eng
Выпуск #3/2020
М. В. Казачек, Т. В. Гордейчук, А. С. Починок
Определение температуры сонолюминесценции методом Орнштейна
Определение температуры сонолюминесценции методом Орнштейна
Просмотры: 2268
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.260.263
Методом Орнштейна по двум атомным эмиссионным линиям Mn в спектре сонолюминесценции водного раствора MnCl2 определена температура эмиссии металла. Полученное значение ~3 300К согласуется с полученным ранее для водного раствора бензола по молекулярным полосам Свана (Didenko Y. T., McNamara III W.B., Suslick K. S., J. Am. Chem.Soc., 1999, V. 121, P. 5817).
Методом Орнштейна по двум атомным эмиссионным линиям Mn в спектре сонолюминесценции водного раствора MnCl2 определена температура эмиссии металла. Полученное значение ~3 300К согласуется с полученным ранее для водного раствора бензола по молекулярным полосам Свана (Didenko Y. T., McNamara III W.B., Suslick K. S., J. Am. Chem.Soc., 1999, V. 121, P. 5817).
Теги: cavitation emission temperature ornstein method sonoluminescence кавитация метод орнштейна сонолюминесценция температура эмиссии
Определение температуры сонолюминесценции методом Орнштейна
М. В. Казачек 1, Т. В. Гордейчук 1, А. С. Починок 1
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия
Статья получена: 15.05.2020
Статья принята к публикации: 29.05.2020
Облучение жидкостей ультразвуком сопровождается кавитацией – нелинейными пульсациями парогазовых пузырьков. Энергия, накопленная пузырьком при расширении в отрицательной фазе звукового давления, реализуется в бурном почти адиабатическом коллапсе, когда концентрация низкой плотности звуковой энергии достигает ~1012 [1]. Как результат, кавитация сопровождается акустическим шумом, ударными волнами, химическими реакциями и слабым световым излучением в диапазоне от ближнего УФ до ИК области – сонолюминесценцией (СЛ). СЛ реализуется в форме наносекундных вспышек, коррелированных с финальной фазой коллапса, когда температура и давление внутри пузырька достигают тысяч кельвин и сотен атмосфер.
Поскольку ультразвук широко применяется в производстве и медицине, изучение процессов, сопровождающих ультразвуковую кавитацию, является актуальным. Экстремальные условия, формируемые при пузырьковом коллапсе, определяют интенсивность этих процессов, в частности, эрозию материалов, разрушение живых клеток, выход продуктов звукохимических реакций. Методы спектроскопии эффективно применялись для определения давлений и температур при ультразвуковой кавитации в неводных растворах [2–6]. Анализ работ по оценке температуры плазмы в кавитационных пузырьках показал, что результатов, полученных спектроскопическими методами в водных растворах, мало. В работе [7] температуру СЛ определяли по взаимной интенсивности полос Свана, для чего к воде добавляли незначительное количество (0,01%) бензола.
В этой работе мы применили метод атомной спектроскопии (метод Орнштейна) для оценки эффективной температуры СЛ по двум эмиссионным линиям Mn в спектре водного раствора MnCl2.
Экспериментальная установка для измерения спектров СЛ ранее была многократно описана [8, 9]. Центральной частью установки является термостатируемая ультразвуковая ячейка проточного типа. В один торец ячейки помещали наконечник ультразвукового излучателя, другой торец был закрыт кварцевым окном, соединенным с входной щелью монохроматора МДР‑23 (дифракционная решетка 1 200 штр / мм с максимумом блеска на 500 нм, спектральная ширина щели 2,9 нм). Частоту ультразвука 20 кГц, выходную мощность 23 Вт (интенсивность 17 Вт / см2) определяли по показаниям генератора VC‑750.
Температуру раствора поддерживали равной ~10 °С. Раствор насыщали аргоном за час до и в течение всего эксперимента. Световой поток регистрировали ФЭУ‑100. В работе использовали 0,5 M раствор MnCl2 в дистиллированной воде с добавлением 0.5 мМ оксиэтилированного спирта С14Е15. Спектры измеряли при добавочном статическом давлении 0,5 атм. Добавочное давление и поверхностно-активное вещество позволяют повысить интенсивность эмиссии металла [8, 9].
