Metodo per la registrazione dei spettri ad alta risoluzione a banda larga degli arci fulmini di laboratorio
27 agosto 2019
Le tecniche di spettroscopia a emissione sono state tradizionalmente utilizzate per analizzare archi fulmini intrinsecamente casuali che si verificano in natura. In questo articolo, viene descritto un metodo sviluppato per ottenere la spettroscopia delle emissioni da archi fulmini riproducibili generati all'interno di un ambiente di laboratorio.
L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di acquisire lo spettro di emissione di un arco di fulmini generato. Questo metodo può aiutare a comprendere i meccanismi di fulmini sottostanti, la sua interazione con l'aria e la sua interazione con altri elementi all'interno dell'ambiente circostante. Il vantaggio principale di questa tecnica è che non è invadente e non interferisce con l'arco dei fulmini.
Ad aiutarmi a dimostrare la procedura ci sarà Chris Stone, il responsabile del Lightning Laboratory. Questo esperimento utilizza il generatore di fulmini nel Morgan-Botti Lightning Lab dell'Università di Cardiff. Il fulmine viene generato all'interno di una camera elettromagnetica schermata ad impulso.
All'interno della camera, c'è un parafulmine. Il carro ha supporti per elettrodi generatori di arco. A due metri dal rig c'è un treppiede che supporta una piccola fibra ottica.
La fibra viene collimata e diretta verso la regione di scarico. La fibra ottica conduce la luce a una seconda camera sopra la prima; La fibra ottica termina sul telaio leggero del sistema.
Le due camere, l'apparato associato a ciascuna di esse, e la fibra di collegamento sono raffigurate in questo schema. Il sistema di spettrografi si basa su una configurazione Czerny-Turner con una lunghezza focale di 30 centimetri. La luce della fibra passa attraverso una fessura regolabile di 100 micrometri.
Tre specchi e una griglia girevole riflettono la luce in una fotocamera digitale che funziona a meno 70 gradi Celsius. La risoluzione spettrale è di 0,6 nanometri in una sottocateno di 140 nanometri. Preparare elettrodi fatti di un materiale appropriato.
Questo esperimento utilizza una coppia di emisferi di tungsteno con un diametro di 60 millimetri. La preparazione degli elettrodi richiede panni senza pelucchi, un bagno d'acqua sonico e una gamma di qualità di carta vetrata e panno di lucidatura. Pulire un elettrodo alla volta;iniziare con carta vetrata grossolana e strofinare l'elettrodo per cinque minuti.
Al termine, posizionare l'emisfero in un bagno sonico a temperatura ambiente. Dopo 10 minuti, indossare guanti puliti e rimuovere l'emisfero. Pulirlo con un panno privo di pelucchi.
Ripetere il processo di sfregamento e pulizia con gradi più fini di carta vetrata. L'obiettivo è rimuovere i contaminanti e ottenere un buon smalto per l'esperimento. Quando entrambi gli elettrodi sono puliti, portali alla camera per il montaggio.
In questo esperimento, se montati, gli elettrodi sono separati da 14 millimetri. Nella camera dell'elettrodo, posizionare la fibra ottica per visualizzare il centro dello spazio dell'elettrodo. Tramite un computer di controllo, avviare il sistema di spettrografi e spostare la sua griglia nella posizione iniziale di 450 nanometri, quindi posizionare una sorgente di calibrazione all'estremità aperta della fibra ottica e accenderla.
Sul computer di controllo, ottimizzare il segnale e registrare gli spettri. Spegnere e rimuovere la sorgente di calibrazione. Trova le lunghezze d'onda per i picchi noti della sorgente per la calibrazione, in questo caso sul retro del dispositivo.
Immettere questi valori nel software di controllo dello spettrografo per la calibrazione automatica. Continuare posizionando la griglia per il suo sottodispone successivo, che dovrebbe sovrapporsi al primo, quindi riportare la sorgente di calibrazione nella parte anteriore della fibra ottica per calibrare questo intervallo. Ripetere i passaggi di calibrazione sull'intervallo di lunghezze d'onda desiderato.
