Reinhard Geisler
Sonolumineszenz
Bereits seit den 30er Jahren ist bekannt, daß eine Fotoplatte von
einem Wasserbad geschwärzt wird, wenn dieses einem starken Schalldruck
ausgesetzt wird.
Für das äußerst schwache Leuchten, das damals mit den Fotoplatten
nachgewiesen wurde, setzte sich der Name Sonolumineszenz
durch.
Sein eigentlicher Ursprung ist aber nicht der Schall, sondern
die sogenannte Kavitation.
Kavitation bezeichnet Vorgänge, bei
denen in Flüssigkeiten gas- oder dampfgefüllte Hohlräume
aufreißen.
Kollabieren diese wieder, so können dabei extreme Kräfte auftreten
(Ausbildung von Jets,...).
In der Praxis trifft man diesen Mechanismus z.B. an Schiffsschrauben,
deren Oberfläche dadurch zerstört werden kann. Neben solchen
unerwünschten Effekten können die Kräfte aber auch durchaus
Nützliches bewirken.
Als Beispiel für eine nutzbringende Anwendung sei auf die Zerstörung
von Nierensteinen durch Ultraschallstoßwellen verwiesen.
Ultraschall von geeigneter Intensität kann also
Kavitation in einem Wasserbad auslösen. Es entstehen in einem
andauernden Prozeß neue Hohlräume, die anschließend wieder kollabieren.
Beim Kollaps dieser Hohlräume kann aus bisher nicht vollständig
geklärten Gründen ein kurzer Lichtblitz entstehen.
Da dieser Vorgang an einer
Vielzahl von Kavitationsblasen stattfindet, kann das Licht bei
Dunkelheit bereits mit einem gut adaptierten Auge gesehen werden.
Neben einem schwachen Flächenleuchten sind dabei kurzzeitige
Leuchtspuren zu beobachten. Wegen der großen Blasenanzahl spricht man
hier von Multi Bubble Sonolumineszenz (MBSL).
In den letzten Jahren ist nun eine neuentdeckte Form der
Sonolumineszenz in das Interesse der Forschung gerückt,
die Single Bubble Sonolumineszenz (SBSL).
Die Besonderheit liegt hier in der Tatsache, das eine einzige
leuchtende Kavitationsblase über längere Zeit stabil gehalten und
untersucht werden kann.
Der Aufbau ist denkbar einfach: Ultraschallwandler werden an eine
Küvette angekoppelt, die mit Wasser gefüllt wird. Mit ihrer
Resonanzfrequenz wird die Anordnung von den Wandlern zum
Schwingen angeregt. Dadurch bildet sich ein Stehwellenfeld mit einem
Druckbauch in der Mitte aus.
Wird nun eine kleine Luftblase in das Wasser injiziert, so treibt sie
die Druckamplitude entlang ihres Gradienten zu dem Druckbauch. Dort
bleibt die Blase ortsstabil,
schwingt
aber radial. Wenn der anregende
Schalldruck innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt, beginnt die
Blase zu leuchten. Mit jeder Periode der Schallschwingung wird die
Blase auf ihren Maximalradius aufgezogen, um danach zu kollabieren.
Wie bei der MBSL entsteht dabei ein extrem kurzer Blitz.
Nach aktuellen Messungen liegt dessen Dauer zwischen 50 und 250
Pikosekunden.
Trotz dieser kurzen Zeit kann das Leuchten mit bloßem Auge gut gesehen
werden, da die Lichtblitze sich mit der Frequenz des Schalls
an exakt dem selben Ort wiederholen. Tatsächlich kann die einzelne
Blase sogar deutlich besser gesehen werden als das Leuchten der MBSL.
Neben dem Lichtblitz wird bei dem Kollaps auch eine
Stoßwelle
emittiert.
Soweit diese beobachtet werden konnte, deutet ihre Symmetrie auf einen
rein radialsymmetrischen Kollaps der Einzelblase hin.
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