Экспериментальное исследование процесса развития термокапиллярного углубления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование процесса развития термокапиллярного углубления

1. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки, показана на Рис.1. Здесь: 1индуцирующий лазер (He-Ne, ГН-25-1, =0.633 мкм, Р=20 мвт.), 2электромеханический затвор, 3 магазин калиброванных светофильтров, 4светоделительная пластинка, 5 головка измерителя мощности ИМО-2, 6теплоизолированный шкаф, 7 дюралевая трубка, 8 зеркало, 9 кювета с исследуемым слоем жидкости, 10 температурный датчик, 11эбонитовая платформа, 12 микрометрический треножник, 13пробный лазер (He-Ne, ОКГ-13, =0.633 мкм, Р=0.4 мвт), 14,15,17,18 зеркала, 16оптическое окно, 19 экран с нанесенной масштабной шкалой, 20 табло электронного секундомера, 21индикатор термодатчика, 22 видеокамера, 23 фотоусилитель, 24аналогово-цифровой преобразователь PicoScope, 25 компьютер.

Подробнее остановимся на функциях и конструктивных особенностях некоторых узлов установки:

Теплоизолированный шкаф позволяет сглаживать колебания температуры воздуха в лаборатории;

Дюралевая трубка используется как удобная несущая конструкция для элементов оптической схемы установки;

Эбонитовая платформа, с фотодиодом, Рис.2, обозначены цифрами 1 и 2. На фотодиод излучение попадает через канал радиуса r_c. Платформа жестко крепится к микрометрическому треножнику. Цилиндрический выступ в ее центральной области позволяет извлекать кювету и возвращать ее в рабочее положение, не нарушая юстировку оптической схемы установки;

термокапиллярный углубление прогиб фотоабсорбционный

Рис. 1. Схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования процессов развития и релаксации термокапиллярного углубления и отклика

Рис. 2. Схема кюветы и платформы

Кювета, Рис.2, с исследуемой жидкостью 3 имеет оптическое окно 4, используемым в экспериментах с окрашенной жидкостью. Для проведения опытов с прозрачной жидкостью предусмотрена эбонитовая подложка 7, накладываемая поверх окна

В эбонитовом кольце 5 сделаны четыре тонких отверстия, в которые вставляются короткие иглы 6, фиксируемые в отверстиях за счет трения. Используя маски заданной толщины, можно с высокой точностью выставлять длину кончиков игл, выступающих над поверхностью кольца. Выставленное кольцо позволяет контролировать толщину слоя и горизонтальность кюветы Здесь используется то, что выступающие из слоя острия игл, искривляют свободную поверхность жидкости, и это легко наблюдать в скользящем свете. Такой метод выставления слоя является развитием метода калибровочных проволочек Б.А. Безуглого [17]..

Экран с нанесенной масштабной шкалой, снабженный электронным секундомером и индикатором термометра. Кадры видеозаписи с такого экрана содержат всю информация, необходимую для изучения динамики отклика.



2. Свойства используемых жидкостей и подложек

Так как большая часть запланированных экспериментов проводилась впервые, из возможного многообразия жидкостей и материалов подложек предпочтение отдавалось тем, которые были доступны, химически устойчивы, имели известные и стабильные физические свойства. Другими словами, выбирались системы «жидкий слой / подложка», приближенные к модельным, с минимальным количеством неизвестных или неконтролируемых параметров. В Приложении 2 приведены физические свойства используемых в диссертации жидкостей и материалов подложек.

Заметим что, все задействованные в исследованиях жидкости прозрачны в видимом диапазоне, к которому принадлежит излучение используемых He-Ne лазеров. Поэтому, чтобы индуцировать конвекцию, применяли поглощающую излучение подложку, например эбонитовую, или окрашивали жидкость.

