基于單光子探測技術(shù)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(xué)過程。該過程將在局部產(chǎn)生巨大瞬時壓力（上百兆帕）和高溫（5000K以上），并產(chǎn)生高速的微射流以及強(qiáng)烈的沖擊波。目前，空化過程產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境使超聲空化在生活服務(wù)業(yè)、化工、材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　然而，超聲空化受到很多復(fù)雜因素的影響，加之它的應(yīng)用歷史也不長，因而在各領(lǐng)域中時而有利、時而有弊、時而利弊相當(dāng)。為此，對超聲空

2、化強(qiáng)度的定量檢測就顯得非常重要，因為它事關(guān)應(yīng)用的安全和有效。目前的超聲空化強(qiáng)度測量一般采取一系列物理和化學(xué)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(xué)圖像檢測、碘釋放法、電導(dǎo)率法、對苯二甲酸熒光法、電子自旋共振(ESR)技術(shù)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(jìn)行了研究，主要的研究內(nèi)容包括如下幾個方面:
　　1.基于單光子探測技術(shù)的超聲空化檢測模型的建立。根據(jù)超聲空化的基本機(jī)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(qiáng)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(xué)習(xí)，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(qiáng)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(shù)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(jié)合所述超聲空化的機(jī)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(jìn)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(jìn)行提供了理論依據(jù)。
　　2.基于單光子探測技術(shù)的超聲空化檢測裝置的研制。本文根據(jù)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(guān)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(guān)鍵模塊，如光源模塊、光路結(jié)構(gòu)、時間測量模塊以及數(shù)據(jù)處理與控制模塊。為了加深對TCSPC技術(shù)的理解，本文改進(jìn)了基于TCSPC超聲空化檢測裝置的光路結(jié)構(gòu)以及后續(xù)的數(shù)據(jù)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(shè)備基礎(chǔ)。
　　3.基于單光子探測技術(shù)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