Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

طريقة لتسجيل النطاق العريض عالية الدقة الأطياف الانبعاثات من أقواس البرق المختبر

Published: August 27, 2019 doi: 10.3791/56336
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Morgan-Botti Lightning Laboratory, Advanced High Voltage Research Centre, School of Engineering, Cardiff University

Summary

وقد استخدمت تقنيات التحليل الطيفي للانبعاثات تقليديا لتحليل أقواس البرق العشوائية بطبيعتها التي تحدث في الطبيعة. في هذه الورقة، يتم وصف طريقة وضعت للحصول على مطياف الانبعاثات من أقواس البرق القابلة للاستنساخ المتولدة داخل بيئة مختبرية.

Abstract

البرق هو واحد من القوى الأكثر شيوعا وتدميرا في الطبيعة، وقد درست منذ فترة طويلة باستخدام تقنيات الطيفية، أولا مع أساليب الفيلم الكاميرا التقليدية ومن ثم تكنولوجيا الكاميرا الرقمية، والتي تم العديد من الخصائص الهامة المشتقه. ومع ذلك، كان هذا العمل دائما محدودا بسبب الطبيعة العشوائية وغير المتكررة بطبيعتها لأحداث البرق الطبيعية في هذا المجال. التطورات الأخيرة في مرافق اختبار البرق تسمح الآن جيل استنساخ أقواس البرق داخل بيئات المختبر الخاضعة للرقابة، وتوفير سرير اختبار لتطوير أجهزة الاستشعار الجديدة وتقنيات التشخيص لفهم البرق آليات أفضل. وإحدى هذه التقنيات هي نظام مطيافي يستخدم تكنولوجيا الكاميرا الرقمية القادرة على تحديد العناصر الكيميائية التي يتفاعل معها قوس البرق، مع استخدام هذه البيانات بعد ذلك لاستخلاص المزيد من الخصائص. في هذه الورقة، يتم استخدام النظام الطيفي للحصول على طيف الانبعاثات من ذروة 100 كيلوآ، 100 ميكروثانية مدة قوس البرق ولدت عبر زوج من أقطاب التنغستن نصف كروية مفصولة بفجوة الهواء الصغيرة. للحفاظ على دقة طيفية أقل من 1 نانومتر، تم تسجيل العديد من الأطياف الفردية عبر نطاقات الطول الموجي المنفصلة، ومتوسط، مخيط، وتصحيحلإنتاج طيف مركب نهائي في نطاق 450 نانومتر (الضوء الأزرق) إلى 890 نانومتر (بالقرب من ضوء الأشعة تحت الحمراء). ثم قورنت الذرى المميزة داخل البيانات بقاعدة بيانات متاحة للجمهور لتحديد تفاعلات العناصر الكيميائية. وتنطبق هذه الطريقة بسهولة على مجموعة متنوعة من الأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء، مثل التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، وإثارة المعدات والأجهزة والأنظمة الكهربائية.

Introduction

البرق هو واحد من القوى الأكثر شيوعا وتدميرا في الطبيعة التي تتميز التفريغ الكهربائي السريع ينظر إليها على أنها ومضة من الضوء وتليها الرعد. ويمكن أن يتكون قوس البرق النموذجي من جهد يبلغ عشرات الجيغافولت ومتوسط تيار يبلغ 30 كيلوفولت عبر قوس يتراوح بين عشرات ومئات الكيلومترات التي تحدث جميعها في غضون 100 ميكرومتر. الحصول على معلومات حول خصائصها. تم تأسيس العديد من التقنيات باستخدام تقنيات الكاميرا التقليدية المستندة إلى الأفلام لدراسة ضربات البرق الطبيعيةخلال الستينات إلى الثمانينات، على سبيل المثال 1،2،3،4،5 و6و7، وفي الآونة الأخيرة، التقنيات الرقمية الحديثة، على سبيل المثال8،9،10،11،12، 13 , 14، وقد استخدمت لإعطاء نظرة أكثر دقة في آليات البرق. مع مرور الوقت، وقد أظهرت هذه الأعمال القدرةليس فقط على تحديد التفاعلات العنصر الكيميائي 1،14،ولكن أيضا الحصول على قياسات درجة الحرارة15،16،الضغط5، كثافة الجسيماتوالإلكترون 5،17،الطاقة18،المقاومة، والمجال الكهربائي الداخلي للقوس8. ومع ذلك، كانت دراسات البرق الطبيعي دائما محدودة من قبل الطبيعة العشوائية التي لا يمكن التنبؤ بها بطبيعتها من أحداث البرق.

في السنوات الأخيرة، ركزت الأبحاث على كيفية تفاعل البرق مع البيئة المحيطة، ولا سيما في صناعة الطيران لحماية الطائرات أثناء الطيران من ضربات البرق المباشرة. وبالتالي، تم تصميم وبناء العديد من مرافق اختبار البرق الكبيرة لتكرار العناصر الأكثر تدميرا ً لضربة البرق، أي الوقت الحالي ووقت التسليم، ولكن بجهد محدود. مختبر مورغان بوتي البرق (MBLL)19 في جامعة كارديف يمكن أن تولد أربعة موجات البرق متميزة تصل إلى 200 كيلو طن من الموجات وفقا للمعيار ذات الصلة20. مع مثل هذا المرفق المختبري، يمكن بسهولة استنساخ البرق والسيطرة عليها مع درجة عالية من الدقة والتكرار، وتوفير سرير اختبار لتطوير أجهزة الاستشعار الجديدة وتقنيات التشخيص لفهم تفاعلات البرق و آليات أفضل21،22،23. وإحدى هذه التقنيات هي نظام مطيافي تم تطويره وتثبيته مؤخراً14و21، وهو، شأنه في ذلك شأن النظم الطيفية المستخدمة في دراسات البرق الطبيعي، يعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UV) إلى الأشعة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR). وهي طريقة غير تدخلية لا تتداخل مع قوس البرق ولا تتأثر إلى حد كبير بالضوضاء الكهرومغناطيسية التي تنتج أثناء الإضراب، على عكس معظم الأجهزة القائمة إلكترونيا.

