Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 491, № 1, стр. 92-96

Создание новых методов, позволяющих изучать элементный состав конденсированных сред, включающих как растворенные вещества, так и взвеси различного масштаба, составляет научную проблему, которая является актуальной для изучения структуры сложных по составу конденсированных сред. Ярким примером конденсированной среды, в которой присутствуют различные неоднородности и растворенные вещества, является морская вода. Анализ состава морской воды на практике проводится традиционными химическими методами анализа, сопровождаемого трудоемким и дорогостоящим процессом отбора проб в море. Возникла настоятельная необходимость в разработке новых методов, оперативных во времени и позволяющих реализовать высокую детальность измерений в пространстве. В последнее время появились новые оптические методы на основе лазерно-искровой спектроскопии (ЛИС) измерения содержания химических веществ в морской воде, которые позволяют оперативно проводить анализ конденсированных сред, но, к сожалению, традиционный метод ЛИС пока не позволяет реализовать чувствительность, сравнимую с химическими методами анализа. В настоящей работе показано, что создание комбинированного метода ЛИС с применением ультразвука позволяет приблизиться по чувствительности к анализу прецизионными химическими методами, но благодаря оперативности и высокой детальности измерений новый метод может стать более практичным и перспективным.

Оптический пробой, генерируемый лазерным излучением, обладает свойствами взрыва [1, 2]. В статье [3] представлен обзор последних достижений в области изучения динамики пузырьков в жидкости, образующихся под действием лазерного излучения. В [4] был изучен баланс энергии различных механизмов уноса энергии из зоны пробоя и показана высокая эффективность преобразования оптической энергии в акустическую, заключенная в интервале 10–49% и существенно зависящая от энергии и длительности лазерного импульса. Столь высокий разброс эффективности акустико-оптического преобразования в жидкости связан с наличием различных механизмов генерации акустических волн при оптическом пробое, обусловленном лазерными импульсами с различной энергией и при различной фокусировке лазерного излучения в жидкости. В связи с этим было интересно изучить зависимость особенностей акустической эмиссии и интенсивности спектральных линий элементов от энергии лазерного импульса и его фокусировки в жидкости, а также от наличия дополнительного источника звука, который мог облегчить оптический пробой. Эксперименты проводились с различными акустическими пьезокерамическими фокусируемыми излучателями.

Для возбуждения оптического пробоя использовался ND:YAG-лазер “Brilliant B”со следующими параметрами излучения: длина волны 532 нм, длительность импульса 10 нс, энергия в импульсе до 180 мДж, изменяющаяся в режиме модулированной добротности. Плотность мощности лазерного излучения дополнительно возрастала за счет острой фокусировки излучения в необходимом месте (в толще жидкости, на поверхности или вблизи поверхности жидкости) с помощью линз с различными фокусными расстояниями F = 40 мм, 75 мм и 125 мм. Регистрация оптического пробоя осуществлялась с применением оптического многоканального анализатора спектров Flame Vision PRO System, с временным разрешением 3 нс. Управление акустическим излучением осуществлялось с помощью цифрового генератора сигналов произвольной формы GSPF_053 (Руднев и Шиляев, Россия) и широкополосного усилителя с амплитудой ультразвука до 105 кПа. Внутрь ячеек наливалась морская или пресная вода, акустическая эмиссия регистрировалась с помощью гидрофона типа 8103 фирмы Брюль и Къер (Дания). Запись аналоговых сигналов осуществлялась на персональный компьютер с помощью АЦП типа E20-10 фирмы Л-кард с частотой квантования от 1 до 5 МГц. Анализ одновременно записанной акустической информации позволял связать динамику пузырьков с параметрами акустической эмиссии из области оптического пробоя [5, 6].

Различные виды пробоя в воде достигались путем фокусировки лазерного излучения с помощью различных линз. Пробой происходил либо в глубине воды, либо в приповерхностных слоях, либо в сочетании этих двух типов. На рис. 1 представлена спектральная плотность акустической эмиссии для двух различных типов пробоя в воде: вблизи поверхности и внутри воды одновременно. Фото смешанного пробоя показано на вставке.

Рис. 1.

Спектральная плотность акустической эмиссии при различных режимах пробоя в воде: a – при наличии пробоя в толще (верхняя кривая) и вблизи поверхности воды, б – при наличии смешанного пробоя в воде (фото на вставке).

