RU174330U1

RU174330U1 - Acoustic trap in a standing wave field based on two oncoming beams

Info

Publication number: RU174330U1
Application number: RU2017115055U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-10-11

Abstract

Полезная модель относится к акустике, в частности к устройствам акустических ловушек. Акустическая ловушка состоит из последовательно расположенных источника ультразвукового излучения, первого устройства формирования области фокусировки, рабочей камеры для размещения в ней текучей среды с частицами, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго источника излучения. Оба устройства формирования области фокусировки выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и выполненных из материала со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83. Источник ультразвукового излучения выполнен с возможностью изменения длины волны излучения, с возможностью формировать акустическую волну с плоским фронтом или со сходящимся сферическим волновым фронтом. Технический результат - увеличение поперечного разрешения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to acoustics, in particular to acoustic trap devices. An acoustic trap consists of a sequentially located source of ultrasonic radiation, a first device for forming a focus area, a working chamber for placing a fluid with particles in it, a second device for forming a focus area located towards the first device for forming a focus area, and a second radiation source. Both devices for the formation of the focusing region are made in the form of mesoscale sound-conducting particles, which form at its outer boundary on the opposite side from the incident radiation regions with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and made of material with the speed of sound in the particle material relative to sound velocity in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83. The source of ultrasonic radiation is configured to change the wavelength of the radiation, with the ability to form an acoustic wave with a flat front or with a converging spherical wave front. The technical result is an increase in transverse resolution. 3 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам акустических ловушек с применением встречных пучков и может быть использована в устройствах захвата, разделения, концентрирования и манипулировании микрочастицами, в современной биологии и биофизике, медицине и биоинженерии, например, для выстраивания микрооптомеханических систем, сортировки биологических клеток, в химии, электронике, нанотехнологии и т.д.The utility model relates to devices of acoustic traps using colliding beams and can be used in devices for capturing, separating, concentrating and manipulating microparticles, in modern biology and biophysics, medicine and bioengineering, for example, for building micro-optomechanical systems, sorting biological cells, in chemistry, electronics, nanotechnology, etc.

Достаточно хорошо известны многочисленные устройства для манипуляции отдельными объектами с помощью механических приспособлений типа микропинцетов, щипцов, микроигл, и т.д.Numerous devices for manipulating individual objects with the aid of mechanical devices such as micro-tweezers, forceps, microneedles, etc., are well known.

Недостатком подобных устройств является необходимость механического контакта с объектом. А в случае малых образцов с характерными размерами порядка единиц мкм и менее управление их с помощью подобных устройств представляет достаточно сложную задачу.The disadvantage of such devices is the need for mechanical contact with the object. And in the case of small samples with characteristic sizes of the order of a few microns or less, controlling them using similar devices is a rather complicated task.

Альтернативным решением для фиксации и изменения пространственного положения различных объектов является использование различных типов излучений от ультразвука до лазера. Наибольший прогресс достигнут с созданием так называемых «оптических пинцетов», принцип работы которых основан на использовании эффекта давления света. Этот эффект обеспечивает формирование оптических градиентных сил, удерживающих облучаемые частицы в поле сильно сфокусированного излучения от лазера [K. Svoboda, S.M. Black. Biological application оf оptical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struc. 23, 244-285, 1994; A. Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 4853-4860, 1997; US Patent 4893886, A. Ashkin et al. "Non-destruction optical trap for biological particles and method of doing same, January 16, 1990].An alternative solution for fixing and changing the spatial position of various objects is the use of various types of radiation from ultrasound to laser. The greatest progress has been achieved with the creation of so-called "optical tweezers", the principle of which is based on the use of the effect of light pressure. This effect provides the formation of optical gradient forces holding the irradiated particles in the field of highly focused laser radiation [K. Svoboda, S.M. Black Biological application of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struc. 23, 244-285, 1994; A. Ashkin, Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 4853-4860, 1997; US Patent 4,893,886, A. Ashkin et al. "Non-destruction optical trap for biological particles and method of doing same, January 16, 1990].

