Name: 実験室雷アークの広帯域高解像度発光スペクトルの記録方法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
Description: 学ぶ実験室雷アークの広帯域高解像度発光スペクトル記録法。ファイバー光学系と分光器を用いて窒素・酸素・タングステンのスペクトル線を同定し、大気中の放電メカニズムを非侵襲的に解析する手法を習得できます。

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著者らは、先端工学材料(NRN073)のザール・シンマル国立研究ネットワーク(NRN073)と航空宇宙技術研究所(113037)を通じて英国を革新する財政的支援に感謝しています。

1. 波長範囲の選択
<ol><li>観測される稲妻の波長範囲を最初に選択する必要があります。450 nm~890nmを選択した。 注:これは、実験室のセットアップ、格子の燃焼角度によって定義されるスペクトル範囲、およびカメラの感度によって制限されます。</li>
</ol>2. 電極の準備
<ol><li>適切な電極材料を選択します。図5に示すように、銅取り付けに固定された直径60mmの半球タングステン電極のペアが選択されました。 注: 稲妻アークが相互作用するマテリアルは、電極を含むスペクトルを放出し、この干渉を最小限に抑えることが重要です。しかし、これは、実験中に最小限の損傷で繰り返し落雷に耐える電極材料の能力とのバランスをとる必要があります。タングステンの場合、選択した波長範囲内の発光線の多くは450nmから590nmの間でのみ見ることができ、予想される雷スペクトルと大きく区別されます。また、高電圧および高電流実験で一般的に使用される非常に硬い材料です。</li>
	<li>
電極をきれいにして磨き、汚染物質を除去してください。稲妻アークが相互作用する材料は、汚染物質を含むスペクトルを放出します。したがって、電極が誤ったスペクトルラインを確保するために汚染物質が自由であることを確認することが重要です。
	<ol>
<li>粗いサンドペーパーで電極を5分間こすり、室温で10分間ソニックウォーターバスに入れ、糸くずの自由な布で拭き取り、汚染物質を緩めて除去します。再汚染を避けるために、電極を取り扱う際には必ず手袋を使用してください。</li>
		<li>上記を通常10~15回繰り返し、サンドペーパー、エメリークロスのグレードを下げ、良い研磨仕上げが達成されるまで布を磨きます。240~8,000のサンドペーパーと布グレードを使用しました。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電極を稲妻リグ内に取り付け、それらの間に適切な距離を設定します。ここでは、図5に示すように、電極は14mm離れた雷リグ内に取り付けられています。 注:異なる雷試験施設は動作電圧が異なるので、電極間の距離は、雷インパルス発生器がトリガされたときに空気破壊が発生するようにする必要があります。</li>
</ol>3. スペクトログラフの準備
<ol><li>図 2に示すように、分光器を独立した EMI 定格エンクロージャに配置します。理想的には、雷リグとスペクトログラフは別々のEMIエンクロージャに収納する必要があります。</li>
	<li>光ファイバを選択して取り付します。選択された繊維は8mの長い光ファイバであり、2つのEMIチャンバの間に取り付けられた。
	<ol>
<li>観察される所定の波長範囲内で良好な伝送特性を有する光ファイバを選択し、すなわち、450 nmから890nmの間で観察する。</li>
		<li>これはデータ後処理に使用されるため、波長データに対する伝送効率に注意してください。これは、多くの場合、メーカーによって提供されますが、理想的には、校正されたランプを使用して測定する必要があります。</li>
		<li>光ファイバの一方の端を光のきつい配置で光シャーシに接続します。</li>
		<li>光ファイバのもう一方の端を配置して、電極間の稲妻アークを表示します。逆に分光計を通して送られるレーザーからの光は、アライメントに役立ちます。光ファイバは、図6に示すように、電極ギャップの中心と同じ高さ2mに位置する。</li>
		<li>飽和を最小限に抑えるために、必要に応じてカメラに届く光の量を調整します。光ファイバの視野角を0.12°に下げるコリメーターを使用し、全アーク長14mmの雷アークの位置に4.2mmのスポットサイズを生み出し、光を約1分の1に低減します。 注:カメラに到達する光の強度は、光源と光ファイバ間の距離を変更するか、スリットを調整するか、または中性密度フィルタを使用して調整することができます。</li>
	</ol></li>
	<li>分光器システムをオンに切り替え、関連する制御ソフトウェアを起動します。デジタルカメラは-70°Cの温度に達するために約10分を必要とします。 注: 一部のデジタル カメラでは、完全に動作する前にノイズを低減するために冷却が必要です。</li>
