Za točkovni svetlobni izvor smo uporabili 8-nanosekundno bliskavico, ki smo jo prožili s prožilno fotodiodo, kot je opisano v poglavju 3.1. Žarke smo kolimirali in s tem primerno osvetlili opazovani pojav S. Žarki so se nato s pomočjo schliernove leče fokusirali. V gorišču schliernove leče je postavljena polovična zaslonka KE (angl. knife-edge), ki prestrega približno polovico žarkov. Zaradi spremembe lomnega količnika se je v opazovanem pojavu žarek delil na zgornji in spodnji del, pri čemer se jima je spremenila tudi goriščna razdalja, kot je prikazano na sliki 3.8. Tako smo s pomočjo KE prestregli žarke, ki so se odklonili navzgor. V nasprotju s prestreženimi žarki, so žarki, ki so se odklonili navzdol, potovali nemoteno. Na kameri so se zaradi tega pojavile svetlejše in temnejše točke, ki so ustrezale pozitivnim in negativnim gradientom lomnega količnika. Kavitacijski mehurčki ob nastanku spremenijo lomni količnik in se jih na slikah opazi kot črne kroge, ko se ne prekrivajo, in kot črn gmote, ko se mehurčki začnejo prekrivati. S pomikanjem KE smo nastavljali svetlost tlačne motnje oz. kavitacijskih mehurčkov.
Schlieren sistem smo postavili tako, da je bila schlieren glava 400 mm oddaljena od steklene kadi, v kateri smo imeli vzorce fantomov, razdalja med schlieren lečo in KE je bila 150 mm in razdalja med KE in kamero 50 mm. Uporabljena je bila kamera (PointGrey, monochrome Flea3), ki je imela 1280x1024 slikovnih elementov. Slika 3.9 prikazuje tipično zajeto sliko tlačne motnje pri nizkih energijah laserskega bliska.
Metodologija raziskave
27 Slika 3.9: Tipična tlačna motnja
Slika 3.9 prikazuje fokusiranje tlačne motnje, kjer vidimo, da je bolj svetla od ostalih delov slike. Poleg tlačne motnje sta na sliki dobro vidna tudi rob tkivnega fantoma in titanova leča.
3.1.4 Laserska presevnostna sonda
Laserska presevnostna sonda deluje po principu skokovite spremembe lomnega količnika opazovanega pojava. Meritve z lasersko polprepustno sondo so mogoče, ker kavitacija lokalno spremeni lomni količnik iz vrednosti približno 1,33 (voda) na 1 (vakuum), zaradi česar imamo znižanje vpadle svetlobe na fotodetektorju in posledično padec napetosti [39].
Tako opazujemo čas in amplitudo padca napetosti zaradi izgubljene svetlobe. Izredno pomembno je, da pri opazovanju pojava kavitacije uporabljamo vzorce fantomov, ki imajo čim manjšo difuzivnost, saj s tem zmanjšamo izgube zaradi difuznosti. Slika 3.10 s ptičje perspektive prikazuje, kako je presevnostni žarek prehajal vzorec fantoma.
Metodologija raziskave
28
Slika 3.10: Prikaz poteka žarka v vzorcu fantoma Sistem laserske presevnostne sonde je bil sestavljen iz:
- He-Ne kontinuirnega laserja valovne dolžine 632 nm, - zaslonke,
- optične poti z dvema zrcaloma,
- zbiralne leče z goriščno razdaljo 50 mm, - fotodiode PDA36A proizvajalca Thorlabs,
- ojačevalca proizvajalca Stanford Reserch Systems, model SR560.
Žarek He-Ne laserja je imel pri izstopu premajhen premer, zato smo morali uporabiti razširjevalnik žarka, s katerim smo premer žarka povečali. Za natančen premer smo uporabili zaslonko, s katero smo nastavili premer žarka na 5 mm. Žarku smo s pomočjo zrcal nastavili lego na vzorcu fantoma. Tako smo sondirni žarek postavili tik pod gladino vzorca fantoma, kot je shematsko prikazano na sliki 3.11.