Ниже представлены результаты по оптическому пробою жидкости с дополнительным воздействием ультразвука. На рис. 2а представлена разница в спектре акустической эмиссии, когда пробой происходит без ультразвукового облучения, по сравнению со спектром, когда пробой идет в присутствии ультразвука. Видно несколько гармоник облучающего ультразвука (основная гармоника с частотой 29 кГц). Превышение уровня шума в интервалах между гармониками составляет в среднем 18 дБ на частотах около 100 кГц в отличие от превышения уровня шума на отдельных частотах, достигающих 40 дБ. Таким образом, показано, что дополнительное ультразвуковое облучение приводит к увеличению акустической эмиссии из зоны взаимодействия лазерного излучения с жидкостью, что свидетельствует о существовании механизма дополнительной передачи энергии к содержимому полости лазерного пробоя.

Рис. 2.

Спектр акустической эмиссии при одновременном ультразвуковом и лазерном облучении: a – превышение спектра акустической эмиссии над спектром без ультразвука; б – эффект большого увеличения акустической эмиссии в морской воде по сравнению с пресной водой.

Важным эффектом, обнаруженным в экспериментах по регистрации акустической эмиссии при лазерном пробое воды, является значительное увеличение акустической эмиссии в морской воде по сравнению с пресной. Этот эффект представлен на рис. 2б. Таким образом, показано, что акустическая эмиссия при оптическом пробое морской воды с ультразвуком или без него превышает акустическую эмиссию в пресной воде.

В литературе имеются данные по использованию метода ЛИС для обнаружения химических элементов в больших объемах воды при воздействии внешнего давления [8]. Методом ЛИС исследовали интенсивные линии натрия, марганца, кальция, калия, лития в растворенных растворах при статическом давлении 27.6 МПа. Было исследовано влияние на оптический спектр эффектов давления, энергии лазерного импульса, задержки импульса, температуры и концентрации соли NaCl. В работах [7, 9] показано, что улучшения интенсивности спектральных линий кальция и натрия при повышении давления не выявлено, однако, такой эффект присутствовал для марганца. Присутствие NaCl увеличило интенсивность эмиссии для кальция, но не оказало влияния на пиковую интенсивность Mn или K. Из результатов [7] можно сделать вывод, что ЛИС является эффективным методом обнаружения химических элементов при натурных измерениях в среде с высоким статическим давлением. Очевидно, что важно попытаться заменить статическое воздействие давления влиянием акустического давления. В этом случае можно было бы реализовать ЛИС в сфокусированных акустических полях с целью выявления эффективности такого усовершенствованного метода оперативного обнаружения химических элементов в различных жидкостях.

На рис. 3 представлен эффект резкого возрастания разрешения спектральных линий калия, кислорода и кальция в воде при лазерном пробое в поле мощного ультразвука. Из рис. 3 видно, что увеличение разрешения всех линий для воды в ультразвуковом поле зависит от амплитуды ультразвука. Фактически при превышении амплитуды 10–15 кПа ультразвука происходит резкое усиление интенсивности линий всех элементов. Ранее нами было показано, что интенсивность линии ионного Са зависит также от фазы ультразвукового поля [7, 10].

Рис. 3.

Эффект резкого возрастания разрешения спектральных линий калия, кислорода и кальция в воде при лазерном пробое в поле мощного ультразвука: a – линии калия (К) (максимумы 1 и 2) и кислорода (О) (максимум 3): оранжевая и зеленая кривые – с ультразвуком, синяя пунктирная кривая – без ультразвука; б – линии иона кальция (Ca) в поле ультразвука различной амплитуды, пунктирная кривая – без ультразвука.

Таким образом, впервые получены экспериментальные результаты, показывающие эффекты резкого усиления акустической эмиссии из зоны пробоя при совместном воздействии лазерного и ультразвукового облучения. Наблюдаются существенно различные пороги пробоя и характер акустической эмиссии в пресной и морской воде. Показано, что метод регистрации акустической эмиссии из зоны пробоя позволяет исследовать пороги и динамику лазерного пробоя, исследовать пороги и динамику лазерного пробоя, которые согласуются с высокоскоростными оптическими методами. Полученные результаты позволяют найти важные практические применения акустической эмиссии для диагностики лазерного пробоя и кавитации в непрозрачных средах, где оптические методы неприменимы. Установлен эффект увеличения разрешающей способности спектральных линий различных элементов в морской воде при воздействии ультразвукового поля. Разрешение линии для лазерного пробоя резко увеличивается в ультразвуковом поле, что свидетельствует о возможности создания комбинированного метода ЛИС с применением ультразвука, который позволит приблизиться по чувствительности к анализу прецизионными химическими методами, но благодаря оперативности и высокой детальности измерений новый метод может стать более практичным и перспективным.