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

D. Mitchard; D. Clark; D. Carr; C. Stone; A. Haddad

doi:10.3791/56336

JoVE Journal
Engineering

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

실험실 번개 아크의 광대역 고분해능 방출 스펙트럼을 기록하는 방법

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August 27, 2019

DOI: 10.3791/56336-v

D. Mitchard¹, D. Clark¹, D. Carr¹, C. Stone¹, A. Haddad¹

¹Morgan-Botti Lightning Laboratory, Advanced High Voltage Research Centre, School of Engineering,Cardiff University

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a method for acquiring the emission spectrum of laboratory-generated lightning arcs. The technique is non-intrusive and allows for detailed analysis of the lightning's interaction with the surrounding environment.

Key Study Components

Area of Science

Emission spectroscopy
Lightning phenomena
Laboratory experimentation

Background

Emission spectroscopy has been used to analyze natural lightning.
Laboratory-generated lightning arcs provide reproducible conditions for study.
The method allows for insights into the mechanisms of lightning.
Non-intrusive techniques are essential for accurate measurements.

Purpose of Study

To acquire the emission spectrum of generated lightning arcs.
To understand the interaction of lightning with air and other elements.
To develop a reliable laboratory method for studying lightning.

Methods Used

Use of a lightning generator in a controlled environment.
Fiber optic system to capture light from the discharge region.
Calibration of the spectrograph system for accurate measurements.
Data collection through multiple measurements across a range of wavelengths.

Main Results

Emission spectra were successfully recorded from the lightning arcs.
Identified spectral lines from nitrogen, oxygen, argon, and tungsten.
Data showed the presence of atmospheric elements in the spectra.
The method can be applied to other fast electrical discharges.

Conclusions

The developed method provides valuable insights into lightning behavior.
It can enhance understanding of fast electrical discharges.
Future applications may extend beyond lightning to other phenomena.

Frequently Asked Questions

What is the main goal of the experiment?

The main goal is to acquire the emission spectrum of a generated lightning arc.

How does the method ensure non-intrusiveness?

The method uses a fiber optic system that does not interfere with the lightning arc.

What materials are used for the electrodes?

Tungsten hemispheres with a diameter of 60 millimeters are used as electrodes.

What is the significance of the spectral resolution?

A spectral resolution of 0.6 nanometers allows for precise identification of spectral lines.

Can this method be applied to other electrical discharges?

Yes, it can also be applied to high-voltage partial discharge and sparking.

Where was the experiment conducted?

The experiment was conducted in the Morgan-Botti Lightning Lab at Cardiff University.

방출 분광법은 전통적으로 자연에서 발생하는 본질적으로 임의의 번개 호를 분석하는 데 사용되어 왔습니다. 이 백서에서는 실험실 환경 내에서 생성된 재현 가능한 낙뢰 아크로부터 방출 분광법을 얻기 위해 개발된 방법이 설명되어 있습니다.

이 실험의 전반적인 목표는 생성된 번개 아크의 방출 스펙트럼을 획득하는 것입니다. 이 방법은 기본 번개 메커니즘, 공기와의 상호 작용 및 주변 환경 내의 다른 요소와의 상호 작용을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 비관적이며 번개 호를 방해하지 않는다는 것입니다.

내가 절차를 시연하는 데 도움이 크리스 스톤, 번개 실험실 관리자가 될 것입니다. 이 실험은 카디프 대학의 모건 보티 번개 연구소에서 번개 생성기를 사용합니다. 번개는 전자기 임펄스 차폐 챔버 내에서 생성됩니다.

챔버 내부에는 번개 장비가 있습니다. 이 장비는 아크 생성 전극을 지원합니다. 장비에서 2미터 떨어진 작은 광섬유를 지원하는 삼각대입니다.

섬유는 교개하여 방전 영역으로 향합니다. 광섬유는 제1 챔버 위에 있는 두 번째 챔버에 빛을 전도합니다. 광섬유는 시스템의 가볍고 단단한 섀시에 종료됩니다.

두 챔버, 그들 각각과 관련된 장치, 및 연결 섬유는이 회로도에 묘사된다. 분광 시스템은 30센티미터의 초점 길이를 가진 체르니 터너 구성을 기반으로 합니다. 섬유의 빛은 조정 가능한 100 마이크로미터 슬릿을 통과합니다.

