QUELQUES CARACTERISTIQUES DES IMPULSIONS DE SONOLUMINESCENCE

(1)

HAL Id: jpa-00219556

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00219556

Submitted on 1 Jan 1979

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

QUELQUES CARACTERISTIQUES DES IMPULSIONS DE SONOLUMINESCENCE

G. Gimenez

To cite this version:

G. Gimenez. QUELQUES CARACTERISTIQUES DES IMPULSIONS DE SONOLUMINESCENCE.

Journal de Physique Colloques, 1979, 40 (C8), pp.C8-289-C8-292. �10.1051/jphyscol:1979850�. �jpa-

00219556�

(2)

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C8, supplément au n°U, tome 40, novembre 1979, page C8-289

QUELQUES CARACTERISTIQUES DES IMPULSIONS DE SONOLUMINESCENCE G. GIMENEZ

Laboratoire de Génie Electrique de Paris 33, avenue du Général Lealero - 92260 Fontenay-aux-Roses Résumé. - Les impulsions de pression et les impulsions lumineuses provenant d'une petite zone d'un champ de cavitation ultrasonore ont été analysées simultanément. Cette étude montre que si les im- pulsions de pression surviennent à chaque période ultrasonore, il n'en est pas de même des impulsions lumineuses qui se produisent en moyenne environ toutes les cinq périodes. Par ailleurs, un analy- seur multicanaux permet d'obtenir la distribution d'amplitudes des impulsions délivrées par le pho- tomultiplicateur. Cette distribution révèle que l'impulsion la plus probable est celle qui provoque l'émission d'un seul électron par la photocathode.

1. INTRODUCTION. - Dans certaines études expérimen- tales de la cavitation, on utilise des capteurs qui ne sont sensibles qu'à l'action de quelques bulles.

De telles études, que T o n peut qualifier de "mi- croscopiques", permettent de relier plus facile- ment les effets observés à leur cause : l'implosion des bulles de cavitation.

Les impulsions de pression (ondes de choc) et les impulsions lumineuses (sonoluminescence), qui résultent des implosions des bulles, peuvent s'étu- dier de manière "microscopique". De plus, MAKAROV et coll. /l/ /2/ ont montré que la distribution d'amplitudes des impulsions délivrées par un cap- teur piézoélectrique est reliée, toutes choses égales par ailleurs, à la perte de poids subie par un échantillon métallique substitué au capteur.

Cette corrélation des impulsions de pression avec une mesure "macroscopique" (la perte de poids) ren- force l'intérêt de leur étude.

Dans cet article, nous examinerons une partie des résultats obtenus lors d'une analyse simulta- née des impulsions de pression et de lumière qui résultent des implosions des mêmes bulles de cavi- tation.

2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL. - Les deux capteurs sont disposés ainsi que l'indique la figure 1. le capteur de lumière est un câble optique, connecté 8 un photomultiplicateur. Ce câble est constitué

• Associé au C.R.N.S.

de fibres, dont les sections sont incluses dans un cercle de diamètre 1,5 mm. Elles transmettent la lumière qui se produit dans un cône de 11° de demi-angle au sommet. Le photomultiplicateur (RTC, XP 1002) est refroidi par un courant gazeux provenant d'un réservoir d'azote liquide. Le cap- teur de pression comporte un disque de céramique piézoélectrique de diamètre 1,5 mm et d'épaisseur 0,3 mm.

Ainsi disposés, les capteurs sont sensibles aux actions des'mêmes bulles de cavitation. En ef- fet AKULICHEV /4/ a montré que les ondes de choc Fig. 1. - Disposition des capteurs. 1 : Céramique piézoélectrique 2 : Fibres optiques.3 : Armature du câble optique. 4 : Sommet du transducteur ultrasonore.

Abstract. - Pressure impulses and light impulses originating in a small zone of ultrasonic cavita- tion field were analysed simultaneously. This study showed that while the pressure impluses occured in each ultrasonic period, the light impulses were observed, on the average, once in about every five periods. Incidentally, a multichannel analyser facilitates the pulse height analysis of the impulses produced by the photomultiplier. This distribution reveals that the most probable impulse is that which produces the emission of a single electrom by the photocathode.

Article published online by EDP Sciences and available at

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1979850

(3)

JOURNAL DE PHYSIQUE

s ' a t t é n u e n t extrêmement v i t e . A une d i s t a n c e Ro(Ro : rayon i n i t i a l de l a b u l l e ) , l ' a m p l i t u d e de c e t t e onde e s t d i v i s é e par 103, e t par

l o 5

à une d i s t a n c e 10 Ro

.

