基于單光子探測技術的超聲空化檢測方法研究.pdf

1、超聲空化是指在超聲波的作用下，液體中的微氣泡發(fā)生振動，并生長、崩潰的一系列動力學過程。該過程將在局部產生巨大瞬時壓力（上百兆帕）和高溫（5000K以上），并產生高速的微射流以及強烈的沖擊波。目前，空化過程產生的高溫、高壓環(huán)境使超聲空化在生活服務業(yè)、化工、材料學、環(huán)境科學以及醫(yī)學等諸多領域有著廣泛的應用。
　　然而，超聲空化受到很多復雜因素的影響，加之它的應用歷史也不長，因而在各領域中時而有利、時而有弊、時而利弊相當。為此，對超聲空

2、化強度的定量檢測就顯得非常重要，因為它事關應用的安全和有效。目前的超聲空化強度測量一般采取一系列物理和化學的方法，如時差法、空化噪聲測量法、水聽器測量法、金屬箔膜檢測、醫(yī)學圖像檢測、碘釋放法、電導率法、對苯二甲酸熒光法、電子自旋共振(ESR)技術檢測以及染色法等。這些方法或存在難以快速檢測、或存在難以實現(xiàn)特定區(qū)域測量、或存在需要接觸式測量而影響被測液體等問題。因此，需要研發(fā)一種非接觸式可實現(xiàn)區(qū)域檢測的定量快速檢測方法。
　　本文對

3、超聲空化的光電檢測方法進行了研究，主要的研究內容包括如下幾個方面:
　　1.基于單光子探測技術的超聲空化檢測模型的建立。根據超聲空化的基本機理，超聲空化的檢測可以通過檢測超聲空化氣泡來實現(xiàn)，其強度可以利用單位體積被測液體中空化氣泡數(shù)量，即空化氣泡數(shù)濃度來表征。通過光散射理論尤其是Mie散射理論為學習，本文提出了利用光散射原理定量測量超聲空化泡散射光強的方法實現(xiàn)空化氣泡數(shù)濃度的定量測量。通過單光子探測技術的研究，本文尋找到了一種微弱

4、散射光的定量測量手段。結合所述超聲空化的機理、光散射原理以及單光子探測的基本理論，本文建立了超聲空化檢測模型，并利用該模型對檢測方法的性能（精度、穩(wěn)定性、線性度）進行了分析，為下一步超聲空化檢測裝置的研制以及超聲空化檢測實驗的進行提供了理論依據。
　　2.基于單光子探測技術的超聲空化檢測裝置的研制。本文根據所建立的超聲空化檢測模型，研制了兩套超聲空化測量裝置，即基于穩(wěn)態(tài)光子計數(shù)(SSPC)的超聲空化檢測裝置與基于時間相關的單光子計

5、數(shù)(TCSPC)的超聲空化檢測裝置。主要研制了其中的若干關鍵模塊，如光源模塊、光路結構、時間測量模塊以及數(shù)據處理與控制模塊。為了加深對TCSPC技術的理解，本文改進了基于TCSPC超聲空化檢測裝置的光路結構以及后續(xù)的數(shù)據處理算法，實現(xiàn)了較高精度的激光測距功能，驗證了測量裝置的可靠性。該部分工作為下一步的超聲空化檢測實驗提供了設備基礎。
　　3.基于單光子探測技術的超聲空化檢測實驗。在超聲空化檢測模型建立以及超聲空化檢測裝置研制的基