3개의 거울과 회전식 격자가 영하 70도에서 작동하는 디지털 카메라에 빛을 반사합니다. 스펙트럼 해상도는 140나노미터 서브범위에서 0.6나노미터이다. 적절한 재료로 만든 전극을 준비합니다.

이 실험은 직경 이 60mm의 텅스텐 반구 쌍을 사용합니다. 전극을 준비하려면 보풀이 없는 천, 소닉 워터 욕조, 다양한 사포 및 연마 천 등급이 필요합니다. 한 번에 하나의 전극을 청소하십시오. 거친 사포로 시작하여 전극을 5분 동안 문지릅니다.

완료되면 반구를 실온 소닉 욕조에 넣습니다. 10분 후, 깨끗한 장갑을 착용하고 반구를 제거합니다. 보풀이 없는 천으로 닦아냅니다.

사포의 미세한 등급으로 문지르고 깨끗한 과정을 반복하십시오. 목표는 오염 물질을 제거하고 실험에 대한 좋은 폴란드어를 달성하는 것입니다. 두 전극이 모두 깨끗할 때, 장착을 위해 챔버로 가져 가라.

이 실험에서, 장착될 때, 전극은 14밀리미터로 분리된다. 전극 챔버에서 광섬유를 배치하여 전극 갭의 중심을 봅니다. 제어 컴퓨터를 통해 분광 시스템을 시작하고 격자를 450 나노미터의 시작 위치로 이동한 다음 광섬유의 열린 끝에 교정 소스를 배치하고 켭니다.

제어 컴퓨터에서 신호를 최적화하고 스펙트럼을 기록합니다. 교정 소스를 끄고 제거합니다. 이 경우 장치 뒷면의 교정을 위해 소스에서 알려진 피크에 대한 파장을 찾습니다.

자동 교정을 위해 이러한 값을 분광 제어 소프트웨어에 입력합니다. 첫 번째 서브레인지에 대한 격자를 계속 배치한 다음 교정 소스를 광섬유 전면으로 돌려하여 이 범위를 보정합니다. 원하는 파장 범위에서 교정 단계를 반복합니다.

실험을 위해 전극 챔버 도어를 닫고 가볍게 단단히 고정되도록 하십시오. 다음으로 번개 발생기 제어실로 이동합니다. 문이 고정되어 있는지 확인합니다.

내부, 번개 생성기를 전환 한 다음 제어하고 실험을 모니터링하는 컴퓨터를 켭니다. 제어 컴퓨터의 소프트웨어를 사용하여 분광기 격자를 450나노미터의 시작 위치로 이동한 다음 카메라를 사용하여 배경 이미지를 촬영합니다. 다음으로 파형을 선택합니다.이 경우 100킬로 암프 피크가 있는 파형을 선택합니다.

번개 이벤트에 의해 분광기가 트리거되도록 한 후 시스템 충전을 시작하고 충전 수준을 모니터링하십시오. 충전이 완료되면 시스템이 준비됩니다. 카운트다운을 시작하기 전에 귀 보호 기능을 착용하십시오.

버튼을 눌러 번개를 트리거합니다. 호가 끝난 직후 번개 파형이 번개 생성기 제어 소프트웨어에 나타납니다. 또한 분광기 소프트웨어에 분광기가 나타납니다.

450 나노미터에서 격자로 세 가지 더 측정을 한 다음 격자를 다음 위치인 550 나노미터로 이동하십시오. 원하는 파장의 범위에서 이 위치와 다른 각 위치에서 측정을 반복합니다. 이 데이터는 100킬로 암페어 실험실에서 생성된 번개 아크에서 나온 것입니다.

각 하위 범위의 측정된 스펙트럼을 평균화하고 하위 범위를 함께 스티치한 결과입니다. 다음은 데이터베이스와의 비교를 통해 식별된 눈에 띄는 피크와 함께 강도 플롯으로 표시된 것과 동일한 데이터입니다. 질소, 산소, 아르곤 및 헬륨 선은 대기 중의 존재로 인해 나타납니다.

텅스텐은 전극으로 인해 나타납니다. 이 방법은 생성된 번개 아크에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 고전압 부분 방전 및 스파크와 같은 다른 빠른 전기 방전에도 적용할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 생성된 번개 호또는 다른 빠른 전기 방전에서 번개 스펙트럼을 기록하는 방법에 대한 좋은 이해가 있어야 합니다.