记录实验室雷电电弧宽带高分辨率发射光谱的方法

摘要

发射光谱技术传统上被用于分析自然界中固有随机性的闪电电弧。本文介绍了一种在实验室环境中对可重复产生的闪电电弧获取发射光谱的方法。

摘要

闪电是自然界中最常见且最具破坏性的力量之一，长期以来一直采用光谱技术进行研究，最初使用传统的胶片相机方法，随后发展为数字相机技术，并由此获得了若干重要特征。然而，由于野外自然闪电事件本身具有随机性和不可重复性，此类研究始终受到限制。近年来，闪电测试设施的发展使得在受控的实验室环境中可重复地产生闪电电弧，为开发新型传感器和诊断技术提供了试验平台，有助于更深入地理解闪电的机制。其中一种技术是采用数字相机技术的光谱系统，能够识别闪电电弧相互作用的化学元素，并利用这些数据进一步推导其特性。本文中，该光谱系统用于获取在一对半球形钨电极之间产生的闪电电弧的发射光谱，该电弧峰值电流为100 kA，持续时间为100 µs，电极间由一小段空气间隙隔开。为了保持低于1 nm的光谱分辨率，系统在多个离散波长范围内分别记录了若干独立光谱，随后对这些光谱进行平均、拼接和校正，最终合成出450 nm（蓝光）至890 nm（近红外光）范围内的复合光谱。然后将数据中的特征峰与已建立的公开数据库进行比对，以确定所涉及的化学元素。该方法可广泛适用于其他多种发光事件，例如快速电放电、局部放电以及电气设备、装置和系统中的火花放电。

引言

闪电是自然界中最常见且最具破坏性的力量之一，其特征是快速的电放电现象，表现为一道闪光，并伴随雷声。一次典型的闪电电弧可能包含高达数十吉伏的电压和30 kA的平均电流，电弧长度可达数十至数百千米，整个过程发生在100 µs以内。长期以来，观测闪电事件的光发射光谱被用于推导其特性信息。20世纪60年代至80年代，研究人员建立了多种基于传统胶片相机的技术来研究自然闪电^{1,2,3,4,5,6,7}；近年来，现代数字技术也被广泛应用，以更精确地揭示闪电的机制^{8,9,10,11,12,13,14}。随着时间推移，这些研究不仅证明了识别化学元素相互作用的能力^1,14，还能获得温度^15,16、压力⁵、粒子和电子密度^5,17、能量¹⁸、电阻以及电弧内部电场的测量数据⁸。然而，对自然闪电的研究始终受限于闪电事件本身固有的不可预测性、随机性和不可重复性。

近年来，研究重点集中在闪电如何与周围环境相互作用，尤其是在航空航天领域，旨在保护飞行中的飞机免受直接雷击。为此，已设计并建造了多个大型雷电测试设施，以模拟雷击最具破坏性的要素，即电流强度和持续时间，但电压相对有限。卡迪夫大学的摩根-博蒂雷电实验室（Morgan-Botti Lightning Laboratory, MBLL）¹⁹ 能够根据相关标准²⁰ 产生四种不同的雷电波形，最大电流可达 200 kA。借助此类实验设施，雷电现象可被高精度、高重复性地再现与控制，为开发新型传感器和诊断技术提供了试验平台，有助于更深入地理解雷电的相互作用机制和物理过程^21,22,23。其中一项技术是近期研发并安装的光谱系统^14,21，该系统与用于自然闪电研究的光谱系统类似，工作波段覆盖紫外（UV）至近红外（NIR）范围。这是一种非侵入式测量方法，不会干扰雷电电弧，且在雷击过程中几乎不受电磁噪声影响，这一点与大多数基于电子器件的设备截然不同。

