Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Доронин И.С. 1 Иванова Г.Д. 1 Кузин А.А. 1 Окишев К.Н. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Экспериментально исследована светоиндуцированная термодиффузия поглощающих наночастиц (сажистый углерод) в воде. Описана экспериментальная схема, в которой использованы источник лазерного излучения (мощность излучения 60 мВт, длина волны 0,63 мкм) и термограф ИРТИС-2000. Зарегистрированы динамика оптического пропускания и температурного распределения тонкого слоя (30 мкм) среды под действием падающего лазерного излучения. Впервые экспериментально установлен эффект оптической обратной связи – изменение температуры среды за счет термодиффузионного изменения концентрации поглощающих наночастиц. В приближении линейной неравновесной термодинамики рассмотрена модель тонкослойной бинарной среды в поле гауссова пучка излучения. На основе решений линеаризованных уравнений тепло- и массопереноса получены выражения для температуры среды и концентрации частиц в стационарном режиме. Анализ экспериментальных данных и модельных расчетов позволил определить значение термодиффузионной постоянной наночастиц.

Статья в формате PDF

565 KB

термодиффузия в жидкости

наночастицы

нелинейное поглощение

термографический метод

1. Бергер Н.К., Иванов В.И., Суходольский А.Т. О применении капиллярного термофореза в динамической голографии // Краткие сообщения по физике ФИ им. П.Н. Лебедева АН СССР. – 1988. – № 10. – С. 11–14.

2. Иванов В.И. Термоиндуцированные механизмы записи динамических голограмм. – Владивосток: Изд-во Дальнаука, 2006. – 143 с.

3. Иванов В.И., Иванова Г.Д., Хе В.К. Термолинзовая спектроскопия двухкомпонентных жидкофазных сред // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2011. – № 4. – С. 39–44.

4. Иванов В.И., Карпец Ю.М., Ливашвили А.И., Окишев К.Н. Самовоздействие гауссова пучка в жидкофазной микрогетерогенной среде // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308. – № 4. – С. 23–24.

5. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Самовоздействие гауссового пучка излучения в слое жидкофазной микрогетерогенной среды // Оптика атмосферы и океана. – 2009. – Т. 22. – № 8. – С. 751–752.

6. Иванов В.И., Кузин А.А, Ливашвили А.И. Термоиндуцированное самовоздействие гауссова пучка излучения в жидкой дисперсной среде // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 5–8.

7. Иванов В.И., Кузин А.А., Ливашвили А.И., Хе В.К. Динамика светоиндуцированной тепловой линзы в жидкофазной двухкомпонентной среде // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2011. – Т. 134. – № 4. – С. 44–36.

8. Иванов В.И., Ливашвили А.И., Лобов А.И., Симаков С.Р. Динамические голограммы в микрогетерогенных жидкофазных средах // Оптический журнал. – 2004. – № 9. – С. 26–28.

9. Иванов В.И., Ливашвили А.И., Окишев К.И. Термодиффузионный механизм изменения оптического пропускания двухкомпонентной среды // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2008. – Т. 51. – № 3. – С. 50–53.

10. Иванов В.И., Ливашвили А.И. Самовоздействие гауссова пучка излучения в слое жидкофазной микрогетерогенной среды // Оптика атмосферы и океана. – 2009. – Т. 22. – № 8. – С. 751–752.

11. Иванов В.И., Окишев К.Н. Термодиффузионный механизм записи амплитудных динамических голограмм в двухкомпонентной среде // Письма в «Журнал технической физики». – 2006. – Т. 32. – № 22. – С. 22–25.

12. Иванов В.И., Окишев К.Н., Карпец Ю.М., Ливашвили А.И. Термодиффузионный механизм просветления двухкомпонентной среды лазерным излучением // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 311. – № 2. – С. 39–42.

13. Ливашвили А.И., Кузин А.А. Термодиффузионный механизм нелинейного поглощения жидкофазной дисперсной среды // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. – 2009. – № 88. – С. 83–85.

14. Tabiryan N. and Luo W.. Soret feedback in thermal diffusion of suspensions / Phys. Rev. E, – 1998. Vol. 57. – № 4. – P. 4431–4438.

