(57)【要約】【課題】医療分野をはじめ幾つかの分野でナノバブル径の微細化が望まれているがナノバブル径の測定方法はない。０．１ミクロン以下では径の６乗で光の散乱確率が減少するからである。ここでは、ナノバブル径の大小に影響されないナノバブル径の方法の提供をおこなう。【解決手段】マイクロバブルは縮んだ時に崩壊する確率が大きいが、ナノバブルの崩壊する確率は小さく、ナノバブル内部の圧力が膨れたときは外部の液圧に近いのに、縮んだ時の圧力は無限大になるという半径方向に極めて特殊な大幅な非線形振動をする。径に掴みどころが無いようであるが、この非線形振動は解析されており等価半径という呼び名も理論的に定義されている。等価半径は理論で定義されている故に非線形振動の周波数と理論的に結びつく。従って非線形振動の周波数を測定して等価半径を求める。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの超音波平面検知器と収束レンズからなる合成収束レンズをの焦点が一致するように向い合せた共焦点系の焦点あるいは該共焦点系と等価な系の焦点をナノバブル群を通過させるか停滞させる手段と該ナノバブル群に超音波を印加するする手段と該ナノバブル群が放出する超音波を前記２つの超音波平面検知器で検知された２つの超音波の２つの周波数を比較して該２つの周波数が等しい場合にのみ該周波数の値を出力する手段からなることを特徴する周波数測定法
【請求項２】
ナノバブル基本振動周波数の２分の１近傍或いは２倍近傍の周波数をもつ超音波を外力として該ナノバブルに印加する手段と、該超音波の印加により振幅が生成或いは成長する該ナノバブルの基本振動周波数を観測する手段と該観測された基本振動周波数と流体力学の理論で得られるナノバブル半径と基本振動周波数の関係数式をもちいて該ナノバブルの半径を算出する手段をもつことを特徴するナノバブルの半径測定法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】本発明はナノバブルの非線形振動の基本波の周波数を知ることにより該ナノバブルの径を求めるものである。
【背景技術】
【０００１】医療分野その他の分野で使用するナノバブルを製造あるいは使用する場合、そのナノバブル径の確認や管理は重要になるであろう。しかし合理的な測定法は存在しないといえる。現在、動的光散乱法と呼ばれるものが使われているが、レーザの光子統計分光の範疇のもので、コヒーレント状態の光子というポアソン統計に従うランダムな光子数分布からの「バンチング方向へのずれの量」を信号としていることに変わりはない。一方アインシュタイン・ストークスの式から見ればナノ粒子によるスペクトルの拡がりは広く、測定は光子統計分光ではなく、ファブリ―ペロー干渉分光の領域であろう。【０００２】そもそも、光の散乱確率は０．１ミクロン以下の微小散乱粒子の場合、径が微小になるにともない粒子径の６乗に比例して減少する。ナノバブルだけの入った液は透明で散乱光は無いに近い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】ナノバブルは固有の周波数で非線形振動をしている。ナノバブルが膨れたときの径はバブル内部の圧力が外部の静液圧に近いぐらい大きいが、縮んだときの径はバブル内部の圧力が超高圧になるくらい限りなく小さくなる。大変な振動で、ナノバブル径はつかみどころが無い。それでは済まないので、等価半径という呼び名が理論的に定義されている。等価半径は理論的に定義されているものであるから、理論的に非線形振動の周波数と結びつく。非線形振動の周波数を測定してその値から理論的に求めたのが唯一の合理的な等価半径でありそれ以外に径と呼べるものは無い。
従って、非線形振動の周波数とナノバブルの径との関係を理論的に明確すること、それから、ナノバブルの振動周波数測定を行う場合、アインシュタイン・ストークスの式に従ったナノバブルのランダム運動のドップラー効果による周波数のシフトがたいへんな問題になる。この問題の解決をすることの二件を課題とする。
【課題を解決する手段】
【０００４】ナノバブルの半径方向の振動は専らＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔ方程式を用いて議論している。
Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔ方程式は
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である。Ｒ＝Ｒ（ｔ）はバブルの半径、Ｒ０は等価半径、ρは液体の密度、ｐｈは静液圧、ｐｖはバブル内の蒸気圧、ｋはポリトロ−プ定数、σは表面張力、μは液体の粘性係数、Ｆ（ｔ）は外力である。
【０００５】図１はＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔ方程式の解を示したものである。点線は大振幅の場合、実線は小振幅の場合で振幅の大小により波形が大巾に変わる大変な振動であるが、周波数は変わらない。非線形振動の周波数とナノバブルの径との関係を理論的に明確するとき、周波数が変わらないことは非線形振動の基本振動周波数を知ればよいことを意味する。Ｓ／Ｎ比が充分であれば振幅は小さい方がよい。そこでＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｐｌｅｓｓｅｔ方程式を小振幅の扱いに適した形に変形する。
ｘ（ｔ）＜＜１，
という条件のもとで