Metodologija raziskave
29 Slika 3.11: Območje sondirnega žarka v vzorcu fantoma
Ker nismo imeli popolnoma prozornega tkivnega fantoma, se je vpadna svetloba veliko bolj sipala, kar je povečalo šum na signalu. Signal smo izboljšali s pomočjo zbiralne leče z goriščno razdaljo 50 mm, ki je bila postavljena 45 mm pred fotodiodo, saj smo z lečo na senzor dovedli večjo količino svetlobe. Za zajem signalov smo uporabili fotodiodo PDA36A proizvajalca Thorlabs. V preglednici 3.3 so prikazane njene lastnosti. Ker smo zajete signale ojačevali z zunanjim ojačevalcem, smo ojačenje fotodiode nastavili na 0 dB in sta pasovna širina in šum v preglednici 3.3 podana brez ojačenja.
Preglednica 3.3: Lastnosti fotodiode [40]
Lastnost Vrednost
območje delovanja 350–1100 nm območje ojačitve 0–70 dB izhodna napetost pri 50 Ω 0–5 V
pasovna širina 10 MHz
šum 300 μV
Zajeti signal s fotodiode smo nato s pomočjo ojačevalca SR560 ojačali in filtrirali.
Preglednica 3.4 prikazuje lastnosti ojačevalca. Ko smo zajemali signale, smo ojačevalec nastavili na baterijsko napajanje, saj smo tako še dodatno zmanjšali šum.
Metodologija raziskave
30
Preglednica 3.4: lastnosti ojačevalca [41]
Lastnost Vrednost
pasovna širina 1 MHz
območje ojačitve 1–50000 filter signala dva nastavljiva filtra vhodni signal enojni ali razlika signalov napajanje s kablom ali z baterijo
Dobljene signale smo nato še dodatno obdelali v programu MatLab, kjer smo s pomočjo funkcije smooth še dodatno zgladili zajete signale. Slika 3.12 predstavlja tipičen zajeti signal pri visokih energijah.
Slika 3.12: Tipičen zajeti signal
Velika sprememba napetosti ob pričetku se zgodi zaradi laserskega bliska, ki ga fotodioda zazna. Takoj zatem se pojavi prvi padec napetosti, ki ga povzroči tlačna motnja ob preletu sondirnega območja. Ko tlačna motnja prečka območje, začnemo zaznavati formulacijo in rast kavitacijskih mehurčkov.
Metodologija raziskave
31
3.1.5 Programska oprema za zajem meritev
Z uporabo programske opreme, ki so jo sodelavci LASTEH predhodno razvili v programu LabView, smo lahko nazdorovali, prikazovali, zajemali in shranjevali vse pomembne podatke eksperimntov. S programom smo vzpostavili komunikacijo s celotnim sistemom in njegovimi podsistemi. Programska oprema je omogočala izvajanje eksperimentov na dva načina: (i) na način, pri katerem smo videli zajete podatke v realnem času, vendar je bilo potrebno vsak blisk sprožiti ročno, in (ii) na način, pri katerem nismo mogli spremljati zajetih podatkov v ralnem času, vandar smo lahko nastavili parametre za avtomatizirano proženje laserskih bliskov. Sliki 3.13 in 3.14 prikazujeta omenjena načina, na slikah se vidi, da je vsak način razdeljen še na podrazdelke. Slika 3.13 ima tako šest podrazdelkov:
- Prvi podrazdelek, kjer smo s pritiskom na gumb »Shoot the laser« sprožili laser in dobili prikaz števila bliskov, ki smo jih v določeni seriji že opravili.
- Drugi podrazdelek, kjer smo shranjvali zajete slike in signale.
- Tretji podrazdelek, kjer smo nastavljali čas zakasnitve sprožitve kamere in moč laserskih bliskov.
- Četrti podrazdelek, kjer so se nam v realnem času prikazovale zajete slike.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo nastavljali, kateri zajeti signali naj se prikažejo, in polje za prikaz zajetih signalov.
Slika 3.13: Zavihek za ročno proženje bliskov
Metodologija raziskave
32
Slika 3.14 ima prav tako šest podrazdelkov, ki se rahlo razlikujejo od podrazdelkov s slike 3.13. Ti so:
- Prvi podrazdelek, kjer smo nastavljali pričetek, konec in korak časovne zakasnitve kamere. Pri tem smo nastavljali še število slik, ki naj jih kamera izvede pri določeni zakasnitvi.