Pour é t u d i e r l e s impulsions de sonoluminescence, nous avons é t é amenés à déterminer l a d i s - t r i b u t i o n d'amplitudes des impulsions anodiques dé- l i v r é e s par l e p h o t o m u l t i p l i c a t e u r . Rappelons qu'une t e l l e d i s t r i b u t i o n s ' o b t i e n t au moyen d ' u n analyseur d ' ampli tudes. Cet a p p a r e i l

,

q u i comporte nM canaux, peut r e c e v o i r des impulsions dont 1 'am- p l i t u d e e s t comprise e n t r e O e t VM

.

^Ild i v i s e c e t i n t e r v a l l e en nM p a r t i e s , chacune correspondant à A V :

Quand 1 'analyseur r e ç o i t , pendant une durée At, une s é r i e d ' i m p u l s i o n s de diverses ampli tudes, il i n d i q u e l e nombre AN d ' e n t r e - e l l e s q u i o n t une ampli tude comprise e n t r e V e t V

+

AV. La q u a n t i - t é AN e s t une f o n c t i o n de V, V v a r i a n t par va- l e u r s d i s c r è t e s s u i v a n t l a l o i :

3. RESULTATS EXPERIMENTAUX.

-

Lorsqu'on e n r e g i s t r e simultanément l e s impulsions provenant des deux capteurs, on o b t i e n t des oscillogrammes du type de c e l u i représenté par l a f i g u r e 2. On constate que, contrairement aux i m p u l s t i o n s p i é z o é l e c t r i q u e s , l e s impulsions anodiques ne se p r o d u i s e n t pas à chaque période u l t r a s o n o r e . Il ne f a i t cependant pas de doute que l e s deux types d ' i m p u l s i o n s sont concomi

-

t a n t s .

L ' é v o l u t i o n , en f o n c t i o n de l a puissance élec- t r i q u e P f o u r n i e au tranducteur, de l a d i s t r i b u - t i o n d'amplitudes des impulsions anodiques e s t r e - présentée par l a f i g u r e 3. On v o i t que l a forme de

F i g des ce.

par

.

^3.

-

E v o l u t i o n de l a d i s t r i b u t i o n d'amplitudes impulsions anodiques en f o n c t i o n de l a puissan- n : Numéro du canal. AN : Nombre d'événements canal. d = 5,8 mm. t = 30 S . O : B r u i t . p = 2 0 ~ , 2 : P = 3 0 w . 3 : P = 4 0 w . P = 5 O w . 5 : P = 6 0 ~ .

l a d i s t r i b u t i o n r e s t e l a même, q u e l l e que s o i t l a v a l e u r de l a puissance, en p a r t i c u l i e r , l e maximum se s i t u e chaque f o i s dans l e canal no 77. Par a i l - l e u r s , on remarque qu'une courbe e s t au-dessus de t o u t e s l e s autres : c e l l e correspondant à une puissance de 50 W. Le nombre t o t a l de coups correspondant e s t de 5800 p a r seconde. A ce moment il se pro- d u i t donc, en moyenne, une impulsion anodique pour 3,45 périodes ultrasonores

.

Remarquons que SIROTYUK /5/ a observé que l e courant anodique de son photo- m u l t i p l i c a t e u r passe p a r un maximum lorsque l a puissance augmente. Notons que l e s courbes numérotées de 1 à 5 o n t é t é obtenues en deux temps : d'abord, en présence de sonol uminescence, on e n r e g i s t r e l a d i s t r i b u t i o n q u i comprend donc des impulsions anodiques e t des impulsions de b r u i t ; e n s u i t e on sup- prime l ' o n d e u l t r a s o n o r e e t on s o u s t r a i t l a d i s t r i - b u t i o n des impulsions de b r u i t de l a d i s t r i b u t i o n obtenue précédemment. B i e n entendu, on opère dans l e s deux cas pendant 1 a même durée A t . La courbe, numérotée O e t q u i représente l a d i s t r i b u t i o n des seules impulsions de b r u i t , permet de comparer l e s importances r e l a t i v e s du phénomène "parasi t e "

( b r u i t ) e t du phénomène é t u d i é (sonol uminescence).

Le maximum q u i a p p a r a î t s u r l a d i s t r i b u t i o n de l a f i g u r e 3 se s i t u e dans l a zone du "photoelec- Fig. 2.