В опытах с поглощающей жидкостью использовали бензиловый спирт, окрашенный красителем нильским синим, максимум поглощения которого приходится на длину волны, близкую к 0.633 мкм, Приложение 3. При выборе жидкости учитывалось то, что: а) нильский синий хорошо растворим в бензиловом спирте, поэтому можно готовить сильно поглощающие растворы; б) имелся опыт экспериментов с неокрашенным спиртом; в) измерения поверхностного натяжения показали, что нильский синий поверхностно инактивен для бензилового спирта. Среди трех перечисленных критериев решающим был последний.

3. Влияние диаметра лазерного пучка на ТК углубление и отклик

3.1 Индуцирующий лазерный пучок

В рассмотренных в Главе I работах [16-31,88] индуцирующий пучок характеризуют мощностью. Однако, учитывая, что ТК течения порождаются неоднородностью (градиентом) температуры, было бы логичнее использовать в качестве энергетической характеристики индуцирующего конвекцию пучка не мощность, а эффективную интенсивность .

Для внесения ясности был проведен эксперимент, в котором изучали влияние на ТК отклика диаметра d индуцирующего пучка постоянной мощности. Диаметр пучка варьировали, изменяя расстояние l от лазера до слоя. С увеличением l пучок расширялся за счет расходимости, что приводило к снижению I_w.

График зависимости D_S от интенсивности I_w пучка показан на Рис. 1а. Он свидетельствует о том, что знать мощность пучка недостаточно для сравнительного анализа разрозненных экспериментальных данных. Замедление скорости изменения D_S(I_w) по мере повышения интенсивности связано с тем, что радиальный размер углубления определяется диаметром пучка и мало зависит от его мощности [29-31]. Поэтому, увеличение глубины _s стационарного ТК прогиба сопряжено с увеличением кривизны поверхности дна углубления и повышением капиллярного давления. Это сдерживает процесс углубления прогиба и определяет степенной ход зависимости.

При уменьшении диаметра d пучка, можно наблюдать, как характерная интерференционная структура отклика превращается в распределение, близкое к гауссову, Рис.2.3б. Этому есть простое объяснение: сужение пучка приводит к увеличению I_w и к интенсификации конвекции, а значит, к росту относительного диаметра углубления. В результате, область ТК углубления вблизи линии перегиба, ответственная за интерференционную структуру отклика, оказывается вне пучка, Рис.2.3б, а, наблюдаемый при этом отклик соответствует отражению пучка от дна углубления, форма поверхности которого близка к сферической.

3.2 Пробный лазерный пучок

Описанный в предыдущем пункте эффект изменения структуры отклика говорит о том, что отклик от индуцирующего пучка подчас несет информацию лишь о центральной области ТК углубления, что может приводить к ошибочным выводам об исследуемом процессе. Этого можно избежать, используя пробный (не вносящий возмущений) лазерный пучок большого, относительно индуцирующего, диаметра. Заметим, что пробный пучок также удобен для опытов с невидимым (ИК, УФ) излучением и позволяет изучать релаксацию отклика после выключения индуцирующего пучка.

Для выяснения того, насколько пробный пучок должен быть шире индуцирующего пучка, чтобы он охватывал линию перегиба углубления, был проведен эксперимент, в котором диметр d_I индуцирующего пучка оставался фиксированным, а диаметр d_P пробного пучка изменяли перемещением лазера. Эффективная интенсивность индуцирующего пучка была на два порядка выше, чем у пробного. Отклики от обоих пучков, содержащие информацию об одном и том же углублении, проецировали на общий экран и одновременно фиксировались видеокамерой. Полученные пары откликов показаны на Рис. 4.

Хотя низкая яркость отклика от пробного пучка (для краткости назовем его пробным откликом) не позволила сделать высококачественную запись его структуры На Рис.2.4. яркость откликов от пробного пучка повышена с помощью программы Adobe Photoshop 5.5., эффект изменения структуры легко прослеживается и в случае пробного пучка. Неоднородность освещенности пробного отклика, наиболее заметная при малых d_P, связана с небольшими отклонениями центровки пробного пучка относительно углубления. Интерференционная картина отклика появилась при d_P/d_I=0.81. Заметим, что при этом отношение диаметров D_P/D_I близко к единице, а значит линия перегиба углубления уже находится в пределах сечения пробного пучка. Дальнейшее увеличение d_lP приводит к росту D_P, но не отражается на отклике от индуцирующего пучка. Такое увеличение D_P связано с тем, что по мере отдаления пробного лазера, на линию перегиба приходят менее расходящиеся лучи, Рис.5.