- Drugi podrazdelek, kjer smo izbirali, katere podatke naj programska oprema shrani.
- Tretji podrazdelek, kjer smo izbrali datoteko z energijami laserskih bliskov in prikaz, katera energija je bila poslana laserju.
- Četrti podrazdelek, kjer smo nastavljali predpripravljnost kamere in laserja ter signale, ki naj jih programska oprema zajema.
- Peti podrazdelek, kjer smo nastavljali datoteko, kamor se morajo zajete slike in signali shraniti, ter ime shranjenene datoteke.
- Šesti podrazdelek, kjer smo pričeli oz. prekinili avtomatizirano serijo bliskov in prikazan potek eksperimenta.
Slika 3.14: Zavihek za avtomatizirano proženje bliskov
Pri pridobivanju rezultatov smo uporabljali oba načina. Prvega smo uporabljali predvsem za nastavitve časovnih zakasnitev in vizualno potrditev, da so le te dobro določene. Drugi način smo uporabljali predvsem za olajšano izvajanje eksperimentov.
Metodologija raziskave
33
3.2 Priprava vzorcev tkivnih fantomov
Za pripravo vzorcev fantomov smo izbrali agar, saj dobro posnema lastnosti tkiva, hkrati pa je priprava vzorcev izredno enostavna. Agar je poleg tega enostavno in poceni dobavljiv ter je v literaturi praktično največkrat uporabljen material za pripravo tkivnih fantomov pri raziskavah optoakustičnih pojavov. Za naše potrebe je agar tudi dovolj prozoren za uporabo schliernove hitre fotografije. Agarjevi fantomi se po lastnostih dovolj približajo lastnostim kože na področju gostote, hitrosti zvoka in koeficientom dušenja. Zanje smo se odločili tudi zaradi njihove visoke temperature tališča, ki znaša okoli 78 ◦C. Med eksperimenti smo namreč OA lečo namestil tik nad površino fantoma, ki se zaradi dovedenih laserskih bliskov močno segreje in to toploto oddaja v okolico. Zaradi tega smo potrebovali fantome, ki se ob izpostavitvi visokih temperatur ne utekočinijo.
Vzorce smo pripravili po prilagojeni recepturi Maxwell in sodelavcev [42], pri čemer smo povečali procent dodanega agarja, odvzeli rdeče krvničke, fiziološko raztopino zamenjali z demineralizirano vodo in na koncu vzorca nismo postavili v delni vakuum. Rdeče krvničke in fiziološko raztopino so umaknili, ker smo dobljene rezultate želeli primerjati z rezultati, pridobljenimi v vodi. Kot sta ugotovila že Holland in Apfel, fiziološka raztopina znižuje prag pojava kavitacije [43]. Po drugi strani uporaba vakuuma zvišuje prag kavitacije, saj iz agarja odstrani ujete pline. Iz tega razloga smo ga tudi umaknili iz priprave fantoma. Delež dodanega agarja smo povečali, da se je še dodatno povečala hitrost zvoka. Tako smo fantome pripravljali v razmerju 2 % mase na enoto volumna. Ker v literaturi nikjer ni omenjeno, ali se mora zmes mešati ročno, mehansko ali magnetno, smo zmes mešali ročno. Uporabili smo kulinarični agar Agartina proizvajalca Kotanyi in demineralizirano vodo blagovne znamke Šampionka.
Priprava fantoma je potekala v sledečih korakih:
- Natehtali smo 2 g agarjevega prahu.
- V čašo smo odmerili 100 ml demineralizirane vode.
- Agar smo dodali v čašo in zmes dodobra zmešali, da v njej ni bilo večjih grudic agarja.
- Čašo smo nato v 30-sekundnih intervalih segrevali v mikrovalovni pečici.
- Med intervali smo zmes dodobra premešali, da na dnu ni bilo agarjevih delcev.
- Postopek smo ponavljali, dokler zmes ni postala povsem prosojna.
- Agar smo nato iz čaše prelili v tri enake kalupe, ki smo jih napolnili skoraj popolnoma do vrha.
- Agar se je tako najprej hladil na prostem, pokrit z aluminijasto folijo, nato pa smo kalupe postavili v hladilnik, kjer so bili vsaj 1 uro.
