И. Н. ПАВЛОВ, Б. С. РИНКЕВИЧЮС
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПОГРАНИЧНЫХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ
Приведено описание адаптированной установки и методики проведения экспериментов по визуализации процессов кристаллизации капель жидкости при замерзании и высыхании водных растворов. Приведены результаты экспериментов исследований.
Целью данной работы являлось применение метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) расширенного и сколлимированного лазерного пучка для диагностики процессов кристаллизации при охлаждении и испарении капель различных жидкостей и растворов. Для этого созданная ранее экспериментальная установка [1], которая была успешно использована для проведения экспериментов по визуализации испарения, охлаждения и растекания капель жидкости на поверхности измерительной призмы [2], была адаптирована для экспериментальных исследований по диагностике кристаллизации капель жидкости, находящихся в контакте с измерительной призмой. Метод НПВО позволяет визуализировать изменение показателя преломления контактирующей с призмой среды на расстоянии порядка сотен нанометров с чувствительностью по показателю преломления в четвертом знаке. Особенность созданной установки состоит в том, что она позволяет получать пространственное распределение показателя преломления по площади пятна контакта призмы с исследуемой средой, а не локальные или интегральные измерения.
Принцип работы установки состоит в следующем. Широкий коллимированный лазерный пучок падает на внутреннее основание измерительной стеклянной призмы под определенным углом в зависимости от цели эксперимента. Обычно этот угол подбирается близким к критическому углу ПВО для границы раздела призмы с исследуемой средой. Отраженный от этой границы пучок попадает на экран, изображение на котором регистрируется с помощью цифровой видеокамеры и записывается, а затем обрабатывается на компьютере. Так как коэффициент отражения от границы раздела зависит от соотношения показателей преломления, то при локальном изменении показателя преломления среды происходит локальное изменение интенсивности отраженного пучка в соответствующем месте изображения. Таким образом, визуализируется как местоположение изменения свойств исследуемой среды, так и величина отклонения ее показателя преломления жидкости от начального значения. Изменение свойств среды визуализируется на глубине пристеночного слоя, порядка длины волны лазерного излучения.
На рис. 1 показаны примеры полученных изображений капли в процессе кристаллизации. В этих экспериментах капля помещалась между элементом Пельтье, который служил для охлаждения капли до температуры, меньшей температуры кристаллизации, и измерительной призмой.
а) б)
Рис. 1. Изображения пятна контакта призмы с каплей дистиллированной воды
в жидкой (а) и кристаллической фазе (б)
В процессе дальнейшей работы планируется провести исследования зависимости характера кристаллизации капель от их объема, химического состава, расстояния между призмой и охладителем, шероховатостей контактирующих с каплей поверхностей.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты и ).
Список литературы
1. Павлов И. Н., Ринкевичюс Б. С., Толкачев визуализатор неоднородности пристеночных слоев жидкости. Измерительная техника. 2010. №10. С.33-35.
2. Pavlov I. N., Rinkevichyus B. S., Tolkachev A. V. Visualization of physical processes in liquid drops on horizontal surface. 15 ISFV. Minsk. 2012. ISSN 0093-1. P.18.