Расчеты по данным Рис.4 дают r_i=1.44 мм. Это хорошо согласуется с тем, что интерференционная структура в пробном отклике появилась при диаметре пробного пучка около 2.9 мм, т.е. когда d_P 2 r_i.

В заключении параграфа отметим, что усложнение техники эксперимента, связанное с использованием пробного пучка, полностью оправдано. Так же можно говорить о предпосылках для появления нового метода измерения одной из основных характеристик углубления - радиуса окружности перегиба. Развитие этого метода, анализ его достоинств и недостатков выходит за рамки данной работы.

4. Эволюция ТК углубления

4.1 Фотоабсорбционный метод измерения глубины ТК прогиба

Введем понятия глубины и радиуса дна r_b ТК прогиба, Рис.6. Здесь ось z проходит через центр ТК углубления, а h(r) локальная толщина слоя. Глубину определим как разницу между толщиной недеформированного слоя и толщиной слоя в центре углубления:

(2.1).

Будем считать, что углубление имеет “дно” радиусом r_b если выполняется:

(2.2),

где - погрешность метода измерения глубины ТК прогиба. Другими словами, дно это центральная часть поверхности углубления, которую, при имеющейся точности измерений, можно считать плоской.

Фотоабсорбционная методика измерения глубины ТК прогиба основана на законе Бугера-Ламберта-Бера:



(2.3),

где: I₀, I - интенсивность падающего и прошедшего излучения, - показатель поглощения жидкости и h_C - толщина слоя под дном углубления.

Схема кюветы и платформы с фотодиодом, применявшихся в опытах по фотоабсорбционной методике, показаны на Рис.2. Зависимость глубины ТК прогиба от времени с момента начала облучения определяется по изменению интенсивности излучения, проникающего через дно углубления. При этом на точность измерений, помимо технических параметров фотоприемника и фотоусилителя, влияют следующие факторы:

(а) перпендикулярность угла падения индуцирующего пучка на слой и концентричность канала фотоприемника оси пучка;

(б) соотношение диаметров канала фотоприемника и дна углубления;

(в) потери излучения из-за действия ТК углубления как отрицательной линзы, рассеивающей лазерный пучок.

Угол падения пучка можно проконтролировать, например, ослабив пучок до такой степени, чтобы он не вызывал ТК деформации свободной поверхности и затем добиться попадания отраженного от слоя пучка в центр выходного отверстия лазера. О том, что пучок и канал фотоприемника концентричны, свидетельствует максимальный уровень сигнала фотоприемника.

Раскроем подробнее смысл, вкладываемый в фактор (б). Дело в том, что измеряемая глубина ТК прогиба будет равна истинной, лишь при условии, что диаметр дна углубления превышает диаметр канала фотоприемника:

(2.4).



В противном случае, влияние стенок углубления приведет к тому, что измеренная глубина _m будет занижена относительно истинной _tr, Рис.7. С другой стороны, канал фотоприемника должен быть достаточно широким, чтобы пропускаемый им световой поток надежно регистрировался фотоприемником.

Рис. 7

С учетом того, что диаметр конвективного вихря в несколько раз превышает диаметр индуцирующего его пучка [17,30,55-57] и, наблюдаемый визуально Область свободной поверхности жидкости, искривленная ТК течениями, легко наблюдается в скользящем свете. размер углубления также в 2…3 раза больше диаметра пучка, было выбрано следующее соотношение d_С:d_l=1:3. Первые опыты проводились при d_С=1 мм, а d_l=3 мм. Радиус w пучка по уровню I₀/e, рассчитанный из паспортных данных используемого лазера, составлял 1 мм.

Влияние фактора (в) оценим, исходя из условий эксперимента и характерных оптических параметров углубления, Рис.8.