光谱仪系统用于观测典型实验室产生闪电电弧的光谱，该电弧为峰值100 kA、临界阻尼振荡、持续时间为100 µs、波形为18/40 µs的电流，通过一对直径为60 mm的钨电极之间14 mm空气间隙放电形成。该闪电电弧波形的典型迹线如图1所示。电极被放置在电磁脉冲（EMI）密闭暗室中，以确保记录到的光仅来自闪电电弧本身；其中少量光通过一根直径为100 µm的光纤传输，光纤位于电弧2 m远处，准直后视场角为0.12°，在电弧位置处形成直径为4.2 mm的光斑，传输至另一个装有光谱仪系统的EMI暗室中，如图2所示。使用EMI暗室是为了尽量减少闪电事件带来的不利影响。光纤终端连接至基于焦距30 cm的切尔尼-特纳（Czerny-Turner）结构设计的密闭光学基座，光线依次通过一个可调节的100 µm狭缝、三面反射镜，照射到900 ln/mm、550 blaze、可旋转光栅上，最终到达一个1,024 × 1,024像素的数字相机，如图3所示。在此配置下，光学系统在整个约800 nm（从紫外到近红外波段）范围内，可在其中约140 nm的子范围内实现0.6 nm的光谱分辨率。光谱分辨率定义为光谱仪区分两个相邻峰的能力，子范围在全范围内的位置可通过旋转光栅进行调节。系统中的关键部件是衍射光栅的选择，它决定了波长范围和光谱分辨率，二者呈反比关系。通常，较宽的波长范围有助于定位多个原子谱线，而高光谱分辨率则用于精确测定谱线位置；然而，对于此类光谱仪，无法通过单个光栅同时实现这两个目标。因此，在紫外至近红外波段的不同位置，分别采集多个具有高分辨率的子范围数据，再将这些数据分段拼接，形成一幅复合光谱。

在实际操作中，由于光纤光传输的限制，记录的光谱波长范围为 450 nm 至 890 nm。从 450 nm 开始，记录了四个独立生成的闪电电弧的光信号，扣除背景噪声后进行平均处理。随后将波长范围移至 550 nm，产生 40 nm 的数据重叠区域，并记录另外四个生成闪电电弧的光信号并进行平均。此过程持续重复，直至达到 890 nm，最终将所有平均后的数据拼接，形成覆盖整个预设波长范围的完整光谱。该过程如图 4所示。随后通过与已建立的数据库进行比对²⁴，利用特征峰来鉴定化学元素。

本文介绍了光学发射光谱法。该方法经过对实验装置或光谱仪系统设置的微小调整，即可轻松适用于多种其他发光现象。此类应用包括电气系统和设备中的快速电击穿、局部放电、火花放电以及其他相关现象。

方案

1. 选择波长范围

1. 首先必须选择待观测闪电的波长范围，本文选择450 nm至890 nm。
   注意：该范围将受限于实验室装置、光栅闪耀角所定义的光谱范围以及相机的灵敏度。

2. 准备电极

1. 选择合适的电极材料。选用一对固定在铜制支架上的直径为60 mm的半球形钨电极，如图5所示。
   ​注意：闪电电弧所接触的任何材料都会发射光谱，包括电极本身，因此应尽量减少这种干扰。然而，这需要与电极材料在实验过程中承受反复雷击而保持最小损伤的能力之间取得平衡。对于钨而言，其在选定波长范围内许多发射谱线仅出现在450 nm至590 nm之间，且大多可与预期的闪电光谱区分开来。此外，钨是一种非常坚硬的材料，常用于高电压和大电流实验。
2. 清洁并抛光电极以去除任何污染物。闪电电弧所接触的任何物质都会发射光谱，包括污染物。因此，确保电极无污染以避免出现错误的谱线至关重要。
   1. 用粗砂纸摩擦电极5分钟，然后将其放入室温下的超声波水浴中10分钟，再用无绒布擦拭以松动并去除任何污染物。操作电极时应始终佩戴手套，以避免再次污染。
   2. 通常使用粒度逐渐减小的砂纸、砂布，最后使用抛光布重复上述步骤十到十五次，直至获得良好的抛光表面。所用砂纸和布料的粒度范围为240至8,000。
3. 将电极安装在雷击装置内，并设定适当的间距。此处，电极在雷击装置中相距14 mm，如图5所示。
   注意：不同的雷击测试设备具有不同的工作电压，因此电极之间的距离应设置为当雷电脉冲发生器触发时能够发生空气击穿。

