Metoda rejestracji szerokopasmowych widm emisyjnych o wysokiej rozdzielczości laboratoryjnych łuków piorunowych

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

doi:10.3791/56336

Artykuł metodologiczny

Metoda rejestracji szerokopasmowych widm emisyjnych o wysokiej rozdzielczości laboratoryjnych łuków piorunowych

8.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56336

⸱

27 sierpnia 2019

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

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

W tym artykule

Podsumowanie

Techniki spektroskopii emisyjnej były tradycyjnie używane do analizy z natury losowych łuków piorunów występujących w naturze. W artykule opisano metodę uzyskaną w celu uzyskania spektroskopii emisyjnej z odtwarzalnych łuków piorunowych generowanych w środowisku laboratoryjnym.

Streszczenie

Piorun jest jedną z najpowszechniejszych i najbardziej destrukcyjnych sił w przyrodzie i od dawna jest badany za pomocą technik spektroskopowych, najpierw tradycyjnymi metodami filmowania aparatem fotograficznym, a następnie technologią aparatów cyfrowych, z której wyprowadzono kilka ważnych cech. Jednak takie prace zawsze były ograniczone ze względu na z natury losowy i niepowtarzalny charakter naturalnych wyładowań atmosferycznych w terenie. Najnowsze osiągnięcia w urządzeniach do testowania wyładowań atmosferycznych pozwalają obecnie na powtarzalne generowanie łuków piorunowych w kontrolowanych środowiskach laboratoryjnych, zapewniając poligon testowy dla rozwoju nowych czujników i technik diagnostycznych w celu lepszego zrozumienia mechanizmów wyładowań atmosferycznych. Jedną z takich technik jest system spektroskopowy wykorzystujący technologię kamer cyfrowych, zdolny do identyfikacji pierwiastków chemicznych, z którymi oddziałuje łuk piorunowy, a następnie wykorzystanie tych danych do uzyskania dalszych charakterystyk. W niniejszej pracy system spektroskopowy został wykorzystany do uzyskania widma emisyjnego z łuku piorunowego o natężeniu 100 kA i czasie trwania 100 μs generowanego przez parę półkulistych elektrod wolframowych oddzielonych niewielką szczeliną powietrzną. Aby utrzymać rozdzielczość spektralną mniejszą niż 1 nm, zarejestrowano kilka indywidualnych widm w dyskretnych zakresach długości fal, uśredniono, zszyto i skorygowano, aby uzyskać końcowe widmo kompozytowe w zakresie od 450 nm (światło niebieskie) do 890 nm (światło bliskiej podczerwieni). Charakterystyczne piki w danych zostały następnie porównane z ustaloną publicznie dostępną bazą danych w celu zidentyfikowania interakcji pierwiastków chemicznych. Metoda ta jest łatwo stosowana do wielu innych zdarzeń emitujących światło, takich jak szybkie wyładowania elektryczne, wyładowania niezupełne i iskrzenie w sprzęcie, aparaturze i systemach elektrycznych.

Wprowadzenie

Błyskawica jest jedną z najpowszechniejszych i najbardziej destrukcyjnych sił w przyrodzie, charakteryzującą się szybkim wyładowaniem elektrycznym widzianym jako błysk światła, po którym następuje grzmot. Typowy łuk piorunowy może składać się z napięcia o napięciu kilkudziesięciu gigawoltów i średniego prądu 30 kA biegnącego przez łuk o długości od dziesiątek do setek kilometrów, a wszystko to w ciągu 100 μs. Obserwacja widma emisji światła z wyładowań atmosferycznych od dawna jest wykorzystywana do uzyskiwania informacji o ich właściwościach. W latach 1960-1980 stworzono wiele technik wykorzystujących tradycyjne techniki kamer filmowych do badania naturalnych uderzeń piorunów, na przykład¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷i, od niedawna, nowoczesne techniki cyfrowe, na przykład⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴, zostały użyte, aby zapewnić dokładniejszy wgląd w mechanizmy wyładowań atmosferycznych. Z biegiem czasu taka praca wykazała zdolność nie tylko do identyfikowania interakcji pierwiastków chemicznych¹^,¹⁴, ale także do uzyskiwania pomiarów temperatury¹⁵^,¹⁶, ciśnienie⁵, gęstość cząstek i elektronów5^,¹⁷, energy¹⁸, rezystancja i wewnętrzne pole elektryczne arc⁸. Jednak badania nad naturalnymi wyładowaniami atmosferycznymi zawsze były ograniczone przez z natury nieprzewidywalną, losową i niepowtarzalną naturę zdarzeń związanych z wyładowaniami atmosferycznymi.