تم استخدام نظام الطيف لمراقبة طيف قوس البرق المختبري النموذجي الذي تم إنشاؤه ويتكون من 100 كيلومتر من التذبذب المخمد بشكل نقدي، و100 ميكروثانية، و18/40 درجة مئوية من الموجي عبر فجوة هوائية بين زوج من التنغستن قطره 60 مم الأقطاب الكهربائية مفصولة بفجوة الهواء 14 ملم. يظهر في الشكل 1أثر نموذجي لهذا الشكل الموجي قوس البرق. تم وضع الأقطاب الكهربائية في غرفة ذات قوة كهرومغناطيسية (EMI) محكمة خفيفة بحيث كان الضوء المسجل الوحيد من قوس البرق نفسه، مع كمية صغيرة من هذا الضوء يتم نقلها عبر الألياف البصرية قطرها 100 متر، المتمركزة 2 متر بعيدا و معطيإلى زاوية عرض 0.12 درجة مما يعطي حجم بقعة من 4.2 ملم في موقف القوس، إلى غرفة EMI أخرى تحتوي على نظام الطيف، كما هو موضح في الشكل 2. وقد استخدمت غرف EMI لتقليل الآثار السلبية الناجمة عن حدث البرق. يتم إنهاء الألياف البصرية في الهيكل البصري محكم الضوء على أساس تكوين Czerny-Turner من الطول البؤري 30 سم، مع الضوء يمر من خلال شق 100 ميكرومتر قابل للتعديل وعلى 900 ln/mm 550 حريق صر قابل للتدوير عبر ثلاث مرايا، على 1024 × 1024 بكسل الكاميرا الرقمية، كما هو مبين في الشكل 3. في هذه الحالة، يعطي الإعداد البصري دقة طيفية قدرها 0.6 نانومتر عبر نطاق فرعي يبلغ 140 نانومتر ًا تقريبًا ضمن نطاق كامل تقريبي يبلغ 800 نانومتر عبر الأشعة فوق البنفسجية إلى أطوال موجية NIR. وتقاس الاستبانة الطيفية بقدرة المطياف على التمييز بين قمتين قريبتين، ويمكن تعديل موضع النطاق الفرعي ضمن النطاق الكامل بتدوير الصريف. ويتمثل أحد المكونات الرئيسية للنظام في اختيار صريف الانعراج الذي يملي نطاق الطول الموجي والقرار الطيفي، مع تناسب الأول عكسياً مع الثاني. وعادة ما تكون هناك حاجة إلى نطاق واسع من الطول الموجي لتحديد مواقع خطوط ذرية متعددة في حين أن هناك حاجة إلى استبانة طيفية عالية لقياس موقعها بدقة؛ هذا لا يمكن أن يتحقق جسديا مع صريف واحد لهذا النوع من الطيف. لذلك، يتم أخذ البيانات من عدة نطاقات فرعية، مع دقة عالية، في مواقع مختلفة عبر الأشعة فوق البنفسجية إلى نطاق NIR. يتم وضع هذه البيانات ولصقها معا لتشكيل طيف مركب.

في الممارسة العملية، بسبب القيود في انتقال الضوء الألياف البصرية، تم تسجيل نطاق الطول الموجي الطيف من 450 نانومتر إلى 890 نانومتر. بدءا من 450 نانومتر، تم تسجيل الضوء من أربعة أقواس البرق ولدت مستقلة، تم طرح الضوضاء الخلفية، ثم تم متوسطها. ثم تم تحويل نطاق الطول الموجي إلى 550 نانومتر، مما يعطي تداخل بيانات 40 نانومتر، مع ضوء من أربعة أقواس البرق الأخرى ولدت المسجلة ومتوسط. وقد تكرر ذلك حتى تم التوصل إلى 890 نانومتر، وتم خياطة البيانات المتوسطة الناتجة معاً لخلق طيف كامل عبر نطاق الطول الموجي الكامل المحدد مسبقاً. ويتضح هذا العمل بهذه العملية في الشكل 4. ثم استخدمت القمم المميزة لتحديد العناصر الكيميائية من خلال المقارنة مع قاعدة البيانات القائمة24.

في هذه الورقة، يتم وصف طريقة التحليل الطيفي للانبعاثات البصرية. وتنطبق هذه الطريقة بسهولة على مجموعة واسعة من الأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء مع الحد الأدنى من التغيير في إعدادات الإعداد التجريبي أو نظام الطيف. وتشمل هذه التطبيقات التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، والإثارة، وغيرها من الظواهر ذات الصلة في النظم والمعدات الكهربائية.

