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Single Bubble Sonolumineszenz
Grundlage: Während bei der >Vielblasen-Sonolumieszenz< viele einzelne Kavitationsbläschen unregelmäßig leuchtet, strahlt bei der Einzelblasen-Sonolumieszenz ein einziges winzig kleines Bläschen. Obwohl das Experiment apparativ nicht besonders aufwändig ist müssen doch die Versuchsparameter sehr genau eingestellt werden um die Bedingungen für eine Einzelblasen-Sonolumineszenz zu erhalten. Zum erstenmal wurde die SBL (Single bubble luminescence) von D. F. Gaitan 1990 gesehen. Sein Versuchsaufbau wurde oft erfolgreich kopiert und dient auch hier für erste Versuche in diesem Bereich.

Experiment: Der Versuchsaufbau ist wie erwähnt einfach und besteht im wesentlichen aus einem gläsernen Rundkolben.Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Kolbens werden Piezowandler zur Ausbildung des Ultraschallfeldes aufgeklebt, ein dritter Wandler am Boden des Kolbens dient als Mikrofon zur Überprüfung der akustischen Resonanz. Für das Experiment wurde ein 100 ml Kolben verwendet der einen Durchmesser von 65 mm hat. Als Transducer und Mikrofon dienten 10 mm Transducer aus kleinen Nebelmaschinen. Die eigentlich für 1,8 MHz dimensionierten Wandler sind für diesen Zweck nicht ideal, aber billig und einfach erhältlich. Die Wandler sind mit UHU-Plus aufgeklebt und mit dünnen 0,1 mm CuL Draht kontaktiert. Zur Ansteuerung der Piezo werden hohe Spannungen von einigen Hundert Volt benötigt. Für die Spannungstransfomation vom Ausgang des Frequenzgenerators auf die Hochspannung wird ein Serienschwingkreis verwendet. Die Kapazität des Schwingkreises bilden die Piezos, die Spule wird aus 0,5 mm CuL Draht auf einen Plastikkörper gewickelt und kann mit einem eingeschobenen Ferritstab in einem weiten Bereich abgestimmt werden. Als Leistungsverstärker wird eine selbstgebaute Schaltung mit dem LM 12 Operationsverstärker verwendet. Der Frequenzgenerator ist eine DDS-Baugruppe von ELV-Elektronik, der eine Zehntel Hertz genaue Einstellung der Frequenz erlaubt.

Eigentlich sollte der Kolben eine scharfe akustische Resonanz bei etwa 25 kHz haben. Eine Wobbelmessung im Bereich von 20 bis 50 kHz zeigt aber ein anderes Bild. Hier sieht man eine Resonanz bei 20 kHz und eine stärkere bei 46 kHz, dazwischen sind etliche weitere Resonanzstellen zu sehen. Nicht gezeigt ist eine sehr starke Resonanz bei etwa 180 kHz deren Amplitude zehnmal größer ist.
Weder bei 20 kHz noch bei 46 kHz konnten weder stabile Bläschen im Kolben noch eine sichtbare Emission erreicht werden. Erste Erfolge brachten die Messungen mit einem Fotomultiplier. Hier konnte eine Lichtemission gesehen werden die eindeutig mit der Ultraschallwelle korreliert ist, möglicherweise stammen die Lichtblitze aber auch von der Vielblasen-Sonolumineszenz. Insgesamt entstand der Eindruck das der verwendete Rundkolben für das Experiment nicht sehr geeignet ist, da er zuviele Nebenresonanzen aufweist.
Deshalb wurde eine neue Zelle aufgebaut die von Seeley und Joens ( Synchronos sonoluminescence in acrylic resonant chambers) beschrieben wurde. Eine ähnliche Kammer wird auch kommerziell von der Lehrmittelfirma >Teachspin< angeboten. Die Kammer ist ein rechteckiges Plasikgefäß in welchem die die Ultraschallwellen mit einem Transducerhorn angeregt werden. Die Küvette aus 2mm starken Plexiglas hat eine Größe von 57x57x130 mm und ist mit UHU-Plus zusammen geklebt
Die Box ist bis zu einer Höhe von 8 cm mit Wasser gefüllt. Daraus errechnet sich eine Resonanzfrequenz von 19 kHz. Sie kann aber auch mit 24 und 28 kHz angeregt werden.Es bilden sich dann höhere Moden mit 2 bzw. 3 Schwingsknoten.Das Transducerhorn ist ein Alustab mit 1,3 cm Durchmesser und einer Länge von etwa eine Wellenlänge. Weil die Schallgeschwindigkeit in Alu 5080 m/s beträgt hat der Stab eine Länge von 27 cm (19kHz), 21 cm (24kHz) oder 18 cm (28kHz). Da die verwendeten Piezoscheiben aus einem alten Ultraschallbad einen größeren Durchmesser haben wurde an den Stab ein konischer Übergang angesetzt. Der Aufbau entspricht einem sogenannten Langewin Transducer. Die beiden Piezoscheiben werden mit einer Schrauben und einer dicken Aluscheibe auf das Horn gepresst. Das Horn selbst kann in einem Schwingungsknoten befestigt werden, geeignete Stelle wird am Besten durch Versuche ermittelt. Als Mikrofon dient wieder eine Mebrane aus einen Ultraschallnebler. Da am unteren Ende der Küvette ein Schwingsbauch entsteht steht sie auf einer Schaumstoffschicht.