-

Enregistrement simultané des impulsions

de p r e s s i o n (haut) e t des impulsions lumineuses t r o n unique" : l e s impulsions anodiques l e s p l u s (bas). E c h e l l e h o r i z o n t a l e : 50 p s par carreau. nombreuses correspondent à 1 'émission d'un seul

(4)

G.

GIMENEZ

électron par l a photocathode. Cette observation ré- su1 t e d'une expérience complémentaire dans laque1 l e on é c l a i r e l e tube au moyen d'une lumière de t r è s f a i b l e i n t e n s i t é

:

l a probabilité pour que deux photons arrivent simultanément s u r 1 a photocathode e s t alors négligeable. Dans ces conditions on s ' a - perçoit que l e s impulsions anodiques sont comptabi- l i s é e s dans l a région où se produit l e maximum de l a d i s t r i b u t i o n de l a figure 3.

4. DISCUSSION

ET

INTERPRETATION. - Le f a i t qu'une impulsion anodique e s t d'autant plus probable q u ' e l l e correspond

à

un p e t i t nombre de~photoélec- trons émis, indique que l e nombre de photons asso- c i é

à

une impulsion de sonoluminescence e s t f a i b l e . Dans ce cas,

à

cause du rendement quantique

pX

de l a photocathode, i l peut y avoir une impulsion de 1 umière e t pas impulsion anodique. Supposons donc qu'une impulsion de sonoluminescence s e pro- duise

à

chaque période ultrasonore, e t considérons l e cas d'une puissance de 50

^W.

La probabilité d'émission d'un photoélectron e s t de 0 2 9 puis- q u ' i l y a une impulsion anodique pour 3,45 périodes ultrasonores.

Supposons également que 1 'émission de 1 umière e s t due

à

l a compression adiabatique du gaz e t de l a vapeur contenus dans l a bulle (hypothèse du

"point chaud" de NOLTINGK-NEPPIRAS /6/ / 7 / ) e t qu'une impulsion anodique corresponde au rayonne- ment d'une seule b u l l e . Nous pouvons

à

présent prendre en compte l a géométrie du problème, shéma- t i s é e s u r l a figure 4. Le flux lumineux d9X rela-

Fig. 4. - Géométrie du probleme.

D :

Diamètre u t i l e du câble optique. Rm

:

Rayon minimal a t t e i n t par l a bulle. d

:

Distance e n t r e l a bulle e t l e câble optique.

t i f

^à

l ' i n t e r v a l l e spectral [X

;

X +

^dX1,

envoyé par l'élément de surface dS e t qui arrive s u r l a photocathode s ' é c r i t

:

avec

La valeur 0,55 représente l e c o e f f i c i e n t de transmission du câble optique. Dans nos expériences ( c f .

/8/),

on peut évaluer

^à

4,66 s r 1 'angle s o l i d e n . Pour poursuivre l e c a l c u l , i l faut introduire l a durée

^E

pendant laquelle a l i e u 1 'émission de lumière. Le nombre

N

de photoélectrons peut alors ê t r e calculé en e x p l i c i t a n t l a luminance LIST au moyen de l a formule de PLANCK. On aboutit a l o r s

à :

avec

où c * ,

^{h , k}

sont respectivement l a v i t e s s e de propagation de l a lumière e t l e s constantes de

PLANCK

e t de BOLTZMANN. L ' i n t é g r a l e IT a é t é cal- culée par une intégration numérique pour des tempé- ratures comprises entre 500 K e t 9500 K. Les va- leurs obtenues sont spécifiques aux photomultipli- cateurs qui u t i l i s e n t des photocathodes Sb-Na-K-Cs (réponse du type S 20).

Les grandeurs

Rm

e t

E

peuvent ê t r e éva- luées en résolvant (numériquement) l'équation de KIRKWOOD-BETHE /9/

:

d@X

=

0,55

L

dS cos

B S2

X ,T

(5)

~ 8 - 2 9 2 JOURNAL DE PHYSIQUE

R : Rayon de l a b u l l e

U : V i t e s s e de l a p a r o i de l a b u l l e c : Vitesse de propagation du son H : E n t h a l p i e

n : 7 A : 3001 atm

Po : Masse volumique du l i q u i d e (1 ~ j . c m - ~ ) Po : Pression s t a t i q u e ( 1 atm)

o : Tension s u p e r f i c i e l l e (75 dyn.cm-l) Ro : Rayon i n i t i a l de l a b u l l e

Y : 1,33 B : 3000 atm

Pa : Amplitude de l a pression u l t r a s o n o r e w : P u l s a t i o n u l t r a s o n o r e

