Vysokorýchlostná videokamera, hpv-x2

Analýza oscilácií bubliniek vodnej pary pomocou vysokorýchlostnej videokamery - vysokorýchlostné zobrazovanie oscilácií sub-MHz-

Abstrakt

Lokálnym zahrievaním odplynenej vody vznikajú mikrobublinky, ktoré sú tvorené najmä vodnou parou, a okolo bubliniek sa vytvára silné prúdenie. Na záznam bubliniek vodnej pary oscilujúcich pri frekvencii približne 0,5 MHz sa použila vysokorýchlostná videokamera Hyper Vision™ HPV™-X2. To poskytlo cenné poznatky na skúmanie vzťahu medzi osciláciou bublín a vytváraním prúdenia.

Úvod

Zariadenia, ktoré pracujú s malým množstvom tekutiny, sa nazývajú mikrofluidické zariadenia a sú široko používané v rôznych oblastiach. Znížením množstva spracovávanej tekutiny, napríklad pri biochemickej analýze, je možné rýchlo vykonať analýzu s malým objemom vzorky. Vplyv viskozity kvapaliny je však v mikrometrovom meradle významný, takže stále nie je jednoduché účinne miešať kvapaliny v úzkom kanáliku. V nedávnych správach boli uvedené príklady mikrofluidickej prevádzky s využitím fototermického ohrevu a mikrobubliniek1) 3). Keď sa laser zameria na tenkú vrstvu nanočastíc zlata alebo FeSi2 , svetlo sa absorbuje a premieňa na teplo. Preto sa laserový bod na tenkej vrstve môže použiť ako lokálny zdroj tepla. Toto teplo vytvára vo vode mikrobublinky, ktoré sú potom vystavené teplotnému gradientu. Tým sa na povrchu bubliny vytvorí gradient povrchového napätia, ktorý okolo nej generuje Marangoniho konvekčný prúd. Ak voda nemá odplynená, výsledná bublina je zložená prevažne zo vzduchu, pričom konvekcia prebieha len v blízkosti bubliny. Na druhej strane, ak bola voda odplynená, vzniknuté bubliny sú tvorené predovšetkým vodnou parou4)-6). Zistilo sa, že konvekčné prúdy vyvolané v okolí bubliny s vodnou parou sú rádovo rýchlejšie ako tie, ktoré vznikajú v okolí vzduchovej bubliny. Rýchlosť dosahuje rádovo 1 m/s v tesnej blízkosti bubliny. Očakáva sa, že tento jav bude užitočný ako nová mikrofluidná technika riadenia a miešania. Mechanizmus, ktorým dochádza ku konvekcii, však zatiaľ nebol úplne objasnený. Jedným zo zdrojov konvekcie v okolí bublín vodnej pary je Marangoniho sila. Ide o strihovú silu generovanú gradientom povrchového napätia vyplývajúcim z teplotného gradientu. Avšak za predpokladu, že Marangoniho sila sama spôsobuje konvekciu, je potrebný teplotný rozdiel viac ako 60 K v smere priemeru bubliny. Keďže priemer bubliny vodnej pary je približne 10 µm, je ťažké udržať tam veľký teplotný rozdiel. Ďalšou možnou príčinou konvekcie je oscilácia bubliny. Uvádza sa, že bubliny oscilujú v subMHz rozsahu na základe zachytávania rozptýleného svetla z bublín. Na vyhodnotenie sily konvekcie spôsobenej osciláciou bublín je potrebné poznať veľkosť a tvar bubliny v čase. Frekvencia oscilácií bublín vodnej pary je však vyššia ako rýchlosť bežnej kamery, čo sťažuje zachytenie ich pohybu. V tomto článku informujeme o úspešnom pozorovaní oscilácie týchto bublín vodnej pary pomocou kamery HPV-X2, ktorá dokáže zachytiť obraz rýchlosťou až 10 Mfps.

