声空化与声致发光研究进展

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1、声空化与声致发光研究进展陈伟中（近代声学教育部重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）1引言声波在液体中传播，在时空上产生压力起伏，出现低于静态压力的负压现象。在液体的负压区域，液体中的结构缺陷（空化核）会逐渐成长，形成肉眼可见的微米量级的气泡，这就是声空化（Acousticcavitation）[1]。声空化强度不仅与驱动声压有关，还与液体中的空化核数量有关。由于表面张力的作用，空化泡的形状几乎是球形的。描述它的动力学模型是著名的Rayleigh气泡动力学方程[2]。空化泡的运动具有明显的非线性特征，具体表现为缓慢的26膨胀和急剧的压

2、缩。通常声空化泡的半径压缩比可达10的量级，体积压缩比就是10量级，因此它具有很高的聚能能力。在压缩至最小半径前后，空化泡内部有数千度的高温和数千个大气压的高压。这是超声清洗、超声粉碎、声化学等一系列声空化应用的基础。当继续增大驱动声压，空化泡内部的温度压力继续上升，会导致光的辐射，这就是上世纪30年代发现的声致发光（Sonoluminescence，SL）现象[3]。由于当时的声致发光来自大量随机产生的空化泡的破裂发光，故也称多泡声致发光。多泡声致发光的气泡动力学特征很难测量，直到1992年，Gaitan等人结合声悬浮在充分去气的水中，实现了空

3、间上定位、时间上周期的单一气泡的声致发光，即单泡声致发光[4]，相关的研究才取得重要进展。和多泡声致发光的区别在于，它是一种稳态的振荡发光，不是破裂发光。空间定位的稳态单泡发光为实验测量提供了必要的条件，人们可以测量气泡的动力学演化过程，可以测量光子的各种关联。由于在早期的单泡声致发光实验中，没有测到多泡声致发光中的原子线状光谱，所以，人们认为多泡和单泡声致发光在机理上是不同的[5]。直到2001年，人们在极暗的（Extremedim）声致发光中开始观察到原子线谱[6]。最近，人们在抖动的（Moving）声致发光中，也观察到了Ar原子特征谱线[7

4、]。这些实验观察[6,7]开始模糊了两种声致发光的界线。近几年，关于声空化和声致发光领域最热门的、也最具争议的话题可能是声致聚变(Sonofusion)[8-12]。最早，Moss等人在数值计算中，提出了进一步提升空化泡内部高温高压实现轻核聚变的思想[8]。提升空化泡内部的高温高压有很多途径，人们首先想到的是提高驱动声压和降低驱动频率[8]。由于实验表明，在水溶液里，单泡声致发光的驱动声压范围为1.1~1.5atm，超过1.5atm气泡会破裂，不能保持稳定振荡，因此，人们更多的感兴趣于降低驱动频率。因为在较低频率声波驱动下，会导致气泡有更长膨胀时

5、间和拥有更大的气泡平衡半径[13]。然而，实验并没有支持这个理论。2000年，人们用一个6升的大球形烧瓶做声谐振器，将驱动频率从通常250毫升谐振器的25kHz降到了7.1kHz[14]，期望实现声致发光的实质性提升。结果不但没有观察到显著的提升，反而比通常的声致发光弱了很多，非常勉强地能够观察到了声致发光[14]。人们把失败的原因归咎到水蒸气的存在[14]，因为原先的理论[13]，没有考虑气泡壁内外的物质交换。实际上，人们还可以通过改变驱动超声的波形，实现声致发光的进一步提升。人们利用双频驱动[15]、多频驱动（四频）[16]、脉冲加强驱动[1

6、7]和自相似驱动[18]，都实现了光强的有效提升。同时，我们也注意到，这样的提升都是牺牲悬浮的稳定性为代价的，虽然优化后尚能稳定气泡，但稳定性很差，而且提升的幅度有限。在另一方面，人们尝试着优化和改变工作液体和饱和的气体，来提升声致发光的强度。人们发现，当液体（水）中溶解一定的稀有气体，可以显著提升声致发光的强度，尤其当水中溶入重稀有气体氙气之后，亮度提升超过一个量级[19]。同时，也看到了声致发光的同位素效应，即，当用重水（D2O）替代水（H2O）之后，声致发光强度显著降低[20]。最近，人们用低挥发度的浓硫酸做工作液体，其中溶解适量氩气，观察

7、到比通常水中强2700倍的声致发光和氩原子线谱[7]。实际上，声致发光的亮度（光子数）的提升和内部温1度压力的提升并不是一回事，人们更感兴趣的是，如何进一步提升空化泡内部的高温高压。同时，人们注意到，阻碍进一步提高驱动声压的是声悬浮，而提升空化泡内部温度压力并不需要稳定声悬浮。2002年，美国OkaRidge国家实验室的Taleyarkhan等人放弃稳定声悬浮，大幅度提升驱动声压，利用15atm的驱动声压，相当于声悬浮单泡声致发光驱动声压的10倍，在氘代丙酮（C3D6O）上进行声空化实验。他们用先后用脉冲中子发生器和Pu-Be同位素源产生的快中子

8、（14MeV）诱发声空化，用塑料闪烁计数器来检测氘－氘聚变产物――2.5MeV的中子。在开启和关闭驱动超声的情况下，得到一个4％的2.5