Экспериментальный спектр водного раствора 0,5 M MnCl2 представлен на рис. 1 пунктирной линией. Спектр представляет собой континуум, на который наложена полоса радикала ОН (~310 нм). Спектр содержит атомные линии Mn. Наблюдаются две спектральные линии: 403 нм (3d54s2 a6S – 3d5(6S)4s4p(3P°) z6P°) и 280 нм (3d54s2 a6S – 3d5(6S)4s4p(1P°) y6P°). Эти линии представляют собой тесные мультиплеты. В каждом мультиплете имеется наиболее яркая (значимая) линия, на которую мы опираемся в своих расчетах.
Метод Орнштейна позволяет определить электронную температуру излучения Те по отношению интенсивностей двух эмиссионных спектральных линий, не принадлежащих одному мультиплету:
, (1)
где g1,2 – статистический вес возбужденного состояния, A1,2 – вероятность спонтанного перехода, k – константа Больцмана, E1,2 – энергии возбуждения уровней, I1,2 – интенсивность линий излучения в спектре, λ1,2 – длина волны. Атомные константы g1,2, A1,2, E1,2 взяты из [10].
Интенсивности экспериментальных линий I1,2 определялись следующим способом. Спектр корректировался на спектральную чувствительность регистрирующей системы (решетка + ФЭУ). Функция коррекции была получена путём снятия спектров излучения калиброванных ламп при той же конфигурации спектрометра. Поскольку раствор MnCl2 имеет выраженные полосы поглощения, была проведена коррекция также на спектр поглощения MnCl2. Из корректированного спектра, представленного на рис. 1 сплошной линией, вырезали область вблизи линий, достаточную для гауссовой аппроксимации пика.
Вырезанную область спектра для каждой линии выравнивали путем вычитания подлежащего фона с последующей коррекцией наклона. Аппроксимация полученного пика кривой Гаусса давала позицию, амплитуду и ширину каждого пика. Отношение амплитуд брали как отношение интенсивностей наблюдаемых линий I1 / I2.
Результаты расчетов по формуле (1) и использованные константы приведены в таблице 1. Расчеты дали значение электронной температуры Те ~ 3300 К. Это значение соответствует температуре, при которой происходит эмиссия Mn при СЛ в наших экспериментальных условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Впервые использован метод Орнштейна для оценки температуры эмиссии металла при СЛ водного раствора MnCl2 в атмосфере Ar. Полученное значение ~3 300 К согласуется с результатом работы [7] (~4 300 К), полученным по молекулярным полосам Свана при сходных экспериментальных условиях (водный раствор, ультразвук 20 кГц, интенсивность 50 Вт / см2, температура раствора 5 °С).
Работа выполнена в рамках госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей Мирового океана». Регистрационный номер: АААА-А20-120021990003-3.
REFERENCES
Crum L. A. Resource Paper: Sonoluminescence. The Journal of the acoustical society of America. 2015; 138(4): 2181–2205. DOI: 10.1121 / 1.4929687.
McNamara III W. B., Didenko Y. T., Suslick K. S. Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation. Nature 1999; 401: 772–775. DOI: 10.1038 / 44536
Didenko Y. T., McNamara III W. B., Suslick K. S. Effect of noble gases on sonoluminescence temperatures during multibubble cavitation. Physical Review Letters. 2000; 84(4): 777–780. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.84.777.
Suslick K. S., Hammerton D. A., Cline R. E. The sonochemical hot spot. The Journal of the Acoustical Society of America. 1986; 108: 5641–5642. DOI: 10.1021 / ja00278a055.
Sharipov G. L., Gareev B. M., Abdrakhmanov A. M. Spectroscopic measurement of electronic temperature in the bubbles during single- and multibubble sonoluminescence of metal carbonyl solutions and nanodispersed suspensions. Ultrasonics Sonochemistry. 2019; 51: 178–181. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.10.028.