15. Leppla C., Wiegand S. Investigation of the Soret effect in binary liquid mixtures by thermal-diffusion-forced Rayleight scattering / Philosoph. Mag. – 2003. – Vol. 83. – № 17–18. – P. 1989–1999.

Известны нелинейно-оптические методы исследования кинетических коэффициентов жидких двухкомпонентных сред, основанные на исследовании самовоздействия излучения [4–7, 10] или характеристик динамических голограмм [8, 11]. В обоих случаях механизм оптической нелинейности среды обусловлен перераспределением концентрации компонент в неоднородном световом поле и соответствующем изменении показателя преломления среды.

В ряде работ исследован термодиффузионный механизм нелинейности, обусловленный термодиффузией молекул (эффект Соре) или наночастиц в жидкостях [1–6]. При этом изменение коэффициента поглощения среды обычно не учитывается. В случае различающихся коэффициентов поглощения компонент изменение их концентрации приводит также к изменению коэффициента поглощения среды (просветлению или потемнению), что может быть использовано для определения коэффициента термодиффузии [9, 12–15].

Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование термодиффузионного механизма самоиндуцированного просветления двухкомпонентной среды лазерным пучком.

Материалы и методы исследования

Схема эксперимента показана на рис. 1. В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер мощностью 60 мВт (длина волны излучения – 0,63 мкм). Пространственное распределение температуры фиксировалось термографом «IRTIS 2000» с параметрами: чувствительность на 30–0,05 °С; диапазон измерений –40...+200 °С; точность измерения – ±1 %; пространственное разрешение – 2 мрад; поле зрения камеры – 25×20 град; разрешение кадра – 256×256; время сканирования – 1,5 с.

Эксперименты проводились с двумя типами кювет: толстостенными – толщина стенок 2,25 мм, и тонкостенными – толщина стенок 0,125 мм. В обоих случаях толщина слоя среды составляла 30 мкм. В качестве двухкомпонентной среды использовалась суспензия частиц сажистого углерода (диаметром 0,1... 0,2 мкм) в воде.

Результаты исследования и их обсуждение

При освещении горизонтальной кюветы с суспензией пучком излучения с радиусом 1,8 мм в результате действия термодиффузии в области пучка происходило уменьшение концентрации дисперсной фазы и, соответственно, коэффициента поглощения среды – самоиндуцированное просветление (СИП). Фотография области просветления показана на рис. 2(а). Зернистость изображения обусловлена разрешением цифрового фотоаппарата. На рис. 2(б) приведена термограмма кюветы с бинарной средой, демонстрирующая радиально симметричное распределение температуры поверхности кюветы. На рис. 2(г) приведена зависимость температуры среды в центре лазерного пучка от времени. Видно, что просветление среды в центре пучка приводит к уменьшению ее температуры. Таким образом впервые экспериментально продемонстрирована отрицательная обратная связь, обусловленная термодиффузией поглощающих частиц, на возможность которой впервые было указано в теоретической работе [14].

Рис. 1. Схема установки: 1 – термограф ИРТИС-200; 2 – инфракрасный объектив; 3 – зеркало; 4 – фокусирующая линза; 5 – гелий-неоновый лазер; 6 – кювета; 7 – опора кюветы; 8 – фотодиод; 9 – фотоаппарат с микрообъективом; 10 – компьютер

а б

в г

Рис. 2. a – фотография области просветления; б – термограмма области просветления; в – изменение коэффициента пропускания просветленного участка в процессе экспозиции; г – зависимость температуры поверхности кюветы в центре пучка от времени

Пространственное распределение температуры в установившемся режиме приведено на рис. 3, а. Видно, что из-за низкого теплового сопротивления толстой кюветы в центре пучка она прогревается слабее, что приводит к меньшему градиенту температуры в плоскости слоя среды и, соответственно, к меньшему изменению коэффициента пропускания. Аналогичная зависимость прослеживается и в динамике изменения коэффициента пропускания кювет с разной толщиной стенок (рис. 3, б).

