水中のレーザー誘起気泡と衝撃波のX線フラッシュイメージング

キャビテーション気泡は、水中に強力なレーザーを集束させることにより、光学的破壊後にプラズマから生成することができます。 高速ダイナミクスは、特に初期状態での気体と液体の極端な状態に関連しています。 これは、平衡から遠く離れた水と水蒸気を検出するための独自の設定を提供します。 ただし、コントラストと解像度の制限により、現在の光学技術ではこれらの初期状態を定量化できません。 ゲッチンゲン大学が率いる研究チームは、ドイツの電子シンクロナイザー（DESY）および欧州のX線自由電子レーザー（欧州XFEL）とともに、ホログラフィックフラッシュイメージングとナノフォーカスX線レーザーパルスを含む革新的な技術を使用しました。 。 この研究は、2021年6月8日にネイチャーコミュニケーションズに掲載されます。

液体中の小さな過渡的または強く駆動されるキャビテーション気泡は、一連の興味深い非線形効果を示します。それらは、液体への衝撃波の発射、高圧縮、気泡媒体の加熱、発光（ソノルミネッセンス）、または化学反応に関連する激しい崩壊を経験する可能性があります。それらは、固体表面または界面の近くで液体ジェットを形成し、材料の腐食を引き起こす可能性があります。超音波駆動のマルチバブルシステム（音響キャビテーション）では、気泡の相互作用と音場との相互作用により、構造の形成と集団行動が発生する可能性があります。不均衡な物理学の基本的な側面に加えて、これらのプロセスは、白内障手術中の組織の乳化や気泡を介した薬物送達など、さまざまな医療処置にも関連しています。キャビテーションの泡とダイナミクスを理解することは、音響化学、超音波洗浄、および腐食防止にとっても重要です。



キャビテーション気泡の適切な制御実験では、通常、短いレーザーパルスを使用して、レーザーによって生成されたプラズマから高温の圧縮気泡コアに遷移し、最後に液体環境で膨張する気泡と蒸気気泡に遷移することによってキャビテーション気泡を生成します。プラズマから気泡へのこの遷移、プラズマの成長、その後のプラズマの冷却、および媒体内での衝撃波の生成、および気泡内の物質の正確な状態は、とらえどころのないままです。何十年もの間、キャビテーションのダイナミクスを研究するための主なツールは、音響法、光ポンピング検出分光法、および光学イメージングでした。高速ICCDカメラは1秒あたり1億フレームに達しました。最近の光学センサーの感度の向上により、マルチバブルフィールドでのバブル振動とソノルミネッセンスを直接画像化することが可能になりました。同様に、音響および光学的方法を使用して、明視野および暗視野イメージング、光干渉法、シュリーレン写真、フリンジイメージングなど、絶縁破壊後の初期気泡形成および衝撃波放出を測定します。ただし、小規模で高速なダイナミクスのため、絶縁破壊および崩壊時の気泡内部とその周辺環境のイメージングには未解決の課題があります。光学的方法は、長距離対物レンズの開口数によって制限され、界面から十分に離れたキャビテーション気泡を画像化する必要があります。相境界の動きと気泡内のダイナミクスを追跡するには、サブナノ秒の時間分解能とサブミクロンの空間分解能が必要です。直接イメージング法がない場合、崩壊した気泡の状態の知識は、放出された光のスペクトル測定から推測され、モデルに基づいて計算されています。以前の研究では、液体中の絶縁破壊の非線形現象とそれに続くキャビテーションダイナミクスを説明するためのいくつかのモデルが開発されました。ただし、バブルダイナミクスの進化と相境界構造の多くの側面は不明であります。未解決の問題には、たとえば、不均一性の存在、収束衝撃の存在、さらに根本的には、さまざまな状態での気泡と周囲の衝撃波の正確な空間密度と圧力分布が含まれます。



