

Deci, mai întâi, lumina împrăștiată de bule a fost detectată pentru a surprinde oscilațiile bulelor. Fig. 3 (a) prezintă o schemă a măsurării. Un substrat pe care a fost depus un film subțire de conversie fototermică (film subțire FeSi2, 50 nm) și apă degazată a fost sigilat într-o celulă de sticlă. Apoi, un laser CW a fost focalizat pe filmul subțire pentru a produce bule de vapori de apă. Aproximativ 10 % din lumina laser iradiată pentru producerea bulelor este transmisă prin filmul subțire și iradiată pe bule. Această lumină este împrăștiată de bule, dar direcția ei variază în funcție de mărimea și forma bulei. Prin urmare, un tub fotomultiplicator (R928 fabricat de Hamamatsu Photonics) a fost instalat orizontal pe suprafața substratului prin intermediul unei lentile obiectiv. Cu ajutorul acestui tub fotomultiplicator, s-a măsurat variația temporală a intensității luminii împrăștiate care intră în lentila obiectivului. Variația în timp a intensității luminii detectate este prezentată în Fig. 3 (b). Axa X reprezintă timpul, iar axa Y reprezintă intensitatea luminii. Intensitatea luminii variază în mod clar periodic, cu o frecvență de 0,26 MHz. Dacă bula oscilează la această frecvență, aceasta înseamnă că bula oscilează de aproximativ două ori în timpul de expunere de 7 µs al camerei. Cu alte cuvinte, este rezonabil să presupunem că oscilațiile bulei nu pot fi captate de camerele tipice de mare viteză. Experimentele ulterioare cu diferite intensități ale laserului și dimensiuni ale spoturilor au arătat că bulele de vapori de apă au oscilat la frecvențe cuprinse între 0,1 și 0,7 MHz. S-a constatat, de asemenea, că frecvența de oscilație a bulei depinde de diametrul său aparent, iar cu cât diametrul este mai mare, cu atât frecvența de oscilație a bulei este mai mică. În acest fel, prin captarea luminii împrăștiate de bule, s-a constatat că bulele oscilau și că exista o relație între dimensiunea lor aparentă și frecvența de oscilație. Cu toate acestea, nu este clar cum oscilează bulele. Este posibil ca dimensiunea bulelor să nu se schimbe periodic, dar forma și poziția lor, sau toate aceste caracteristici, să se schimbe în același timp. Este necesară o rată de cadre de aproximativ 10 ori mai mare decât frecvența de oscilație pentru a capta astfel de oscilații ale bulelor de ordinul sub- MHz cu o cameră. Ca urmare, HPV-X2, o cameră video de mare viteză capabilă să înregistreze până la 10 Mfps, ne-a atras atenția.

3. Imagistica de mare viteză a bulelor de vapori de apă cu HPV-X2

Pentru a surprinde oscilațiile bulelor de vapori de apă produse în apa degazată, au fost efectuate experimente pentru a observa bulele cu ajutorul unui HPV-X2. O schemă a configurației experimentale este prezentată în Fig. 4. În primul rând, un substrat de sticlă pe care a fost depus un film subțire de conversie fototermică (film subțire FeSi2, 50 nm) și apă degazată a fost sigilat într-o celulă de sticlă. Aceasta a fost așezată pe un microscop, iar un laser CW (lungimea de undă: 830 nm, Thorlabs FPL830S) a fost focalizat pe filmul subțire de conversie fototermică din spatele substratului de sticlă. Focalizarea laserului pe filmul subțire a fost verificată cu ajutorul camerei 1 (Baumer HXC20) din direcția perpendiculară pe suprafața filmului. Bulele generate au fost observate orizontal de la suprafața substratului cu ajutorul camerei 2 (HPV-X2). Rata cadrelor a fost setată la 5 Mfps. Pentru a evita încălzirea probei cu lumina de iluminare, ca lumină de iluminare a fost utilizat un laser pulsat (Cavitar, sistemul CAVILUX Smart) cu o lungime de undă de 640 nm și o lățime a impulsului de 20 ns. Prin conectarea unui HPV-X2 și a unui laser pulsat pentru sincronizarea înregistrării și a timpului de emisie, au putut fi obținute cu ușurință imagini luminoase. În plus, prin utilizarea modului live al camerei, poziția de observare a putut fi ajustată în timp ce se vizualizează eșantionul cu camera, la fel ca în cazul utilizării unei camere standard. Imaginea de mare viteză a bulei a fost realizată la câteva secunde după începerea radiației laser pentru generarea bulei. Prin urmare, s-a presupus că bulele observate se află într-o stare cvasi-steady. Fig. 5 prezintă o imagine a unei bule de vapori de apă realizată cu un HPV-X2. Imaginea a fost luată din direcția orizontală pe suprafața substratului. O imagine în oglindă a bulei reflectată pe suprafața substratului poate fi observată sub imaginea bulei. Captarea oscilațiilor bulelor a fost realizată prin înregistrarea la 5 Mfps. Perioada de oscilație a bulei obținută cu ajutorul HPV-X2 a fost de aproximativ 2 µs, care a concordat bine cu frecvența de oscilație a bulei măsurată cu ajutorul împrăștierii luminii. Prin urmare, se crede că un singur ciclu de oscilație a bulei a fost capturat la o rată de eșantionare suficientă. În plus, această observație a arătat că bulele au o formă care se extinde lateral față de substrat atunci când cresc (timp = 0,0 - 1,0 µs) și o formă care se extinde perpendicular pe suprafața substratului atunci când se contractă (timp = 1,2 - 1,8 µs). S-a constatat, de asemenea, că dimensiunea bulei variază semnificativ în timpul perioadei de oscilație și că există momente în care aceasta scade suficient pentru a fi invizibilă pentru cameră (timp = 2,0 µs). Aceste rezultate ajută la elucidarea contribuției oscilațiilor la formarea convecției în jurul bulelor.

4. Concluzie

Acest articol descrie observarea oscilațiilor bulelor de vapori de apă cu ajutorul unei camere video de mare viteză HPV-X2. Rezultatele au arătat modul în care dimensiunea și forma bulelor de vapori de apă se schimbă în timpul unui singur ciclu de oscilație. Acest lucru ne aduce mai aproape de înțelegerea principiului convecției în jurul bulelor de vapori de apă. Utilizarea în continuare a HPV-X2 în viitor va permite elucidarea unor fenomene care anterior erau dificil de evaluat, cum ar fi modul în care bulele se mișcă atunci când sunt generate mai multe bule în același timp și dacă există interacțiuni între mișcările bulelor. În plus, se preconizează că această metodă va fi utilizată pe scară largă nu numai pentru oscilațiile bulelor, ci și pentru elucidarea fenomenelor de curgere la scară micro și nanometrică, stabilind astfel un nou domeniu de cercetare.