а б

Рис. 3. а – радиальный профиль температуры поверхности кюветы в области просветления; б – зависимость от времени интегрального коэффициента пропускания кюветы, толщина стенок кюветы: кривая 1 – 0,125 мм (1′ – восстановление коэффициента пропускания при уменьшении мощности пучка в 20 раз); кривая 2 – 2,25 мм

Кривая 1′ показывает процесс восстановления коэффициента пропускания тонкой кюветы при уменьшении мощности пучка лазера в 20 раз. Время восстановления соответствует диффузионному (), время просветления (для кривой 1) несколько меньше из-за различия механизмов просветления и восстановления, а также из-за наличия отрицательной обратной связи по поглощаемой мощности, уменьшающей время просветления.

Теоретическая модель явления

Рассмотрим двухкомпонентную жидкофазную среду, коэффициент поглощения которой α целиком определяется одним компонентом с концентрацией С (α = βС, где β = (∂α/∂С) – константа среды). Для гауссова пучка распределение интенсивности падающего излучения в плоскости слоя I = I₀exp(–r²/ω²), где ω – радиус пучка; r – расстояние от оси пучка. Пусть среда находится в тонкой кювете толщиной (d + 2L) << ω (рис. 4). Система балансных уравнений для концентрации С и теплового потока состоит из уравнений тепло- и массопереноса [2]:

(1)

(2)

где cp, ρ – удельные теплоемкость и плотность среды; T – температура среды; J₁ и J₂ – тепловой и концентрационный потоки соответственно:

(3)

(4)

где D₁₁ – коэффициент теплопроводности среды; D₂₂ – коэффициент диффузии поглощающих частиц; D₂₁ – коэффициент термодиффузии наночастиц.

В стационарном режиме, считая, что для малых толщин слоя среды d и окна кюветы L (d, L << ω) можно пренебречь радиальным (вдоль r) тепловым потоком, получаем из (1), (3) одномерную тепловую задачу:

(5)

Граничные условия соответствуют конвективному теплообмену на границе раздела окно кюветы‒воздух:

(6)

где γ, T₀ – соответственно коэффициент конвективного теплообмена и температура внешней среды, T_г = T(L + d/2). Для температуры среды в центре кюветы из (5)–(6) получаем:

(7)

где χ₀, D₁₁ – коэффициенты теплопроводности материала окон кюветы и двухкомпонентной среды соответственно. Для толщин слоя d << L можем пренебречь изменением температуры в слое среды по толщине кюветы и принять ее равной T(0). В установившемся режиме () из (4) имеем для распределения концентрации C_s:

(8)

Интегрируя (8) по объему кюветы с учетом сохранения числа частиц и выражения (7), получаем:

(9)

где ; C₀ – начальная концентрация частиц; R – внутренний радиус цилиндрической кюветы.

Рис. 4. К расчету термодиффузионного просветления двухкомпонентной среды в тонкослойной цилиндрической кювете

Полученные выражения позволяют определить кинетические коэффициенты среды из экспериментальных данных о параметрах наведенного излучением просветления. В частности, время установления концентрации наночастиц соответствует диффузионному.

Термодиффузионную постоянную определяем из стандартной формулы для установившегося распределения концентрации [2]:

(10)

Из экспериментальных данных (pис. 2, 3) можно получить величину αT = 0,8 ± 0,025, что соответствует характерным величинам для наночастиц в жидкости [2, 15].

Выводы

Приведенные результаты показывают, что в двухкомпонентной среде с поглощающими частицами термодиффузия может приводить к значительной величине самоиндуцированного просветления среды под действием пространственно ограниченного оптического пучка. Поэтому самоиндуцированную модуляцию коэффициента поглощения необходимо учитывать при анализе концентрационных нелинейностей бинарных смесей [2, 11–13], а также в методах оптической диагностики наносред, в частности, в термолинзовой спектроскопии многокомпонентных сред [3].

Рецензенты:

Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор кафедры физики, профессор кафедры «Автоматика, телемеханика и связь», ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск;

Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры физики, профессор кафедры «Физика и теоретическая механика», ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск.

Работа поступила в редакцию 11.04.2014. 

Библиографическая ссылка