Здесь f - это фокусное расстояние углубления, вычисляемое по расходимости пучка отклика. На стационарной стадии конвекции, когда f ТК прогиба минимально, оно может быть порядка 50 мм [114]. В этом случае оценка потерь излучения, связанных с расфокусировкой, составляет 10%, см. Приложение 4. Однако, как правило, f заметно больше 50 мм, особенно на стадии роста углубления. Кроме того, в канал фотоприемника проникает лишь центральная, наименее подверженная расфокусировке часть пучка и реальные потери заметно ниже оценочных.

4.2 Предварительные опыты

Для проведения эксперимента были приготовлены три раствора нильского синего в бензиловом спирте с показателем поглощения на длине волны He-Ne лазера _0.63 = 45.8, 36.2 и 8.1 мм-¹ (Приложение 3). На стадии предварительных опытов для этих растворов определяли рабочий диапазон толщины слоя, т.е. такой диапазон h₀ для которого с момента включения пучка и вплоть до стационарной стадии конвекции сигнал с фотоприемника заметно превышает уровень шума, но не выходит за пределы линейного участка световой характеристики фотоприемника. Было установлено, что оптически наименее плотный раствор мало подходит для измерений из-за слишком низкого показателя поглощения и, следовательно, слабой зависимости интенсивности прошедшего излучения от толщины слоя поглощающей среды, а разница в двух других растворов слишком мала для того, что бы влияние было хорошо выраженным. Поэтому из части оптически наиболее плотного раствора (для краткости назовем его раствор №1) разбавлением получили в два раза оптически менее плотный раствор (назовем его раствор №2). Зависимости интенсивности прошедшего излучения от толщины слоя для этих растворов показаны на Рис.9.

Рис. 9

Рабочий диапазон толщин раствора №1 пришелся примерно на 200…230 мкм, а для более прозрачного раствора №2 - на 210…280 мкм. Таким образом, диапазоны частично перекрывались, что позволяло исследовать влияние показателя поглощения жидкости на эволюцию углубления при прочих равных условиях.

4.3 Ход эксперимента

Эксперимент состоял из следующих процедур:

При перекрытом с помощью электромеханического затвора индуцирующем пучке в кювету, Рис.2.5, наливали слой жидкости, контролируя его толщину по выставленному кольцу.

Открывали затвор. Аналоговый сигнал с фотодиода, с помощью PicoScope оцифровывался с дискретностью 0.2 с и поступал в компьютер, где создавался соответствующий файл формата PSW (PicoScope for Windows).

Затвор закрывали и выдерживали темновую паузу в течение времени, необходимого для полной релаксации углубления.

С помощью калиброванных светофильтров изменяли интенсивность индуцирующего пучка, и повторяли действия Пункта 2.

Таким образом были получены шесть семейств зависимостей вида U (t) для слоев раствора №1 толщиной (200, 210 и 230) 5 мкм и раствора №2 толщиной (210, 230 и 280) 5 мкм при нескольких значениях интенсивности индуцирующего пучка (I_w = 3.45…0.18 мВт/мм ²).

4.4 Преобразование зависимостей вида U (t) в зависимости (t)

Экспериментальные данные из формата PSW преобразовывали в формат Excel, где осуществлялась их дальнейшая обработка.

В эксперименте строго контролировали условие линейности зависимости сигнала фотодиода от интенсивности падающего на него света, т.е. U = АI, где А некоторая константа. Поэтому выражение (2.3) можно записать как:

(2.5).

(2.6),

(2.7).

Учитывая, что в момент t₀ включения пучка слой еще не деформирован и (t₀)=h₀, находим в последующие моменты времени:

(2.8).

Воспользовавшись соотношением h₀=h_C+ зависимости (t) преобразуем в более наглядные (t), Рис. 10, 11. Далее эти зависимости будем называть эволюционными зависимостями.