Недостатком таких устройств является необходимость создания достаточных удерживающих градиентных сил с помощью микрообъективов с большой апертурой, что резко уменьшает объем зоны, в пределах которого можно манипулировать микрообъектами. Данный метод в основном применим только к прозрачным объектам с коэффициентом преломления, превышающий показатель преломления окружающей среды. Кроме того, необходимость использования излучения с высоким значением плотности энергии, что может привести к непредсказуемому влиянию на биообъекты сопутствующих тепловых или фотодинамических эффектов вплоть до их существенного повреждения. К тому же оптические градиентные силы очень малы (единицы пиконьютон), что накладывает ограничения на возможность манипулирования прозрачными частицами только малых размеров, не больше нескольких десятков микрон и этот метод предназначен для манипулирования одиночными частицами, то есть он не позволяет одновременно манипулировать несколькими частицами или при их высокой концентрации в среде.The disadvantage of such devices is the need to create sufficient holding gradient forces using micro-lenses with a large aperture, which dramatically reduces the volume of the zone within which micro-objects can be manipulated. This method is mainly applicable only to transparent objects with a refractive index exceeding the refractive index of the environment. In addition, the need to use radiation with a high energy density, which can lead to unpredictable effects on biological objects of the accompanying thermal or photodynamic effects up to their significant damage. In addition, the optical gradient forces are very small (piconewton units), which imposes restrictions on the ability to manipulate transparent particles of only small sizes, not more than several tens of microns, and this method is designed to manipulate single particles, that is, it does not allow you to manipulate several particles at the same time or when their high concentration in the environment.

Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Sandeep Tauro, Andrew Banas, Darwin Palima and Jesper Gltickstad. Dynamic axial stabilization of counterpropagating beam-traps with feedback control // Optics Express, 18(17), 18217-18222 (2010). DOI 10.1364/OE. 18.018217; С.Чу. Управление нейтральными частицами // УФН, т. 169, №3, 1999, с. 276], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде линзы, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде линзы, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения.A device for an optical trap in a standing wave field based on two oncoming beams [Sandeep Tauro, Andrew Banas, Darwin Palima and Jesper Gltickstad. Dynamic axial stabilization of counterpropagating beam-traps with feedback control // Optics Express, 18 (17), 18217-18222 (2010). DOI 10.1364 / OE. 01/188217; S. Chu Control of neutral particles // UFN, vol. 169, No. 3, 1999, p. 276], consisting of a sequentially located radiation source, a first device for forming a focusing area in the form of a lens, a detectable particle, a second device for forming a focusing area in the form of a lens, located to meet the first device for forming a focusing area and a radiation source.

В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков. Если расположить два источника сфокусированных волн напротив друг друга, и заставить эти источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) больше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Эйри [Isotropic diffraction limited focusing using a single objective lens / E. Mudry, E.Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet, and A. Sentenac //Physical Review Letters. 2010. V. 105, No. 20. P. 203903; Борн M. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].In such a trap, the region of antinodes of the electromagnetic field arises in the region of interaction (interference) of two opposing beams. If you place two sources of focused waves opposite each other, and make these sources emit waves of the same frequency and intensity, then in the middle between them forms a "depression" - the area where the waves mutually destroy. As a result, a particle captured by one wave will move until it enters this region. The transverse size of the focusing area (antinodes) is greater than the classical diffraction limit for the lens and is determined by the Airy function [Isotropic diffraction limited focusing using a single objective lens / E. Mudry, E. Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet, and A. Sentenac // Physical Review Letters. 2010. V. 105, No. 20. P. 203903; Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].

Размер поперечного сечения области фокусировки определяет градиент сил, действующих на регистрируемую частицу - чем он меньше, тем выше градиент. Для уменьшения поперечного размера фокального пятна используется острая фокусировка с использованием высокоапертурных объективов. Однако продольный размер фокального пятна dz=λn/NA² (λ - длина волны, n - показатель преломления среды, NA - числовая апертура фокусирующей системы) даже в предельном случае оказывается в два раза больше поперечного dr=λ/(2NA). И даже в предельном случае (NA=1) поперечный размер области фокусировки в случае классических линз не может быть меньше половины длины волны [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].The size of the cross section of the focusing area determines the gradient of the forces acting on the detected particle - the smaller it is, the higher the gradient. To reduce the transverse size of the focal spot, sharp focusing using high aperture lenses is used. However, the longitudinal size of the focal spot dz = λn / NA ² (λ is the wavelength, n is the refractive index of the medium, NA is the numerical aperture of the focusing system) even in the limiting case is twice as large as the transverse dr = λ / (2NA). And even in the limiting case (NA = 1), the transverse size of the focusing region in the case of classical lenses cannot be less than half the wavelength [Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].

Недостатком устройства являются большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе линзы. В поперечном направлении диаметр линзы должен быть не менее десятка длин волн излучения, а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела [Dienerowitz М., Dholakia K. Optical manipulation of nanoparticles: a review // J. Nanophotonics. 2008. V. 2. P. 021875].The disadvantage of this device is the large size of the device forming the focus area based on the lens. In the transverse direction, the diameter of the lens must be at least ten radiation wavelengths, and it is impossible to form a focusing region with a transverse size of less than half the wavelength due to the diffraction limit [Dienerowitz M., Dholakia K. Optical manipulation of nanoparticles: a review // J. Nanophotonics. 2008. V. 2. P. 021875].

Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных безградиентных (Бесселевых) пучков [Optical conveyor belt http://www.isibrno.cz/omitec/index.php?action=besscbelt.html], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения.A device for an optical trap in a standing wave field based on two opposing gradientless (Bessel) beams [Optical conveyor belt http://www.isibrno.cz/omitec/index.php?action=besscbelt.html], consisting of a sequentially located radiation source , the first device for forming the focus area in the form of a Bessel beam based on the axicon, the detected particle, the second device for forming the focus area in the form of a Bessel beam on the basis of the axicon, located at the meeting of the first device for forming the focus area and the source zlucheniya.

В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных Бесселевых пучков. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) немного меньше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Бесселя первого порядка [Durnin J. // J. Opt. Soc. Am. A. 1987. V. 4. P. 651-654.] - при прохождении через аксикон световая волна преломляется и интерферирует таким образом, что радиальное распределение ее интенсивности описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка [Г.С. Соколовский и др. Манипулирование микрочастицами при помощи бесселевых пучков, полученных от полупроводниковых лазеров //Письма вЖТФ, 2014, том 40, вып. 11, с. 53-59].In such a trap, the region of antinodes of the electromagnetic field arises in the region of interaction (interference) of two oncoming Bessel beams. The transverse size of the focusing area (antinodes) is slightly less than the classical diffraction limit for the lens and is determined by the first-order Bessel function [Durnin J. // J. Opt. Soc. Am. A. 1987. V. 4. P. 651-654.] - when passing through the axicon, the light wave refracts and interferes in such a way that the radial distribution of its intensity is described by the zero-order Bessel function of the first kind [G.S. Sokolovsky and others. Manipulation of microparticles using Bessel beams obtained from semiconductor lasers // Letters in ZhTF, 2014, Volume 40, no. 11, p. 53-59].

Однако габариты устройства формирования области фокусировки на основе аксикона в поперечном направлении велики (диаметр аксикона должен быть не менее десятка длин волн излучения), а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за физических ограничений на свойства Бесселевых пучков [Tomas Cizmar et al. Optical trapping in counter-propagating Bess el beams // Proceedings of SPIE Vol. 5514, pp. 643-650 (SPIE, Bellingham, WA, 2004)].However, the dimensions of the device for forming an axicon-based focusing region in the transverse direction are large (the axicon diameter must be at least ten radiation wavelengths), and it is impossible to form a focusing region with a transverse size of less than half the wavelength due to physical limitations on the properties of Bessel beams [Tomas Cizmar et al. Optical trapping in counter-propagating Bess el beams // Proceedings of SPIE Vol. 5514, pp. 643-650 (SPIE, Bellingham, WA, 2004)].

Определенным недостатком всех рассмотренных оптических методов и их различных модификаций [US Patent 4772786 R.M. Langdon "Photothermal oscillator force sensor" September 20, 1988; Us Patent 6067859 J. A. Kas. Et al. Opical stretcher. May 30, 2000; US Patent 5512745 J. Finer et al. Optical trap system and method. April 30, 1996; US Patent 6055106 D.G. Grier at al. Apparatus for applying optical gradient forces. April, 25, 2000; US Patent 5212382 К. Sasaki et al. 'Laser trapping and method for applications thereof May 18, 1993; US Patent 5939716 D.R. Neil 'Three dimensional light trap for reflective particles' August 17, 1999] является необходимость прямого облучения образца или его части высокоинтенсивным излучением, что может привести к изменению его свойств или повреждению. Кроме того, использование этих методов по предложенным схемам позволяет обеспечить только лишь большое начальное ускорение частиц, то есть вопрос удержания этих частиц или точной манипуляции их пространственного положения, включая целенаправленное медленное передвижение в любом заданном направлении решен не был. Кроме того, данные методы не позволяют управлять одновременно несколькими частицами и оптическое излучение не может быть использовано в оптически непрозрачных растворах, в которых концентрация частиц велика.A definite drawback of all the considered optical methods and their various modifications [US Patent 4772786 R.M. Langdon "Photothermal oscillator force sensor" September 20, 1988; Us Patent 6067859 J. A. Kas. Et al. Opical stretcher. May 30, 2000; US Patent 5,512,745 J. Finer et al. Optical trap system and method. April 30, 1996; US Patent 6055106 D.G. Grier at al. Apparatus for applying optical gradient forces. April 25, 2000; US Patent 5,212,382 to K. Sasaki et al. 'Laser trapping and method for applications thereof May 18, 1993; US Patent 5,939,716 D.R. Neil 'Three dimensional light trap for reflective particles' August 17, 1999] is the need for direct irradiation of a sample or part of it with high-intensity radiation, which can lead to a change in its properties or damage. In addition, the use of these methods according to the proposed schemes makes it possible to ensure only a large initial particle acceleration, that is, the issue of retaining these particles or accurately manipulating their spatial position, including targeted slow movement in any given direction, has not been resolved. In addition, these methods do not allow several particles to be controlled simultaneously, and optical radiation cannot be used in optically opaque solutions in which the concentration of particles is high.