Ｒ（ｔ）＝Ｒ０（１＋ｘ（ｔ））
とおく。外力を外部励起超音波
Ｆ（ｔ）＝Ｐａｓｉｎ（ωｅｔ）
として（１）式を書き換えると
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となる。右辺第一項は線形振動項２σρ／Ｒ０２という量は復元力である。方程式（２）の解の基本振動角周波数をω０とすると。
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が成り立つ。この関係が課題を解決する原点である。この周波数はナノバブルの非線形振動の基本振動角周波数でもある。
【０００６】外力として外部励起超音波を印加する場合、その超音波の角周波数ωｅはナノバブルの基本振動角周波数ω０とフィルタで分離出来る程度に離れている必要がある。
非線形振動のスペクトルのテールは長い。１／２分周波、第２高調波の周波数をカバーしている。ωｅ／２πが１／２分周波の周波数以下、あるいは第２高調波の周波数以上でも、スペクトルのテールを介してナノバブルの基本振動は励起される。図３に１／２分周波数ωｅ＝ω０／２の外部励起超音波で励起した場合のスペクトルを示す。図示しないがωｅ＝２ω０とした場合も同様である。この励起はナノバブルの振動が調和振動からの変形が目立たないていどの強さに制御する。つまり、（２）式の線形項以外が無視できるような励起を行いナノバブルの基本振動角周波数ω０のみをとりだす。図２は外部励起超音波Ｆ（ｔ）＝Ｐａｓｉｎ（ωｅｔ）が無い場合のスペクトルである。
外力として外部励起超音波の印加は振動のスペクトル幅を狭くして基本波の角周波数ω０をクリアにする効果もある。
【０００７】ドップラー効果による周波数シフトの影響の除去の問題は、一例であるが、共焦点型の結像系の主軸を法線とする平面内を運動するナノバブルの波動のみを取り出すことで解決する。
【発明の効果】
【０００８】医療分野その他でナノバブルの径が小さくなること望んでいるが、バブル径が０．１ミクロンを下回るとバブル径の６乗に比例して散乱光の強度は下がる。光によるバブル径の観測はことごとく不能となる。
本発明はナノバブルの基本振動周波数を観測して、ナノバブルの振動周波数の値から理論的にナノノバブル径を算出するものである。
マイクロバブル崩壊するが、ナノバブルは崩壊しないで特異な非線形振動をする。大振幅では、バブルの内圧は膨れたときは回りの水圧にほぼ等しいほど大きいが、縮んだときは核融合起こるかも知れないといわはれるほど小さい。大きさは流体力学の理論で定義をして名前を付けている。等価半径という名前で、非線形振動周波数の関数でもある。非線形振動周波数を測定して等価半径を求める。これが唯一の求め方である。取引も「等価半径」で行うしかない。
問題はアインシュタイン・ストークスの式に従い、激しく運動しているナノバブル群の出す波動の周波数をドップラー  フリーで観測する手段である。本発明では共焦点系を利用して問題を解決している。
【図面の簡単な説明】
【図１】はナノバブル固有の非線形振動の波形である。
【図２】はナノバブル固有の非線形振動スペクトルである。
【図３】は外部励起超音波で励起したナノバブルの非線形振動スペクトルである。
【図４】は装置に関する実施例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】ナノバブルは、その大きさその他で決まる固有の角周波数ω０で非線形振動をおこなっているが、このナノバブルに外力として前記非線形振動の角周波数と異なる角周波数ωｅを持つ外部励起超音波を印加して角周波数ω０の非線形振動を取り出し、該角周波数ω０の値から計算によって該ナノバブルの径を求めるのであるが、該ナノバブルの角周波数ω０の測定に際して大きい問題を解決する必要がある。その問題はナノバブルが早い速さでランダムな運動を行っており、ドップラー効果でナノバブルの角周波数ω０の値が大きくランダムに変調されるが、このランダムな変調の影響をなくさなければならない。この変調の影響の除去の方法が発明を実施するための形態になる。
【実施例】
【００１０】図４は本発明の実施例である。ナノバブル集団３内のナノバブルは角周波数ωｅを持つ外部励起超音波１で励起され、角周波数ω０の非線形振動の超音波を放出しながら高速でランダムな方向に運動している。ランダムな方向に運動しているナノバブル群のうち、二つの平面超音波検知器６、１６と超音波レンズ４で構成される共焦点系の主軸５を法線とする平面内に速度ベクトル７をもつ集団のみを披測定ナノバブル群と見做す。即ち、二つの平面超音波検知器に同じ周波数の波を与えるナノバブル群である。該ナノバブル群の識別は検知器６と検知器１６の電気出力をリアルタイムのスペクトラムアナライザの対８，１８で監視し、スペクトルが合致した周波数のみをアンド回路９で信号として取り出す。そしてその角周波数ω０は計算器１０で用いられ、（３）式ω０２＝２σ  ρ／Ｒ０２から直ちに得られる式Ｒ０＝（２σ  ρ）１／２／ω０として集団を構成するナノバブルの等価半径が求められる。
【符号の説明】１、外部励起超音波
２、ナノバブルの基本振動角周波数
３、ナノバブル集団
４、収束型超音波レンズ
５、主軸
６，１６、平面超音波検知器
７、面内速度ベクトル
８，１８スペクトラムアナライザ
９，アンド回路
１０、計算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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