Método para la grabación de espectros de emisiones de alta resolución de banda ancha de arcos relámpagos de laboratorio
27 de agosto de 2019
Tradicionalmente, las técnicas de espectroscopia de emisiones se han utilizado para analizar arcos de rayos inherentemente aleatorios que ocurren en la naturaleza. En este artículo, se describe un método desarrollado para obtener la espectroscopia de emisión a partir de arcos de rayos reproducibles generados dentro de un entorno de laboratorio.
El objetivo general de este experimento es adquirir el espectro de emisión de un arco relámpago generado. Este método puede ayudar a entender los mecanismos de relámpagos subyacentes, su interacción con el aire y su interacción con otros elementos dentro del entorno circundante. La principal ventaja de esta técnica es que no es intrusiva y no interfiere con el arco relámpago.
Ayudándome a demostrar el procedimiento será Chris Stone, el gerente del Laboratorio Lightning. Este experimento utiliza el generador de rayos en el Laboratorio Relámpago Morgan-Botti de la Universidad de Cardiff. El rayo se genera dentro de una cámara electromagnética blindada por impulsos.
Dentro de la cámara, hay una plataforma de rayos. La plataforma tiene soportes para electrodos generadores de arco. A dos metros de la plataforma hay un trípode que soporta una pequeña fibra óptica.
La fibra se colima y se dirige hacia la región de descarga. La fibra óptica conduce la luz a una segunda cámara en la parte superior de la primera;dentro de la cámara es un sistema de espectrógrafo controlado por computadora. La fibra óptica termina en el chasis ligero del sistema.
Las dos cámaras, el aparato asociado a cada una de ellas, y la fibra de conexión se representan en este esquema. El sistema de espectrógrafo se basa en una configuración Czerny-Turner con una distancia focal de 30 centímetros. La luz de la fibra pasa a través de una ranura ajustable de 100 micrómetros.
Tres espejos y una rejilla giratoria reflejan la luz en una cámara digital que funciona a menos 70 grados centígrados. La resolución espectral es de 0,6 nanómetros en un subrango de 140 nanómetros. Preparar electrodos hechos de un material apropiado.
Este experimento utiliza un par de hemisferios de tungsteno con un diámetro de 60 milímetros. La preparación de los electrodos requiere paños libres de pelusas, un baño de agua sónica y una gama de papel de lija y telas de pulido. Limpie un electrodo a la vez;comience con papel de lija grueso y frote el electrodo durante cinco minutos.
Cuando haya terminado, coloque el hemisferio en un baño sónico a temperatura ambiente. Después de 10 minutos, use guantes limpios y retire el hemisferio. Límpialo con un paño sin pelusas.
Repita el proceso de frotar y limpiar con grados más finos de papel de lija. El objetivo es eliminar los contaminantes y lograr un buen pulido para el experimento. Cuando ambos electrodos estén limpios, llévenlos a la cámara para su montaje.
En este experimento, cuando se montan, los electrodos están separados por 14 milímetros. En la cámara del electrodo, coloque la fibra óptica para ver el centro de la separación del electrodo. A través de un ordenador de control, inicie el sistema de espectrógrafo y mueva su rejilla a la posición inicial de 450 nanómetros, luego coloque una fuente de calibración en el extremo abierto de la fibra óptica y enciéndala.
En el ordenador de control, optimice la señal y registre los espectros. Apague y retire la fuente de calibración. Encuentre las longitudes de onda de los picos conocidos de la fuente para la calibración, en este caso en la parte posterior del dispositivo.
Introduzca estos valores en el software de control del espectrógrafo para la calibración automática. Continúe colocando la rejilla para su siguiente subrango, que debe superponerse al primero, luego devuelva la fuente de calibración a la parte delantera de la fibra óptica para calibrar este rango. Repita los pasos de calibración sobre el rango de longitud de onda deseado.