W ostatnich latach badania koncentrowały się na tym, jak pioruny oddziałują na otaczające środowisko, zwłaszcza w przemyśle lotniczym i kosmicznym, aby chronić samoloty w locie przed bezpośrednimi uderzeniami piorunów. W związku z tym zaprojektowano i zbudowano kilka dużych urządzeń do testowania wyładowań atmosferycznych, aby odtworzyć najbardziej destrukcyjne elementy uderzenia pioruna, a mianowicie prąd i czas dostawy, ale przy ograniczonym napięciu. Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)¹⁹ na Uniwersytecie w Cardiff może generować cztery różne przebiegi piorunów do 200 kA zgodnie z odpowiednim standardem²⁰. Dzięki takiemu zapleczu laboratoryjnemu pioruny mogą być łatwo odtwarzane i kontrolowane z wysokim stopniem dokładności i powtarzalności, zapewniając poligon testowy do rozwoju nowych czujników i technik diagnostycznych w celu lepszego zrozumienia interakcji i mechanizmów wyładowań atmosferycznych²¹^,²²^,²³. Jedną z takich technik jest niedawno opracowany i zainstalowany system spektroskopowy¹⁴^,²¹, który, podobnie jak systemy spektroskopowe stosowane w badaniach naturalnego oświetlenia, działa w zakresie od ultrafioletu (UV) do bliskiej podczerwieni (NIR). Jest to metoda nieinwazyjna, która nie zakłóca łuku piorunowego i jest w dużej mierze niewrażliwa na szum elektromagnetyczny wytwarzany podczas uderzenia, w przeciwieństwie do większości urządzeń elektronicznych.

System spektrografu został użyty do obserwacji widma typowego łuku piorunowego generowanego w laboratorium, składającego się z krytycznie tłumionej oscylacji o wartości 100 kA, czasie trwania 100 μs, przebiegu 18/40 μs przez szczelinę powietrzną pomiędzy parą elektrod wolframowych o średnicy 60 mm oddzielonych szczeliną powietrzną o średnicy 14 mm. Typowy ślad tego łuku piorunowego pokazany jest na Rysunek 1. Elektrody umieszczono w światłoszczelnej komorze impulsu elektromagnetycznego (EMI) w taki sposób, że jedyne zarejestrowane światło pochodziło z samego łuku piorunowego, przy czym niewielka ilość tego światła była transportowana przez światłowód o średnicy 100 μm, umieszczony w odległości 2 m i skolimowany do kąta widzenia 0,12°, co daje wielkość plamki 4,2 mm w miejscu łuku, do innej komory EMI zawierającej system spektrografu, jak pokazano na Rysunek 2. Komory EMI zostały użyte w celu zminimalizowania niekorzystnych skutków spowodowanych zdarzeniem piorunowym. Światłowód zakończony jest na światłoszczelnej obudowie optycznej opartej na konfiguracji Czerny-Turner o ogniskowej 30 cm, przy czym światło przechodzi przez regulowaną szczelinę 100 μm i na obrotową siatkę płomienia 900 ln/mm 550 za pośrednictwem trzech luster, na kamerę cyfrową o wymiarach 1,024 x 1,024 pikseli, jak pokazano na Rysunek 3. W tym przypadku układ optyczny zapewnia rozdzielczość spektralną 0,6 nm w podzakresie około 140 nm w przybliżonym pełnym zakresie 800 nm na długościach fal od UV do NIR. Rozdzielczość spektralna jest mierzona jako zdolność spektrografu do rozróżnienia dwóch bliskich pików, a położenie podzakresu w pełnym zakresie można regulować, obracając siatkę. Kluczowym elementem systemu jest wybór siatki dyfrakcyjnej, która dyktuje zakres długości fal i rozdzielczość spektralną, przy czym ta pierwsza jest odwrotnie proporcjonalna do drugiej. Zazwyczaj szeroki zakres długości fal jest potrzebny do zlokalizowania wielu linii atomowych, podczas gdy wysoka rozdzielczość spektralna jest potrzebna do dokładnego pomiaru ich położenia; Nie można tego fizycznie osiągnąć za pomocą pojedynczej siatki dla tego typu spektrografu. W związku z tym dane z kilku podzakresów, o wysokiej rozdzielczości, są pobierane w różnych pozycjach w zakresie od UV do NIR. Dane te są schodkowane i sklejone ze sobą w celu utworzenia widma złożonego.