- Vse vzorce smo testirali v 24 urah od njihove priprave.
Agar smo vlivali v tri enake steklene kalupe dimenzij 22x47x25 mm, ki niso imeli zgornje ploskve. Slika 3.15 a) prikazuje uporabljen kalup, ki smo ga uporabili za shranjevanje fantoma in slika 3.15 b) vzorec fantoma, pripravljen za izvajanje eksperimentov.
Metodologija raziskave
34
Slika 3.15: a) uporabljen kalup in b) vzorec, pripravljen za eksperimente
Na sliki 3.15 b) lahko opazimo, da je prosojnost vzorcev dovolj velika, da smo lahko uporabljali schliernov sistem. Vse vzorce fantomov smo pred izvajanjem eksperimenta vzeli iz hladilnika, kjer so se na prostem segreli na sobno temperaturo, ki je za pojav kavitacijskega oblaka pomemben faktor.
Poleg zgoraj omenjene priprave smo testirali še druge načine priprave vzorcev agarja, saj smo želeli ugotoviti, ali lahko še izboljšamo čistost in optično homogenost. Pri tem smo najprej primerjali vzorce, pridobljene z uporabo mikrovalovne pečice, in vzorce, ki smo jih segreli na električnem grelcu do 88 ◦C, pri čemer smo jih konstantno mešali z magnetnim mešalom. Ko je zmes postala prozorna, smo nekatere vzorce postavili v ultrazvok in druge v rahli vakuum. Slika 3.16 prikazuje slike vseh treh različno pripravljenih vzorcev, narejene s schliernovo hitro fotografijo.
Slika 3.16: a) vzorec, narejen po končni recepturi, b) vzorec, narejen z električnim grelnikom in ultrazvokom, c) vzorec, narejen z električnim grelnikom
Vzorca s slike 3.16 b) in c), ki sta bila pripravljena na električnem grelcu, vsebujeta v primerjavi z vzorcem a) veliko količino slabo raztopljenega agarjevega prahu. Tudi sama priprava vzorcev je trajala veliko dlje kot priprava z mikrovalovno pečico. Ta je trajala okoli 5 minut, priprava z električnim grelnikom pa okoli 60 minut. Zaradi razlik v času priprave vzorcev in zrnatosti smo se na koncu odločili za uporabo mikrovalovne pečice in za zgoraj omenjeno recepturo.
Metodologija raziskave
35
3.3 Izvedba eksperimentov
V okviru raziskav smo izvedli dve seriji eksperimentov, s katerima smo želeli določiti prag nastanka kavitacije, velikost kavitacijskega oblaka in lokacijo oblaka kavitacijskih mehurčkov.
3.3.1 Variacija energije laserskih bliskov
Povezava med optoakustiko in kavitacijskim oblakom je generirana tlačna motnja. Iz enačbe (2.1) vemo, da je jakost tlačne motnje močno povezana s spreminjanjem dovedene fluence.
To lahko povečujemo s povečevanjem laserske energije. Tako je smiselno najti energijo, pri kateri ravno še dosežemo pojav kavitacijskih mehurčkov. Poleg minimalne energije smo želeli določiti za posamezno energijo še oscilacijski čas Tosc in amplitudo kavitacijskega oblaka. Omenjene vrednosti smo lahko izmerili z lasersko presevnostno sondo.
Variacijo energij laserskih bliskov smo izvajali po sledečih korakih: Pričeli smo z največjo energijo laserja, ki jo je eksperimentalni sistem še prenesel. Energijo smo nato postopoma zniževali v intervalih po 100 mJ. Eksperiment smo ponavljali dokler na presevnostni sondi s schliernovo fotografijo nismo več opazili kavitacijskega oblaka.
Izvedba eksperimenta je potekala v sledečih korakih:
- S spreminjanjem kota na polarizatorju in merilnikom energije smo umerili laser na željeno energijo.
- Enkrat smo ustrelili z laserjem, da smo dobili signal z laserske presevnostne sonde.
Iz zajetega signala smo lahko odčitali čas, ko je bil kavitacijski oblak največji.