От этого недостатка свободны методы, основанные на использовании энергии ультразвука для передвижения частиц бесконтактным методом, например, [J. Wu. Acoustic tweezers. J. Acoustical Soc. Am. 5, 2140-2143, 1991; US Patent 5831166. Kozuka et al. Metod of non-contact micromanipulation using ultrasound. Nov. 3, 1998; US Patent 626538. K. Yasuda et al. Particle handling apparatus for handling particles in fluid by acoustic radiation pressue. April 17, 2001; US Patent 5902489. K. Yasuda et al. Particle handling method by acoustic radiation force and apparatus therefore. May 11, 1999; US Patent 6245207. K. Yasuda et al. Cell separation device using ultrasound and electrophoresis. June 12, 2001; Diego Baresch, Jean-Louis Thomas, Regis Marchiano. Observation of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particles: acoustical tweezers // Physical Review Letters, 116, 024301 (2016)].Free from this drawback are methods based on the use of ultrasound energy to move particles by a non-contact method, for example, [J. Wu Acoustic tweezers. J. Acoustical Soc. Am. 5, 2140-2143, 1991; US Patent 5,831,166. Kozuka et al. Metod of non-contact micromanipulation using ultrasound. Nov. 3, 1998; US Patent 626538. K. Yasuda et al. Particle handling apparatus for handling particles in fluid by acoustic radiation pressue. April 17, 2001; US Patent 5902489. K. Yasuda et al. Particle handling method by acoustic radiation force and apparatus therefore. May 11, 1999; US Patent 6,245,207. K. Yasuda et al. Cell separation device using ultrasound and electrophoresis. June 12, 2001; Diego Baresch, Jean-Louis Thomas, Regis Marchiano. Observation of a single-beam gradient force acoustical trap for elastic particles: acoustical tweezers // Physical Review Letters, 116, 024301 (2016)].

Известено акустическое устройство для разделения частиц жидких дисперсных систем [Патент РФ 2393907. Акустический фильтр для разделения частиц жидких дисперсных систем], содержащее рабочую камеру, ультразвуковой фокусирующий УЗ излучатель размещенный в рабочей камере.A known acoustic device for separating particles of liquid dispersed systems [RF Patent 2393907. An acoustic filter for separating particles of liquid dispersed systems], comprising a working chamber, an ultrasonic focusing ultrasonic emitter located in the working chamber.

Недостатком такого устройства является большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе фокусирующего излучателя. В поперечном направлении диаметр фокусирующего излучателя должен быть не менее десятка длин волн излучения, а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела.The disadvantage of this device is the large size of the device for forming a focus area based on a focusing emitter. In the transverse direction, the diameter of the focusing emitter must be at least ten wavelengths of radiation, and it is impossible to form a focusing region with a transverse size of less than half the wavelength due to the diffraction limit.

Общим для всех устройств является формирование и направление УЗ излучения на частицы, чтобы концентрировать частицы или соответственно разделять их в текучей среде в соответствии с их физическими свойствами.Common to all devices is the formation and direction of ultrasonic radiation to particles in order to concentrate particles or accordingly separate them in a fluid medium in accordance with their physical properties.

Недостатком рассмотренных устройств являются большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе линзы или фокусирующих излучателей. В поперечном направлении диаметр фокусирующего устройства должен быть не менее десятка длин волн излучения и сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела, а так же невысокая плотность ультразвуковой энергии в рабочей камере вследствие отсутствия возможности фокусировки и концентрации энергии от излучателя больших размеров в камере значительно меньшего размера. К тому же, в этих методах трудно обеспечить высокую точность манипуляции частиц из-за технической сложности создания акустических микролинз для формирования малой длины волны УЗ колебаний.The disadvantage of the considered devices is the large size of the device for forming a focus area based on a lens or focusing emitters. In the transverse direction, the diameter of the focusing device must be at least a dozen wavelengths of radiation and it is impossible to form a focus area with a transverse size of less than half the wavelength due to the diffraction limit, as well as the low density of ultrasonic energy in the working chamber due to the inability to focus and energy concentration from a large emitter in a much smaller chamber. Moreover, in these methods it is difficult to ensure high accuracy of particle manipulation due to the technical complexity of creating acoustic microlenses to form a small wavelength of ultrasonic vibrations.