3. 准备光谱仪

1. 将光谱仪置于独立的、符合电磁干扰（EMI）防护等级的屏蔽 enclosure 中，如图所示 图2理想情况下，闪电装置和光谱仪应分别置于独立的电磁干扰屏蔽 enclosure 中。
2. 选择并安装光纤。所选光纤为一根8 m长的光纤，安装于两个EMI屏蔽室之间。
   1. 选择在预定义观测波长范围内具有优良透射性能的光纤。 即，波长范围为 450 nm 至 890 nm。
   2. 记录透射效率随波长变化的数据，因为该数据将用于后续的数据处理。这些数据通常由制造商提供，但理想情况下应使用校准光源进行测量。
   3. 将光纤的一端以避光方式连接至光学机箱。
   4. 将光纤的另一端定位，以观察电极之间的闪电电弧。通过光谱仪反向传输的激光可用于辅助对准。光纤位于距电极间隙中心高度相同的位置，距离为2 m，如图所示。 图6.
   5. 必要时调整到达相机的光量以尽量减少任何饱和现象。使用一个准直器，将光纤的视角减小至0.12°，在闪电电弧位置形成直径为4.2 mm的光斑（总电弧长度为14 mm），从而使光强降低约四分之一。
      注意：到达相机的光强也可通过调节光源与光纤之间的距离、调整狭缝或使用中性密度滤光片来控制。
3. 打开光谱仪系统并启动相应的控制软件。数字相机需要大约10分钟降至-70 °C。
   注意：某些数码相机在完全投入使用前需要冷却以降低噪声。
4. 选择光谱仪光栅。使用了900 ln/mm、550 blaze的光栅。
   ​注意：光栅决定了所用光谱仪系统的波长范围和光谱分辨率，光谱分辨率为 <1 nm 的分辨率足以用于峰鉴定。所选光栅提供的波长范围约为 140 nm，分辨率为 0.6 nm。
5. 使用已知的校准源（如汞-氩灯）对光谱仪进行校准。
   1. 将光栅置于预选波长范围起始位置的底部。此处，光栅设置在450 nm，对应的波长范围为450 nm至590 nm。
   2. 打开校准源，将其紧贴光纤的开口端。
   3. 通过控制软件调整相机曝光时间至合适时长，以获得良好的未饱和信号，例如曝光时间为0.1 s。
   4. 如有需要，可通过控制软件调节狭缝以锐化光谱峰，或在某些情况下调节探测器的位置以优化信号。实验中使用了100 µm的狭缝。
      注意：狭缝应设置为最小值，以减少光在狭缝处发生衍射导致的原子谱线展宽，通常使用不超过20 µm的狭缝宽度。然而，狭缝过窄也会降低信号强度，因此需在光强与峰形锐度之间找到平衡。
   5. 记录校准源的光谱，并确定在所得相机图像上峰出现的像素编号。
   6. 将每个峰的像素位置与其校准源提供的已知波长进行对应作图，并拟合一条直线，以获得可将像素转换为波长的方程。三个已知汞原子谱线的示例如下所示 图7.
   7. 在进行下一个光栅位置之前，先对此位置应用校准。对于某些光谱仪系统，可使用校准文件将像素编号转换为波长的校准参数载入软件中。
   8. 将光栅定位至下一个子波段并重复上述步骤。此处，光栅随后被定位至550 nm，覆盖550 nm至690 nm的波长范围，与前一波长范围重叠40 nm。
      注意：重叠区域的宽度必须足够，以便在后续的步骤和粘合过程中，能够识别出第一个范围末端和第二个范围起始处的变化趋势。
   9. 对所有光栅位置重复上述步骤，直至达到890 nm。
      注意：校准光源通常为具有已知光谱峰的灯，一般随光谱仪系统提供，制造商可提供有关如何实现校准的更多详细信息。
6. 选择光谱仪参数以记录生成的闪电电弧。
   1. 如有需要，进一步调整狭缝。
   2. 将相机曝光时间设置为能够完整捕获整个闪电事件；设置该参数时，需考虑闪电发生器或光谱仪的触发时间以及任何可能存在的延迟。对于MBLL的闪电发生器，采用的曝光时间为5 s。
      注意：较长的曝光时间会增加噪声水平以及出现伪影（如宇宙射线）的可能性，因此应尽量缩短曝光时间。然而，曝光时间也必须足够长，以弥补雷电电弧或光谱仪系统触发时可能存在的不确定性，确保完整捕捉整个事件。
   3. 将光谱仪系统模式设置为接收来自雷电发生器的触发信号。使用5 V TTL信号在雷电电弧启动前2.5秒触发相机。