- V programski opremi LabView pod zavihkom »eksprimental procedure« smo nastavili odčitani čas oz. željeno zakasnitev. Nastavili smo še 5-kratno ponovitev eksperimenta, pri čemer so se morali shraniti zajeti signali s presevnostne sonde in schliernove fotografije. Pred pričetkom eksperimenta smo vzorec premaknili za 1 mm.
- Po končanem eksperimentu smo preverili zajete signale in fotografije ter zopet vzorec premaknili za 1 mm, da smo lahko ponovili celotno proceduro.
Preglednica 3.5 prikazuje povprečne energije laserja po desetih zaporednih strelih in izračunane standardne deviacije. Standardna deviacija pri vseh energijah predstavlja 2,5 % odstopanja, kar je bilo zadovoljivo za naše eksperimente.
Preglednica 3.5: Izmerjene povprečne energije in standardne deviacije Povprečna energija [mJ] Standardna deviacija [mJ]
700 18,3
605 14,25
506 8,84
406 9,5
295 8
Metodologija raziskave
36
3.3.2 Karakterizacija oblike kavitacijskega oblaka
Pri karakterizaciji oblike kavitacijskega oblaka so nas zanimali velikost kavitacijskega oblaka, njegova razpršenost in lokacija težišča očrtanega pravokotnika. To smo želeli raziskati pri energiji, ki je blizu mejne energije za pojav kavitacijskega oblaka. Ko smo končali z eksperimenti variacije laserskih bliskov, smo že vedeli, katera energija je mejna in smo za drugi del eksperimentov določili povprečno energijo 404 mJ s standardno deviacijo 7,7 mJ. V tem sklopu eksperimentov so nas zanimale sledeče cenilke:
- Širina in višina posameznega pravokotnika, ki smo ju označili z H in W in imata vrednosti v milimetrih (mm), ter standardni deviaciji za oba parametra.
- Potek velikosti pravokotnika po zaporednih bliskih.
- Površina, ki so jo zavzemali kavitacijski mehurčki in smo jo označili z Ab in ima vrednosti v kvadratnih milimetrih (mm2), ter njeno standardno deviacijo.
- Lega težišča očrtanega pravokotnika glede na lego gorišča tlačne motnje ter njihova standardna deviacija.
- Potek standardne deviacije po zaporednih bliskih.
Slika 3.17 prikazuje postavitev in težišče očrtanega pravokotnika. Slike a), b) in c) predstavljajo zaporedne bliske, ki smo jih ustrelili v isto točko. Pri zajemanju slik smo morali paziti, da je bila postavitev leče pri vseh fotografijah enaka. To smo dosegli z uporabo triosnega manipulatorja pomikov, s katerim smo lahko ohranjali konstantno višino vzorca in smo vzorec lahko premikali zgolj v x in y smeri.
Slika 3.17: Postavitev očrtanega pravokotnika in njegovo težišče
Slika 3.18 prikazuje pot premikanja optoakustične leče po površini vzorca in korake, s katerimi so točke oddaljene med seboj. Točka T1 je bila postavljena na izhodiščno mesto in je dobila oznako T1 (0,0). Vsem nadaljnjim točkam smo pripisali koordinate, izhajajoče iz prve točke. Točke so med seboj oddaljene v korakih po 1 mm. Eksperiment smo izvedli na 24 točkah.
Metodologija raziskave
37 Slika 3.18: Pot eksperimenta
Izvedba eksperimenta po korakih:
- S spreminjanjem kota na polarizatorju in merilnikom energije smo umerili laser na željeno energijo.
- Enkrat smo ustrelili z laserjem, da smo dobili signal z laserske presevnostne sonde.
Iz zajetega signala smo lahko odčitali čas, ko je bil kavitacijski oblak največji.
- V programski opremi LabView smo pod zavihkom »eksperimental procedure«
nastavili zakasnitev. Nastavili smo še, da se eksperiment ponovi 3-krat. Pri tem so se shranjevale schliernove fotografije.
- Vzorec smo pred pričetkom eksperimenta pomaknili za en korak, da smo se postavili v novo točko.
- Po končanem eksperimentu smo preverili zajete fotografije.
Metodologija raziskave
38
39
4 Rezultati in diskusija
Z meritvami smo želeli ugotoviti predvsem odvisnost med velikostjo kavitacijskega oblaka in energijo laserskih bliskov ter energijo, pri kateri se začne pojavljati kavitacija. Poleg tega smo izmerili tudi pozicijo in variacijo kavitacijskega oblaka ter njegovo obliko pri večjem številu zaporednih laserskih bliskov v isto točko.