	<li>分光計グレーティングを選択します。900 ln/mm 550ブレイズグレーティングを使用しました。 注:格子は、ピーク識別に必要な<1 nmのスペクトル分解能で、使用されるスペクトログラフシステム内の波長範囲とスペクトル分解能を定義します。選択された格子はおよそ140 nmの波長の範囲および0.6 nmの決断を与える。</li>
	<li>水銀アルゴンランプなどの既知のキャリブレーションソースに対して分光器をキャリブレーションします。
	<ol>
<li>格子を、あらかじめ選択した波長範囲の下部に開始位置に配置します。ここで、格子は450nmに位置し、450nm~590nmの範囲を与える。</li>
		<li>キャリブレーションソースをオンに切り替え、光ファイバの開いている端に向けて配置します。</li>
		<li>コントロールソフトウェアを介したカメラの露出を適切な時間に調整して、0.1sの露出などの良好な不飽和信号を実現します。</li>
		<li>必要に応じてスペクトルピークをシャープにするために制御ソフトウェアを介してスリットを調整するか、場合によっては検出器の位置を調整して信号を最適化することもできます。100μmのスリットを使用した。 注: スリットは、スリットでの光の回折による原子線の広がりを減少させるために最小値に設定する必要がありますが、使用される値は 20 μm までです。しかし、狭いスリットは信号を減少させ、光の強度とピークの鮮明さの間にバランスを見つける必要があるかもしれません。</li>
		<li>キャリブレーションソースのスペクトルを記録し、ピークが発生するカメラ画像のピクセル番号を特定します。</li>
		<li>キャリブレーションソースに付属の各ピークの既知の波長に対して各ピークのピクセル数の位置をプロットし、直線に合わせてピクセルを波長に変換する方程式を導き出します。3つの既知の水星原子線の例を図7に示す。</li>
		<li>次に進む前に、このグレーティング位置にキャリブレーションを適用します。一部のスペクトログラフシステムでは、キャリブレーションファイルを使用して、ピクセル数から波長への変換をソフトウェアに適用できます。</li>
		<li>次のサブ範囲の格子を配置し、上記の手順を繰り返します。ここで、格子は550nmから690nmの範囲を与えて550nmに次に配置され、その結果、以前の波長範囲と40nmの重なりを起こした。 注: オーバーラップ領域の幅は、後のステップと接着プロセスの最初の範囲の終わりと 2 番目の範囲の開始でトレンドを認識するのに十分である必要があります。</li>
		<li>すべての格子位置について上記の手順を繰り返します。これは890nmに達するまで繰り返された。 注:キャリブレーションソース(通常は既知のスペクトルピークを持つランプ)は、通常、分光器システムを備えており、メーカーはキャリブレーションを達成する方法の詳細を提供することができます。</li>
	</ol></li>
	<li>生成された稲妻アークを記録するには、スペクトログラフ パラメータを選択します。
	<ol>
<li>必要に応じて、スリットをさらに調整します。</li>
		<li>カメラの露出時間を設定して、雷イベント全体がキャプチャされるようにします。このパラメータを設定する際に、雷発生器またはスペクトログラフのいずれかのトリガ時間と遅延を考慮してください。MBLLの雷発生器では、5sの露光時間を使用しました。 注: 露光時間が長いほど、ノイズレベルや宇宙線などのアーティファクトの可能性が高まるため、これを最小限に抑える努力が必要です。ただし、発生した雷アークまたはスペクトログラフ システムのトリガの不確実性を考慮して、イベント全体が確実にキャプチャされるようにする時間も十分である必要があります。</li>
		<li>雷発生器からトリガを受け取るようにスペクトログラフシステムモードを変更します。雷アークが開始される前に、5 V TTL 信号を使用してカメラ 2.5 s をトリガしました。</li>
	</ol></li>
</ol>4. 実験の実行
<ol><li>
稲妻発生器を準備します。
	<ol>
<li>すべてのライトが消灯し、チャンバーが適切な場所で閉じられ、照明がきつい環境を確保していることを確認します。</li>
		<li>雷発生器のスイッチを入れます。各雷試験施設には、準備とスイッチオンのための独自のプロトコルがあります。MBLLでは、人員の領域がクリアされ、落雷発生器が作動する前に関連する安全装置が従事します。</li>
		<li>関連する雷波形を選択し、必要なピーク電流に充電します。典型的な54kV、100kAピークが100μsピーク18/40μs波形を使用した。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
複数の生成された雷イベントからスペクトルを取得する
	<ol>
<li>分光器グレーティングを開始位置に配置し、落雷と同じパラメータを使用して背景画像を撮影します。これは、いくつかの背景画像の平均である可能性があります。450 nmの設定で100 μmのスリットを持つ5s露光を使用しました。</li>
		<li>スペクトルを正しい設定で記録するために、スペクトログラフシステムがトリガされる準備ができていることを確認します。450 nmの設定で100 μmのスリットを持つ5s露光を使用しました。</li>