4. 运行实验

1. 准备闪电发生器。
   1. 确保所有光源已关闭，相关区域的腔室已关闭，以保证环境完全避光。
   2. 开启闪电发生器。每个闪电测试设施均有其特定的准备和启动流程。在MBLL，需清空测试区域人员，并启用相应的安全装置后，方可激活闪电发生器。
   3. 选择适当的闪电波形，并充电至所需峰值电流。通常采用54 kV、峰值电流100 kA的临界阻尼振荡波形，其峰值持续时间为100 µs，波形参数为18/40 µs。
2. 采集多次生成闪电事件的光谱数据
   1. 将光谱仪光栅置于起始位置，并使用与闪电击穿实验相同的参数采集背景图像。该背景图像可为多次背景图像的平均值。在450 nm设置下，采用5 s曝光时间和100 µm狭缝进行采集。
   2. 确保光谱仪系统已准备就绪，能够以正确的设置触发并记录光谱。在450 nm设置下，采用5 s曝光时间和100 µm狭缝。
   3. 对闪电发生器充电并触发闪电事件，该过程将同时触发光谱仪记录。
   4. 记录输出的光谱数据。
   5. 检查光谱数据是否存在干扰。光谱仪偶尔会因宇宙射线或非响应像素、坏像素等引起的伪影而出现数据尖峰。应尽量消除此类干扰，部分光谱仪配备可处理该问题的软件。另一种方法是舍弃受影响数据并重复实验。图8展示了存在与不存在宇宙射线尖峰时数据差异的示例。
   6. 如有必要，通过酒精擦拭或在电极污染严重时重复步骤2.2，清洁电极表面污染物。
   7. 重复步骤4.2.2至4.2.5，直至获得四组450 nm波段的光谱数据。
   8. 将光谱仪光栅调整至550 nm，重复步骤4.2.1至4.2.6，直至获得四组550 nm波段的光谱数据。
      注：重复次数应足够多，以平均掉所生成闪电电弧中可能出现的单次实验间差异。
   9. 重复上述过程，直至完成所有数据集的采集，达到最大波长890 nm，最终共获得十六组光谱数据。
   10. 若在相同闪电电流发生器设置下，各子波段光谱存在显著差异（例如原子谱线强度不同），则每个阶段的实验可能需要重复超过四次。此做法旨在最小化偶然异常的影响，并平均闪电发生器及自由电弧闪电的单次实验间波动。
   11. 若在相同闪电电流发生器设置下光谱存在差异，则可能需要评估实验装置是否存在污染物。

5. 数据后处理

1. 对于数据的后期处理与分析，选择一款具备计算功能的电子表格软件应用程序。此类软件广泛可用。
2. 将步骤 4.2.1 中获取的背景数据从各相应生成的闪电光谱数据中扣除。
   1. 将 450 nm 背景数据的平均值从每个 450 nm 生成的光谱数据中扣除，将 550 nm 数据的平均值从每个 550 nm 生成的闪电光谱数据中扣除，依此类推。此过程的示例如图9所示。
3. 对每个波长范围内的每组独立数据进行平均。如图10所示，其中将四组 450 nm 数据集进行了平均。
4. 利用重叠区域对连续的光谱数据进行对齐，然后对重叠区域进行平均。如图11所示，展示了平均后的 450 nm 和 550 nm 数据。
   注：对重叠区域的对齐与平均会引入误差，可能需要使用例如钨带灯等标准光源对完整光谱进行相对强度校准。
5. 校正光纤衰减和量子效率。如图12所示。
   注：通过使用校准光源测量每个子波段的光传输率，可实现更精确的校正。在此情况下，校正可在拼接过程之前进行。
6. 将最终数据以图形表示或强度图的形式呈现，如图13所示。