4.5 Предварительный анализ эволюционных зависимостей

Анализ графиков эволюционных зависимостей Рис.10, 11. позволяет отметить следующие особенности:

Зависимости для обоих растворов качественно схожи и не противоречат физическому смыслу. Повышение интенсивности излучения, и (или) уменьшение толщины слоя (т.е. изменения параметров системы ПСП, способствующие увеличению углубления [16,17,22]) приводит к повышению скорости роста и стационарной глубины _S ТК прогиба.

ТК прогиб одинаковой стационарной глубины может наблюдаться при различных сочетаниях интенсивности пучка и толщины слоя. Поэтому, учитывая, что _S монотонно возрастает с увеличением I_wили уменьшением h₀ можно предположить, что глубина прогиба при прочих равных условиях является однозначной функцией параметра =I_w/h₀.

Рис. 10. Графики зависимостей глубины ТК прогиба от времени с начала облучения. Раствор №1. В верхней части графиков показана толщина слоя жидкости. Числа в скобках отвечают эффективной интенсивности индуцирующего пучка Iw = 3.45 (1), 2.9 (2), 2.4 (3), 2.05 (4), 1.72 (5), 1.44 (6), 1.28 (7) и 1.02 (8) мВт/мм?2

Рис. 11. Графики зависимостей глубины ТК прогиба от времени с начала облучения. Раствор №2. В верхней части графиков показана толщина слоя жидкости. Числа в скобках отвечают эффективной интенсивности индуцирующего пучка I_w = 3.45 (1), 2.40 (2), 2.05 (3), 1.72 (4), 1.44 (5), 1.22 (6), 1.02 (7), 0.85 (8), 0.72 (9), 0.60 (10), 0.51 (11), 0.43 (12), 0.36 (13), 0.25 (14) и 0.18 (15) мВт/мм²

4.6 Зависимость стационарной глубины ТК прогиба от интенсивности индуцирующего пучка

На Рис.12 показаны зависимости _s от I_w, построенные по данным Рис.2.10 и 2.11. Стационарная глубина определена путем усреднения за последние 10 с эволюционных зависимостей, когда наблюдаются лишь локальные флуктуации относительно постоянного уровня, связанные с электронным шумом сигнала.

Рис. 12. Зависимость стационарной глубины ТК прогиба от интенсивности индуцирующего пучка. Зачерненные маркеры относятся к раствору №1, светлые - раствору №2. Маркеры ромбической, треугольной, квадратной и круглой формы отвечают толщине 200, 210, 230 и 280 мкм. По-видимому, S-образный вид зависимостей в случае раствора №1 связан с нарушением в процессе измерений условия db, dC, из-за чего измеренная S оказывалась заниженной относительно истинной. Пунктиром показан реальный ход зависимостей №1.



Неожиданными являются принципиальные отличия в поведении зависимостей для растворов №1 и №2. Если в случае оптически менее плотного раствора №2 зависимости (кратко зависимости №2) для всех толщин подобны и хорошо аппроксимируются степенными функциями, то поведение зависимостей №1 значительно сложнее - они имеют S-образную форму. Наиболее странно то, что при малых I_w зависимости № 1 проходят ниже, чем соответствующие им зависимости № 2, что не согласуется:

(а) С физическими предпосылками: при повышение уменьшается толщина приповерхностного слоя, поглощающего основную часть излучения, а значит, обостряется индуцируемый температурный градиент. Это должно приводить к интенсификации конвекции, и, следовательно, к росту глубины ТК прогиба;

(б) С данными [17], согласно которым пропорциональный глубине ТК прогиба диаметр ТК отклика монотонно возрастает с повышением оптической плотности жидкого слоя;

(в) С результатами визуальных наблюдений ТК отклика, проводившихся при снятии зависимостей (t). При прочих равных условиях, для раствора №1 как скорость роста отклика, так и его диаметр, были всегда выше.

Для объяснения зависимостей, Рис.2.12 предлагается следующая гипотеза: «С увеличением оптической плотности жидкости, при прочих равных условиях, скорость роста и стационарная глубина ТК прогиба возрастают, а диаметр его дна - уменьшается».