Kazachek M. V., Gordeychuk T. V. Estimation of the cavitation peak pressure using the Na D‑line structure in the sonoluminescence spectra. Technical Physical Letters. 2009; 35(2): 193–196. DOI: 10.1134 / S106378500902028X.
Казачек М. В., Гордейчук Т. В. Оценка пикового давления кавитации по структуре D‑линии Na в спектрах сонолюминесценции. Письма в Журнал Технической Физики. 2009; 35(4): 87–94. http://journals.ioffe.ru/articles/12155.
Didenko Y. T., McNamara III W.B., Suslick K. S. Hot spot conditions during cavitation in water. Journal of the American Chemical Society. 1999; 121(24): 5817–5818. DOI: 10.1021 / ja9844635.
Gordeychuk T. V., Kazachek M. V. Experimental observation of the intense enhancement of metal sonoluminescence under Pressure and Temperature. Optics and Spectroscopy. 2009; 106(2): 238–241. DOI: 10.1134/S0030400X09020143.
Гордейчук Т. В., Казачек М. В. Экспериментальное наблюдение интенсивного роста сонолюминесценции металлов под влиянием давления и температуры. Оптика и спектроскопия. 2009; 106(2): 272–277. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11685099.
Gordeychuk T. V., Kazachek M. V. Effect of nonionic surfactants on Na* emission during sonoluminescence of aqueous NaCl solutions. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2019; 93(5): 1000–1003. DOI: 10.1134/S003602441905011X.
Гордейчук Т. В., Казачек М. В. О влиянии неионогенных поверхностно-активных веществ на эмиссию Na* при сонолюминесценции водных растворов NaCl. Журнал физической химии. 2019; 93(5): 793–796. DOI: 10.1134/S004445371905011X.
Corliss C., Sugar J. Energy levels of manganese, Mn I through Mn XXV. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1977; 6(4): 1253–1329. DOI: 10.1063/1.555566.
Вклад авторов
М. В. Казачек – постановка и проведение эксперимента, обсуждение результатов, написание статьи; Т. В. Гордейчук – постановка задачи, обсуждение результатов, написание статьи; А. С. Починок – обработка результатов, численный эксперимент.
ОБ АВТОРАХ
Казачек М. В., кандидат химических наук, e-mail: mihail@poi.dvo.ru, ст. н. с., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9320-1124,
область интересов: спектроскопия, физическая химия.
Гордейчук Т. В., кандидат физико-математических наук, e-mail: tanya@poi.dvo.ru, ст. н. с., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-8425-4080,
область интересов: спектроскопия, физическая акустика.
Починок А. С., студент магистратуры ДВФУ, e-mail: star1997-97@mail.ru, инженер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-0430-168X,
область интересов: физическая акустика, атомная спектроскопия.
М. В. Казачек 1, Т. В. Гордейчук 1, А. С. Починок 1
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия
Статья получена: 15.05.2020
Статья принята к публикации: 29.05.2020
Облучение жидкостей ультразвуком сопровождается кавитацией – нелинейными пульсациями парогазовых пузырьков. Энергия, накопленная пузырьком при расширении в отрицательной фазе звукового давления, реализуется в бурном почти адиабатическом коллапсе, когда концентрация низкой плотности звуковой энергии достигает ~1012 [1]. Как результат, кавитация сопровождается акустическим шумом, ударными волнами, химическими реакциями и слабым световым излучением в диапазоне от ближнего УФ до ИК области – сонолюминесценцией (СЛ). СЛ реализуется в форме наносекундных вспышек, коррелированных с финальной фазой коллапса, когда температура и давление внутри пузырька достигают тысяч кельвин и сотен атмосфер.
Поскольку ультразвук широко применяется в производстве и медицине, изучение процессов, сопровождающих ультразвуковую кавитацию, является актуальным. Экстремальные условия, формируемые при пузырьковом коллапсе, определяют интенсивность этих процессов, в частности, эрозию материалов, разрушение живых клеток, выход продуктов звукохимических реакций. Методы спектроскопии эффективно применялись для определения давлений и температур при ультразвуковой кавитации в неводных растворах [2–6]. Анализ работ по оценке температуры плазмы в кавитационных пузырьках показал, что результатов, полученных спектроскопическими методами в водных растворах, мало. В работе [7] температуру СЛ определяли по взаимной интенсивности полос Свана, для чего к воде добавляли незначительное количество (0,01%) бензола.