W praktyce, ze względu na ograniczenia w transmisji światła światłowodowego, zarejestrowano zakres długości fali widma od 450 nm do 890 nm. Począwszy od długości fali 450 nm, zarejestrowano światło z czterech niezależnie generowanych łuków piorunowych, odjęto szum tła, a następnie je uśredniono. Zakres długości fal został następnie przesunięty do 550 nm, co dało nałożenie się danych o długości 40 nm, z zarejestrowaniem i uśrednieniem światła z kolejnych czterech wygenerowanych łuków piorunowych. Powtarzano to aż do osiągnięcia długości fali 890 nm, a uzyskane uśrednione dane zostały połączone w celu stworzenia pełnego widma w pełnym predefiniowanym zakresie długości fal. Proces ten jest zilustrowany w Rysunek 4. Charakterystyczne piki wykorzystano następnie do identyfikacji pierwiastków chemicznych poprzez porównanie z ustaloną bazą danych²⁴.

W tym artykule opisana jest metoda optycznej spektroskopii emisyjnej. Metodę tę można łatwo zastosować do szerokiego zakresu innych zdarzeń emitujących światło przy minimalnych zmianach w konfiguracji eksperymentalnej lub ustawieniach systemu spektrografu. Takie zastosowania obejmują szybkie wyładowania elektryczne, wyładowania niezupełne, iskrzenie i inne powiązane zjawiska w układach i urządzeniach elektrycznych.

Protokół

1. Wybór zakresu długości fali

Najpierw należy wybrać zakres długości fal obserwowanego pioruna. Wybrano 450 nm do 890 nm.
UWAGA: Będzie to ograniczone przez konfigurację laboratoryjną, zakres spektralny zdefiniowany przez palący kąt siatki oraz czułość kamery.