Protocol

1. اختيار نطاق الطول الموجي

  1. يجب أولاً اختيار نطاق الطول الموجي للبرق الذي يجب ملاحظته. تم اختيار 450 نانومتر إلى 890 نانومتر.
    ملاحظة: سيتم تحديد هذا من خلال إعداد المختبر، والنطاق الطيفي كما هو محدد من قبل زاوية الحارقة من صريف، وحساسية الكاميرا.

2. إعداد الأقطاب الكهربائية

  1. اختيار مادة القطب مناسبة. وقد تم اختيار زوج من أقطاب التنغستن نصف كروية قطرها 60 مم ثابتة على تصاعد النحاس، كما هو موضح في الشكل5.
    ملاحظة: أي مادة يتفاعل معها قوس البرق سوف تنبعث منها طيف، بما في ذلك القطب الكهربائي، ومن المهم تقليل هذا التداخل. ومع ذلك، ينبغي أن يكون هذا متوازنا ضد قدرة المواد الكهربائي على تحمل ضربات البرق المتكررة مع الحد الأدنى من الضرر أثناء التجريب. وبالنسبة للالتنغستن، فإن العديد من خطوط انبعاثاتها ضمن نطاق الطول الموجي المختار لا يمكن رؤيتها إلا بين 450 نانومتر و590 نانومتر ويمكن تمييزها إلى حد كبير عن أطياف البرق المتوقعة. بل هو أيضا مادة من الصعب جدا التي تستخدم عادة في الجهد العالي والتجريب الحالي عالية.
  2. تنظيف وتلميع الأقطاب الكهربائية لإزالة أي ملوثات. أي مادة يتفاعل معها قوس البرق سوف تنبعث منها طيف، بما في ذلك أي ملوثات. ولذلك، من المهم ضمان أن تكون الأقطاب الكهربائية خالية من الملوثات لضمان عدم وجود خطوط طيفية خاطئة.
    1. فرك القطب مع الصنفرة الخشنة لمدة 5 دقائق، وضعه في حمام المياه الصوتية في درجة حرارة الغرفة لمدة 10 دقائق، ثم مسح بقطعة قماش حرة الوبر لتخفيف وإزالة أي ملوثات. استخدم القفازات دائمًا عند التعامل مع القطب لتجنب إعادة التلوث.
    2. كرر ما سبق عادة عشر إلى خمس عشرة مرة مع انخفاض درجات الصنفرة، والقماش emery، ومن ثم تلميع الملابس حتى يتم تحقيق الانتهاء من البولندية جيدة. واستخدمت درجات الورق والقماش من 240 إلى 000 8.
  3. جبل الأقطاب الكهربائية داخل جهاز البرق إنشاء مسافة مناسبة بينهما. هنا، يتم تركيب الأقطاب الكهربائية داخل جهاز البرق 14 ملم بعيدا كما هو مبين في الشكل 5.
    ملاحظة: مرافق اختبار البرق مختلفة لها الفولتية التشغيلية المختلفة، وبالتالي فإن المسافة بين الأقطاب الكهربائية يجب أن تكون بحيث يحدث انهيار الهواء عندما يتم تشغيل مولد دفعة البرق.