В качестве прототипа выбрано устройство [Н.М. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849] содержащее последовательно расположенных источника УЗ излучения, первого устройства формирования области фокусировки, рабочую камеру для размещения в ней текучей среды содержащей частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго УЗ источника излучения.As a prototype of the selected device [N.M. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849] comprising a sequentially located ultrasonic radiation source, a first device for forming a focus area, a working chamber for accommodating a fluid containing particles in it, a second device for forming a focus area located towards the first device for forming a focus area, and second ultrasound radiation source.

Задача настоящей полезной модели состоит в уменьшении поперечных размеров устройства и уменьшения поперечного размера области фокусировки устройства.The objective of this utility model is to reduce the transverse dimensions of the device and reduce the transverse size of the focus area of the device.

Техническим результатом является создание акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков.The technical result is the creation of an acoustic trap in the field of a standing wave based on two oncoming beams.

Поставленная задача достигается за счет того, что акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, состоящая из последовательно расположенных источника ультразвукового излучения, первого устройства формирования области фокусировки, рабочую камеру для размещения в ней текучей среды содержащей частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго источника излучения, новым является то, что оба устройства формирования области фокусировки выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и выполненных из материала со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, кроме того как минимум один источник ультразвукового излучения выполнен с возможностью изменения длины волны излучения, кроме того источники ультразвукового излучения выполнены с возможностью формировать акустическую волну с плоским фронтом, кроме того источники ультразвукового излучения выполнены с возможностью формировать акустическую волну со сходящимся сферическим волновым фронтом.The problem is achieved due to the fact that the acoustic trap in the field of a standing wave based on two oncoming beams, consisting of a sequentially located source of ultrasonic radiation, a first device for forming a focus area, a working chamber for placing a fluid containing particles in it, a second device for forming a focus area located towards the first device for forming the focus area, and the second radiation source, new is that both devices are formed The focusing region is made in the form of mesoscale sound-conducting particles, forming at its outer boundary on the opposite side from the incident radiation, regions with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and made of material with the speed of sound in the particle material relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83, in addition, at least one source of ultrasonic radiation is configured to change the radiation wavelength, in addition, the sources ultrasonic radiation is configured to generate an acoustic wave with a flat front, in addition, ultrasonic radiation sources are configured to generate an acoustic wave with a converging spherical wave front.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

Фиг. 1 - принципиальная схема акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков.FIG. 1 is a schematic diagram of an acoustic trap in a standing wave field based on two oncoming beams.

Фиг. 2 - результаты математического моделирования формирования области фокусировки мезомасштабными звукопроводящими частицами, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, на примере сферических частиц в акустической ловушке.FIG. 2 - the results of mathematical modeling of the formation of the focusing region by mesoscale sound-conducting particles forming radiation focusing regions with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, using spherical particles in an acoustic trap as an example.

Обозначения:Designations:

1 - источник акустического излучения, 2 - первое устройство формирования области фокусировки, выполненное в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц и формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, 3 - регистрируемая частица в области фокусировки, 4 - второе устройство формирования области фокусировки, выполненное в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и расположенное на встречу первому устройству формирования области фокусировки, 5 - источник акустического излучения, 6 - зона пересечения областей фокусировки, 7 - рабочая камера.1 - the source of acoustic radiation, 2 - the first device for forming the focusing area, made in the form of mesoscale sound-conducting particles and forming at their outer border on the opposite side from the incident radiation of the region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, 3 - the detected particle in the focusing region, 4 - the second device for forming the focusing region, made in the form of mesoscale sound-conducting particles forming on their outer border with the opposite side they are from incident radiation of a region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and located to meet the first device for forming the focusing region, 5 - a source of acoustic radiation, 6 - a zone of intersection of focusing areas, 7 - a working chamber.