1 Katedra mikroinžinierstva, Vysoká škola inžinierstva, Kjótska univerzita
2 Solutions COE, divízia analytických a meracích prístrojov, Shimadzu Corporation

Generovanie bublín vodnej pary a detekcia oscilácie bublín pomocou rozptylu svetla 4), 6)

Najprv sa lokálnym zahrievaním odplynenej vody vytvorili bubliny vodnej pary a potvrdilo sa, že okolo bublín dochádza ku konvekcii. Tenká vrstva nanočastíc zlata bola nanesená na sklenený substrát ako tenká vrstva na fototermickú konverziu. Táto tenká vrstva bola ponorená do vákuovej ultrazvukom odplynenej vody a na vrstvu sa zameral CW laser s vlnovou dĺžkou 785 nm. Na obr. 1 je znázornený typický mikroskopický obraz bubliny a konvekcie pozorovanej okolo laserového bodu na tenkom filme fototermickej konverzie. Bol pozorovaný z horizontálneho smeru povrchu tenkej vrstvy. Malá čierna guľôčka viditeľná nad laserovým bodom alebo miestnym bodom ohrevu je vytvorená bublina vodnej pary a bodky v kvapaline sú polystyrénové guľôčky pridané na vizualizáciu konvekcie. Na vizualizáciu trajektórie guľôčok sa superponuje a zobrazí 100 snímok zhotovených za 1 sekundu. Po vytvorení bubliny sa odplynená voda zrýchlila v smere kolmom na povrch substrátu, čím vzniklo silné rotačné prúdenie. Potom sa vzniknutá bublina pozorovala pri trochu väčšom zväčšení. Na pozorovanie bubliny sa použila štandardná vysokorýchlostná kamera, pričom snímková frekvencia bola nastavená na 100 kfps a expozičný čas na približne 7 µs. Výsledky sú znázornené na obr. 2. Približne 50 µs po spustení laserového žiarenia a vytvorení bubliny bola zdanlivá veľkosť bubliny približne 10 µm6). Pri laserovom ožarovaní trvajúcom viac ako minútu sa zdanlivá veľkosť bubliny nezmenila. Hoci sa bublina javila ako stabilná, bez ohľadu na to, koľko pokusov sa urobilo o zaostrenie svetelného mikroskopu na bublinu, obrys bubliny sa nezaostril, ako je znázornené na obr. 2. Predpokladalo sa, že je to spôsobené tým, že bublina kmitá s periódou kratšou, ako je expozičný čas fotoaparátu.

Najprv sa teda detekovalo svetlo rozptýlené bublinami, aby sa zachytili ich oscilácie. Na obr. 3 (a) je znázornená schéma merania. Substrát, na ktorom bola nanesená tenká vrstva na fototermickú konverziu (tenká vrstva FeSi2, 50 nm) a odplynená voda, bol uzavretý v sklenenej komore. Potom sa na tenkú vrstvu zameral CW laser, aby sa vytvorili bubliny vodnej pary. Približne 10 % laserového svetla ožiareného na vytvorenie bublín prešlo cez tenkú vrstvu a bolo ožiarené na bubliny. Toto svetlo je rozptýlené bublinou, ale jeho smer sa mení v závislosti od veľkosti a tvaru bubliny. Preto bola fotonásobičová trubica (R928 vyrobená spoločnosťou Hamamatsu Photonics) nainštalovaná horizontálne na povrch substrátu cez objektív. Pomocou tohto fotonásobiča sa merala časová zmena intenzity rozptýleného svetla vstupujúceho do objektívu. Časová zmena intenzity detekovaného svetla je znázornená na obr. 3 (b). Os X predstavuje čas a os Y predstavuje intenzitu svetla. Intenzita svetla sa zreteľne periodicky mení s frekvenciou 0,26 MHz. Ak bublina osciluje s touto frekvenciou, znamená to, že bublina osciluje približne dvakrát počas 7 µs expozičného času kamery. Inými slovami, dá sa predpokladať, že oscilácie bubliny nie je možné zachytiť typickými vysokorýchlostnými kamerami. Ďalšie experimenty s rôznymi intenzitami lasera a veľkosťami škvŕn odhalili, že bubliny vodnej pary oscilujú pri frekvenciách od 0,1 do 0,7 MHz. Zistilo sa tiež, že frekvencia oscilácií bubliny závisí od jej zdanlivého priemeru a čím je priemer väčší, tým je frekvencia oscilácií bubliny nižšia. Takto sa zachytením rozptýleného svetla z bublín zistilo, že bubliny kmitajú a existuje vzťah medzi ich zdanlivou veľkosťou a frekvenciou kmitania. Nie je však jasné, ako bubliny kmitajú. Je možné, že veľkosť bublín sa nemení periodicky, ale že sa môže meniť ich tvar a poloha alebo všetky tieto vlastnosti súčasne. Na zachytenie takýchto oscilácií bublín rádovo pod MHz kamerou je potrebná frekvencia snímok približne 10-násobok frekvencie oscilácií. V dôsledku toho nás zaujala vysokorýchlostná videokamera HPV-X2, ktorá dokáže zaznamenať až 10 Mfps.

