Experimental Study of High-Intensity Focused-Ultrasound-Induced Cavitation Erosion for Localized Sampling

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202109063613
Title: Experimental Study of High-Intensity Focused-Ultrasound-Induced Cavitation Erosion for Localized Sampling
Author: Hyvönen, Jere
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202109063613
http://hdl.handle.net/10138/334006
Thesis level: master's thesis
Degree program: Materiaalitutkimuksen maisteriohjelma
Master's Programme in Materials Research
Magisterprogrammet i materialforskning
Specialisation: Elektroniikka ja teollisuusfysiikka
Electronics and Industrial Physics
Elektronik och industrifysik
Abstract: Korkean intensiteetin ja amplitudin kohdistettua ultraääntä on käytetty synnyttämään kavitaatiota jo vuosikymmeniä. Tunnetuimmat sovellukset ovat lääketieteellisiä (litotripsia ja histotripsia) ja teollisia (hiukkaspesu, eroosio ja sonokemia). Nämä sovellukset käyttävät usein matalaa taajuutta (0,1 – 5 MHz), mikä rajoittaa aktuaation tilallista erotuskykyä ja inertiaalisen kavitaation kaoottista luonnetta harvoin valvotaan tai korjataan, mikä synnyttää epävarmuuslähteen. Tässä tutkimuksessa näytämme fokusoidun korkeataajuisen (12 MHz) korkeaintensiteettiultraäänen (ISPTA=90 W/cm2 ) synnyttämän kavitaation käyttöä paikalliseen kiinteän materiaalin irroitukseen (halkaisijaltaan 20 – 200 µm:n pintakuoppia) kontaktivapaaseen näytteistämiseen. Näytämme koheesion ja adheesion rikkomista alumiinissa ja ohutkalvonäytteessä. Eroosiolle altistetut pinnat tutkittiin skannaavalla ultraäänimikroskoopilla. Esittelemme fokusoivan ultraäänianturin rakentamista ja karakterisointia ja kvantifioimme eri ultraääniparametrien vaikutusta pintakuoppiin. Tämän menetelmän kvantitatiivisuus saavutetaan systemaattisilla kalibrointimittauksilla, yhdistmällä syntyvät pintakuopat akustisiin parametreihin toistettavuuden saavuttamiseksi (korkea kavitaatiotodennäköisyys) ja inertiaalin kavitaation valvonnalla fokusoiduista kaiuista. Käymme keskustelua menetelmän käytettävyydestä ja rajoitteista paikallisessa kontaktivapaassa näytteistämisessä.High-intensity and -amplitude focused ultrasound has been used to induce cavitation for decades. Well known applications are medical (lithotripsy and histotripsy) and industrial ones (particle cleaning, erosion, sonochemistry). These applications often use low frequencies (0.1-5 MHz), which limits the spatial precision of the actuation, and the chaotic nature of inertial cavitation is rarely monitored or compensated for, constituting a source of uncertainty. We demonstrate the use of high-frequency (12 MHz) high-intensity (ISPTA=90 W/cm2 ) focused-ultrasound- induced cavitation to locally remove solid material (pits with a diameter of 20 µm to 200 µm) for non- contact sampling. We demonstrate breaking cohesion (aluminium) and adhesion (thin film on a substrate, i.e. marker ink on microscope glass). The eroded surfaces were analyzed with a scanning acoustic microscope (SAM). We present the assembly and the characterization of a focused ultrasound transducer and show quantification of the effect of different sonication parameters (amplitude, cycle count, burst count, defocus) on the size and shape of the resulting erosion pits. The quantitative precision of this method is achieved by systematic calibration measurements, linking the resulting erosion to acoustic parameters to ensure repeatability (sufficient probability of cavitation), and inertial cavitation monitoring of the focal echoes. We discuss the usability of this method for localized non-contact sampling.Högintensitets och -amplituds fokuserat ultraljud har använts för att inducera kavitation i decennier. De mest kända användningsändamålen är medicinska (litotripsi och histotripsi) och industriella (partikelrengöring, erosion, sonokemi). Dessa användningsändamål använder dock ofta låga frekvenser (0,1 – 5 MHz), vilket begränsar aktueringens spatiala precision och inertiella kavitationens kaotiska natur monitoreras och kompenseras sällan, vilket utgör en osäkerhetskälla. I denna forskning visar vi användning av högfrekvent (12 MHz) högintensitets (ISPTA=90 W/cm2 ) fokuserat ultraljud för att inducera kavitation för lokal lösgöring av fast material (gropar med en diameter på 20 µm till 200 µm) för kontaktfri sampling. Vi visar brytning av kohesion och adhesion i aluminium och tunnfilm på substrat. De eroderade ytorna analyserades med ett skannande ultraljudsmikroskop. Vi presenterar konstruering och karakterisering av en fokuserad ultraljudsgivare och kvantifierar effekten av olika sonikeringsparametrar på de resulterande erosionsgroparna. Denna metods kvantitativitet uppnås genom systematiska kalibreringsmätningar, koppling av den resulterande erosionen till akustiska parametrar för att säkerställa repeterbarheten och monitorering av inertiell kavitationen i fokala ekon. Vi diskuterar användbarheten och begränsningarna i denna metod för kontaktfri sampling
Subject: Focused Ultrasound
Cavitation Erosion
Material Removal
Acoustic Microscopy


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record