На частицы и клетки находящиеся в поле стоячих акустических волн действуют различные силы: радиационная, Стокса, Бьеркнеса, Бернулли и гравитационная [Горьков Л.П. О силах, действующих на малую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости // Доклады АН СССР. - 1961. - Т. 140, №1. - С. 88-91. Шарфарец Б.П. Радиационное давление при рассеянии произвольного поля на включении сложной формы // Акустический журнал. - 2010. - Т. 56, №6. - С. 767-772; King L.V. On the acoustical radiation pressure on sphere //Proc. Roy. Soc. London, 1934. V. A147. P. 212-240; Baresch D., Thomas J.-L., Marchiano R. Three-dimensional acoustic radiation force on an arbitrarily located elastic sphere // Journal of the Acoustical Society of America. - 2013. - T. 133, вып. 1. - С. 25-36. - DOI: 10.1121/1.4770256; Yoshioka K., Kawasima Y., Acousticalradiation pressure on a compressible sphere // Acoustica 5 (1955), 167-173; Князьков H.H., Курочкин B.E., Шарфарец Б.П. Радиационное давление на сферу в смешанном поле бегущей и стоячей плоских волн // Доклады АН, 2009, т. 424, №6; Князьков Н.Н., Макарова E.Д., Морев С.А., Спиваков Б.Я., Шкинев В.М. Методологические основы применения ультразвукового поля стоячей волны для проточного фракционирования частиц разной природы // Научное приборостроение, 2006, т. 16, №1, с. 23-34.]. Радиационная сила и сила Стокса являются наиболее важными из сил, которые действуют на частицы в УЗ поле.Various forces act on particles and cells in a field of standing acoustic waves: radiation, Stokes, Bjerknes, Bernoulli and gravitational [Gorkov L.P. On the forces acting on a small particle in an acoustic field in an ideal fluid // Doklady AN SSSR. - 1961. - T. 140, No. 1. - S. 88-91. Sharfarets B.P. Radiation pressure in the scattering of an arbitrary field on an inclusion of complex shape // Acoustic Journal. - 2010. - T. 56, No. 6. - S. 767-772; King L.V. On the acoustical radiation pressure on sphere // Proc. Roy. Soc. London, 1934. V. A147. P. 212-240; Baresch D., Thomas J.-L., Marchiano R. Three-dimensional acoustic radiation force on an arbitrarily located elastic sphere // Journal of the Acoustical Society of America. - 2013 .-- T. 133, no. 1. - S. 25-36. - DOI: 10.1121 / 1.4770256; Yoshioka K., Kawasima Y., Acousticalradiation pressure on a compressible sphere // Acoustica 5 (1955), 167-173; Knyazkov H.H., Kurochkin B.E., Sharfarets B.P. Radiation pressure on a sphere in a mixed field of traveling and standing plane waves // Doklady AN, 2009, v. 424, No. 6; Knyazkov N.N., Makarova E.D., Morev S.A., Spivakov B.Ya., Shkinev V.M. Methodological basis for the application of the ultrasonic field of a standing wave for flow fractionation of particles of different nature // Scientific Instrumentation, 2006, v. 16, No. 1, p. 23-34.]. The radiation force and the Stokes force are the most important of the forces that act on particles in an ultrasonic field.

Радиационная сила, действующая на частицу пропорциональна градиенту интенсивности акустического излучения [Н.М. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849]. Таким образом, уменьшая размер обрасти фокусировки и увеличивая величину интенсивности излучения в нем, можно увеличить радиационную силу действующую на частицу и точность манипулирования ею. Уменьшение размера области фокусировки фокусирующим устройством эквивалентно повышению частоту акустического излучения.The radiation force acting on a particle is proportional to the intensity gradient of acoustic radiation [N.M. Hertz. Standing-wave acoustic trap for non intrusive positioning of microparticles // J. Appl. Phys., 1995, 78, 4845-4849]. Thus, reducing the size of the focusing area and increasing the radiation intensity in it, one can increase the radiation force acting on the particle and the accuracy of its manipulation. Reducing the size of the focus area by the focusing device is equivalent to increasing the frequency of the acoustic radiation.

Действие этой силы приводит в движение частицу в поле стоячей УЗ волны. При движении частицы в поле стоячей УЗ волны на частицы действует сила сопротивления или трения, которая выражается известным законом Стокса. Когда частицы достигают узла давления, на них действует сила взаимодействия, которая называется силой Бьеркнеса. Сила взаимодействия представляет собой радиационную силу, испытываемую частицей за счет рассеяния акустической волны от другой частицы. На любую частицу, находящуюся в поле земного тяготения, действует сила гравитации или сила притяжения к земной поверхности. На частицы, которые уже находятся в узле давления УЗ поля или двигаются в направлении узла, действует сила гравитации, которая заставляет оседать частицы, если они находятся в неподвижном положении, или отклоняться от прямолинейного движения к ближайшему узлу давлению. Когда частицы находятся в узле давления УЗ поля, в жидкости, которая движется с некоторой скоростью V, то вследствие пониженного давления между этими частицами возникает сила притяжения Бернулли.The action of this force drives a particle in the field of a standing ultrasonic wave. When a particle moves in a field of a standing ultrasonic wave, a drag or friction force acts on the particles, which is expressed by the well-known Stokes law. When the particles reach the pressure node, they are affected by the interaction force, which is called the Bjerknes force. The interaction force is the radiation force experienced by a particle due to the scattering of an acoustic wave from another particle. Any particle located in the field of gravity is affected by the force of gravity or the force of attraction to the earth's surface. Particles that are already in the pressure node of the ultrasonic field or are moving in the direction of the node are affected by the force of gravity, which forces the particles to settle if they are in a stationary position, or deviate from rectilinear movement to the nearest node pressure. When the particles are in the pressure node of the ultrasonic field, in a fluid that moves with a certain speed V, then due to the reduced pressure, the Bernoulli attractive force arises between these particles.