6. 数据分析

1. 识别特征光谱峰。
   1. 某些光谱仪系统会配备可自动识别元素峰的软件。对于拼接数据，应特别注意确认峰位置的准确性。
   2. 手动峰鉴定可使用公开数据库完成，例如²⁴应首先拟合电离能最低且相对强度最强的峰即，依次为 I，然后 II，然后 III）每次一个元素。
   3. 准确识别峰或对齐峰时出现的问题可能源于校准问题或光学元件的错位。检查光学组件在光学基架中的位置，并重复步骤3。
      注意：由于斯塔克效应，所产生的闪电电弧的高能量将导致原子发射谱线展宽，因此可能无法可靠地识别所有谱线。

结果

一个典型的雷电强度随波长变化的曲线图，对应于在一对相距14 mm、直径为60 mm的钨电极之间的空气间隙中产生的峰值为100 kA的临界阻尼振荡波形，其峰值持续时间为100 µs，波形为18/40 µs，如图所示。 图14这些数据由四组经拼接的140 nm平均数据段组成，每组包含四个数据段，并已针对背景噪声、光纤衰减以及数码相机的量子效率进行了校正。这些数据已被转换为强度图，如图所示。 图15显著峰已通过与已建立的数据库比对进行人工鉴定，如图所示 图16.

图1：生成的雷击电弧波形图。 记录的典型100 kA峰值、临界阻尼振荡、持续时间为100 µs、18/40 µs生成的雷击波形轨迹。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：实验装置示意图。 实验装置的示意图（未按比例绘制），其中两个电极之间产生的雷电电弧发出的光通过光纤传输至光谱系统，该系统由光学基座和数字相机组成。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3：光谱仪装置示意图。 光谱仪系统的示意图（未按比例绘制），其中来自光纤的光通过光栅色散成光谱，随后由数码相机记录。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4：光谱数据的整合、处理与呈现。 本图展示了用于整合、平均、拼接和校正数据以获得宽范围高分辨率光谱的步骤。请点击此处查看该图的放大版本。

图5：电极构型。 两张直径为6 mm的半球形钨电极固定在铜制支架上，并置于雷电装置内，间距为14 mm的实物图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6：光纤配置。 光纤放置于与安装电极相同高度、距离2 m处的图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图7：波长校准。（a）三个已知汞原子谱线及其对应测量像素位置的表格；（b）各数据点（十字标记）的散点图及直线拟合（虚线），插图中给出拟合方程，可用于将像素值转换为波长值。此过程需在整个波长范围内利用多个已知的原子谱线完成。请点击此处查看该图的高清版本。

图8：宇宙射线干扰。来自实验室产生的100 kA闪电电弧在550 nm至690 nm范围内的光谱数据，显示：（a）无宇宙射线干扰的数据，以及（b）和（c）具有典型宇宙射线尖峰特征的数据。请点击此处查看该图的放大版本。

图 9：背景扣除。 在 550 nm 至 690 nm 范围内，由 100 kA 实验室产生闪电电弧的光谱数据，显示：（a）平均背景数据，（b）原始数据，以及（c）扣除平均背景后的数据。请点击此处查看此图的放大版本。

图 10：数据平均处理。 来自实验室产生的 100 kA 雷电电弧在 550 nm 至 690 nm 范围内的光谱数据，显示：(a-d) 单次测量数据，以及 (e) 平均化后的数据。请点击此处查看该图的高清版本。

图11：数据拼接。 来自100 kA实验室产生闪电电弧的光谱数据，显示：（a）550 nm至690 nm范围，（b）650 nm至790 nm范围，以及（c）两个数据集叠加，其中650 nm至690 nm范围重叠。重叠区域随后进行平均处理。请点击此处查看该图的放大版本。

图 12：数据校正。 显示波长范围为 450 nm 至 890 nm 的（a）光纤衰减率和（b）光谱仪相机量子效率曲线，数据由各自制造商提供。这些曲线用于对拼接后的光谱数据进行相应校正。请点击此处查看该图的放大版本。