3. Vysokorýchlostné zobrazovanie bublín vodnej pary pomocou HPV-X2

Na zachytenie oscilácií bublín vodnej pary, ktoré vznikajú v odplynenej vode, sa uskutočnili experimenty na pozorovanie bublín pomocou prístroja HPV-X2. Schéma experimentálneho usporiadania je znázornená na obr. 4. Najprv sa v sklenenej komore uzavrel sklenený substrát, na ktorom bola nanesená tenká vrstva na fototermickú konverziu (tenká vrstva FeSi2, 50 nm), a odplynená voda. Tá bola nastavená na mikroskop a na tenkú vrstvu fototermickej konverzie bol spoza skleneného substrátu zameraný CW laser (vlnová dĺžka: 830 nm, Thorlabs FPL830S). Zameranie lasera na tenkú vrstvu sa kontrolovalo pomocou kamery 1 (Baumer HXC20) zo smeru kolmého na povrch vrstvy. Vzniknuté bubliny sa pozorovali horizontálne od povrchu substrátu pomocou kamery 2 (HPV-X2). Snímková frekvencia bola nastavená na 5 Mfps. Aby sa zabránilo zahrievaniu vzorky osvetľovacím svetlom, ako osvetľovacie svetlo sa použil impulzný laser (Cavitar, systém CAVILUX Smart) s vlnovou dĺžkou 640 nm a šírkou impulzu 20 ns. Spojením HPV-X2 a pulzného lasera na synchronizáciu časovania záznamu a emisie sa dali ľahko získať jasné obrazy. Okrem toho sa využitím režimu živého náhľadu kamery mohla nastaviť pozícia pozorovania počas sledovania vzorky kamerou, rovnako ako pri použití štandardnej kamery. Vysokorýchlostné snímanie bubliny sa vykonalo niekoľko sekúnd po začatí laserového žiarenia na generovanie bubliny. Preto sa predpokladalo, že pozorované bubliny sú v kvázi ustálenom stave. Na obr. 5 je zobrazený obraz bubliny vodnej pary nasnímaný pomocou HPV-X2. Obrázok bol zhotovený z horizontálneho smeru na povrchu substrátu. Pod obrazom bubliny je vidieť zrkadlový obraz bubliny odrazený na povrchu substrátu. Zachytenie oscilácií bublín sa dosiahlo záznamom pri rýchlosti 5 Mfps. Perióda oscilácie bubliny získaná pomocou HPV-X2 bola približne 2 µs, čo dobre súhlasilo s frekvenciou oscilácie bubliny nameranou pomocou rozptylu svetla. Preto sa predpokladá, že jeden cyklus oscilácie bubliny bol zachytený pri dostatočnej vzorkovacej frekvencii. Okrem toho toto pozorovanie ukázalo, že bubliny majú tvar, ktorý sa pri raste rozširuje do strany k substrátu (čas = 0,0 - 1,0 µs) a tvar, ktorý sa pri zmršťovaní rozširuje kolmo k povrchu substrátu (čas = 1,2 - 1,8 µs). Zistilo sa tiež, že veľkosť bubliny sa počas periódy oscilácie výrazne mení a existujú momenty, keď sa zmenší natoľko, že je pre kameru neviditeľná (čas = 2,0 µs). Tieto výsledky pomáhajú objasniť príspevok oscilácie k tvorbe konvekcie okolo bublín.

4. Záver

Tento článok opisuje pozorovanie oscilácií bublín vodnej pary pomocou vysokorýchlostnej videokamery HPV-X2. Výsledky ukázali, ako sa mení veľkosť a tvar bublín vodnej pary počas jedného cyklu oscilácie. To nás približuje k pochopeniu princípu konvekcie okolo bublín vodnej pary. Ďalšie používanie kamery HPV-X2 v budúcnosti umožní objasniť javy, ktoré sa predtým ťažko vyhodnocovali, napríklad ako sa pohybujú bubliny, keď sa súčasne vytvára viac bublín, a či medzi pohybmi bublín dochádza k nejakým interakciám. Okrem toho sa očakáva, že táto metóda sa bude široko využívať nielen na oscilácie bublín, ale aj na objasnenie javov prúdenia v mikro- a nanometrovej mierke, čím sa vytvorí nová oblasť výskumu.