Methode voor het opnemen van breedband-emissie spectra met hoge resolutie van laboratorium bliksem bogen
27 augustus 2019
Emissie spectroscopie technieken zijn van oudsher gebruikt om inherent willekeurige bliksem bogen in de natuur te analyseren. In deze paper wordt een methode beschreven die is ontwikkeld om de emissie spectroscopie te verkrijgen van reproduceerbare Lightning-bogen die worden gegenereerd in een laboratoriumomgeving.
Het algemene doel van dit experiment is het verkrijgen van het emissiespectrum van een gegenereerde bliksemboog. Deze methode kan helpen bij het begrijpen van de onderliggende bliksemmechanismen, de interactie met de lucht, en de interactie met andere elementen binnen de omgeving. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het niet opdringerig is en de bliksemboog niet verstoort.
Chris Stone, de manager van het Lightning Laboratory, helpt me om de procedure aan te tonen. Dit experiment maakt gebruik van de bliksemgenerator in het Morgan-Botti Lightning Lab van cardiff University. De bliksem wordt gegenereerd in een elektromagnetische impuls afgeschermde kamer.
In de kamer is er een blikseminstallatie. De rig heeft steunen voor arc-genererende elektroden. Twee meter van de rig is een statief ter ondersteuning van een kleine glasvezel.
De vezel wordt verzameld en gericht op het lozingsgebied. De glasvezel voert licht naar een tweede kamer op de top van de eerste;in de kamer is een computergestuurdspectrometersysteem. De glasvezel eindigt op het lichtdichte chassis van het systeem.
De twee kamers, het apparaat in verband met elk van hen, en de verbindingsvezel zijn afgebeeld in dit schema. Het spectrograafsysteem is gebaseerd op een Czerny-Turner configuratie met een brandpuntsafstand van 30 centimeter. Licht van de vezel gaat door een verstelbare 100-micrometer spleet.
Drie spiegels en een draaibaar rooster reflecteren licht in een digitale camera die werkt bij min 70 graden Celsius. De spectrale resolutie is 0,6 nanometer in een subbereik van 140 nanometer. Bereid elektroden gemaakt van een geschikt materiaal.
Dit experiment maakt gebruik van een paar wolfraam halfronden met een diameter van 60 millimeter. De voorbereiding van de elektroden vereist pluisvrije doeken, een sonisch waterbad en een reeks schuurpapier- en polijstdoekkwaliteiten. Maak één elektrode tegelijk schoon;begin met grof schuurpapier en wrijf de elektrode gedurende vijf minuten.
Wanneer u klaar bent, plaats het halfrond in een kamertemperatuur sonisch bad. Draag na 10 minuten schone handschoenen en verwijder het halfrond. Veeg het af met een pluisvrije doek.
Herhaal het rub-and-clean proces met fijnere kwaliteiten schuurpapier. Het doel is om verontreinigingen te verwijderen en een goede polish voor het experiment te bereiken. Wanneer beide elektroden schoon zijn, breng ze naar de kamer voor montage.
In dit experiment, wanneer gemonteerd, worden de elektroden gescheiden door 14 millimeter. Plaats in de elektrodekamer de glasvezel om het midden van de elektrodekloof te bekijken. Start via een besturingscomputer het spectrograafsysteem en verplaats het rooster naar de uitgangspositie van 450 nanometer, plaats vervolgens een kalibratiebron aan de open kant van de glasvezel en zet deze aan.
Optimaliseer het signaal op de besturingscomputer en neem de spectra op. Schakel de kalibratiebron uit en verwijder deze. Zoek de golflengten voor de bekende pieken van de bron voor kalibratie, in dit geval op de achterkant van het apparaat.
Voer deze waarden in de spectrograafbesturingssoftware in voor automatische kalibratie. Ga verder door het rooster te positioneren voor de volgende subrange, die de eerste overlap moet overlappen, en breng de kalibratiebron terug naar de voorkant van de glasvezel om dit bereik te kalibreren. Herhaal de kalibratiestappen over het gewenste golflengtebereik.
Voor het experiment sluit u de deur van de elektrodekamer en zorg ervoor dat deze lichtdicht is. Ga vervolgens naar de meldkamer van de bliksemgenerator. Zorg ervoor dat de deur is beveiligd.