		<li>雷発生器を充電し、また、スペクトログラフをトリガする雷イベントをトリガします。</li>
		<li>出力スペクトル データを記録します。</li>
		<li>分光データに干渉がないか確認してください。スペクトログラフは、宇宙放射線や非応答またはデッドピクセルによって引き起こされる他のアーティファクトによって引き起こされるデータスパイクが発生する可能性があります。このような干渉を除去するための努力が行われるべきであり、一部の分光器はこれを行うことができるソフトウェアを持っています。別の方法として、データを無視して実験を繰り返します。図8は、宇宙放射線スパイクの有無にかかわらずデータの違いの一例を示す。</li>
		<li>アルコールで拭き取るか、汚染された場合はステップ2.2を繰り返して、必要に応じて汚染の電極をきれいにします。</li>
		<li>450 nm の範囲の 4 セットの分光データが達成されるまで、手順 4.2.2 ~ 4.2.5 を繰り返します。</li>
		<li>550 nm に分光器グレーティングを配置し、550 nm の範囲の 4 セットの分光計データが達成されるまで、4.2.1 ~ 4.2.6 の手順を繰り返します。 注: 繰り返されるステップの数は、生成された稲妻アークで見られるショットツーショットの分散を平均化するのに十分である必要があります。</li>
		<li>すべてのデータセットが 890 nm の最大波長値に達するまで、上記を繰り返し、16 セットのスペクトル データを生成します。</li>
		<li>同じ雷電流発生器の設定で各サブレンジのスペクトルに大きなばらつきがある場合、例えば原子線の強度では、各段階での実験を4回以上繰り返す必要があります。この目的は、1 回限りの異常の影響を最小限に抑え、雷発生器と稲妻フリーアークからのショットツーショットの変動を平均化することです。</li>
		<li>同じ雷電流発生装置の設定でスペクトルに違いがある場合は、汚染物質の実験セットアップを評価する必要があります。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 後処理データ
<ol><li>データの後処理と分析では、計算機能を組み込んだスプレッドシート ソフトウェア アプリケーションを選択します。このようなソフトウェアは広く利用可能です。</li>
	<li>
ステップ 4.2.1 で取得したバックグラウンド データを、関連する各生成された雷スペクトル データから減算します。
	<ol>
<li>450 nm のバックグラウンド データの平均は、生成された各 450 nm のスペクトル データから差し引き、550 nm データの平均は、生成された各 550 nm の稲妻スペクトル データから差し引かれます。この例を図 9に示します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>波長範囲ごとにデータの個々のセットを平均します。これは図10に示し、4 つの 450 nm データセットが平均化されています。</li>
	<li>重なり合う領域を使用して連続したスペクトル データを整列させ、重なり合う領域を平均化します。これは図11に示し、平均 450 nm および 550 nm データを示す。 注:重なり合う領域の位置合わせと平均化はエラーを引き起こし、タングステンリボンランプを使用して、スペクトル全体の相対強度キャリブレーションを実行する必要がある場合があります。</li>
	<li>光ファイバの減衰と量子効率を修正します。これは図 12に示されています。 注:各サブレンジの光の透過を測定するために校正されたランプを使用することで、より正確な補正を実現できます。この場合、補正はステッチプロセスの前に適用することができます。</li>
	<li>図 13に示すように、最終的なデータをグラフィカル表現または強度プロットとして表示します。</li>
</ol>6. データの分析
<ol><li>
特性スペクトルピークを特定します。
	<ol>
<li>一部のスペクトログラフシステムには、要素のピークを自動的に識別するソフトウェアが含まれます。ピーク位置が正しい場合は特にステッチデータに注意する必要があります。</li>
		<li>手動ピーク識別は、24 などの一般に公開されたデータベースを使用して実行できます。最も低いイオン化レベルから最も強い(相対強度)ピークに合うように注意する必要があります(すなわち、I、II、次にIII)一度に1つの要素。</li>
		<li>ピークを正確に識別したり、それらを整列させたりする際の問題は、光学系のキャリブレーションの問題またはずれが原因である可能性があります。光学シャーシ内の光学系の位置を評価し、ステップ 3 を繰り返します。 注:生成された雷アークの高エネルギーは、スターク効果による原子放出ラインの広がりを引き起こし、すべてのラインの信頼性の高い識別が不可能な場合があります。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