Cette équation, q u i suppose que l e s t r a n s f o r - mations sont adiabatiques, permet d ' é v a l u e r l a va- l e u r du rayon minimal Rm q u ' a t t e i n t l a b u l l e (donc l a température maximale à ce moment), a i n s i que l a durée E. Nous pouvons a l o r s c a l c u l e r , au moyen des expressions ( 3 ) e t (4) l a température d'une b u l l e q u i correspond à une v a l e u r donnée de N. Le t a b l e a u ci-après i n d i q u e quelques valeurs dans l e cas d'une amplitude de l a p r e s s i o n u l t r a - sonore (Pa) de 5 atm e t pour une v a l e u r de N de 0 2 9 . Nous constatons que l e s deux températures o n t

l e même o r d r e de grandeur, mais que l e s v a l e u r s dé- d u i t e s des observations au p h o t o m u l t i p l i c a t e u r s o n t nettement i n f é r i e u r e s à c e l l e s obtenues p a r l a r é - s o l u t i o n de l ' é q u a t i o n de KIRDWOOD-BETHE. Cependant deux considérations suggèrent que 1 ' é c a r t e n t r e ces valeurs e s t moins grand. D'abord nous avons supposé que l e s b u l l e s rayonnent corne des corps n o i r s ; pour un a u t r e corps l a température T(N = 0,29) devra ê t r e supérieure à c e l l e du tableau pour con- s e r v e r l a même p r o b a b i l i t é d'émission. Ensuite

l ' i m p l o s i o n n ' e s t pas entièrement adiabatique, a i n s i que l ' a montré HICKLING / I O / , aussi l a v a l e u r de l a température (KIRKWOOD-BETHE) e s t i n f é r i e u r e à c e l l e du tableau.

5. CONCLUSION.

-

L'étude des impulsions de sonoluminescence i n d i q u e que l e nombre de photons asso- c i é s à ces impulsions e s t s i f a i b l e q u ' i l ne provoque pas t o u j o u r s , un égard au rendement quantique, 1 'a p p a r i t i o n d ' i m p u l s i o n s u r l'anode du photomul- t i p l ic a t e u r . Pour rendre p l us q u a n t i t a t i f s l e s ren- seignements t i r é s de c e t t e étude, il nous p a r a f t nécessaire de déterminer expérimentalement l a du- rée E pendant l a q u e l l e e s t émise l ' i m p u l s i o n de 1 umière. L ' é c a r t e n t r e l e s valeurs "expérimentale"

e t c a l c u l é e de l a température p e r m e t t r a i t de p r é c i - s e r l a n a t u r e thermodynamique de l ' i m p l o s i o n . On p o u r r a i t a l o r s m o d i f i e r en conséquence l e s équa- t i o n s du mouvement.

BIBLIOGRAPHIE

/1/ Makarov V.K., Acoustique e t u l t r a s o n s ( P u b l i - c a t i o n "Technica", K i e v }

9

(1974) 11.

/2/ Kortnev A.A., Makarov V.K. e t Suprun S.G., Akust. Zh. (1976) 718.

/3/ Kortnev A.A., Makarov V.K. e t Suprun S.G., Acoustique e t ultrasons(Pub1ication "Technica", Kiev)

8

(1973) 7.

/4/ Akulichev V.A., "Pulsations o f c a v i t a t i o n v o i d s " dans "High-intensi t y u l tr a s o n i c f i e l d s " , é d i t é par Rozenberg L.D. (Plenum Press, 1971).

/5/ S i r o t y u k M.G.

,

"Experimental i n v e s t i g a t i o n s o f u l tr a s o n i c c a v i t a t i o n " dans "High-intensi t y u l tr a s o n i c f i e l d s " é d i t é p a r Rozenberg L. D.

(Plenum Press, 1971).

/6/ N o l t i n g k B.E. e t N,eppiras E.A., Proc. Soc.

(Londres)

B

(195Q) 674.

/7/ Neppiras E.A. e t N o l t i n g k B.E., Proc. Phys.

Soc. (Londres)

B

(1951) 1032.

/8/ Gimenez G., " C o n t r i b u t i o n à l ' é t u d e des e f f e t s n6canique, lumineux e t é l e c t r i q u e de l a c a v i t a -

t i o n u l t r a s o n o r e " Thèse de 1 'U n i v e r s i t é de P a r i s X I (1978).

/9/ Kirkwood J.G. e t Bethe H.A., OSRD Rep. no 588 (1942).

/ I O / H i c k l i n g R.,

J.

Acoust. Soc. Am.

2

(1963) 967 967.