Способ лазероиндуцированного возбуждения сверхинтенсивного пузырькового кипения
METHOD OF LASER-INDUCED EXCITATION OF ULTRAINTENSE BUBBLE BOILING

Изобретение относится к технологиям передачи тепла, а именно к передаче тепла от сосредоточенного источника в жидкость, и может быть использовано, например, в биотехнологии и медицине, в частности, для эффективного нагрева тканей с целью деструкции патологических образований.
Известен способ передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость, в котором большие значения тепловых потоков достигаются за счет возбуждения так называемого режима "микропузырьковой эмиссии" (Kumagai, S., Kawabata, K., Katagari, Т., and Shimada, R. Temperature and Pressure Actuation Associated with Bubble Motion in Microbubble Emission Boiling // Proc. 11th Int. Heat Transfer Conf. 1998, Kyongju, Korea. V. 2. P. 279), при этом жидкость обезгажена и недогрета до температуры насыщения. Основной недостаток известного способа заключается в том, что возбуждение режима "микропузырьковой эмиссии" происходило в результате принудительной (вынужденной) конвекции. Во многих системах, в том числе и биологических, организация вынужденной конвекции представляется трудноразрешимой, а иногда и невыполнимой задачей.
2
Известен способ передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость, в котором рекордные значения тепловых потоков до 5000 Вт/см достигаются за счет возбуждения так называемого режима "сверхинтенсивного пузырькового кипения" (Zhukov S.A.,  S. Yu., Echmaev S.B. Concerning the Magnitude of Maximum Heat Flux and the Mechanisms of Superintensive Bubble Boiling // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 46. №18. P. 3411-3427). Известный способ заключается в том, что, сосредоточенный источник тепла, погруженный в жидкость, является  проволочным нагревателем, который нагревается проходящим через него электрическим током, при этом его температура стабилизируется с помощью автоматического управления электрической мощностью, а жидкость обезгажена и недогрета до температуры насыщения. В известном способе рекордные величины теплового потока в воде были получены без принудительной (вынужденной) конвекции. Считается, что режим "сверхинтенсивного пузырькового кипения" формируется вследствие самоорганизации распада метастабильного состояния перегретой жидкости с образованием на начальном этапе затопленных одиночных микроструй, состоящих из двухфазных потоков направленных от поверхности нагревателя в объем жидкости в произвольных направлениях независимо от силы тяжести. При этом скорости потока в струях вблизи проволочных нагревателей могут достигать 0.5 м/с (Zeigarnik, Y.A., Platonov, D.N., Khodakov, K.A., Shekhter, Y.L. Visualization of boiling of subcooled water // High Temperature. 2011. V. 49. №4. P. 566-570). Характерным для режима "сверхинтенсивного пузырькового кипения" являются: 1) большая величина удельного теплового потока, 2) характерные звуковые эффекты в виде сильных акустических шумов в звуковом диапазоне частот, 3) гидродинамические возмущения большего по сравнению с размерами нагревателя масштаба и 4) критическая зависимость возникновения режима от мощности: при уменьшении мощности ниже пороговой величины процесс прекращается.
Существенным недостатком известного способа является его низкая эффективность и надежность, поскольку он возможен только в определенных условиях - обезгаженная жидкость и сосредоточенный источник тепла в виде проволочного нагревателя с тщательно стабилизируемой температурой. Необходимость обезгаживания жидкости делает этот способ передачи тепла неэффективным и неприемлемым во многих случаях, например, в медицинских приложениях. Кроме этого, такой распределенный  нагревательный элемент как проволочный нагреватель является крайне ненадежным, поскольку не способен выдерживать реальные механические нагрузки, возникающие в различных технологических процессах и медицинских технологиях.
Этих недостатков лишены лазероиндуцированные способы возбуждения пузырькового кипения. Эти способы заключается в том, что, сосредоточенным источником тепла, погруженным в жидкость, является торец оптического волокна диаметром 200-400 мкм с поглощающим покрытием из углерода, который нагревается непрерывным лазерным излучением умеренной мощности (1-10 Вт). Известен лазероиндуцированный способ возбуждения сверхинтенсивного пузырькового кипения (В.М. Чудновский, В.И. Юсупов, А.В. Дыдыкин, В.И. Невожай, А.Ю. Кисилев, С.А. Жуков, В.Н. Баграташвили Лазероиндуцированноь кипение биологических жидкостей в медицинских технологиях // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, №4. С. 361-370). Способ заключается в том, что, сосредоточенным источником тепла, погруженным в воду, является торец оптического волокна диаметром 200-400 мкм с поглощающим покрытием из углерода, который нагревается непрерывным лазерным излучением умеренной мощности (1-10 Вт). Способ позволяет возбуждать сверхинтенсивное пузырьковое кипение в воде и поддерживать его в течение достаточного длительного времени, пока сохраняется похлощающее покрытие (до 1-10 мин в зависимости от мощности лазерного излучения). Основной недостаток известного способа заключается в том, что слой углерода на торце волокна не является стабильным и со временем интенсивность пузырькового кипения уменьшается, а потом и полностью прекращается.