著者は何も開示していない。

分光法は、自然と発生した落雷の両方の間に化学要素の反応を識別するための有用なツールです。十分に正確で再現可能な実験設定を考えると、データをさらに分析すると、他のさまざまな雷特性が明らかになる可能性があります。例えば、実験室で生成された雷アークのスペクトルが自然な稲妻とスペクトル的に類似しており、雷アークに他の材料を添加すると、このスペクトルを大幅に変化させることができることを検証するために使用されています14。この方法は、高電圧システムにおける高速放電、部分的放電、火花、およびその他の関連事象に対して使用できます。広いスペクトルが重要です。
最も重要なステップは、スリット、グレーティング、カメラ設定などのスペクトログラフを設定する際に正しいパラメータを使用して、強力でシャープなスペクトルピークをもたらす可能性のある最良のデータを取得することです。また、信号を最適化する際に検出器が飽和しないように努力する必要があります。光の強度を向上させるために繊維の位置を調整および/またはコリメートすることもでき、雷イベントの一部ではない迷光がバックグラウンドイメージングプロセスの一部として除去または除去されることを保証します。これには試行錯誤が必要な場合があります。最小限の変動で同じ雷イベントを正確に再現するために使用される雷発生器の能力、またはそれらが制御できるように変動がどこから来るかを理解することは、信頼性が高く、反復可能な分光を得る上で重要です。結果。
この設定では、画像化技術が可能なUV帯およびIR帯域に電磁スペクトルの異なる部分を評価し、画像化されるイベントの種類に応じて変更を行うことができます。例えば、波長範囲を450nm以下に広げると、NOやOHラジカルからの放出など、さらに原子的および分子的な線が明らかになる可能性があります。分光器グレーティングを調整して、より広い範囲で低い解像度を与えるには、興味深い特徴を特定するのに役立ちます。
この技術の主な利点は、それが完全に非侵入的なので、雷発生器への変更を必要としないことです。光ファイバを介して光を輸送することにより、過酷な電磁環境からの電気的干渉の量が減少し、カメラなどの他のシステムが十分に遮蔽されていない場合に発生する可能性がある。つまり、スペクトログラフからのデータは、他の計測器よりもはるかに低いノイズと干渉が少ない可能性があります。この特定の技術は、時間分解能の欠如と稲妻アークのさらなる特性の欠如によって制限されます。例えば、温度と電子密度の測定につながる時間分解スペクトルデータを生成することができる高速分光計が存在します。
分光法は、実験室で発生した雷アークを理解する上で、他の診断計測器と並んで重要なツールになることが期待されます。これは、特徴的な雷イベントシグネチャに関する無料の情報を提供し、アーク内の反応性化学元素を識別するために使用されます。この技術のさらなる発展は、追加の特性の導出にもつながりかねない。