Zur besseren Kontrolle der Vorgänge wurde die Mikrofonbeschaltung mit einem Hochpass erweitert. Der Ausgang des Hochpasses wird auf dem zweiten Kanal des Oszis dargestellt. Auf dem Schirmbild die dann die Schockwellen der pulsierenden Blase zu sehen. Diese Anzeige ist wesentlich aussagekräftiger als der Versuch die winzige Blase mit dem Auge zu erkennen. Sieht man die Blase gut mit dem bloßen Auge ist sie meist schon zu groß für den Lumineszenzvorgang. Erzeugt wurden die Bläschen nach der üblichen Methode mit einer Injektionsspritze. Dazu wird etwas Wasser in die Spritze gezogen und wieder auf die Oberfläche der Flüssigkeit gespritzt. Bei richtiger Einstellung des Ultraschallfeldes werden entstehende Bläschen dann an die richtige Stelle getrieben. Ist ein Bläschen im Schallfeld gefangen sieht man das sofort am hochfrequenten Signal am Ausgang des Hochpasses.
Es werde Licht: Man sollte nicht den gleichen Fehler wie der Schreiber machen und die Amplitude zu weit aufdrehen. Die Stärke des Feldes für die Sonolumineszenz ist erstaunlich niedrig. Sieht man hochfrequentes Rauschen oder gar Wellen auf der Wasseroberfläche ist man schon weit übers Ziel hinaus. Bei richtiger Einstellung sieht man hochfrequente Ripples die absolut synchron zur 24 kHz Sinusschwingung sind. Hat man die richtige Einstellung gefunden und ist das Wasser ordentlich entgast ist es nicht schwierig die leuchtenden Blasen zu erzeugen. Unzureichend entgastes Wasser ist leicht zu erkennen dass schon bei kleiner Sinusamplitude nicht synchrone hochfrequente Schwingungen auftreten. Die Ripples dürfen erst entstehen wenn eine Blase durch die Spritze erzeugt wird.

Die Blase zu fotografieren ist auf Grund ihrer Winzigkeit und Brillianz nicht leicht, man sieht im Wesentlichen das Beugungsscheibchen des verwendeten Objektives. Das linke Bild wurde mit einer Belichtungszeit von 30 Sekunden, Blende 2,8 und einer Kameraempfindlichkeit von 400 ASA aufgenommen. Wichtigt ist es sauberes, destilliertes Wasser zu verwenden da schon kleinste Schmutzteilchen stabile Bläschen verhindern. Wie schon erwähnt muss das Wasser entgast werden.
Dazu wird es mit einer Wasser resistenten Membranpumpe von der gelösten Luft befreit. Hat man keine Pumpe zur Verfügung kann die Luft auch durch Kochen ausgetrieben werden.Nach dem Kochen das eine Viertelstunde dauern sollte wird das Gefäß verschlossen und man läßt das Wasser wieder abkühlen. Je tiefer die Temperatur umso intensiver wird die Lumineszenz. Wird mit 24 kHz angeregt entstehen in derr Zelle zwei Schwingungsknoten und in jedem kann ein Bläschen gefangen werden die simultan leuchten wie auf dem rechten Bild zu sehen ist. Dass trotz der langen Belichtungszeit die Bläschen als Punkte abgebildet werden zeigt ihre große Ortsstabilität. Die Lebensdauer der Bläschen kann viele Minuten betragen.