3. إعداد المطياف

  1. ضع المطياف في حاوية مستقلة مصنفة EMI، كما هو موضح في الشكل 2. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يكون جهاز البرق والطيف موجودين في حاويات منفصلة من EMI.
  2. حدد الألياف البصرية وقم بتثبيتها. وكانت الألياف المختارة الألياف البصرية 8 م طويلة وتركيبها بين غرفتي EMI.
    1. اختار الألياف البصرية مع خصائص انتقال جيدة ضمن نطاق الطول الموجي محددة مسبقا ً التي يجب ملاحظتها، أي، بين 450 نانومتر إلى 890 نانومتر.
    2. لاحظ كفاءة الإرسال مقابل بيانات الطول الموجي حيث سيتم استخدام هاذا في معالجة البيانات بعد المعالجة. وغالبا ما يتم توفير هذا من قبل الشركة المصنعة على الرغم من أنه، من الناحية المثالية، ينبغي أن تقاس باستخدام مصباح معايرة.
    3. قم بتوصيل أحد طرفي الألياف البصرية بالهيكل البصري في ترتيب محكم للضوء.
    4. وضع الطرف الآخر من الألياف البصرية لعرض قوس البرق بين الأقطاب الكهربائية. الضوء من الليزر المرسلة من خلال مطياف في الاتجاه المعاكس يمكن أن تساعد في المحاذاة. يتم وضع الألياف البصرية في نفس الارتفاع مثل مركز الفجوة القطب في 2 م، كما هو مبين في الشكل6.
    5. ضبط كمية الضوء الذي يصل إلى الكاميرا إذا لزم الأمر لتقليل أي تشبع. يتم استخدام collimator الذي يقلل من زاوية عرض الألياف البصرية إلى 0.12 درجة مما أدى إلى حجم بقعة من 4.2 ملم في موقف قوس البرق لطول قوس إجمالي 14 ملم، مما يقلل من الضوء بنسبة الربع تقريبا.
      ملاحظة: يمكن تعديل شدة الضوء الذي يصل إلى الكاميرا بدلاً من ذلك عن طريق تغيير المسافة بين مصدر الضوء والألياف البصرية، عن طريق ضبط الشق، أو باستخدام مرشح كثافة محايدة.
  3. قم بتشغيل نظام الطيف وبدء تشغيل برنامج التحكم المرتبط به. تتطلب الكاميرا الرقمية حوالي 10 دقائق للوصول إلى درجة حرارة -70 درجة مئوية.
    ملاحظة: تتطلب بعض الكاميرات الرقمية التبريد لتقليل الضوضاء قبل أن تصبح جاهزة للعمل بشكل كامل.
  4. حدد صريف الطيف. تم استخدام 900 in/mm 550 صريف الحريق.
    ملاحظة: يحدد الصريف نطاق الطول الموجي والاستبانة الطيفية داخل نظام الطيف المستخدم، مع استبانة طيفية قدرها <1 نانومتر مطلوبة لتحديد الذروة. يعطي الصريف المنتقى نطاق طول موجة من حوالي 140 نانومتر ودقة 0.6 نانومتر.
  5. معايرة الطيف ية مقابل مصدر معايرة معروف، مثل مصباح Mercury-Argon.
    1. ضع صريف في موضع ه البداية في الجزء السفلي من نطاق الطول الموجي المحدد مسبقا. هنا, تم وضع صريف في 450 نانومتر إعطاء مجموعة من 450 نانومتر إلى 590 نانومتر.
    2. قم بتشغيل مصدر المعايرة وضعه في مواجهة الطرف المفتوح من الألياف البصرية.
    3. ضبط التعرض للكاميرا عبر برنامج التحكم إلى وقت مناسب لتحقيق إشارة غير مشبعة جيدة، مثل التعرض 0.1 s.
    4. ضبط الشق عن طريق برنامج التحكم لشحذ القمم الطيفية إذا لزم الأمر أو، في بعض الحالات، يمكن أيضا تعديل موقف كاشف لتحسين الإشارة. تم استخدام شق 100 ميكرومتر.
      ملاحظة: يجب تعيين الشق إلى قيمة الحد الأدنى لتقليل توسيع الخطوط الذرية بسبب انعراج الضوء في الشق، مع قيم تصل إلى 20 ميكرومتر غالباً ما تستخدم. ومع ذلك، فإن شق ضيق أيضا تقليل الإشارة وقد تحتاج إلى إيجاد توازن بين شدة الضوء والحدة من القمم.
    5. قم بتسجيل أطياف مصدر المعايرة وحدد رقم البكسل على صورة الكاميرا الناتجة التي تحدث فيها القمم.
    6. رسم موقف رقم بكسل لكل ذروة مقابل الطول الموجي المعروف من كل ذروة المقدمة مع مصدر المعايرة وتناسب خط مستقيم لاستخلاص معادلة التي سوف تسمح بتحويل بكسل إلى الطول الموجي. ومن الأمثلة على ذلك بالنسبة لثلاثة خطوط ذرية معروفة من الزئبق في الشكل7.
    7. تطبيق المعايرة على هذا الموقف صريف قبل الانتقال إلى التالي. بالنسبة لبعض أنظمة الطيف، يمكن تطبيق تحويل رقم البكسل إلى الطول الموجي على البرنامج باستخدام ملف معايرة.
    8. ضع صريف النطاق الفرعي التالي وكرر الخطوات المذكورة أعلاه. هنا، تم وضع صريف المقبل إلى 550 نانومتر إعطاء مجموعة من 550 نانومتر إلى 690 نانومتر مما أدى إلى تداخل 40nm مع نطاق الطول الموجي السابق.
      ملاحظة: يجب أن يكون عرض منطقة التداخل كافياً للسماح التعرف على الاتجاهات في نهاية النطاق الأول وبداية النطاق الثاني للخطوة اللاحقة وعملية الغراء.
    9. كرر الخطوات المذكورة أعلاه لجميع مواضع الصريف. وقد تكرر ذلك حتى تم التوصل إلى 890 نانومتر.
      ملاحظة: عادة ما يتم تزويد مصادر المعايرة، وهي عادة مصباح مع قمم طيفية معروفة، بأنظمة مطياف، وسيتمكن الصانع من تقديم مزيد من التفاصيل حول كيفية تحقيق المعايرة.
  6. حدد معلمات الطيف لتسجيل قوس البرق الذي تم إنشاؤه.
    1. ضبط الشق أكثر إذا لزم الأمر.
    2. تعيين وقت التعرض للكاميرا للتأكد من أن يتم التقاط الحدث البرق بأكمله; النظر في وقت الزناد وأي تأخير في أي إما في مولد البرق أو مطياف عند وضع هذه المعلمة. لمولد البرق في MBLL، تم استخدام وقت التعرض من 5 ثانية.
      ملاحظة: سوف وقت التعرض أطول زيادة مستويات الضوضاء واحتمال القطع الأثرية، مثل الأشعة الكونية، لذلك ينبغي بذل الجهود للحفاظ على هذا إلى الحد الأدنى. ومع ذلك، يجب أن يكون الوقت كافياً أيضاً لمراعاة أي عدم يقين في إطلاق قوس البرق أو نظام الطيف الذي تم إنشاؤه لضمان التقاط الحدث بأكمله.
    3. تغيير وضع نظام الطيف لتلقي الزناد من مولد البرق. تم استخدام إشارة TTL 5 V لتحريك الكاميرا 2.5 s قبل بدء قوس البرق.