雷は、光のフラッシュとして見られ、雷が続く急速な放電によって特徴付される自然界で最も一般的で破壊的な力の一つです。典型的な雷アークは、数十ギガボルトの電圧と、アーク全体で平均30kAの電流で構成され、100μs以内に発生する長さは数百~数百キロメートルです。プロパティに関する情報を導き出します。1960年代から1980年代にかけての自然落雷の研究のために、従来のフィルムベースのカメラ技術を用いて多くの技術が確立されました(例えば、1、2、3、4、5) ,6,7そして,最近では、現代のデジタル技術, 例えば8,9,10,11,12,13歳,14は、雷のメカニズムに関するより正確な洞察を与えるために使用されている。時間が経つにつれて、このような研究は、化学元素相互作用1、14を同定するだけでなく、温度15、16、圧力5の測定値を得る能力を実証しました。粒子および電子密度5、17、エネルギー18、抵抗、およびアーク8の内部電界。しかし、自然の稲妻の研究は、常に雷イベントの本質的に予測不可能なランダムかつ反復不可能な性質によって制限されてきました。
近年、特に航空宇宙産業において、航空機を直接落雷から守るために、雷が周囲の環境とどのように相互作用するかに関する研究が行われています。いくつかの大規模な雷試験施設は、その結果、落雷の最も破壊的な要素、すなわち電流と配達時間を、限られた電圧で複製するように設計され、構築されています。カーディフ大学のモーガン・ボッティ・ライトニング研究所(MBLL)19は、関連する標準20に従って200 kAまでの4つの異なる雷波形を生成することができます。このような実験室施設では、雷を高い精度と再現性で容易に再現・制御できるため、新しいセンサや診断技術を開発して雷の相互作用を理解するためのテストベッドを提供し、メカニズムより良い21,22,23.そのような技術の1つは、最近開発され、自然な雷研究で使用される分光システムと同様に、近赤外(NIR)範囲に紫外線(UV)で動作する分光システム14、21を開発し、インストールされています。これは、雷アークに干渉しない非侵入的な方法であり、ほとんどの電子ベースのデバイスとは異なり、ストライキ中に発生する電磁ノイズの影響をほとんど受けません。
分光器システムは、100 kAのピークが批判的に減衰した振動、100 μsの持続時間、18/40 μsの波形からなる典型的な実験室で発生した雷アークのスペクトルを観察するために使用された60mmの直径タングステンのペア間の空気ギャップを横切る。14 mmの空気ギャップによって分離される電極。この稲妻アーク波形の典型的なトレースを図1に示します。電極は電磁インパルス(EMI)の軽いチャンバに配置され、記録された光だけが雷アーク自体からであり、この光の少量は直径100μmの光ファイバーを介して輸送され、2m離れて配置され、図2に示すように、アークの位置に4.2mmのスポットサイズを与える0.12°の視野角にコリメートし、分光器システムを含む別のEMIチャンバに。EMI室は、雷発生による悪影響を最小限に抑えるために使用された。光ファイバは、焦点距離30cmのCzerny-Turner構成に基づいて光が密集した光学シャーシで終端され、調整可能な100 μmスリットを通過し、3つのミラーを介して900 ln/mm 550ブレイズ回転可能な格子に光を通し、1,024 x 1,024に図 3に示すように、ピクセル デジタル カメラ。この場合、光学セットアップは、UV から NIR 波長までの約 800 nm の範囲内の約 140 nm のサブレンジで 0.6 nm のスペクトル分解能を与えます。スペクトル分解能は、2つの近接ピークを区別する分光計の能力として測定され、全範囲内のサブレンジの位置は格子を回転させることによって調整することができる。システムの重要なコンポーネントは、波長範囲とスペクトル解像度を決定する回折格子の選択であり、前者は後者に反比例します。通常、複数の原子線を見つけるには広い波長範囲が必要ですが、その位置を正確に測定するには高いスペクトル分解能が必要です。これは、このタイプのスペクトログラフに対する単一の格子では物理的に達成できません。したがって、高解像度の複数のサブレンジからのデータは、UV から NIR 範囲までのさまざまな位置で取得されます。これらのデータは、複合スペクトルを形成するために一緒にステップと接着されます。
実際には、光ファイバ光透過の制限のために、450nmから890nmのスペクトル波長範囲が記録された。450 nmから始まり、4つの独立した生成された雷アークからの光が記録され、バックグラウンドノイズを減算し、その後平均化した。その後、波長範囲は550nmにシフトされ、40nmのデータが重複し、別の4つの生成された雷アークからの光が記録され、平均化されました。これは890 nmに達するまで繰り返され、得られた平均データは、完全に定義された波長範囲にわたって完全なスペクトルを作成するために一緒にステッチされました。このプロセスを図4に示します。特徴的なピークは、確立されたデータベース24との比較を通じて化学元素を同定するために使用された。
本論文では、光発光分光法の方法について述べる。この方法は、実験セットアップまたはスペクトログラフシステム設定への変更を最小限に抑えて、他の発光イベントの広い範囲に容易に適用可能です。このようなアプリケーションには、高速放電、部分的放電、スパーク、および電気システムおよび機器のその他の関連現象が含まれます。