Per l'esperimento, chiudere la porta della camera dell'elettrodo e assicurarsi che sia leggera. Quindi, vai alla sala di controllo del generatore di fulmini. Assicurarsi che la porta sia fissata.
All'interno, accendere il generatore di fulmini, quindi rivolgersi ai computer per controllare e monitorare l'esperimento. Utilizzare il software sul computer di controllo per spostare la griglia dello spettrografo nella sua posizione iniziale di 450 nanometri, quindi utilizzare la fotocamera per scattare un'immagine di sfondo. Selezionare quindi la forma d'onda, in questo caso una con un picco di 100 kilo-amp.
Dopo aver fatto in modo che lo spettrografo venga attivato dall'evento lightning, inizia a caricare il sistema e monitora il livello di carica. Al termine della ricarica, il sistema è pronto. Indossare la protezione dell'orecchio prima di iniziare un conto alla rovescia.
Premi il pulsante per attivare il fulmine. Poco dopo l'arco, la forma d'onda lightning apparirà nel software di controllo del generatore di fulmini. Inoltre, gli spettri appariranno nel software di spettrografo.
Continuare prendendo altre tre misurazioni con la griglia a 450 nanometri, quindi spostare la griglia nella sua posizione successiva, 550 nanometri. Ripetere le misurazioni in questa posizione e in ciascuna delle altre nell'intervallo desiderato di lunghezze d'onda. Questi dati provengono da un arco di fulmini generato da laboratorio da 100 chilogrammi.
È il risultato della media degli spettri misurati di ogni sottocatene e della cucitura delle sottocateni. Ecco gli stessi dati mostrati come un grafico di intensità con i picchi prominenti identificati attraverso il confronto con un database. Azoto, ossigeno, argon e linee di elio appaiono a causa della loro presenza nell'atmosfera.
Il tungsteno appare a causa dell'elettrodo. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sui fulmini generati, può anche essere applicato ad altre scariche elettriche veloci come la scarica parziale ad alta tensione e lo scintillio. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come registrare gli spettri di fulmini dagli archi di fulmini generati o da qualsiasi altra scarica elettrica veloce.
Panoramica
Questo studio presenta un metodo per acquisire lo spettro di emissione di archi di fulmine generati in laboratorio. La tecnica è non invasiva e consente un'analisi dettagliata dell'interazione del fulmine con l'ambiente circostante.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Spettroscopia di emissione
- Fenomeni di fulmine
- Sperimentazione in laboratorio
Sfondo
- La spettroscopia di emissione è stata utilizzata per analizzare i fulmini naturali.
- Gli archi di fulmine generati in laboratorio forniscono condizioni riproducibili per lo studio.
- Il metodo consente di ottenere informazioni sui meccanismi del fulmine.
- Tecniche non invasive sono essenziali per misurazioni accurate.
Scopo dello studio
- Acquisire lo spettro di emissione degli archi di fulmine generati.
- Comprendere l'interazione tra fulmini e l'aria e altri elementi.
- Sviluppare un metodo di laboratorio affidabile per lo studio dei fulmini.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di un generatore di fulmini in un ambiente controllato.
- Sistema in fibra ottica per acquisire la luce proveniente dalla zona di scarica.
- Calibrazione del sistema spettrografico per misurazioni accurate.
- Raccolta dei dati mediante misurazioni ripetute su un intervallo di lunghezze d'onda.
Risultati principali
- Gli spettri di emissione sono stati registrati con successo dagli archi di fulmine.
- Identificate righe spettrali di azoto, ossigeno, argon e tungsteno.
- I dati hanno mostrato la presenza di elementi atmosferici negli spettri.
- Il metodo può essere applicato ad altre scariche elettriche rapide.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato fornisce informazioni preziose sul comportamento dei fulmini.
- Può migliorare la comprensione delle scariche elettriche rapide.