4. تشغيل تجربة

  1. جهز واجهز مولد البرق
    1. تأكد من أن جميع الأضواء مغلقة والغرف مغلقة حيثما كان ذلك مناسباً لضمان بيئة محكمة الغلق.
    2. قم بتشغيل مولد البرق. وسيكون لكل مرفق لاختبار البرق بروتوكولخاص به لإعداده والتبديل فيه. في MBLL، يتم تطهير المنطقة من الموظفين ويتم تشغيل أجهزة السلامة ذات الصلة قبل أن يمكن تنشيط مولد البرق.
    3. حدد الموجي البرق ذات الصلة وشحن إلى ذروة الحالية المطلوبة. نموذجي 54 كيلو فولت، 100 كيلوفولت قمة مخمد بشكل حاسم مخمد مذبذب 100 ميكروز الذروة 18/40 تم استخدام الموجي.
  2. الحصول على الأطياف من أحداث البرق متعددة ولدت
    1. ضع الطيف في موضع البدء وخذ صورة خلفية باستخدام نفس المعلمات كما هو الحال بالنسبة لضربة البرق. قد يكون هذا متوسط عدة صور خلفية. تم استخدام التعرض 5 ثانية مع شق 100 درجة مئوية في إعداد 450 نانومتر.
    2. تأكد من أن نظام الأطياف جاهز للتشغيل لتسجيل الأطياف بالإعدادات الصحيحة. تم استخدام التعرض 5 ثانية مع شق 100 درجة مئوية في إعداد 450 نانومتر.
    3. شحن مولد البرق وتحريك الحدث البرق، والتي سوف تؤدي أيضا الطيف.
    4. تسجيل البيانات الطيفية الناتجة.
    5. تحقق من البيانات الطيفية لأي تداخل. وتكون الأطياف أحيانا عرضة لطفرات البيانات الناجمة عن الإشعاع الكوني أو غيرها من القطع الأثرية الناجمة عن البيكسلات غير المستجيبة أو الميتة. وينبغي بذل الجهود لإزالة هذا التداخل، كما أن لدى بعض الأطياف برامج حاسوبية يمكنها القيام بذلك. والبديل هو تجاهل البيانات وتكرار التجربة. ويبين الشكل 8 مثالاً على الفرق بين البيانات مع ارتفاع الإشعاع الكوني أو بدونه.
    6. تنظيف الأقطاب الكهربائية من أي تلوث إذا لزم الأمر إما مسح أسفل مع الكحول أو، إذا كانت ملوثة، تكرار الخطوة 2.2.
    7. كرر الخطوات 4-2-2 إلى 4-2-5 حتى يتم تحقيق أربع مجموعات من البيانات الطيفية لنطاق 450 نانومتر.
    8. ضع صريف الطيف إلى 550 نانومتر وكرر الخطوات من 4.2.1 إلى 4.2.6 حتى يتم تحقيق أربع مجموعات من البيانات الطيفية لنطاق 550 نانومتر.
      ملاحظة: يجب أن يكون عدد الخطوات المتكررة كافياً لمتوسط أي تباين إطلاق النار إلى طلقة ينظر إليه في قوس البرق الذي تم إنشاؤه.
    9. كرر ما سبق حتى يتم جمع جميع مجموعات البيانات للوصول إلى أقصى قيمة الطول الموجي 890 نانومتر، مما أدى إلى ستة عشر مجموعة من البيانات الطيفية.
    10. إذا كان هناك اختلاف كبير في أطياف كل نطاق فرعي في نفس إعدادات مولد البرق الحالي، على سبيل المثال، في شدة الخطوط الذرية، ثم التجارب في كل مرحلة قد تضطر إلى تكرار أكثر من أربع مرات. والغرض من ذلك هو التقليل إلى أدنى حد من تأثير أي حالات شاذة لمرة واحدة ومتوسط التباين من طلقة إلى طلقة من مولد البرق والقوس الخالي من البرق.
    11. إذا كان هناك اختلاف في الأطياف في نفس إعدادات مولد البرق الحالي، ثم الإعداد التجريبي قد تحتاج إلى تقييم للملوثات.

5- بيانات ما بعد التجهيز

  1. للمعالجة اللاحقة للبيانات وتحليلها، حدد تطبيق برنامج جدول بيانات يتضمن قدرات الحساب. وهذه البرامج متاحة على نطاق واسع.
  2. طرح بيانات الخلفية التي تم الحصول عليها في الخطوة 4-2-1 من كل بيانات أطياف البرق المتولدة ذات الصلة.
    1. يتم طرح متوسط البيانات الخلفية 450 نانومتر من كل 450 نانومتر ولدت بيانات الأطياف، يتم طرح متوسط البيانات 550 نانومتر من كل 550 نانومتر ولدت بيانات الأطياف البرق، وهلم جرا. ويرد مثال على ذلك في الشكل 9.
  3. متوسط كل مجموعة فردية من البيانات لكل نطاق الطول الموجي. ويتضح ذلك في الشكل 10 حيث يبلغ متوسط مجموعات البيانات الأربعة 450 نانومتر.
  4. استخدم المنطقة المتداخلة لمحاذاة بيانات الأطياف المتتالية، ثم قم بمتوسط المنطقة المتداخلة. ويتضح ذلك في الشكل 11 الذي يبين متوسط البيانات 450 نانومتر و 550 نانومتر.
    ملاحظة: سيؤدي محاذاة المنطقة المتداخلة ومتوسطها إلى حدوث أخطاء وقد يكون من الضروري إجراء معايرة كثافة نسبية للطيف الكامل باستخدام مصباح شريط التنغستن، على سبيل المثال.
  5. تصحيح لالتوهين الألياف البصرية وكفاءة الكم. ويتجلى ذلك في الشكل 12.
    ملاحظة: يمكن تحقيق تصحيح أكثر دقة باستخدام مصباح معايرة لقياس انتقال الضوء لكل نطاق فرعي. في هذه الحالة، يمكن تطبيق التصحيح قبل عملية خياطة.
  6. تقديم البيانات النهائية إما كتمثيل رسومي أو مؤامرة كثافة، كما هو موضح في الشكل 13.