<table><tbody><tr><td>EMIシールドチャンバー、避雷リグ、および関連する制御および安全システムを含む雷発生器</td><td>カーディフ大学</td><td>N/A</td><td>カーディフ大学が設計、開発、建設</td></tr><tr><td>銅マウント付き直径60mmのタングステン電極</td><td>不明</td><td>N/A</td><td>あらゆる専門電極/高電圧機器メーカー</td></tr><tr><td>から入手可能シャーシ、カメラ、光ファイバー、制御ソフトウェアを含む分光器</td><td>Andor</td><td>シャーシ:SR-303i-B-SIL</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>カメラ:DU420A-BU2</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>光ファイバー:249309 SR-OPT-8018-9RX</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>ソフトウェア:Solis v4.25</td><td></td></tr><tr><td>水銀アルゴン校正ソース</td><td>Ocean Optics</td><td>HG-1</td><td></td></tr><tr><td>Anaylsis ソフトウェア</td><td>マイクロソフト</td><td>エクセル 2016</td><td></td></tr></tbody></table>

実験室雷アークの広帯域高解像度発光スペクトルの記録方法

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

ライトニングは、自然界で最も一般的で破壊的な力の一つであり、長い間、従来のカメラフィルム法とデジタルカメラ技術を用いて分光技術を使用して研究されてきました。派生。しかし、このような作業は、フィールド内の自然な雷イベントの本質的にランダムで反復不可能な性質のために常に制限されています。最近の雷試験施設の発展により、制御された実験室環境内で再生可能な雷アークが生成され、新しいセンサや診断技術を開発して雷を理解するためのテストベッドが提供されるようになりました。より良いメカニズム。その一つが、雷弧が相互作用する化学元素を同定できるデジタルカメラ技術を用いた分光システムであり、これらのデータを用いてさらなる特性を導き出す。本論文では、分光システムを用いて、100kAのピークから発光スペクトルを得て、小さな空気ギャップで分離された半球タングステン電極のペアを横切って発生する100μsの持続性雷アークを得る。1nm未満のスペクトル分解能を維持するために、いくつかの個々のスペクトルを離散波長範囲にわたって記録し、平均化し、ステッチし、修正して450nm(青色光)~890nm(近赤外光)の範囲で最終的な複合スペクトルを生成した。次に、データ内の特性ピークを、化学元素相互作用を識別するために、確立された公的に利用可能なデータベースと比較しました。この方法は、高速放電、部分的な放電、電気機器、装置、およびシステムの火花など、他のさまざまな発光イベントに容易に適用できます。