Binnenin, schakel de bliksemgenerator in en ga vervolgens naar de computers om het experiment te bedienen en te controleren. Gebruik software op de besturingscomputer om de spectrograafrooster naar de startpositie van 450 nanometer te verplaatsen en gebruik de camera om een achtergrondafbeelding te maken. Selecteer vervolgens de golfvorm, in dit geval een met een piek van 100 kilo.amp.
Nadat u ervoor hebt gezorgd dat de spectrograaf wordt geactiveerd door de bliksemgebeurtenis, begint u met het opladen van het systeem en controleert u het laadniveau. Wanneer het opladen is voltooid, is het systeem klaar. Zet op oorbescherming voordat u begint met aftellen.
Druk op de knop om de bliksem te activeren. Kort na de boog verschijnt de bliksemgolfvorm in de software voor de besturing van de bliksemgenerator. Daarnaast zal de spectra verschijnen in de spectrograaf software.
Ga verder door nog drie metingen te doen met het rooster op 450 nanometer en verplaats het rooster vervolgens naar zijn volgende positie, 550 nanometer. Herhaal metingen op deze positie en op elk van de anderen in het gewenste bereik van golflengten. Deze gegevens zijn afkomstig van een 100 kilo-amp laboratorium gegenereerde bliksem boog.
Het is het resultaat van het gemiddelde van de gemeten spectra van elke subrange en het aan elkaar naaien van de subranges. Hier is dezelfde gegevens weergegeven als een intensiteit plot met de prominente pieken geïdentificeerd door vergelijking met een database. Stikstof, zuurstof, argon, en helium lijnen verschijnen als gevolg van hun aanwezigheid in de atmosfeer.
Wolfraam verschijnt als gevolg van de elektrode. Hoewel deze methode inzicht kan geven in gegenereerde bliksembogen, kan het ook worden toegepast op andere snelle elektrische ontladingen, zoals hoogspanning gedeeltelijke ontlading en vonken. Na het bekijken van deze video, moet u een goed begrip van hoe bliksemspectra opnemen van gegenereerde bliksembogen of van een andere snelle elektrische ontlading.
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het verkrijgen van het emissiespectrum van in het laboratorium gegenereerde bliksemontladingen. De techniek is niet-invasief en maakt een gedetailleerde analyse mogelijk van de interactie van de bliksem met de omringende omgeving.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Emissiespectroscopie
- Bliksemverschijnselen
- Laboratoriumexperimenten
Achtergrond
- Emissiespectroscopie is gebruikt om natuurlijke bliksem te analyseren.
- In het laboratorium gegenereerde bliksembogen bieden reproduceerbare omstandigheden voor onderzoek.
- De methode biedt inzicht in de mechanismen van bliksem.
- Niet-invasieve technieken zijn essentieel voor nauwkeurige metingen.
Doel van de studie
- Om het emissiespectrum van gegenereerde bliksemontladingen vast te leggen.
- Om de interactie van bliksem met lucht en andere elementen te begrijpen.
- Om een betrouwbare laboratoriummethode te ontwikkelen voor het bestuderen van bliksem.
Gebruikte methoden
- Gebruik van een bliksemgenerator in een gecontroleerde omgeving.
- Glasvezelsysteem om licht uit de ontladingsregio op te vangen.
- Kalibratie van het spectrograafsysteem voor nauwkeurige metingen.
- Gegevensverzameling door middel van meerdere metingen over een reeks golflengten.
Belangrijkste resultaten
- Emissiespectra van de bliksemontladingen zijn succesvol geregistreerd.
- Spectraallijnen van stikstof, zuurstof, argon en wolfraam zijn geïdentificeerd.
- De gegevens toonden de aanwezigheid van atmosferische elementen in de spectra aan.
- De methode kan worden toegepast op andere snelle elektrische ontladingen.
Conclusies
- De ontwikkelde methode biedt waardevolle inzichten in het gedrag van bliksem.
- Het kan het begrip van snelle elektrische ontladingen verbeteren.