Согласно этой гипотезе, уменьшение диаметра дна углубления в случае раствора №1 приводит к нарушению в процессе измерений неравенства (2.4) и занижению измеряемой глубины _m ТК прогиба относительно истинной _tr. Величина такого занижения уменьшается по мере увеличения интенсивности индуцирующего пучка, вызывающего общее увеличение размера углубления. Иными словами, с ростом интенсивности зависимости №1 выходят на истинные значения, а их реальный ход подобен ходу зависимостей №2, Рис.2.12, и может быть аппроксимирован степенными функциями с показателем меньше единицы.

4.7 Сценарии развития ТК углубления

Глубину ТК прогиба, измеренную в момент времени с начала облучения, можно представить как разницу между истинной глубиной и накопившимся к моменту занижением , связанным с нарушением (2.4):

(2.9),

где , а - текущее занижение. Введем время , за которое диаметр дна углубления вырастает до диаметра канала фотоприемника. Очевидно, что:

и (2.10).

А значит, по достижению измеряемое приращение глубины ТК прогиба совпадает с истинным:

(2.11).



При фиксированном диаметре канала фотоприемника в разных системах ПСП могут реализовываться три типа сценария развития углубления:

(а) Неравенство (2.4) выполняется с самого начала: =0;

(б) Стадия, на которой нарушается (2.4), заканчивается до стационаризации углубления: ;

(в) Даже по достижению стационарной стадии диаметр дна остается меньше диаметра канала фотоприемника: .

Рис.13. Измеряемая скорость равняется разнице между истинной скоростью и занижением скорости . Верхняя сплошная линия отвечает сценарию (а), пунктирные линии - сценарию (б), а точечные - (в)

Рис. 14. Вариант зависимостей скорости увеличения глубины ТК прогиба от времени, являющийся следствием выдвинутой гипотезы

Истинная скорость роста (сплошные кривые) выше для раствора №1, однако развитие ТК зеркала в слое раствора №1 идет по сценарию (б), в отличие от случая раствора №2, когда реализуется сценарий (а).На Рис.2.13 показан примерный график зависимостей скорости увеличения глубины ТК прогиба от времени, для трех сценариев.

Теперь вспомним, что согласно гипотезе (см. стр. 61), скорость роста углубления на всем протяжении его развития выше в случае оптически более плотного раствора. Если гипотеза верна, должна наблюдаться ситуация, проиллюстрированная на Рис.2.14. Остается проверить, имеет ли место такая ситуация в действительности.

Используя данные эволюционных зависимостей, Рис.2.10, 2.11, определим как изменялась по мере развития ТК зеркала. На Рис.2.15 приведены графики для пар зависимостей (t) в случае разных растворов при прочих равных условиях. Они получены методом кусочно-аналитической аппроксимации зависимостей Рис.2.10, 2.11 полиномиальными функциями с последующим дифференцированием. Более очевидный способ построения зависимости (t) на основе прямых пошаговых вычислений, оказался неприемлем из-за небольших, но резких (связанных с электронным) шумом локальных колебания (t_i).

Как видно из Рис.2.15 для всех пар зависимостей выполняется предсказанный выше ход (t), Рис.2.14, причем, чем выше интенсивность пучка и тоньше слой, или, другими словами, чем благоприятней условия для развития большого углубления, тем раньше зависимость для раствора №1 (для краткости (№1)) пресекает соответствующую (№2). Однако, если обратиться к стационарной глубине ТК прогиба, см. Рис.2.12, то оказывается, что во всех случаях, кроме одного (h₀= 210 мкм, I=2.05 мВт)ТК прогиб глубже в случае раствора №2. Здесь проявляется ранее описанный эффект накопления погрешности из-за нарушения в ходе измерений условия (2.4).

Таким образом, можно заявлять о согласии гипотезы и эксперимента.