При наложении УЗ поля стоячей волны на двигающуюся ламинарным потоком частиц, на каждую частицу будет действовать сила радиационного давления, направленная в зону, соответствующую минимуму потенциальной энергии частицы, и меняющая направление с периодичностью λ/4 (λ - длина волны звуковой волны). При этом частицы концентрируются либо в пучностях, либо узлах стоячей волны в зависимости от соотношений акустических свойств окружающей жидкости и частиц. Если заставить перемещаться в пространстве стоячую волну, то вместе с ней будут перемещаться и частицы.When an ultrasonic field of a standing wave is superimposed on a particle moving in a laminar flow, the radiation pressure force will act on each particle, directed to the zone corresponding to the minimum potential energy of the particle and changing direction with a frequency of λ / 4 (λ is the wavelength of the sound wave). In this case, the particles are concentrated either in antinodes or in nodes of a standing wave, depending on the ratios of the acoustic properties of the surrounding liquid and particles. If you make a standing wave move in space, then particles will also move with it.

В заявляемой полезной модели устройства формирования области фокусировки выполнены в виде трехмерной (мезомасштабной) звукопроводящей частицы с характерным размером порядка длины волны, формирующих на их внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4.In the claimed utility model, the devices for forming the focus area are made in the form of a three-dimensional (mesoscale) sound-conducting particle with a characteristic size of the order of the wavelength, forming at their outer border on the opposite side from the incident radiation of the region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / four.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что мезоразмерная звукопроводящая частица, например, в форме куба или сферы, пирамиды, осесимметричной пирамиды, цилиндра и т.д. с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.As a result of the studies, it was found that a mesoscale sound-conducting particle, for example, in the form of a cube or sphere, pyramid, axisymmetric pyramid, cylinder, etc. with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the used radiation in the medium, with the speed of sound in the particle material relative to the speed of sound in the environment lying in the range from 0.5 to 0.83, forms at its outer border on the opposite side from the incident radiation areas with increased energy concentration and with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4.

Ввиду субволнового размера области фокусировки градиент сил, действующих на частицу выше, и сами силы больше, чем в известных устройствах аналогичного типа.Due to the sub-wave size of the focusing region, the gradient of the forces acting on the particle is higher, and the forces themselves are larger than in known devices of a similar type.

В такой акустической ловушке область пучностей акустического поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков, образованных областями фокусировки с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 6. Если расположить два УЗ источника сфокусированных волн 2,6 напротив друг друга, и заставить эти УЗ источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область 6, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица 3, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область, при этом частица 3 находится в рабочей камере 7.In such an acoustic trap, the region of antinodes of the acoustic field arises in the region of interaction (interference) of two counterpropagating beams formed by focusing regions with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 6. If two ultrasonic sources of focused waves 2.6 are located opposite each other, and If these ultrasonic sources are forced to emit waves of the same frequency and intensity, then a “depression” is formed in the middle between them - region 6, where the waves are mutually destroyed. As a result, particle 3, picked up by one wave, will move until it falls into this region, while particle 3 is in the working chamber 7.

Устройства формирования области фокусировки в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц 2, 4 и формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, могут быть выполнены в виде звукопроводящих частиц различной формы, например, сферы, кубоида, пирамиды, осесимметричная пирамида, цилиндр и т.д. с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, при этом параметры формируемой области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 слабо зависят от формы мезоразмерной звукопроводящей частицы.Devices for forming a focusing region in the form of mesoscale sound-conducting particles 2, 4 and forming radiation-focusing regions with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, can be made in the form of sound-conducting particles of various shapes, for example, a sphere, cuboid, pyramid, axisymmetric pyramid, cylinder etc. with a characteristic size of the order of the wavelength of the radiation used, while the parameters of the formed radiation focusing region with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 are weakly dependent on the shape of the mesoscale sound-conducting particle.