この研究では、ドイツのゲッティンゲン大学、ドイツ電子シンクロトロン研究所（DESY）、および欧州X線自由電子レーザー装置（XFEL）の研究者が、単一のX線自由電子レーザー（X-光線自由電子レーザー）-キャビテーション気泡の近距離ホログラフィックイメージング用の電子レーザー、XFEL）パルス。








：A。FELX線パルスは、ベリリウムCRLによってナノスポットサイズに集束されます。 X線焦点の後ろに水で満たされたキュベットを置きます。ポンプレーザーはレンズによって集束され、その後の平面鏡によって水中に反射されて気泡をシードします。 X線とレーザービームは逆平行です。 X線ビームはレーザーミラーの小さな穴を通過してX線検出器に到達します。キャビテーションのシードポイントであるX線焦点とレーザー焦点の間の距離はz01 = 144 mmであり、X線焦点と検出器の間の距離はz02 = 9578mmです。高速光学カメラは、X線ビームに垂直な気泡の形成を観察します。キュベットの壁にあるマイクは、キャビテーションイベントの音響信号を記録します。 b。実験のタイミング。ポンプレーザーは、FELパルスの前の時間Δtでキャビテーション気泡を励起します。光学高速度カメラが一連の画像を取得し、最初のフレームがポンプレーザーパルスと同期されます。音響マイク信号が録音されます（マイク）。 c。光学高速度カメラの画像シーケンス。最初のフレーム（左）はプラズマスパークを示しています。次のフレームには、最初のフレームに対して40μs、140μs、および160μs（左から右へ）の時間遅延があります。 d。左上隅に示すように、さまざまな時間でのΔtキャビテーションイベントの空のビーム補正X線ホログラム。ホログラムは、内部界面（ガス/衝撃波）と外部界面（衝撃波/平衡水）の間に強いコントラストを示しています。スケールバー：50μm（a、d）、500μm（c）。





チームはまず、赤外線レーザーパルスを水中に集束させることでキャビテーションを発生させ、半径数千分の1ミリメートルの小さな気泡を生成しました。これは、液体中に小さな蒸気で満たされた空洞（気泡）が形成される現象です。研究者たちは、同期しているが注意深く制御された遅延X線パルスで膨張する気泡を観察しました。



X線イメージングは、可視光と比較して、屈折や散乱によって画像がぼやけます。X線イメージングでは、気泡や衝撃波の形状を分析できるだけでなく、それらの密度分布も分析できます。これにより、研究者は小さな気泡のX線ホログラムを生成し、数千のイベントを含む大きなデータストリームを記録し、特別に設計された「デコードアルゴリズム」を介して研究者が分析し、気泡内のガスの密度と密度を取得できます。衝撃波。効果を生み出すシードレーザーパルスと効果を測定するX線パルスの間の時間遅延が適切に制御されているため、チームはプロセスを記録できます。





実験結果は現在の科学的理解に挑戦しており、他の科学者がより良いモデルを開発するのに役立ちます。ゲッティンゲン大学のX線物理学教授であるTimSalditt教授は、次のように説明しています。「水は地球上で最も重要な液体ですが、この神秘的でとらえどころのない物質については、まだ多くのことを知る必要があります。水の独特の特性のおかげです。 。ヨーロッパでXFELによって生成されたX線レーザー放射と新しいシングルショットホログラフィック法により、極端な条件下での蒸気と液体の水の実際の状況を観察できるようになりました。」



この研究手法は、他のアプリケーションに関連するプロセスへの洞察を提供します。たとえば、キャビテーションはポンプやプロペラ内の流体の望ましくない影響である可能性がありますが、材料のレーザー処理や化学反応の変更に使用できます。レーザー手術では、レーザーパルスを使用して、組織内の小さな気泡に衝撃波と圧縮ガスを意図的に生成します。将来的には、この新しく開発された方法を使用して、これらのプロセスをミクロレベルおよび高い時間分解能で詳細に「撮影」することができます。