Рис.15. Графики зависимостей скорости роста глубины ТК прогиба от времени с начала облучения. Зависимости для раствора №1 показаны жирными линиями, для раствора №2 - тонкими. В случае (а) толщина слоя равна 210 мкм, в последовательности сверху вниз расположены пары зависимостей при интенсивности пучка 2.05, 1.72 и 1.44 мВт/мм²; в случае (б) - h₀=230 мкм, I= 3.45, 2.4, 1.72. В верхней части каждого графика показаны участки тех же зависимостей в увеличенном по оси ординат масштабе



4.8 Стационарная глубина ТК прогиба как функции =I_w/h₀

Проверим высказанное в п.2.4.5 предположение о том, что глубина ТК зеркала при прочих равных условиях является однозначной функцией параметра =I_w/h₀, физический смысл которого виден из его размерности []=[Вт]/[м]³, т.е. можно назвать удельной мощностью индуцирующего конвекцию лазерного пучка.

Если предположение справедливо, то открывается возможность значительно сократить объем экспериментов,необходимых для изучения ФТК эффекта в той или иной системе ПСП. Например, чтобы оценить глубину ТК прогиба для любых сочетаний I_wи h₀ в пределах некоторого диапазона их значений, достаточно получить зависимость глубины прогиба от интенсивности пучка всего для одной толщины слоя Или, напротив, (h₀) при фиксированной интенсивности индуцирующего пучка..

Проанализируем массив данных эволюционных зависимостей. Можно говорить о выполнении предположения, если все зависимости _s() для отдельно взятого раствора совпадут.

На Рис.16 приведен график зависимостей _s() обобщающий данные эволюционных зависимостей Рис.10 и 11.

Как видно из Рис.2.16 предположение полностью оправдывается для раствора №2. Эффект занижения измеряемой глубины ТК зеркала относительно истинной, влияние которого проявляется в случае раствора №1, осложняет интерпретацию этой части экспериментальных данных. Однако, есть все основания полагать, что и для раствора №1 предположение справедливо. Об этом в частности свидетельствует то, что зависимости _s() при h₀= 200 и 210 мкм совпадают, хотя их S-образный характер указывает на влиянии эффекта занижения. По-видимому, из-за небольшой разницы h₀ в этих слоях углубления развивались по близким сценариям, что и привело к наблюдаемому совпадению.

4.9. Зависимость стационарной глубины ТК прогиба от толщины слоя

Хотя поведение эволюционных зависимостей находится в соответствии с выдвинутой гипотезой, было решено провести с прежними растворами новые опыты, по методике, исключающей занижение измеряемой глубины.

Рис.16. Зависимости стационарной глубины ТК зеркала от параметра . Зачерненные маркеры относятся к слою №1, прозрачные - №2. Маркеры ромбической, треугольной, квадратной и круглой формы отвечают толщине слоя 200, 210, 230 и 280 мкм.

В этой серии опытов диаметр канала фотоприемника уменьшили в 4 раза (до 250 мкм) и измеряли только разницу в интенсивности прошедшего через углубление излучения в момент включения индуцирующего пучка, и, на стационарной стадии конвекции (т.е. измеряли лишь глубину _s стационарного ТК прогиба).

Кроме того, фотодиод заменили на ФЭУ, высокая чувствительность которого позволила расширить рабочий диапазон. Параллельно с измерением глубины ТК прогиба фиксировали диаметр ТК отклика В первой серии рабочий диапазон пришелся на тонкие слои. В таких слоях диаметр пучка отклика превышал размеры зеркала, с помощью которого его проецировали на экран. Поэтому, тогда проводились лишь визуальные наблюдения отклика., что служило дополнительным источником информации о ТК углублении. На Рис.2.17 показаны графики зависимостей от толщины жидкого слоя: (а) стационарной глубины ТК прогиба, (б) угла расходимости пучка отклика и (в) радиуса линии перегиба. Все зависимости хорошо аппроксимируются степенными функциями с отрицательным показателем. Такой ход типичен для зависимостей вида «параметр отклика от толщины слоя» и встречается в работах [17,22].