100 kAピークに対する波長プロットに対する代表的な雷強度は、100 μsピーク18/40 μs波形を、14mm離れて配置された60mm径タングステン電極のペア間の空気ギャップを横切って、図14に与えられる。これらのデータは、4つの140nm平均データセグメントの4つのセットで構成され、バックグラウンドノイズ、光ファイバ減衰、およびデジタルカメラ量子効率のために一緒にステッチして補正します。これらのデータは、図 15に示すように、強度プロットに変換されています。図 16に示すように、目立つピークは、確立されたデータベースとの比較によって手動で識別されています。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig1.jpg"> 図 1: 稲妻アークプロファイルを生成しました。典型的な100 kAピークの記録されたトレースは、批判的に減衰した振動、100 μsの持続時間、18/40 μsの雷波形を生成しました。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig1large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig2.jpg"> 図 2: 実験的なセットアップ。2つの電極間で発生した雷アークからの光が光ファイバーを介して光光回路システムに輸送される実験セットアップ(スケールしない)の回路図で、光学シャーシとデジタルカメラで構成されます。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig3.jpg"> 図 3: スペクトログラフのセットアップ。光ファイバからの光が格子を介してスペクトルに変換され、デジタルカメラによって記録される分光計システム(スケールしない)の回路図。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig3large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig4.jpg"> 図 4: スペクトル データの照合、処理、および表示。広い高解像度スペクトルの実現に向けて、データの照合、平均化、ステッチ、および修正に使用する手順の図。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig4large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig5.jpg"> 図 5:電極構成。2つの6mm径半球タングステン電極の画像は、雷リグ内で14mm離れた位置に配置された銅の取り付けに固定されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig5large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig6.jpg"> 図 6: 光ファイバ構成。取り付けられた電極から同じ高さと2mの距離に配置された光ファイバの画像。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig6large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig7.jpg"> 図 7: 波長キャリブレーション。(a) 測定されたピクセル数に対する 3 つの既知の水星線の表と、(b) 各点のプロット (十字) と、ピクセルを波長に変換できる方程式 (差し込み) を与える直線フィット (破線) を示す。これは、波長範囲全体にわたって複数の既知の原子線に対して行われます。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig7large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig8.jpg"> 図 8:宇宙線干渉。100 kAの実験室からのスペクトルデータは、550 nmから690 nmの範囲で雷アークを生成しました: (a) 宇宙線干渉のないデータ、および(b) と(c)特徴的な宇宙線スパイクを持つデータ。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig8large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig9.jpg"> 図 9: 背景の減算。100 kAの実験室からのスペクトルデータは、550 nmから690 nmの範囲で雷アークを生成しました: (a) 平均バックグラウンドデータ、(b)生データ、および(c)平均背景を減算したデータ。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig9large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig10.jpg"> 図 10: データの平均化。100 kAの実験室からのスペクトルデータは、550 nmから690 nmの範囲で雷アークを生成しました: (a-d)個々のデータ、および(e)平均データ。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig10large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig11.jpg"> 図 11: データをステッチします。100 kAの実験室から生成された雷アークからのスペクトルデータは、(a) 550 nm から 690 nm の範囲、(b) 650 ~ 790 nm の範囲、および (c) 650 nm から 690 nm のオーバーラップを持つ 2 つのオーバーレイされたデータセットを示します。オーバーラップ領域が平均化されます。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig11large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig12.jpg"> 図 12: データを修正します。(a)繊維減衰のための450nm〜890nm波長範囲のプロット、および(b)各メーカーが提供する分光計カメラ量子効率。これらは、それに応じてステッチされたスペクトルデータを修正するために使用されます。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig12large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig13.jpg"> 図 13: データを表示します。(a)グラフィカルデータプロットおよび(b)の例は、550nmから790nmの波長範囲で発生した100kA実験室のスペクトルを表す強度プロットである。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig13large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig14.jpg"> 図 14: 一般的なグラフィカルデータ。100 kA実験室で発生した雷アークの450 nm~890nmの波長範囲における典型的な平均、ステッチ、補正グラフィカルプロット。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig14large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 15" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig15.jpg"> 図 15:典型的な強度プロット。100 kA実験室で発生した雷アークに対する450nm~890nmの波長範囲における典型的な平均的な、ステッチされた、および補正された強度プロット。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig15large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 16" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig16.jpg"> 図 16: 化学元素の同定。公的に利用可能なデータベース24を用いて最初の注文イオン化レベルのためのスペクトルライン化学要素同定の図。空気中の元素(窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム)および電極(タングステン)が同定されている。このスペクトルは、同じタイプの雷アークを解析するために同じ装置を使用するのと同じ基準14のスペクトルとほぼ同じです。この図はリファレンス14から適合しています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig16large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

発光分光法は、自然界で発生する本質的にランダムな雷アークを解析するために伝統的に使用されてきました。本論文では、実験室環境内で発生する再現性の雷アークから発光分光を得るために開発した方法について述べる。