图13：数据展示。 （a）图形化数据图和（b）表示在550 nm至790 nm波长范围内由100 kA实验室产生的闪电电弧光谱的强度图的示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图14：典型的图形数据。 在450 nm至890 nm波长范围内，针对100 kA实验室产生闪电电弧的典型平均、拼接并校正后的图形曲线图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图15：典型的强度图。 在450 nm至890 nm波长范围内，针对100 kA实验室产生闪电电弧的典型平均、拼接并校正后的强度图。 请点击此处查看该图的放大版本。

图16：化学元素鉴定。 利用公开数据库²⁴对一级电离态化学元素进行谱线识别的示意图。已鉴定出空气中的元素（氮、氧、氩、氦）以及电极中的元素（钨）。该光谱与参考文献¹⁴中的光谱几乎完全相同，因为使用了相同的装置来分析同类型的电弧放电。本图改编自参考文献¹⁴。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

光谱学是一种有用的工具，可用于识别自然和人工雷击过程中发生的化学元素反应。在具备足够精确且可重复的实验装置条件下，对数据的进一步分析可以揭示雷电的多种其他特性。例如，该方法已被用于验证实验室产生闪电电弧的光谱与自然雷电在光谱上具有相似性，并且向闪电电弧中添加其他材料会显著改变该光谱¹⁴。该方法也可应用于其他发光事件，如快速电放电、局部放电、火花放电以及高压系统中的其他相关现象，其中在宽光谱范围内同时识别多种原子谱线或元素至关重要。

最关键的步骤是在设置光谱仪时确保使用正确的参数，例如狭缝、光栅和相机设置，以获取最佳数据，从而获得强而锐利的光谱峰。在优化信号时，还应努力确保探测器未发生饱和。可以通过调整和/或准直光纤的位置来提高光强，同时确保不属于闪电事件的杂散光在背景成像过程中被消除或去除。这可能需要多次尝试和调整。所使用的闪电发生器能否准确地重复产生相同的闪电事件且变异最小，或能否明确了解任何变异的来源并加以控制，对于获得可靠且可重复的光谱结果至关重要。

可根据成像技术的可行性以及所观测事件的类型，对该装置进行调整，以进一步评估电磁波谱中更深入的紫外和红外波段。例如，将波长范围扩展至450 nm以下，可揭示更多的原子和分子谱线，如一氧化氮（NO）和羟基（OH）自由基的发射谱线。通过调整光谱仪光栅，使其在更宽的波长范围内提供较低分辨率，有助于识别感兴趣的特征，随后可利用更高分辨率的窄波长范围光栅对其进行详细分析。

该技术的主要优势在于完全无侵入性，因此无需对雷电发生器进行任何改动。通过光纤传输光信号，可减少恶劣电磁环境中产生的电干扰，而其他系统（如相机）若屏蔽不足，则可能受到此类干扰。这意味着光谱仪获取的数据可能比其他仪器具有更低的噪声和更少的干扰。然而，这种特定技术的局限性在于其缺乏时间分辨率，因而无法对雷电电弧进行进一步表征。例如，目前已存在高速光谱仪，能够获取时间分辨的光谱数据，从而实现温度和电子密度的测量。

光谱学有望成为理解实验室产生闪电电弧的重要工具，可与其他诊断仪器并列使用。它将提供有关闪电事件特征的互补信息，并用于识别电弧中的活性化学元素。该技术的进一步发展还可能导出更多特征参数。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
闪电发生器，包括电磁干扰屏蔽室、闪电测试装置及相关控制与安全系统	Cardiff University	N/A	由 Cardiff University 设计、开发并建造
直径 60 mm 的钨电极，带铜制安装部件	未知	N/A	可从任何专业电极/高电压设备制造商处获取
光谱仪，包括机箱、相机、光纤及控制软件	Andor	机箱：SR-303i-B-SIL
		相机：DU420A-BU2
		光纤：249309 SR-OPT-8018-9RX
		软件：Solis v4.25
汞氩校准光源	Ocean Optics	HG-1
分析软件	Microsoft	Excel 2016