6. تحليل البيانات

  1. تحديد القمم الطيفية المميزة.
    1. وستشمل بعض نظم الطيف برامج تحدد تلقائيا قمم العناصر. وينبغي الحرص، لا سيما مع البيانات مخيط، أن مواقع الذروة صحيحة.
    2. يمكن إجراء تحديد الذروة اليدوي باستخدام قواعد البيانات المتاحة للجمهور، مثل24. وينبغي الحرص على احتواء أقوى (كثافة نسبية) قمممن أدنى مستويات التأين أولا (أي ، أولا، ثم الثاني، ثم الثالث) عنصر واحد في وقت واحد.
    3. قد تكون المشاكل في تحديد القمم بدقة أو محاذاتها بسبب مشاكل المعايرة أو عدم المحاذاة في البصريات. تقييم موضع البصريات في هيكل البصريات وكرر الخطوة 3.
      ملاحظة: الطاقة العالية لأقواس البرق المتولدة سوف تسبب توسيع خطوط الانبعاثات الذرية بسبب تأثير ستارك وتحديد موثوق بها لجميع الخطوط قد لا يكون ممكناً.

Representative Results

يتم إعطاء كثافة البرق ممثل ضد مؤامرة الطول الموجي ل100 كيلو واط الذروة الحرجة مخمد مذبذب 100 درجة مئوية الذروة 18/40 μs الموجي، عبر فجوة الهواء بين زوج من 60 مم قطر أقطاب التنغستن المتمركزة 14 ملم بعيدا، في الشكل 14. تتكون هذه البيانات من أربع مجموعات من أربعة 140 نانومتر متوسط أجزاء البيانات مخيط معا وتصحيحها للضوضاء الخلفية، التوهين الألياف البصرية، وكفاءة الكم الكاميرا الرقمية. وقد تم تحويل هذه البيانات إلى مؤامرة كثافة، كما هو مبين في الشكل 15. وقد تم تحديد القمم البارزة يدويا من خلال المقارنة مع قاعدة بيانات قائمة، على النحو المبين في الشكل 16.