Рис.17. Влияние толщины слоя на параметры ТК углубления и отклика. Зависимости для: (а) стационарной глубины ТК прогиба, (б) угла расходимости пучка отклика, (в) радиуса линии перегиба. Зачерненные маркеры отвечают раствору №1, прозрачные - №2. Все линии тренда аппроксимированы степенными функциями. ТК отклик от пробного лазерного пучка. Метод расчета радиуса r_i линии перегиба описан в Приложении 5, там же объяснены причины, с которыми связана высокая погрешность нахождения этой характеристики ТК углубления

Зависимости (а) и (б) однозначно свидетельствуют о том, что глубина ТК прогиба увеличивается с повышением показателя поглощения жидкости, впрочем, это легко прогнозируемый результат. Более интересны данные графика (в), которые подтверждают, что радиальные размеры углубления действительно сокращаются.

То, что достаточно неожиданный эффект сужения ТК прогиба был обнаружен, во многом результат удачного стечения обстоятельств. Действительно, в первой серии экспериментов не проводились измерения ТК отклика, и если бы не произошло нарушение условия (2.4), то для выявления эффекта не было бы ни каких оснований.

5. Путь развития фотоабсорбционного метода

В параграфе 2.4 подчеркнуты недостатки используемой схемы измерения глубины ТК прогиба, при которой диапазоны изменения таких параметров системы ПСП, как интенсивность индуцирующего пучка, коэффициент поглощения жидкости и толщина ее слоя, оказываются сильно ограниченным техническими возможностями фотоприемника.

Решить эту проблему можно, разделив функции индуцирования ТК прогиба и сканирования его глубины между двумя отличающимися по длине волны лазерными пучками, Рис.18. В этом случае, используя, красители, можно так подбирать оптические свойства жидкого слоя, чтобы он одновременно имел заданный коэффициент поглощения на длине волны индуцирующего пучка, но пропускал на фотоприемник оптимальный для измерений поток излучения. Причем, на длине волны сканирующего пучка слой может быть достаточно прозрачным для того, чтобы даже при малом отверстии диафрагмы можно было использовать не очень чувствительные, но удобные фотодиоды.

Рис. 18. Оптические схемы измерения глубины ТК зеркала фотоабсорбционным методом. (а) с одним пучком, (б) с двумя пучками разной длины волны. Здесь, 1индуцирующий углубление пучок, 2система «слой/подложка», 3диафрагма, 4фотоприемник, 1сканирующий пучок, 2дихроичное зеркало, 3ослабитель, 4светофильтр, отсекающий излучение индуцирующего пучка

Заметим, что обе схемы эксперимента продумывались изначально и выбор менее совершенной из них был обусловлен объективными причинами. К сожалению, в нашем распоряжении имелись лишь He-Ne лазеры, а попытка применить другие источники света осталась безуспешной из-за низких спектральной интенсивности и направленности их излучения.

Выводы

Разработан простой и точный метод регистрации процесса развития ТК углубления, индуцируемого в слое поглощающей излучения жидкости, на основе которого создана лабораторная установка.

Впервые получены экспериментальные зависимости, описывающие процесс развития ТК прогиба с момента начала облучения жидкого слоя до стационарной стадии конвекции.

Показано, что изменение диаметра индуцирующего пучка на жидком слое при прочих постоянных условиях существенно сказывается на ТК углублении (в силу градиентной природы ТК эффекта). Поэтому использование параметра «мощность лазерного пучка» при описании системы ПСП, как это делалось в рассмотренных в Главе I работах, не оправдано, и более корректно характеризовать лазерный пучок эффективной интенсивностью I_w.

Экспериментально обоснована необходимость применения для считывания ТК отклика пробного пучка, диаметром в несколько раз превышающим диаметр индуцирующего пучка. Это связано с тем, что диаметр ТК углубления, как правило, заметно превосходит диаметр индуцирующего пучка и только пробный широкий пучок дает ТК отклик, содержащий информацию обо всем ТК углублении.

Обнаружен эффект увеличения глубины при сокращении радиуса окружности перегиба ТК углубления с повышением показателя поглощения жидкости.

Размещено на Allbest.ru

...