В этой работе мы применили метод атомной спектроскопии (метод Орнштейна) для оценки эффективной температуры СЛ по двум эмиссионным линиям Mn в спектре водного раствора MnCl2.
Экспериментальная установка для измерения спектров СЛ ранее была многократно описана [8, 9]. Центральной частью установки является термостатируемая ультразвуковая ячейка проточного типа. В один торец ячейки помещали наконечник ультразвукового излучателя, другой торец был закрыт кварцевым окном, соединенным с входной щелью монохроматора МДР‑23 (дифракционная решетка 1 200 штр / мм с максимумом блеска на 500 нм, спектральная ширина щели 2,9 нм). Частоту ультразвука 20 кГц, выходную мощность 23 Вт (интенсивность 17 Вт / см2) определяли по показаниям генератора VC‑750.
Температуру раствора поддерживали равной ~10 °С. Раствор насыщали аргоном за час до и в течение всего эксперимента. Световой поток регистрировали ФЭУ‑100. В работе использовали 0,5 M раствор MnCl2 в дистиллированной воде с добавлением 0.5 мМ оксиэтилированного спирта С14Е15. Спектры измеряли при добавочном статическом давлении 0,5 атм. Добавочное давление и поверхностно-активное вещество позволяют повысить интенсивность эмиссии металла [8, 9].
Экспериментальный спектр водного раствора 0,5 M MnCl2 представлен на рис. 1 пунктирной линией. Спектр представляет собой континуум, на который наложена полоса радикала ОН (~310 нм). Спектр содержит атомные линии Mn. Наблюдаются две спектральные линии: 403 нм (3d54s2 a6S – 3d5(6S)4s4p(3P°) z6P°) и 280 нм (3d54s2 a6S – 3d5(6S)4s4p(1P°) y6P°). Эти линии представляют собой тесные мультиплеты. В каждом мультиплете имеется наиболее яркая (значимая) линия, на которую мы опираемся в своих расчетах.
Метод Орнштейна позволяет определить электронную температуру излучения Те по отношению интенсивностей двух эмиссионных спектральных линий, не принадлежащих одному мультиплету:
, (1)
где g1,2 – статистический вес возбужденного состояния, A1,2 – вероятность спонтанного перехода, k – константа Больцмана, E1,2 – энергии возбуждения уровней, I1,2 – интенсивность линий излучения в спектре, λ1,2 – длина волны. Атомные константы g1,2, A1,2, E1,2 взяты из [10].
Интенсивности экспериментальных линий I1,2 определялись следующим способом. Спектр корректировался на спектральную чувствительность регистрирующей системы (решетка + ФЭУ). Функция коррекции была получена путём снятия спектров излучения калиброванных ламп при той же конфигурации спектрометра. Поскольку раствор MnCl2 имеет выраженные полосы поглощения, была проведена коррекция также на спектр поглощения MnCl2. Из корректированного спектра, представленного на рис. 1 сплошной линией, вырезали область вблизи линий, достаточную для гауссовой аппроксимации пика.
Вырезанную область спектра для каждой линии выравнивали путем вычитания подлежащего фона с последующей коррекцией наклона. Аппроксимация полученного пика кривой Гаусса давала позицию, амплитуду и ширину каждого пика. Отношение амплитуд брали как отношение интенсивностей наблюдаемых линий I1 / I2.
Результаты расчетов по формуле (1) и использованные константы приведены в таблице 1. Расчеты дали значение электронной температуры Те ~ 3300 К. Это значение соответствует температуре, при которой происходит эмиссия Mn при СЛ в наших экспериментальных условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Впервые использован метод Орнштейна для оценки температуры эмиссии металла при СЛ водного раствора MnCl2 в атмосфере Ar. Полученное значение ~3 300 К согласуется с результатом работы [7] (~4 300 К), полученным по молекулярным полосам Свана при сходных экспериментальных условиях (водный раствор, ультразвук 20 кГц, интенсивность 50 Вт / см2, температура раствора 5 °С).