Para el experimento, cierre la puerta de la cámara del electrodo y asegúrese de que esté ligeramente apretada. A continuación, vaya a la sala de control del generador de rayos. Asegúrese de que la puerta esté asegurada.
En el interior, encienda el generador de rayos y, a continuación, gire a las computadoras para controlar y supervisar el experimento. Utilice software en el ordenador de control para mover la rejilla del espectrógrafo a su posición inicial de 450 nanómetros y, a continuación, utilice la cámara para tomar una imagen de fondo. A continuación, seleccione la forma de onda, en este caso uno con un pico de 100 kilos de amplificador.
Después de asegurarse de que el espectrógrafo será activado por el evento de rayo, comience a cargar el sistema y monitoree el nivel de carga. Una vez completada la carga, el sistema está listo. Póngase protección para los oídos antes de comenzar una cuenta regresiva.
Pulse el botón para activar el rayo. Poco después del arco, la forma de onda del rayo aparecerá en el software de control del generador de rayos. Además, los espectros aparecerán en el software del espectrógrafo.
Continúe tomando tres mediciones más con la rejilla a 450 nanómetros, luego mueva la rejilla a su siguiente posición, 550 nanómetros. Repita las mediciones en esta posición y en cada una de las demás en el rango deseado de longitudes de onda. Estos datos proceden de un arco relámpago generado por laboratorio de 100 kilos de kilo de pulgada.
Es el resultado de promediar los espectros medidos de cada subrango y coser los subrangos juntos. Aquí están los mismos datos que se muestran como una gráfica de intensidad con los picos prominentes identificados a través de la comparación con una base de datos. Las líneas de nitrógeno, oxígeno, argón y helio aparecen debido a su presencia en la atmósfera.
El tungsteno aparece debido al electrodo. Aunque este método puede proporcionar información sobre los arcos relámpago generados, también se puede aplicar a otras descargas eléctricas rápidas, como descargas parciales de alto voltaje y chispas. Después de ver este video, usted debe tener una buena comprensión de cómo grabar espectros de relámpagos a partir de arcos relámpago generados o de cualquier otra descarga eléctrica rápida.
Descripción general
Este estudio presenta un método para obtener el espectro de emisión de arcos de rayos generados en laboratorio. La técnica es no invasiva y permite un análisis detallado de la interacción del rayo con el entorno circundante.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Espectroscopía de emisión
- Fenómenos de rayos
- Experimentación en laboratorio
Antecedentes
- La espectroscopía de emisión se ha utilizado para analizar rayos naturales.
- Los arcos de rayo generados en el laboratorio proporcionan condiciones reproducibles para su estudio.
- El método permite obtener información sobre los mecanismos del rayo.
- Las técnicas no intrusivas son esenciales para mediciones precisas.
Objetivo del estudio
- Adquirir el espectro de emisión de los arcos de rayos generados.
- Comprender la interacción de los rayos con el aire y otros elementos.
- Desarrollar un método de laboratorio confiable para estudiar los rayos.
Métodos Utilizados
- Uso de un generador de rayos en un entorno controlado.
- Sistema de fibra óptica para capturar la luz procedente de la región de descarga.
- Calibración del sistema espectrográfico para mediciones precisas.
- Recolección de datos mediante múltiples mediciones a lo largo de un rango de longitudes de onda.
Resultados principales
- Se registraron con éxito espectros de emisión provenientes de los arcos de rayos.
- Se identificaron líneas espectrales de nitrógeno, oxígeno, argón y tungsteno.
- Los datos mostraron la presencia de elementos atmosféricos en los espectros.
- El método puede aplicarse a otras descargas eléctricas rápidas.
Conclusiones
- El método desarrollado proporciona información valiosa sobre el comportamiento de los rayos.
- Puede mejorar la comprensión de las descargas eléctricas rápidas.