В качестве примера работы устройства на фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования области фокусировки мезомасштабными звукопроводящими частицами, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, на примере сферических частиц в акустической ловушке. Для сферической частицы (радиус 5 длин волн) из свинца, расположенной в воде, отчетливо видно формирование локализованной субволновой зоны акустического поля в условиях значительного отражения, вызванного большим значением плотности материала сферы по сравнению со средой. Максимальная интенсивность в области фокусировки более чем в 60 раз превышает интенсивность падающего поля.As an example of the operation of the device in FIG. Figure 2 shows the results of mathematical modeling of the formation of the focusing region by mesoscale sound-conducting particles forming the focusing regions of radiation with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, using the example of spherical particles in an acoustic trap. For a spherical particle (radius 5 wavelengths) from lead located in water, the formation of a localized subwave zone of the acoustic field is clearly seen under conditions of significant reflection caused by a higher density of the material of the sphere compared to the medium. The maximum intensity in the focusing region is more than 60 times the intensity of the incident field.

При характерных размерах мезоразмерной звукопроводящей частицы менее λ/2, локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.При относительной скоростью звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0.5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела.When the characteristic dimensions of the mesoscale sound-conducting particle are less than λ / 2, the local concentration of the acoustic field near the particle surface does not occur. When the relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle relative to the speed of sound in the environment is less than 0.5, the transverse size of the local region of the field concentration becomes about the diffraction limit.

При относительной скоростью звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0.83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использовано для разделения, концентрирования или манипулирования частицами.When the relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle relative to the speed of sound in the environment is more than 0.83, the local concentration of the acoustic field arises inside the particle and cannot be used to separate, concentrate or manipulate the particles.

Характерной чертой звукопроводящих частиц, преобразующих падающее на них акустическое излучение в излучения область с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными устройствами. При изменении частоты падающего УЗ излучения на мезомасштабную звукопроводящую частицу изменяются параметры области фокусировки (длина, поперечный размер, расстояние от частицы до максимума интенсивности поля в области фокусировки). Выполняя как минимум один УЗ источник излучения с возможностью изменения длины волны излучения становится возможным управление захвата частицы акустической ловушкой.A characteristic feature of sound-conducting particles that convert the acoustic radiation incident on them into radiation is a region with an increased energy concentration and with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4, that they are both focusing devices and frequency-selective devices. When the frequency of the incident ultrasonic radiation is changed by a mesoscale sound-conducting particle, the parameters of the focusing region (length, transverse size, distance from the particle to the maximum field intensity in the focusing region) change. By performing at least one ultrasonic radiation source with the possibility of changing the radiation wavelength, it becomes possible to control the capture of particles by an acoustic trap.

Например, для устройства акустической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала звукопроводящей частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645 и т.д.For example, for arranging an acoustic trap in a standing wave field based on two oncoming beams designed to operate in a liquid, for example, in water at 25 ° С (speed of sound 1490 m / s), rexolite (sound speed can be used as a material of a sound-conducting particle) 2311 m / s) relative speed of sound 0.645, etc.

Мезомасштабная акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих частиц, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/А из литературы не известна.A mesoscale acoustic trap in a standing wave field based on two opposing beams in which the focusing elements are made in the form of mesoscale sound-conducting particles forming radiation focusing regions with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / A is not known from the literature.

Мезомасштабная акустическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных звукопроводящих, формирующих области фокусировки излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 позволяет уменьшить поперечные размеры фокусирующих элементов до 10 раз и увеличить поперечное разрешение (уменьшить поперечный размер области фокусировке) не менее, чем в 2 раза.A mesoscale acoustic trap in a standing wave field based on two opposing beams in which the focusing elements are made in the form of mesoscale sound-conducting, forming radiation focusing areas with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 allows to reduce the transverse dimensions of the focusing elements up to 10 times and increase the transverse resolution (reduce the transverse size of the focusing area) by at least 2 times.

Claims

1. An acoustic trap in the field of a standing wave based on two oncoming beams, consisting of a sequentially located source of ultrasonic radiation, a first device for forming a focus area, a working chamber for placing a fluid containing particles in it, and a second device for forming a focus area located towards the first device for forming focusing area, and a second radiation source, characterized in that both devices for forming the focusing area are made in the form of a mesus large-sized sound-conducting particles forming at its outer boundary on the opposite side of the incident radiation regions with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and made of a material with the speed of sound in the particle material relative to the speed of sound in the environment lying in range from 0.5 to 0.83.

2. The device according to p. 1, characterized in that at least one source of ultrasonic radiation is configured to change the radiation wavelength.

3. The device according to claim 1, characterized in that the sources of ultrasonic radiation are configured to generate an acoustic wave with a flat front.

4. The device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic radiation sources are configured to generate an acoustic wave with a converging spherical wave front.