Работа выполнена в рамках госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей Мирового океана». Регистрационный номер: АААА-А20-120021990003-3.
REFERENCES
Crum L. A. Resource Paper: Sonoluminescence. The Journal of the acoustical society of America. 2015; 138(4): 2181–2205. DOI: 10.1121 / 1.4929687.
McNamara III W. B., Didenko Y. T., Suslick K. S. Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation. Nature 1999; 401: 772–775. DOI: 10.1038 / 44536
Didenko Y. T., McNamara III W. B., Suslick K. S. Effect of noble gases on sonoluminescence temperatures during multibubble cavitation. Physical Review Letters. 2000; 84(4): 777–780. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.84.777.
Suslick K. S., Hammerton D. A., Cline R. E. The sonochemical hot spot. The Journal of the Acoustical Society of America. 1986; 108: 5641–5642. DOI: 10.1021 / ja00278a055.
Sharipov G. L., Gareev B. M., Abdrakhmanov A. M. Spectroscopic measurement of electronic temperature in the bubbles during single- and multibubble sonoluminescence of metal carbonyl solutions and nanodispersed suspensions. Ultrasonics Sonochemistry. 2019; 51: 178–181. DOI: 10.1016 / j.ultsonch.2018.10.028.
Kazachek M. V., Gordeychuk T. V. Estimation of the cavitation peak pressure using the Na D‑line structure in the sonoluminescence spectra. Technical Physical Letters. 2009; 35(2): 193–196. DOI: 10.1134 / S106378500902028X.
Казачек М. В., Гордейчук Т. В. Оценка пикового давления кавитации по структуре D‑линии Na в спектрах сонолюминесценции. Письма в Журнал Технической Физики. 2009; 35(4): 87–94. http://journals.ioffe.ru/articles/12155.
Didenko Y. T., McNamara III W.B., Suslick K. S. Hot spot conditions during cavitation in water. Journal of the American Chemical Society. 1999; 121(24): 5817–5818. DOI: 10.1021 / ja9844635.
Gordeychuk T. V., Kazachek M. V. Experimental observation of the intense enhancement of metal sonoluminescence under Pressure and Temperature. Optics and Spectroscopy. 2009; 106(2): 238–241. DOI: 10.1134/S0030400X09020143.
Гордейчук Т. В., Казачек М. В. Экспериментальное наблюдение интенсивного роста сонолюминесценции металлов под влиянием давления и температуры. Оптика и спектроскопия. 2009; 106(2): 272–277. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11685099.
Gordeychuk T. V., Kazachek M. V. Effect of nonionic surfactants on Na* emission during sonoluminescence of aqueous NaCl solutions. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2019; 93(5): 1000–1003. DOI: 10.1134/S003602441905011X.
Гордейчук Т. В., Казачек М. В. О влиянии неионогенных поверхностно-активных веществ на эмиссию Na* при сонолюминесценции водных растворов NaCl. Журнал физической химии. 2019; 93(5): 793–796. DOI: 10.1134/S004445371905011X.
Corliss C., Sugar J. Energy levels of manganese, Mn I through Mn XXV. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1977; 6(4): 1253–1329. DOI: 10.1063/1.555566.
Вклад авторов
М. В. Казачек – постановка и проведение эксперимента, обсуждение результатов, написание статьи; Т. В. Гордейчук – постановка задачи, обсуждение результатов, написание статьи; А. С. Починок – обработка результатов, численный эксперимент.
ОБ АВТОРАХ
Казачек М. В., кандидат химических наук, e-mail: mihail@poi.dvo.ru, ст. н. с., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9320-1124,
область интересов: спектроскопия, физическая химия.
Гордейчук Т. В., кандидат физико-математических наук, e-mail: tanya@poi.dvo.ru, ст. н. с., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-8425-4080,
область интересов: спектроскопия, физическая акустика.
Починок А. С., студент магистратуры ДВФУ, e-mail: star1997-97@mail.ru, инженер, Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, г. Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-0430-168X,
область интересов: физическая акустика, атомная спектроскопия.
Отзывы читателей
