A buborékok és a szonolumineszcencia

Csillag a pohárban

A szonolumineszcencia – mint azt cikkünk első részében bemutattuk – ultrahangos gerjesztéssel létrehozott fényfelvillanás. A fény a vízben (vagy más folyadékban) kialakuló pulzáló buborékból indul ki. A szonolumineszcencia elméleti és kísérleti kutatását 1997-ben kezdtük meg. Első célunk a jelenség megismételhető előidézése volt. A kezdeti időszakban erőnket a jelenséghez szükséges berendezések megépítésére és tesztelésére fordítottuk. Körülbelül fél év elteltével földerengett az első haloványan fénylő buborék, majd újabb hat hónap után a reprodukálhatóság elérte azt a szintet, hogy az első méréseket is megkezdhettük.

Legelső kísérleteinket úgy választottuk meg, hogy lehetőségünk legyen eredményeinket mások eredményeivel összehasonlítani. Először a felvillanások intenzitását kezdtük vizsgálni. Nem tudtuk például, hogy a vízben elérhető legnagyobb fényesség miképp függ a vízben oldott levegő koncentrációjától (parciális nyomásától). Ehhez hasonló mérésről a szakirodalom is beszámol, csakhogy ott argon és nitrogén különböző arányú keverékét használták. Mi viszont kísérleteinkben az oxigént is tartalmazó levegőbuborékot vizsgálatuk (1. ábra).

	1. ábra. Az elérhető legnagyobb fényesség függése a vízben oldott gázok nyomásától. A szakirodalom szerint 150 Hgmm alatti nyomáson a hőmérséklet csökkenését tapasztalták, a mi méréseinkben a parciális nyomás csökkenésével a korábban elért fényességhez viszonyított relatív fényesség nő
	2. ábra. A víz fényelnyelése a hullámhossz függvényében (folytonos vonal). A szaggatott görbe egy hipotetikus 1 millió fokos buborék sugárzásának az eloszlása (látható tartomány: 400–700 nm)

A két kísérletben a többi paraméter (a hőmérséklet és a külső sztatikus nyomás) megegyezett egymással.
Ha az 1 százalék argon és 99 százalék nitrogén esetét összehasonlítjuk a m i méréseinkkel, számottevő különbség vehető észre. Ez alátámasztja azt a tapasztalatot, hogy már egyetlen kísérleti paraméter megváltoztatása (esetünkben a buborékban 23 százalék oxigénnak a jelenléte) is nagy különbségekre vezethet a fénykibocsátásban és a buborék stabilitásában.

Mitől nő a hőmérséklet?

Következő méréseinkben arra a kérdésre kerestük a választ, hogy a buborék a mégrövidebb hullámhosszúságú (röntgen) tartományban mennyire világít. A víz gyakorlatilag tökéletesen elnyeli a buborék által kibocsátott ultraibolya sugárzást, és legközelebb csak a lágy röntgentartományban válik átlátszóvá (2. ábra). Ezért a méréseinket a 0,4–0,06 nanométeres (3–20 keV-os) röntgentartományban végeztük.
Jóllehet elég valószínűtlenül hangzik, hogy egy buborék a röntgentartományban is sugározzon, a szonolumineszcencia lökéshullámmodellje erősen gerjesztett buborékok esetére detektálható mennyiségű röntgensugárzást jósolt. A m odell alapján ez a sugárzás fagyásponthoz közeli hőmérsékletű vízben gerjesztett buborékoktól várható. A víz hőmérsékletének csökkentésével ugyanis nő a buborék stabilitása, ez pedig nagyobb nyomásamplitúdóval jár, ami nagyobb fényesség és hőmérséklet elérését teszi lehetővé.
Detektorként egy olyan félvezető detektort használtunk, amely a kérdéses tartományban a ráeső fotonok 99 százalékát észlelni tudja. Így a mérés hatásfokát (vagyis azt, hogy a keletkező fotonok mekk ora hányadát vagyunk képesek kimutatni) lényegében a detektálás kis térszöge és a víz elnyelése határozta meg. A hatásfok javítása érdekében a sugárzást egy – a buborék felőli végén vékony réteggel lezárt – plexicsövön vezettük ki (3. ábra).