- Toekomstige toepassingen kunnen worden uitgebreid van bliksem naar andere fenomenen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Deze methode maakt reproduceerbare, niet-intrusieve spectrale analyse van hoogenergetische elektrische ontladingen mogelijk en biedt een gecontroleerd platform voor het bestuderen van plasma-materiaalinteracties die relevant zijn voor de betrouwbaarheid van elektrische systemen en foutanalyse. Door breedbandige emissiespectra met sub-nanometerresolutie vast te leggen, ondersteunt het de mechanistische risicoreductie bij het ontwerp en de validatie van hoogspanningscomponenten, isolatiesystemen en overspanningsbeveiligingsapparatuur. De aanpak vergroot het voorspellend vertrouwen bij de preklinische en translationele evaluatie van elektrische stressmodellen door kwantitatieve, database-verifieerbare elementaire emissiegegevens te leveren.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om de plasmachemie en de interacties van elektrodematerialen te onderzoeken onder gecontroleerde, reproduceerbare omstandigheden van ontlading bij hoge stroomsterkte.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerde, niet-invasieve optische methode voor real-time monitoring van boogdynamica zonder de ontlading te verstoren.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve, golflengte-opgeloste emissieprofielen die dienen als vingerafdrukachtige readouts voor elementaire samenstelling en excitatietoestanden.
- Operationele waarde: Ondersteunt assay-standaardisatie via gekalibreerde, samenvoegbare subbereikspectra met traceerbare resolutie (<1 nm) en reproduceerbaarheid over meerdere bogen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert continuïteit van ontladingsmodellering op laboratoriumschaal naar real-world elektrische stressscenario's door het identificeren van atmosferische en elektrode-afgeleide emissiesignaturen.
- Operationele waarde: Maakt cross-platform validatie van spectrale databases en diagnostische algoritmen mogelijk voor het monitoren van partiële ontladingen in elektrische apparatusen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in workflows voor elektrische veiligheid en materiaalkundige tests als een primair diagnostisch instrument voor het karakteriseren van ontladingsverschijnselen voorafgaand aan mechanistische modellering of versnelde verouderingsstudies.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetests van plasmagebaseerde degradatieroutes van materialen via directe optische emissie-uitlezingen.
- Screening: Levert reproduceerbare, hoge-resolutie spectrale outputs die geschikt zijn voor geautomatiseerde piekidentificatie en library-matching.
- Analytiek: Maakt kwantitatieve vergelijking van ontladingscondities mogelijk via intensiteitsgekalibreerde spectrale stitching en achtergrondsubtractie.
- Translationeel onderzoek: Verbindt laboratoriumkarakterisering van vlamboogontladingen met veldrelevante partiële ontladingen en vonkverschijnselen in elektrische systemen.
- Bedrijfsmatige hergebruikbaarheid: Vestigt een herbruikbaar spectroscopisch platform voor het evalueren van meerdere elektrodematerialen, spoorafstanden en golfvormprofielen over verschillende testcampagnes heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanische ambiguïteit in plasma-oppervlakinteracties door het leveren van elementspecifieke emissiegegevens gevalideerd tegen referentiedatabanken.
- Operationele waarde: Garandeert standaardisatie en schaalbaarheid door het gebruik van een vezelgekoppelde, computergestuurde spectrograaf met geautomatiseerde roosterpositionering.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen bij het ontwerp van hoogspanningssystemen door het mogelijk maken van vroege detectie van ongewenste elektrodeverdamping of signalen van isolatiedoorslag.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de risico-gecorrigeerde ontwikkeling van isolatiematerialen en overspanningsbeveiligingscomponenten door middel van objectieve, spectraal opgeloste discriminatie van foutmodi.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in optische spectroscopie, plasmadiagnostiek en veiligheidsprotocollen voor hoogspanning.
- Afhankelijk van een Czerny-Turner spectrograaf met een UV-verbeterde digitale camera en sub-micron sleufregeling.
- Vereist elektromagnetische afscherming en een lichtdichte behuizing om signaalcontaminatie te voorkomen.
- Omvat protocollen voor golflengte-stitching waarbij kalibratie van overlappende subbereiken en intensiteitsnormalisatie vereist zijn.
- Beperkt tot optische toegang in een rechte lijn; de prestaties kunnen worden beïnvloed door occlusie door partikels of degradatie van het venster bij langdurig gebruik.