- Las aplicaciones futuras podrían extenderse más allá de los rayos hacia otros fenómenos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite un análisis espectral reproducible y no invasivo de descargas eléctricas de alta energía, proporcionando una plataforma controlada para estudiar interacciones plasma-material relevantes para la confiabilidad de sistemas eléctricos y el análisis de fallas. Al capturar espectros de emisión de banda ancha con resolución subnanométrica, apoya la reducción mecanicista de riesgos en el diseño y validación de componentes de alto voltaje, sistemas de aislamiento y dispositivos de protección contra sobretensiones. El enfoque mejora la confianza predictiva en la evaluación preclínica y traslacional de modelos de esfuerzo eléctrico al proporcionar datos cuantitativos de emisión elemental verificables mediante bases de datos.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las interacciones entre la química del plasma y los materiales de los electrodos bajo condiciones controladas y repetibles de descarga de alta corriente.
- Valor operativo: Proporciona un método óptico estandarizado y no invasivo para el monitoreo en tiempo real de la dinámica del arco sin perturbar la descarga.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera perfiles de emisión cuantitativos y resueltos por longitud de onda que sirven como lecturas similares a huellas dactilares para la composición elemental y los estados de excitación.
- Valor operativo: Facilita la estandarización de ensayos mediante espectros de subrangos calibrados y unibles, con resolución trazable (<1 nm) y reproducibilidad a través de múltiples arcos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Facilita la continuidad desde la modelización del descargo a escala de laboratorio hasta escenarios reales de esfuerzo eléctrico mediante la identificación de firmas de emisión atmosféricas y derivadas de los electrodos.
- Valor operativo: Permite la validación cruzada de bases de datos espectrales y algoritmos diagnósticos para la monitorización de descargas parciales en aparatos eléctricos.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método se integra en los flujos de trabajo de seguridad eléctrica y pruebas de materiales como una herramienta diagnóstica primaria para caracterizar fenómenos de descarga antes de los estudios de modelado mecanicista o envejecimiento acelerado.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre vías de degradación de materiales mediadas por plasma mediante lecturas ópticas directas de emisión.
- Selección: Proporciona espectros reproducibles y de alta resolución adecuados para la identificación automatizada de picos y la comparación con bibliotecas.
- Análisis: Permite la comparación cuantitativa de condiciones de descarga mediante ensamblaje espectral calibrado por intensidad y sustracción del fondo.
- Investigación Traducional: Relaciona la caracterización de arcos en laboratorio con fenómenos de descarga parcial y chisporroteo relevantes en campo en sistemas eléctricos.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma espectroscópica reutilizable para evaluar diversos materiales de electrodos, distancias entre electrodos y perfiles de forma de onda en múltiples campañas de pruebas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad mecanicista en las interacciones plasma-superficie al proporcionar datos de emisión específicos por elemento validados frente a bases de datos de referencia.
- Valor operativo: Asegura la estandarización y escalabilidad mediante el funcionamiento del espectrógrafo acoplado a fibra y controlado por computadora, con posicionamiento automatizado de la red de difracción.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de continuar o detener el desarrollo en el diseño de sistemas de alto voltaje al permitir la detección temprana de firmas de vaporización indeseable de electrodos o ruptura del aislamiento.
- Impacto en la cartera: Apoya el avance ajustado al riesgo de materiales aislantes y componentes de protección contra sobretensiones mediante la discriminación objetiva de modos de falla resueltos espectralmente.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en espectroscopia óptica, diagnóstico de plasmas y protocolos de seguridad con alto voltaje.
- Depende de un espectrógrafo Czerny-Turner con cámara digital mejorada para UV y control de rendija de submicrón.
- Necesita blindaje electromagnético y una carcasa hermética a la luz para evitar contaminación de la señal.
- Implica protocolos de empalme de longitudes de onda que requieren calibración de rangos parciales superpuestos y normalización de intensidad.
- Limitado al acceso óptico en línea de visión; el rendimiento puede verse afectado por obstrucción de partículas o degradación de ventanas en uso prolongado.