Figure 1
الشكل 1 تم إنشاء ملف تعريف قوس البرق. التتبع المسجل لذروة نموذجية 100 كيلوواط مخمد بشكل حاسم، 100 ميكروثانية مدة، 18/40 درجة مئوية ولدت شكل موجة البرق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 الإعداد التجريبي: مخطط للإعداد التجريبي (وليس على نطاق)، حيث يتم نقل الضوء من قوس البرق ولدت بين اثنين من الأقطاب الكهربائية عن طريق الألياف البصرية إلى النظام الطيفي، ويتألف من هيكل البصريات والكاميرا الرقمية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 إعداد الطيف: مخطط لنظام الطيف (وليس على نطاق)، حيث يتم تحويل الضوء من الألياف البصرية إلى طيف، عن طريق صريف، والتي يتم تسجيلها بعد ذلك بواسطة كاميرا رقمية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 تجميع البيانات الطيفية ومعالجتها وتقديمها. رسم توضيحي للخطوات المستخدمة لجمع البيانات ومتوسطها وغرزة وتصحيحها من أجل تحقيق طيف واسع عالي الدقة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 تكوين القطب الكهربائي. صورة لاثنين من أقطاب التنغستن نصف كروية قطرها 6 مم ثابتة على تصاعد النحاس المتمركزة 14 ملم بعيدا داخل جهاز البرق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6 تكوين الألياف البصرية. صورة من الألياف البصرية المتمركزة في نفس الارتفاع وعلى مسافة 2 متر من الأقطاب الكهربائية المركبة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7 معايرة الطول الموجي: (أ) جدول من ثلاثة خطوط الزئبق المعروفة مقابل عدد البكسل الذي تم قياسها، و (ب)مؤامرة من كل نقطة (الصلبان) وتناسب خط مستقيم (خط متقطع) مما يعطي معادلة (داخلي) السماح تحويل بكسل إلى الطول الموجي. ويتم ذلك لخطوط ذرية معروفة متعددة عبر نطاق الطول الموجي بأكمله. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8 تداخل الأشعة الكونية. البيانات الطيفية من مختبر 100 كيلوواط ولدت قوس البرق في نطاق 550نانومتر إلى 690 نانومتر تبين: (أ) البيانات مع عدم وجود تداخل الأشعة الكونية، و (ب)و (ج)البيانات مع المسامير شعاع الكونية المميزة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9 طرح الخلفية: البيانات الطيفية من مختبر 100 كيلوواط ولدت قوس البرق في نطاق 550نانومتر إلى 690 نانومتر تبين: (أ) متوسط البيانات الخلفية، (ب) البيانات الخام، و (ج)البيانات مع متوسط الخلفية طرح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10 متوسط البيانات: البيانات الطيفية من مختبر 100 كيلوآ 100 ولدت قوس البرق في نطاق550 نانومتر إلى 690 نانومتر تبين: (أ-د)البيانات الفردية، و (ه)متوسط البيانات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11 خياطة البيانات: البيانات الطيفية من مختبر 100 كيلومتر ولدتقوس البرق تبين: ( أ) 550 نانومتر إلى 690 نانومتر المدى، (ب) نطاق 650 إلى 790 نانومتر، و (ج)اثنين من مجموعات البيانات متراكبة مع 650 نانومتر إلى 690 نانومتر التداخل. ثم يتم متوسط منطقة التداخل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12 تصحيح البيانات: قطع الأراضي في نطاق الطول الموجي 450 نانومتر إلى 890 نانومتر ل (أ) التوهين الألياف ، و (ب) كفاءة الكم الكاميرا الطيفية المقدمة من قبل الشركات المصنعة المعنية. وتستخدم هذه لتصحيح البيانات الطيفية مخيط وفقا لذلك. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 13
الشكل 13 تقديم البيانات: أمثلة على (أ) مؤامرة البيانات الرسومية و (ب) مؤامرة كثافة تمثل الطيف من مختبر 100 كيلو آ ولدت قوس البرق في نطاق الطول الموجي 550 نانومتر إلى 790 نانومتر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 14
الشكل 14 البيانات الرسومية النموذجية. رسم رسومي نموذجي متوسط، مخيط، وتصحيح في نطاق الطول الموجي 450 نانومتر إلى 890 نانومتر لمختبر 100 كيلو آ ولدت قوس البرق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 15
الشكل 15 مؤامرة كثافة نموذجية. نموذجي متوسط، مخيط، وتصحيح مؤامرة كثافة في نطاق الطول الموجي 450 نانومتر إلى 890 نانومتر لمختبر 100 كيلو آ ولدت قوس البرق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 16
الشكل 16 تحديد العنصر الكيميائي. رسم توضيحي لتحديد العنصر الكيميائي للخط الطيفي لمستويات التأين من الدرجة الأولى باستخدام قاعدة بيانات متاحة للجمهور24. وقد تم تحديد عناصر في الهواء (النيتروجين والأكسجين والأرجون والهيليوم) وفي القطب الكهربائي (التنغستن). هذا الطيف هو شبه متطابقة مع ذلك في المرجع14 كما أنه يستخدم نفس الجهاز لتحليل نفس النوع من قوس البرق. وقد تم تكييف هذا الرقم من المرجع14. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

التحليل الطيفي هو أداة مفيدة لتحديد تفاعلات العناصر الكيميائية خلال كل من ضربات البرق الطبيعية والمتولدة. وبالنظر إلى الإعداد التجريبي الدقيق والقابل للاستنساخ بما فيه الكفاية، فإن إجراء مزيد من التحليل للبيانات يمكن أن يكشف عن مجموعة متنوعة من خصائص البرق الأخرى. فقد استخدمت، على سبيل المثال، للتحقق من أن أطياف أقواس البرق التي تم إنشاؤها في المختبر تشبه الطيفية البرق الطبيعي وأن إضافة مواد أخرى إلى قوس البرق يمكن أن تغير هذا الطيف بشكل كبير14. ويمكن أيضا استخدام هذه الطريقة للأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء مثل التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، والإثارة، وغيرها من الظواهر ذات الصلة في أنظمة الجهد العالي، حيث يتم التعرف المتزامن على خطوط أو عناصر ذرية متعددة عبر الطيف الواسع مهم.

الخطوة الأكثر أهمية هي ضمان استخدام المعلمات الصحيحة عند إعداد الطيف، مثل الشق، صريف، وإعدادات الكاميرا، للحصول على أفضل البيانات الممكنة مما أدى إلى قمم طيفية قوية وحادة. وينبغي بذل الجهود أيضا لضمان عدم تشبع الكاشف عند تحسين الإشارة. كما يمكن تعديل موضع الألياف و/أو تجميعها لتحسين شدة الضوء، فضلاً عن ضمان إزالة أي ضوء طائش ليس جزءًا من حدث البرق أو إزالته كجزء من عملية التصوير الخلفية. قد يستغرق هذا بعض التجربة والخطأ. قدرة مولد البرق المستخدمة لإعادة إنتاج نفس الحدث البرق بدقة مع الحد الأدنى من الاختلاف، أو لفهم من أين يمكن أن تأتي أي اختلافات من أجل أن يمكن السيطرة عليها، مهم في الحصول على مطياف موثوق بها وقابلة للتكرار نتائج.