Этого недостатка лишен лазероиндуцированный способ возбуждения сверхинтенсивного пузырькового кипения (В.М. Чудновский, В.И. Юсупов, А.В. Дыдыкин, В.И. Невожай, А.Ю. Кисилев, С.А. Жуков, В.Н.  Баграташвили Лазероиндуцированное кипение биологических жидкостей в медицинских технологиях // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, №4. С. 361-370).
Существо данного способа, который принят за прототип, заключается в том, что сосредоточенным источником тепла, погруженным в воду, является слой воды вблизи торца оптического волокна диаметром 200-400 мкм, который нагревается непрерывным лазерным излучением умеренной мощности (1-10 Вт) с длиной волны 1.56 или 1.9 мкм, при этом жидкость недогрета до температуры насыщения. Способ позволяет возбуждать сверхинтенсивное пузырьковое кипение в воде и поддерживать его в течение необходимого времени. Нагревание слоя воды вблизи торца оптического волокна происходит из-за сильного поглощения лазерного излучения с длинами волн 1.56 и 1.94 мкм. Основной недостаток этого способа заключается в нестабильности генерации: размер генерирующихся микропузырьков сильно отличается (на порядки), что приводит к большим флуктуациям тепловых потоков.
Задачей изобретения является разработка эффективного способа нагрева тканей с целью деструкции патологических образований.
Технический результат состоит в увеличении стабильности передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость и генерации микропузырьков в узком диапазоне размеров.
Поставленная задача и достигаемый технический результат обеспечиваются тем, что в способе лазероиндуцированного возбуждения сверхинтенсивного пузырькового кипения сосредоточенным источником тепла является слой воды или слой водного раствор NaCl в концентрации до 5%. вблизи торца оптического волокна, который недогрет до температуры насыщения. При этом диаметр волокна составляет 5-1000 мкм, а нагрев осуществляют импульсным лазерным излучением интенсивностью 1-500 кВт/см2, с длительностью импульса 4 нс - 10 мкс, частотой импульсов 1 Гц - 100 МГц с длиной волны в диапазоне 1.4-3 мкм.
Существо изобретения поясняется изображениями на фигурах.
На фиг.1 представлен кадр скоростной съемки, иллюстрирующий инициированный лазерным нагревом слоя воды вблизи торца оптического волокна режим сверхинтенсивного пузырькового кипения воды. Мощность лазерного излучения 20 Вт, длина волны 1.9 мкм, частота импульсов 100 кГц, длительность импульсов 100 не, интенсивность 163 кВт/см2. Кружками отмечены места, где показанные соответствующими стрелками микропузырьки находились за 3 мс до этого момента времени. 2 - торец оптического волокна.
На фиг 2 показаны спектрограммы акустических сигналов, генерирующихся в режиме сверхинтенсивного пузырькового кипения воды. Мощность лазерного излучения 20 Вт, длина волны 1.9 мкм, частота импульсов 100 кГц, длительность импульсов 100 не, интенсивность 163 кВт/см2.
Достижение заявленного технического результата, а именно, увеличение стабильности передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость и генерация пузырьков в узком диапазоне размеров, происходит за счет дозированного поступления через равные промежутки времени одних и тех же порций энергии в небольшой объем воды вблизи торца волокна. Технически это достигается тем, что используется лазер с импульсным излучением, а длина волны лазерного излучения хорошо поглощается в используемой жидкости.
Пример использования предлагаемого способа.
Авторами проведена проверка предлагаемого способа лазероиндуцированного возбуждения сверхинтенсивного пузырькового кипения. Эксперименты проводились в прозрачных кюветах с водой и водными растворами NaCl в концентрации до 5% при температуре воды 0-50°С. В качестве источника лазерного излучения применялись импульсные лазеры с длиной волны 1.4-2.9 мкм и мощностью до 25 Вт, состыкованные с оптическим волокном с диаметром светопроводящей жилы 5-1000 мкм. Для контроля лазерного излучения использовался измеритель мощности FieldMaster Гидродинамические процессы вблизи погруженного в воду торца оптического волокна регистрировались высокоскоростной камерой Fastcam SA-3 (Photron) на скорости до 100000 кадров в секунду. Акустические сигналы в диапазоне от 0 до 400 кГц регистрировались гидрофоном 8100 (Брюль и Къер), состыкованным с запоминающим осциллографом GDS 72304 (GW Instek).
2
2
2
2
2
Перед экспериментом часть оптического волокна погружали в кювету с водой или водными растворами NaCl в концентрации до 5% с температурой в диапазоне 0-50°С. При включении импульсного лазера с длиной волны 1.4-2.9 мкм, в зависимости от параметров лазерного излучения в воде вблизи торца возникают различные гидродинамические процессы, сопровождающиеся конвекцией, струйными течениями, генерацией и схлопыванием парогазовых пузырьков. При интенсивности лазерного излучения до 1 кВт/см наблюдаются слабо циркулирующие потоки воды (со скоростями до 0.3 мм/с), при этом иногда на торце оптического волокна формируется стационарный парогазовый пузырь. При превышении порогового уровня (~1 кВт/см) картина резко меняется: периодически возникающие пузырьки как бы «выстреливаются» от торца оптического волокна в воду, а скорость потоков скачкообразно увеличивается до 0.5-30 см/с. Как следует из фиг. 1, при мощности лазерного излучения 20 Вт (при  интенсивности 163 кВт/см) скорость пузырьков в струе вблизи торца оптического волокна достигает 15 см/с и плавно уменьшается с расстоянием. Исследования показали, что при постоянной мощности лазерного излучения наблюдается одна и та же картина генерации микропузырьков, а скорости пузырьков на определенном расстоянии от торца волокна примерно одинаковы. Это свидетельствует о стабильности передачи тепла от сосредоточенного источника - слоя жидкости вблизи торца волокна. В приведенном примере (фиг. 1) величина отводимого от разогретого торца в воду удельного потока тепла в 23 раза больше (~163 кВт/см/7 кВт/см) чем у прототипа. Как видно из фиг. 1, возмущенная лазероиндуцированной гидродинамикой область по сравнению с размером нагревателя (~0.1 мм) имеет существенно больший масштаб, что соответствует режиму сверхинтенсивного пузырькового кипения. Оптические наблюдения показали, что размер образующихся микропузырьков лежит в узком диапазоне 10-25 мкм.
Из рассмотрения фиг. 2 следует, что в случае применения предлагаемого способа, при возбуждении режима сверхинтенсивного пузырькового кипения в спектре акустического сигнала наблюдается мощный и очень узкий пик (~100 кГц), максимум которого совпадает с частотой генерации лазерных импульсов (в данном случае 100 кГц). Это резко отличает предложенный способ от прототипа, в котором в режиме сверхинтенсивного пузырькового кипения ширина пиков акустического сигнала на спектрограмме в десятки и сотни раз больше. Наличие широкого пика у аналога и оптические наблюдения указывают на то, что в этом случае происходит генерация пузырьков с большим разбросом размеров пузырьков. Узость пика (фиг. 2 (б)) при использовании предлагаемого способа свидетельствует о существенно более стабильной генерации пузырьков в узком диапазоне размеров.
Достижение технического результата, а именно, увеличения стабильности передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость и генерации микропузырьков в узком диапазоне размеров, происходит за счет использования не непрерывного, а импульсного лазерного излучения, хорошо поглощающегося в воде. Технически это достигается тем, что в качестве источника используется импульсный лазер, излучение которого хорошо поглощается в воде.
2
2
Проведенные эксперименты показали, что при использовании предложенного способа, когда сосредоточенным источником тепла является слой воды или водного раствора NaCl в концентрации до 5% вблизи торца оптического волокна диаметром 5-1000 мкм, который нагревается импульсным лазерным излучением интенсивностью 1-500 кВт/см, с длительность импульса в диапазоне 4 нс-10 мкс, при частоте импульсов 1 Гц-100 МГц с длиной волны лазерного излучения в диапазоне 1.4-3 мкм, когда вода или водный раствор недогреты до температуры насыщения, возникает режим сверхинтенсивного пузырькового кипения. Он характеризуется следующими признаками: 1) большая величина удельного теплового потока, 2) характерные звуковые эффекты в виде сильных акустических шумов в звуковом диапазоне частот, 3) гидродинамические возмущения большего по сравнению с размерами нагревателя масштаба и 4) критическая зависимость возникновения режима от интенсивности: при уменьшении интенсивности ниже пороговой величины (~1 кВт/см) процесс прекращается.
Экспериментально подтверждено возникновение режима сверхинтенсивного пузырькового кипения воды, инициированного импульсным лазерным нагревом слоя воды или водного раствора NaCl вблизи торца оптического волокна. Для осуществления способа длина волны лазерного излучения должна лежать в диапазоне 1.4-3 мкм, в котором такое излучение хорошо поглощается водой, увеличивается стабильность  передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость, обеспечивается генерация микропузырьков в узком диапазоне их размеров.
Таким образом, заявленный способ позволяет достичь поставленных целей, а именно, увеличить стабильность передачи тепла от сосредоточенного источника в жидкость и генерации микропузырьков в узком диапазоне размеров. Данный факт является подтверждением промышленной применимости предлагаемого способа.