- Applicazioni future potrebbero estendersi oltre i fulmini ad altri fenomeni.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo metodo consente un'analisi spettrale riproducibile e non invasiva di scariche elettriche ad alta energia, fornendo una piattaforma controllata per lo studio delle interazioni plasma-materiale rilevanti per l'affidabilità dei sistemi elettrici e l'analisi dei guasti. Catturando spettri di emissione a banda larga con risoluzione sub-nanometrica, supporta una riduzione meccanicistica dei rischi nella progettazione e validazione di componenti ad alta tensione, sistemi di isolamento e dispositivi di protezione contro le sovratensioni. L'approccio migliora la fiducia predittiva nella valutazione preclinica e traslazionale dei modelli di sollecitazione elettrica, fornendo dati quantitativi sull'emissione elementare verificabili tramite database.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi delle interazioni tra la chimica del plasma e i materiali degli elettrodi in condizioni controllate e ripetibili di scarica ad alta corrente.
- Valore operativo: Fornisce un metodo ottico standardizzato e non invasivo per il monitoraggio in tempo reale della dinamica dell'arco, senza perturbare la scarica.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera profili di emissione quantitativi e risolti in lunghezza d'onda che fungono da letture simili a impronte digitali per la composizione elementare e gli stati di eccitazione.
- Valore operativo: Supporta la standardizzazione dei saggi attraverso spettri calibrati e assemblabili in sottointervalli, con risoluzione tracciabile (<1 nm) e riproducibilità tra diversi archi.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita la continuità dalla modellizzazione della scarica su scala di laboratorio a scenari reali di sollecitazione elettrica, identificando le firme spettrali derivanti dall'atmosfera e dagli elettrodi.
- Valore operativo: Consente la validazione interspecifica di basi di dati spettrali e algoritmi diagnostici per il monitoraggio delle scariche parziali negli apparecchi elettrici.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro di prova sulla sicurezza elettrica e sui materiali come strumento diagnostico primario per la caratterizzazione dei fenomeni di scarica prima di modelli meccanicistici o studi di invecchiamento accelerato.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sui percorsi di degradazione dei materiali mediati dal plasma mediante letture ottiche dirette di emissioni.
- Screening: Fornisce output spettrali riproducibili e ad alta risoluzione, adatti all'identificazione automatica dei picchi e al confronto con librerie.
- Analisi: Consente il confronto quantitativo delle condizioni di scarica attraverso la composizione spettrale calibrata in intensità e la sottrazione del fondo.
- Ricerca traslazionale: Collega la caratterizzazione del plasma in laboratorio a fenomeni rilevanti nel campo, come le scariche parziali e le scintille nei sistemi elettrici.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma spettroscopica riutilizzabile per valutare diversi materiali degli elettrodi, distanze tra gli elettrodi e profili d'onda in diverse campagne di prova.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nelle interazioni plasma-superficie fornendo dati spettrali specifici per elemento, validati rispetto a basi di dati di riferimento.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e scalabilità attraverso un funzionamento dello spettrografo accoppiato a fibra e controllato da computer, con posizionamento automatico del reticolo.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di prosegui/non prosegui nella progettazione di sistemi ad alta tensione, consentendo la rilevazione precoce di segnali indesiderati di vaporizzazione dell'elettrodo o di rottura dell'isolamento.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce l'avanzamento calibrato sul rischio di materiali isolanti e componenti di protezione contro le sovratensioni, attraverso una discriminazione oggettiva dei modi di guasto basata sull'analisi spettrale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze in spettroscopia ottica, diagnostica del plasma e protocolli di sicurezza per alte tensioni.
- È basato su uno spettrografo Czerny-Turner dotato di una telecamera digitale potenziata per l'UV e controllo della fenditura sub-micrometrico.
- Necessita di schermatura elettromagnetica e di un contenitore esente da luce per evitare contaminazione del segnale.
- Comprende protocolli di giunzione delle lunghezze d'onda che richiedono la calibrazione di intervalli sovrapposti e la normalizzazione dell'intensità.
- Limitato all'accesso ottico in linea di vista; le prestazioni possono essere influenzate dall'occlusione da particolato o dal degrado delle finestre in uso prolungato.