ويمكن إجراء تعديلات على هذا الإعداد لتقييم أجزاء مختلفة من الطيف الكهرمغنطيسي في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء حيث تسمح تكنولوجيا التصوير واعتمادا على نوع الحدث الذي يجري تصويره. على سبيل المثال، توسيع نطاق الطول الموجي أقل من 450 نانومتر يمكن أن تكشف عن المزيد من الخطوط الذرية والجزيئية، مثل الانبعاثات من NO وOH الجذور. قد يساعد ضبط صريف الطيف لإعطاء دقة أقل على نطاق أوسع في تحديد الميزات المثيرة للاهتمام، والتي يمكن تحليلها بعد ذلك باستخدام صريف نطاق أضيق دقة أعلى.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها غير تدخلية تماما، لذلك فإنه لا يتطلب أي تغيير في مولد البرق. عن طريق نقل الضوء عن طريق الألياف البصرية، يتم تقليل كمية التداخل الكهربائي من البيئة الكهرومغناطيسية القاسية، والتي قد تواجه أنظمة أخرى، مثل الكاميرات، إن لم تكن محمية بما فيه الكفاية. وهذا يعني أن البيانات المستمدة من مطياف يحتمل أن يكون لها ضوضاء أقل بكثير وتدخل أقل من الأدوات الأخرى. وهذه التقنية المحددة محدودة بسبب افتقارها إلى الوقت وما يترتب على ذلك من عدم توصيف قوس البرق. فعلى سبيل المثال، توجد مطياف عالية السرعة يمكن أن تنتج بيانات طيفية محسمة زمنياً تؤدي إلى قياسات درجات الحرارة وكثافة الإلكترون.

ومن المتوقع أن يصبح التحليل الطيفي أداة هامة، إلى جانب أجهزة تشخيصية أخرى، في فهم أقواس البرق التي يولدها المختبر. وسوف تسهم بمعلومات مجانية عن التوقيعات المميزة لحدث البرق وستستخدم لتحديد العناصر الكيميائية التفاعلية داخل القوس. كما أن زيادة تطوير هذه التقنية قد تؤدي إلى اشتقاق خصائص إضافية.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

وينوه المؤلفون بامتنان بالدعم المالي الذي تقدمه شبكة البحوث الوطنية في مجال الهندسة والمواد المتقدمة (NRN073) وشركة Innovation UK عن طريق معهد تكنولوجيا الفضاء الجوي (113037).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Lightning Generator, including EMI shielded chambers, lightning rig and associated control and safety systems Cardiff University N/A Designed, developed and constructed by Cardiff University
60mm diameter tungsten electrodes with copper mountings Unknown N/A Available from any specialist electrode / high voltage equipment manufacturer
Spectrograph, including chassis, camera, optic fibre and control software Andor Chassis: SR-303i-B-SIL
Camera: DU420A-BU2
Optic Fibre: 249309 SR-OPT-8018-9RX
Software: Solis v4.25
Mercury argon calibration source Ocean Optics HG-1
Anaylsis software Microsoft Excel 2016

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wallace, L. The Spectrum of Lightning. Astrophys. J. 139, 994 (1963).
  2. Orville, R. E. A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke. J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).
  3. Orville, R. E., Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques. Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).
  4. Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques 2. Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).
  5. Krinder, E. P. Lightning spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).
  6. Orville, R. E. Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region. J. App. Meteorol. 19 (4), 470 (1980).
  7. Orville, R., Henderson, R. Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm. J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).
  8. Warner, T. A., Orville, R. E., Marsh, J. L., Huggins, K. Spectral (600-1050 nm) time exposures (99.6 µs) of a lightning stepped leader. J. Geophys. Res. 116, 12210 (2011).
  9. Zhao, J., Yuan, P., Cen, J., Liu, J., Wang, J., Zhang, G. Characteristics and applications of near-infrared emissions from lightning. J. of Appl. Phys. 114, 163303 (2013).
  10. Walker, T. D., Christian, H. J. Novel observations in lightning spectroscopy. XV International Conference on Atmospheric Electricity. , USA. (2014).
  11. Cen, J., Yuan, P. Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path. Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).
  12. Xue, S., Yuan, P., Cen, J., Wang, X. Spectral observations of a natural bipolar cloud-to-ground lightning. J. Geophys. Res.: Atmos. 120, 1972-1979 (2015).
  13. Sousa Martins, R., Zaepffel, C., Chemartin, L., Lalande, P. h, Soutiani, A. Characterization of a high current pulsed arc using optical emission spectroscopy. J. of Phys. D: Appl. Phys. 49, 415205 (2016).
  14. Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. Techniques for the comparison of light spectra from natural and laboratory generated lightning current arcs. Appl. Phys. Lett. 109, 093502 (2016).
  15. Uman, M. A. Determination of lightning temperature. J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).
  16. Prueitt, L. M. The excitation temperature of lightning. J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).
  17. Uman, M. A. Quantitative lightning spectroscopy. IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).
  18. Hill, R. D. A survey of lightning energy estimates. Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).
  19. Stone, C., Simpson, H., Leichauer,, Griffiths, H., Haddad, A., Cole, M., Evans, S. Establishment of a lightning test laboratory for direct-effects research. International Conference on Lightning and Static Electricity. , USA. (2013).
  20. EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , ED-84 (1997).
  21. Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , France. (2015).
  22. Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , Portugal. (2016).
  23. Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference. , France. (2016).
  24. Kamira, J., Ralchenko, J. Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , version 5.2 (2014).

Tags

الهندسة، العدد 150، التحليل الطيفي للانبعاثات، التحليل الطيفي، البرق المتولد، البرق، أقواس البرق، التصريفات الكهربائية، التصريفات الكهربائية السريعة
طريقة لتسجيل النطاق العريض عالية الدقة الأطياف الانبعاثات من أقواس البرق المختبر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mitchard, D., Clark, D., Carr, D.,… More

Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Stone, C., Haddad, A. Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs. J. Vis. Exp. (150), e56336, doi:10.3791/56336 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter