基于单光子探测技术的超声空化检测方法研究

发布时间：2017-06-11 22:06

  本文关键词：基于单光子探测技术的超声空化检测方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声空化是指在超声波的作用下,液体中的微气泡发生振动,并生长、崩溃的一系列动力学过程。该过程将在局部产生巨大瞬时压力(上百兆帕)和高温(5000K以上),并产生高速的微射流以及强烈的冲击波。目前,空化过程产生的高温、高压环境使超声空化在生活服务业、化工、材料学、环境科学以及医学等诸多领域有着广泛的应用。 然而,超声空化受到很多复杂因素的影响,加之它的应用历史也不长,因而在各领域中时而有利、时而有弊、时而利弊相当。为此,对超声空化强度的定量检测就显得非常重要,因为它事关应用的安全和有效。目前的超声空化强度测量一般采取一系列物理和化学的方法,如时差法、空化噪声测量法、水听器测量法、金属箔膜检测、医学图像检测、碘释放法、电导率法、对苯二甲酸荧光法、电子自旋共振(ESR)技术检测以及染色法等。这些方法或存在难以快速检测、或存在难以实现特定区域测量、或存在需要接触式测量而影响被测液体等问题。因此,需要研发一种非接触式可实现区域检测的定量快速检测方法。 本文对超声空化的光电检测方法进行了研究,主要的研究内容包括如下几个方面： 1.基于单光子探测技术的超声空化检测模型的建立。根据超声空化的基本机理,超声空化的检测可以通过检测超声空化气泡来实现,其强度可以利用单位体积被测液体中空化气泡数量,即空化气泡数浓度来表征。通过光散射理论尤其是Mie散射理论为学习,本文提出了利用光散射原理定量测量超声空化泡散射光强的方法实现空化气泡数浓度的定量测量。通过单光子探测技术的研究,本文寻找到了一种微弱散射光的定量测量手段。结合所述超声空化的机理、光散射原理以及单光子探测的基本理论,本文建立了超声空化检测模型,并利用该模型对检测方法的性能(精度、稳定性、线性度)进行了分析,为下一步超声空化检测装置的研制以及超声空化检测实验的进行提供了理论依据。 2.基于单光子探测技术的超声空化检测装置的研制。本文根据所建立的超声空化检测模型,研制了两套超声空化测量装置,即基于稳态光子计数(SSPC)的超声空化检测装置与基于时间相关的单光子计数(TCSPC)的超声空化检测装置。主要研制了其中的若干关键模块,如光源模块、光路结构、时间测量模块以及数据处理与控制模块。为了加深对TCSPC技术的理解,本文改进了基于TCSPC超声空化检测装置的光路结构以及后续的数据处理算法,实现了较高精度的激光测距功能,验证了测量装置的可靠性。该部分工作为下一步的超声空化检测实验提供了设备基础。 3.基于单光子探测技术的超声空化检测实验。在超声空化检测模型建立以及超声空化检测装置研制的基础上,本文进行了超声空化检测实验。首先利用一种稳定的微小颗粒物悬浮液福尔马肼溶液进行了模拟测量实验,探索了两种装置的性能,对比两种装置的测量效果,分析它们的优缺点,选择了一种更适于超声空化检测的测量装置。在此基础上,利用基于SSPC的超声空化检测装置完成了不同粘度液体、不同超声强度下的液体以及样品池中不同区域的超声空化的初步检测,并分析了现有实验的不足,为未来的工作提出了新的目标。
【关键词】：空化检测 空化气泡 单光子探测 光散射 时间相关的单光子计数技术
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB553
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 超声空化检测方法概述13-18
• 1.2.1 几种检测方法的比较13-15
• 1.2.2 空化的光电检测15-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 1.4 本文项目支持19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 超声空化检测原理20-32
• 2.1 超声空化机理简介20-22
• 2.2 光散射原理简介22-24
• 2.3 单光子探测技术简介24-26
• 2.3.1 稳态光子计数24-25
• 2.3.2 时间相关的单光子计数25-26
• 2.4 超声空化的光电检测模型26-30
• 2.4.1 基于SSPC的超声空化检测原理27-29
• 2.4.2 基于TCSPC的超声空化检测原理29-30
• 2.5 本章小结30-32
• 第三章 超声空化检测装置研制32-46
• 3.1 总体设计32-33
• 3.1.1 基于SSPC的装置设计32-33
• 3.1.2 基于TCSPC的装置设计33
• 3.2 关键技术研究33-41
• 3.2.1 光源模块34-35
• 3.2.2 单光子探测模块35-36
• 3.2.3 时间测量模块与数据处理&控制模块36-38
• 3.2.4 光路结构38-40
• 3.2.5 超声换能器模块40-41
• 3.3 研制结果及应用实践41-44
• 3.3.1 研制结果41-42
• 3.3.2 研制设备的应用实践42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 空化检测实验46-64
• 4.1 基于SSPC测量装置的模拟测试46-51
• 4.1.1 实验条件46-47
• 4.1.2 实验结果47-48
• 4.1.3 结果分析48-51
• 4.2 基于TCSPC测量装置的模拟测试51-55
• 4.2.1 实验条件51-52
• 4.2.2 实验结果52-54
• 4.2.3 结果分析54-55
• 4.3 超声空化的光电检测实验55-63
• 4.3.1 不同超声强度56-58
• 4.3.2 不同粘度58-60
• 4.3.3 不同区域超声空化检测60-62
• 4.3.4 实验分析及存在的问题62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 总结与展望64-66
• 5.1 主要工作总结64
• 5.2 主要创新点64-65
• 5.3 未来工作展望65-66
• 参考文献66-72
• 致谢72-74
• 攻读硕士期间科研成果74

【参考文献】

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本文编号：442566