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

この実験の全体的な目標は、生成された稲妻アークの放出スペクトルを取得することです。この方法は、下層の稲妻メカニズム、空気との相互作用、および周囲の環境内の他の要素との相互作用を理解するのに役立ちます。この技術の主な利点は、それが非侵入的であり、雷の弧を妨げないです。手順を実証するために私を助けることはクリス・ストーン、ライトニング研究所のマネージャーになります。この実験では、カーディフ大学モーガン・ボッティ・ライトニング・ラボの雷発生器を使用しています。雷は電磁インパルスシールドチャンバー内で発生します。部屋の中には稲妻のリグがあります。リグはアーク生成電極をサポートしています。リグから2メートルは小さな光ファイバーを支える三脚です。繊維はコリメートされ、排出領域に向けられる。光ファイバーは、第1の上の第2のチャンバーに光を伝導し、チャンバーの内部はコンピュータ制御の分光器システムである。光ファイバーは、システムのライトタイトなシャーシで終了します。2つのチャンバ、各々に関連する装置、および連結繊維は、この回路図に描かれている。分光器システムは30センチメートルの焦点の長さのCzernyターナー構成に基づいている。光は調節可能な100マイクロメートルのスリットを通る。3つの鏡と回転可能な格子は、マイナス70°Cで動作するデジタルカメラに光を反射します。スペクトル分解能は140ナノメートルの小距離で0.6ナノメートルです。適切な材料で作られた電極を準備します。この実験では、直径60ミリメートルのタングステン半球を使用します。電極を準備するには、糸くずのない布、ソニックウォーターバス、サンドペーパーと研磨布グレードの範囲が必要です。一度に1つの電極をきれいにし、粗いサンドペーパーから始め、電極を5分間こすります。完了したら、室温ソニックバスに半球を置きます。10分後、清潔な手袋を着用し、半球を取り除きます。糸くずのない布で拭き取ります。紙の細かい等級でこすり、きれいにプロセスを繰り返します。目的は、汚染物質を除去し、実験のための良好な研磨を達成することです。両方の電極がきれいになったら、取り付けのためにチャンバーに持って行きなさい。この実験では、取り付け時に電極を14ミリメートルで分離する。電極室内に、光ファイバを配置して電極ギャップの中心を見る。制御コンピュータを介して、分光器システムを起動し、450ナノメートルの開始位置にグレーチングを移動し、光ファイバーのオープンエンドにキャリブレーションソースを配置し、それをオンにします。制御コンピュータで信号を最適化し、スペクトルを記録します。電源を切り、キャリブレーションソースを取り外します。キャリブレーション用のソースの既知のピークの波長を見つけます(この場合はデバイスの背面にあります)。自動キャリブレーションのために、これらの値を分光計コントロールソフトウェアに入力します。次のサブレンジに対してグレーチングを配置して、最初の部分範囲と重なり合い、キャリブレーションソースを光ファイバの前面に戻して、この範囲をキャリブレーションします。希望の波長範囲でキャリブレーション手順を繰り返します。実験のために、電極室のドアを閉め、それが軽く堅くなっていることを確認してください。次に、雷発生器制御室に移動します。ドアが固定されていることを確認します。内部で、雷発生器のスイッチを入れ、コンピュータに向いて実験を制御し、監視します。コントロールコンピュータ上のソフトウェアを使用して、分光計を450ナノメートルの開始位置に移動し、カメラを使用して背景画像を撮影します。次に波形を選択し、この場合は100キロアンプのピークを持つ波形を選択します。分光器が雷イベントによってトリガされることを確認した後、システムの充電を開始し、充電レベルを監視します。充電が完了すると、システムの準備が整います。カウントダウンを開始する前に耳の保護を行います。ボタンを押すと稲妻がトリガーされます。アークの直後に、雷波形が雷発生器制御ソフトウェアに表示されます。さらに、スペクトルは分光器ソフトウェアに表示されます。450ナノメートルの格子でさらに3回の測定を行い、次の位置である550ナノメートルに格子を移動します。この位置で、そして他の各々の波長の所望の範囲で測定を繰り返す。これらのデータは、100キロアンプの実験室で生成された雷アークから取得されています。これは、各部分範囲の測定スペクトルを平均化し、その部分範囲をつなぎ合わせて行った結果です。ここでは、データベースとの比較によって識別される顕著なピークを持つ強度プロットとして示されているのと同じデータです。窒素、酸素、アルゴン、ヘリウムのラインは、大気中に存在するため現れます。電極に起因するタングステンが現れる。この方法は、生成された雷アークに関する洞察を提供することができますが、高電圧部分放電や火花などの他の高速放電にも適用できます。このビデオを見た後、あなたは生成された稲妻アークから、または他の高速放電から雷スペクトルを記録する方法をよく理解している必要があります。

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JoVE Journal

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工学

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実験室雷アークの広帯域高解像度発光スペクトルの記録方法

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