4.1 Vpliv energije laserskih bliskov
Že v predhodnih poglavjih smo omenili pomen energije laserskih bliskov za pojav kavitacijskega oblaka. Z zniževanjem energije smo lahko določili minimalno energijo, potrebno za pojav kavitacijskih mehurčkov, ki smo jo pridobili iz signalov, zajetih s pomočjo presevnostne sonde. Z zajetih slik smo lahko opazovali spreminjanje količine in raztros kavitacijskega oblaka pri višjih energijah.
Slika 4.1 prikazuje mozaik slik, ki so bile zajete pri različnih energijah. Slike so bile zajete pri zakasnitvah, ko je bila sprememba napetosti s presevnostne sonde maksimalna. Slika 4.1 a) je bila zajeta po 14 μs od takrat, ko je laserski blisk sprožil fotodiodo. Vidimo, da se kavitacijski mehurčki pri višjih energijah združujejo v gmote, česar pri nižjih energijah ne opazimo. Na mozaiku slik lahko še opazimo, da se z zniževanjem energije laserskih bliskov znižuje tudi število kavitacijskih mehurčkov. Z zniževanjem energije bliskov se zmanjšuje tudi oscilacijski čas, saj so zajete slike 4.1 b), c) in d) zajete pri 10 μs, 8,5 μs in 6,5 μs.
Kavitacijski oblak se pri vzorcih iz agarja obnaša zelo podobno kot pri eksperimentih, izvedenih v vodi, kot so to pokazali Muc in sodelavci [6].
Rezultati in diskusija
40
Slika 4.1: Mozaik schliernovih slik pri različnih energijah. Kavitacijski oblaki pri a) 700 mJ, b) 600 mJ, c) 500 mJ in d) 400 mJ
Slika 4.2 prikazuje graf zajetega signala ter pričetek in konec oscilacije kavitacijskega oblaka, ki sta na grafu tudi prikazani. Oscilacijske čase smo lahko zaradi manjšega števila podatkov določili ročno. Pričetek pojava kavitacije smo označili takrat, ko tlačna motnja preleti opazovano območje, za konec pa smo določili dvig signala, kar naznanja konec prve oscilacije. Tako smo za vse signale odčitali oscilacijske čase, ki smo jim nato za posamezno energijo izračunali povprečje in standardne deviacije.
Rezultati in diskusija
41 Slika 4.2: Prikaz odčitavanja oscilacijskih časov
Slika 4.3 prikazuje spreminjanje oscilacijskih časov pri različnih energijah laserskega bliska.
Ti se z zniževanjem energije znižujejo, kar je v skladu s pričakovanji glede na sliko 4.1, kjer imamo pri višjih energijah večjo količino mehurčkov in z zniževanjem energije laserskega bliska količina mehurčkov upada. Z vzorci vode so že pokazali, da oscilacijski časi z višanjem energije do 700 mJ naraščajo linearno [6]. Ker je v vzorcih velika količina vode, je bilo smiselno predpostaviti, da bodo tudi naši oscilacijski časi naraščali linearno. Če na graf dodamo regresijsko premico, enostavno določimo minimalno energijo laserskega bliska, pri kateri lahko še vedno opazimo pojav kavitacije. Minimalna energija znaša Ep, min
= 348 mJ, kar sovpada s pričakovanji, saj pri energiji 300 mJ ne zaznamo kavitacijskega pojava. Čeprav je Ep, min v pričakovanih vrednostih, rezultatu nismo mogli povsem zaupati, saj so standardne deviacije za vse točke izredno majhne in trendna črta seka zgolj točko pri energiji 400 mJ. Zato smo se odločili, da bomo dobljene signale obdelali še na drugačen način.
Rezultati in diskusija
42
Slika 4.3: Oscilacijski čas kavitacijskega oblaka pri različnih energijah
Za dodatni izračun Ep, min smo se odločili, da bomo z zajetih signalov odčitali vrednosti
Za dodatni izračun Ep, min smo se odločili, da bomo z zajetih signalov odčitali vrednosti