记录实验室雷电电弧宽带高分辨率发射光谱的方法

本实验的总体目标是获取生成的闪电电弧的发射光谱。该方法有助于理解闪电的基本机制、其与空气的相互作用，以及其与周围环境中其他元素的相互作用。该技术的主要优势在于其为非侵入式，不会干扰闪电电弧。

为我演示该实验步骤的是雷电实验室经理 Chris Stone。本实验使用卡迪夫大学 Morgan-Botti 雷电实验室中的雷电发生器。雷电在电磁脉冲屏蔽室内产生。

在腔室内有一个闪电装置。该装置设有用于支撑电弧产生电极的支架。距离该装置两米处有一个三脚架，支撑着一根细小的光纤。

光纤被准直后导向放电区域。该光纤将光传导至位于第一腔室上方的第二个腔室内；腔室内装有计算机控制的光谱仪系统。光纤在该系统的密闭光路机箱上终止。

该示意图展示了两个腔室、各自相关的装置以及连接光纤。光谱仪系统基于焦距为30厘米的切尔尼-特纳结构。来自光纤的光通过一个可调节的100微米狭缝。

三面镜子和一个可旋转的光栅将光反射至一台工作在负70摄氏度的数字相机中。在140纳米的子波长范围内，光谱分辨率为0.6纳米。制备由适当材料制成的电极。

本实验使用一对直径为60毫米的钨半球。制备电极需要无绒布、超声水浴装置，以及一系列不同粒度的砂纸和抛光布。每次清洁一个电极；先用粗砂纸摩擦电极五分钟。

完成后，将半球体放入室温超声波清洗仪中。10分钟后，戴上洁净手套取出半球体，并用无绒布擦拭干净。

使用更细粒度的砂纸重复擦拭和清洁过程。目的是去除污染物，并为实验获得良好的抛光效果。当两个电极均清洁完毕后，将其送至腔室进行安装。

在本实验中，安装后电极之间的距离为14毫米。在电极室中，将光纤定位，使其观察电极间隙的中心位置。通过控制计算机启动光谱仪系统，并将光栅移动至450纳米的起始位置，然后将校准光源置于光纤的开口端并打开光源。

在控制计算机上优化信号并记录光谱。关闭并移除校准源。查找用于校准的光源已知峰的波长，本例中位于设备背面。

将这些值输入光谱仪控制软件以进行自动校准。接着，调整光栅至其下一个子范围（该范围应与前一个范围重叠），然后将校准光源重新置于光纤前端，以校准此范围。在整个所需的波长范围内重复校准步骤。

进行实验时，关闭电极室门并确保其密闭避光。接着前往闪电发生器控制室，确保门已锁好。

进入后，打开闪电发生器，然后转向计算机以控制和监测实验。使用控制计算机上的软件将光谱仪光栅移动到其起始位置450纳米，然后使用相机拍摄背景图像。接下来选择波形，本例中选择峰值为100千安的波形。

在确认光谱仪将由闪电事件触发后，开始为系统充电并监测充电水平。当充电完成后，系统即处于就绪状态。启动倒计时前，请佩戴听力保护装置。

按下按钮以触发闪电。电弧产生后不久，闪电波形将出现在闪电发生器控制软件中。此外，光谱将出现在光谱仪软件中。

继续在光栅位于450纳米处时再进行三次测量，然后将光栅移至下一个位置，即550纳米。在此位置及所需波长范围内的其他各个位置重复测量。这些数据来自一个由实验室产生的100千安培的闪电电弧。

这是对每个子范围的测量光谱取平均值后拼接各子范围所得的结果。下图以强度图形式展示相同数据，并通过与数据库比对标示出主要的峰值。氮、氧、氩和氦的谱线因其存在于大气中而出现。

钨的出现是由于电极所致。尽管该方法可用于研究产生的闪电电弧，但也同样适用于其他快速电放电现象，例如高压局部放电和火花放电。观看本视频后，您应能充分了解如何记录来自产生闪电电弧或其他任何快速电放电现象的闪电光谱。