	3. ábra. A röntgenméréshez módosított rezonátor. A képen a buborék és a plexicső távolsága körülbelül 2 mm. A piezoadó az ultrahangos gerjesztésre, a piezomikrofon a rezonátorbeli nyomás mérésére szolgál
	4. ábra. Egyórás röntgenmérés eredménye: a világos vonal a háttérmérést mutatja, a fekete a buborékosat. Nagyobb mennyiségű adat elemzésével sem tudtunk meggyőző eltérést kimutatni

A plexicső használatával az elnyelő vízréteg vastagságát kb. 2 milliméterre sikerült csökkenteni, így a sugárzás többnyire a cső belsejét kitöltő levegőn keresztül jutott el a detektorig. (Ha bá rmilyen eszközt ennél közelebb tennénk a buborékhoz, a jelenség elvesztené stabilitását.)
A rezonátort a jobb hőszigetelés érdekében egy habszivacs cellában helyeztük el, amelybe folyékony nitrogént befújva a víz hőmérsékletét 4 Celsius-fok körüli értéken tudtuk tartani. Az egy órán keresztül végzett méréseket minden esetben háttérmérés követte, amelyben valamennyi körülmény azonos volt, kivéve a buborék jelenlétét. Nem találtunk a háttértől feltűnően elkülönülő röntgeninten zitást (4. ábra).
Ebből az eredményből a buborék effektív hőmérsékletére felső határ állítható fel: 2,8 millió kelvin. Ennél magasabb hőmérsékleten már a „röntgenjel” kiemelkedne a háttérből. Napunk központi hőmérséklete nagyjában ötször ekkora, itt már a termonukleáris fúzió és energiatermelés kiválóan működik. Ezzel magyarázható, hogy a fúziós kutatásokkal foglalkozó legnevesebb laboratóriumok is élénken érdeklődnek a szonolumineszcencia iránt.
A mérés hatásfokát jócskán megnövelhetné, ha a buborék alatt közvetlenül egy szcintillációs réteget* helyeznénk el, s annak jeleit a plexicső helyett egy fényvezető rúdon juttatnánk el a detektorba. Ez a detektálás térszögét legalább az ezerszeresére növelné. A szcintillátor az esetleges röntgen-fotonokat a látható tartományba konvertálja, amely ezután fotoelektron-sokszorozóval detektálható.

Áramlások a buborék körül

H a a kibocsátott fény hullámhossza a röntgensugárzás és az ultraibolya levágás hullámhossza közé esik, akkor csak hőhatásából tudunk következtetni a sugárzás intenzitására.
Amennyiben a buborék hőmérséklete meghaladja a 200 000 kelvin körüli értéket, környezetében az elnyelt sugárzás válik a domináns hőforrássá.
A buborék környezetébe koncentrált hő már nagyon kis hőmérséklet-különbségek esetén is konvekciót, azaz állandó folyadékáramlást képes létrehozni. Ez a konvekció úgy mérhető, hogy a vízbe aprószemcsés fényvisszaverő port szórunk, valamint a buborékot tartalmazó függőleges síkot lézerfénnyel megvilágítjuk. A folyamatot videókamerával rögzítve, majd gyorsítva lejátszva nagyon lassú áramlások is kimutathatók.
A koppenhágai Niels Bohr Intézet kutatócsoportjával együttműködve ezzel az eljárással elvégeztünk egy kísérletet, amelyben szobahőmérsékletű vizet használva 0,1 mm/s sebességű, a buborék környezetében felfelé irányuló konvektí v áramlást sikerült kimutatnunk. Meglepetésünkre azonban a konvekció még a fénykibocsátás előtt következett be, amikor a buborék bonyolult, véletlenszerű táncoló mozgást végez, de még nem világít. Így egyelőre nincs kizárva, hogy a megfigyelt konvekció mechanikai eredetű.
Hasonló kísérleteket tervezünk fagyásponthoz közeli vízhőmérsékleteken, amelyen a legnagyobb fényintenzitás érhető el. A kísérleteket más modellek eredményeivel (numerikus szimulációival) összehasonlí tva megbecsülhető, hogy a víz mekkora spektrumtartományt takar, nyel el. Ezáltal leszűkíthetőnek tetszik a fénykibocsátó mechanizmusok széles köre, valamint közelebb kerülhetünk annak megválaszolásához is, hogy valójában mekkora hőmérséklet és nyomás uralkodik a buborék belsejében a fénykibocsátás pillanatában.

Csabai István,
Horváth Ákos,
Simon Gábor
(ELTE, Atomfizikai Tanszék és Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék)
(vissza az első részre)

Szcintillációs réteg: olyan bevonat, amelynek anyaga a ráeső röntgen- vagy más nagyenergiájú sugárzás hatására látható fényt (fotonokat) bocsát ki (vissza)

 
Élet és Tudomány Archívum nyitólap | SuliNet nyitólap
Az ÉT-archívumban található dokumentumok szabadon másolhatók, de csak saját célra.
Nem kereskedelmi alkalmazásokhoz változtatás nélkül és a forrásra való megfelelő hivatkozással használhatók.
Minden más terjesztési és felhasználási forma esetében a szerző (a tulajdonos) engedélyét kell kérni.