Méthode d'enregistrement des spectres d'émission à haute résolution à large bande des arcs de foudre de laboratoire

L’objectif global de cette expérience est d’acquérir le spectre d’émission d’un arc de foudre généré. Cette méthode peut aider à comprendre les mécanismes sous-jacents de la foudre, son interaction avec l’air et son interaction avec d’autres éléments de l’environnement environnant. Le principal avantage de cette technique est qu’elle n’est pas intrusive et n’interfère pas avec l’arc éclair.

Chris Stone, le directeur du Laboratoire lightning, m’aidera à démontrer la procédure. Cette expérience utilise le générateur de foudre dans le Morgan-Botti Lightning Lab de l’Université de Cardiff. La foudre est générée dans une chambre électromagnétique blindée par impulsion.

À l’intérieur de la chambre, il y a une plate-forme de foudre. La plate-forme a des supports pour les électrodes génératrices d’arc. Deux mètres de la plate-forme est un trépied soutenant une petite fibre optique.

La fibre est rassemblée et dirigée vers la région de décharge. La fibre optique conduit la lumière à une deuxième chambre au-dessus de la première; à l’intérieur de la chambre est un système spectrographe contrôlé par ordinateur. La fibre optique se termine sur le châssis léger du système.

Les deux chambres, l’appareil associé à chacune d’elles, et la fibre de connexion sont représentés dans ce schéma. Le système spectrographe est basé sur une configuration Czerny-Turner d’une longueur focale de 30 centimètres. La lumière de la fibre passe à travers une fente réglable de 100 micromètres.

Trois miroirs et une grille rotable réfléchissent la lumière dans un appareil photo numérique fonctionnant à moins 70 degrés Celsius. La résolution spectrale est de 0,6 nanomètre dans une sous-range de 140 nanomètres. Préparer des électrodes faites d’un matériau approprié.

Cette expérience utilise une paire d’hémisphères de tungstène d’un diamètre de 60 millimètres. La préparation des électrodes nécessite des tissus sans peluches, un bain d’eau sonore et une gamme de teneurs en papier de verre et en tissu poli. Nettoyez une électrode à la fois; commencez par du papier de verre grossier et frottez l’électrode pendant cinq minutes.

Une fois terminé, placez l’hémisphère dans un bain sonore à température ambiante. Après 10 minutes, porter des gants propres et enlever l’hémisphère. Essuyez-le avec un chiffon sans peluche.

Répétez le processus de frottement et de nettoyage avec des notes plus fines de papier de verre. L’objectif est d’éliminer les contaminants et d’obtenir un bon vernis pour l’expérience. Lorsque les deux électrodes sont propres, emmenez-les à la chambre pour le montage.

Dans cette expérience, lorsqu’elles sont montées, les électrodes sont séparées par 14 millimètres. Dans la chambre d’électrode, placez la fibre optique pour voir le centre de l’espace électrode. Via un ordinateur de contrôle, démarrez le système spectrographe et déplacez sa grille vers la position de départ de 450 nanomètres, puis placez une source d’étalonnage à l’extrémité ouverte de la fibre optique et allumez-la.

Sur l’ordinateur de commande, optimisez le signal et enregistrez les spectres. Éteignez et retirez la source d’étalonnage. Trouvez les longueurs d’onde des pics connus de source pour l’étalonnage, dans ce cas à l’arrière de l’appareil.

Entrez ces valeurs dans le logiciel de contrôle spectrographe pour étalonnage automatique. Continuer en positionnant la grille pour son prochain sous-secteur, qui devrait chevaucher le premier, puis retourner la source d’étalonnage à l’avant de la fibre optique pour calibrer cette plage. Répétez les étapes d’étalonnage sur la plage de longueur d’onde désirée.

Pour l’expérience, fermez la porte de la chambre d’électrode et assurez-vous qu’elle est étanche à la lumière. Ensuite, allez à la salle de contrôle du générateur de foudre. Assurez-vous que la porte est sécurisée.

À l’intérieur, allumez le générateur de foudre, puis tournez-vous vers les ordinateurs pour contrôler et surveiller l’expérience. Utilisez un logiciel sur l’ordinateur de commande pour déplacer la grille spectrographe à sa position de départ de 450 nanomètres, puis utilisez la caméra pour prendre une image de fond. Sélectionnez ensuite la forme d’onde, dans ce cas une avec un pic de 100 kilos d’ampli.

Après avoir assuré que le spectrographe sera déclenché par l’événement de foudre, commencez à charger le système et surveillez le niveau de charge. Lorsque la charge est terminée, le système est prêt. Mettez une protection de l’oreille avant de commencer un compte à rebours.

Appuyez sur le bouton pour déclencher la foudre. Peu de temps après l’arc, la forme d’onde de foudre apparaîtra dans le logiciel de contrôle du générateur de foudre. En outre, les spectres apparaîtront dans le logiciel spectrographe.

Continuer en prenant trois mesures supplémentaires avec la grille à 450 nanomètres, puis déplacer la grille à sa position suivante, 550 nanomètres. Répétez les mesures à cette position et à chacune des autres dans la plage souhaitée de longueurs d’onde. Ces données proviennent d’un arc éclair généré en laboratoire de 100 kilos.

C’est le résultat de la moyenne des spectres mesurés de chaque sous-range et de la couture des sous-gammes ensemble. Voici les mêmes données montrées comme un complot d’intensité avec les pics proéminents identifiés par comparaison à une base de données. Les lignées d’azote, d’oxygène, d’argon et d’hélium apparaissent en raison de leur présence dans l’atmosphère.

Tungstène apparaît en raison de l’électrode. Bien que cette méthode puisse fournir un aperçu des arcs de foudre générés, elle peut également être appliquée à d’autres décharges électriques rapides telles que la décharge partielle à haute tension et l’étincelle. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’enregistrer les spectres de foudre à partir d’arcs de foudre générés ou de toute autre décharge électrique rapide.