2. Przygotowanie elektrod

Wybierz odpowiedni materiał elektrody. Wybrano parę półkulistych elektrod wolframowych o średnicy 60 mm przymocowanych do miedzianych mocowań, jak pokazano na rysunku Rysunek 5.
UWAGA: Każdy materiał, z którym oddziałuje łuk piorunowy, będzie emitował widmo, w tym elektroda, i ważne jest, aby zminimalizować tę interferencję. Należy to jednak zrównoważyć ze zdolnością materiału elektrody do wytrzymania powtarzających się uderzeń pioruna przy minimalnych uszkodzeniach podczas eksperymentów. W przypadku wolframu wiele jego linii emisyjnych w wybranym zakresie długości fal jest widocznych tylko w zakresie od 450 nm do 590 nm i można je w dużej mierze odróżnić od oczekiwanych widm wyładowań atmosferycznych. Jest to również bardzo twardy materiał, który jest powszechnie stosowany w eksperymentach z wysokim napięciem i wysokim prądem.
Oczyść i wypoleruj elektrody, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia. Każdy materiał, z którym oddziałuje łuk piorunowy, będzie emitował widmo, w tym wszelkie zanieczyszczenia. Dlatego ważne jest, aby upewnić się, że elektrody są wolne od zanieczyszczeń, aby zapobiec błędnym liniom widmowym.
1. Pocieraj elektrodę grubym papierem ściernym przez 5 minut, umieszczaj ją w kąpieli wodnej sonicznej o temperaturze pokojowej na 10 minut, a następnie wytrzyj niestrzępiącą się szmatką, aby poluzować i usunąć wszelkie zanieczyszczenia. Podczas obchodzenia się z elektrodą należy zawsze używać rękawiczek, aby uniknąć ponownego zanieczyszczenia.
2. Powtórz powyższe zazwyczaj dziesięć do piętnastu razy ze zmniejszającymi się stopniami papieru ściernego, szmergla, a następnie ściereczek polerskich, aż do uzyskania dobrego wykończenia polerowania. Użyto papieru ściernego i tkanin o gradacji od 240 do 8 000
Zamontuj elektrody w urządzeniu oświetleniowym, ustalając odpowiednią odległość między nimi. W tym przypadku elektrody są zamontowane w urządzeniu oświetleniowym w odległości 14 mm od siebie, jak pokazano na Rysunek 5.
UWAGA: Różne urządzenia do testowania wyładowań atmosferycznych mają różne napięcia robocze, więc odległość między elektrodami powinna być taka, aby po wyzwoleniu generatora impulsów piorunowych nastąpiła awaria powietrza.

3. Przygotowanie spektrografu

Umieść spektrograf w niezależnej obudowie o odporności na zakłócenia elektromagnetyczne, jak pokazano na rysunku Rysunek 2. Idealnie byłoby, gdyby urządzenie oświetleniowe i spektrograf były umieszczone w oddzielnych obudowach EMI.
Wybierz i zainstaluj światłowód. Wybór padł na światłowód o długości 8 m, zainstalowany pomiędzy dwiema komorami EMI.
1. Wybierz światłowód o dobrych właściwościach transmisyjnych w określonym zakresie długości fal do obserwacji, tj. od 450 nm do 890 nm.
2. Zwróć uwagę na wydajność transmisji w stosunku do danych o długości fali, ponieważ będą one używane do przetwarzania końcowego danych. Jest to często zapewniane przez producenta, chociaż najlepiej byłoby, gdyby było to mierzone za pomocą skalibrowanej lampy.
3. Podłącz jeden koniec światłowodu do obudowy optycznej w światłoszczelnym układzie.
4. Ustaw drugi koniec światłowodu, aby view łuk piorunowy między elektrodami. Światło z lasera wysyłane przez spektrometr w odwrotnej kolejności może pomóc w wyrównaniu. Światłowód jest umieszczony na tej samej wysokości co środek szczeliny elektrody na wysokości 2 m, jak pokazano na Rysunek 6.
5. W razie potrzeby dostosuj ilość światła docierającego do aparatu, aby zminimalizować nasycenie. Zastosowano kolimator, który zmniejsza kąt widzenia światłowodu do 0,12°, co daje rozmiar plamki 4,2 mm w miejscu łuku piorunowego, co daje całkowitą długość łuku 14 mm, zmniejszając światło o około jedną czwartą.
  UWAGA: Natężenie światła docierającego do kamery można alternatywnie regulować, zmieniając odległość między źródłem światła a światłowodem, regulując szczelinę lub używając filtra o neutralnej gęstości.
Włącz system spektrografu i uruchom powiązane oprogramowanie sterujące. Aparat cyfrowy potrzebuje około 10 minut, aby osiągnąć temperaturę -70 °C.
UWAGA: Niektóre aparaty cyfrowe wymagają chłodzenia w celu zmniejszenia hałasu, zanim osiągną pełną sprawność.
Wybierz siatkę spektrografu. Zastosowano ruszt płomieniowy 900 ln/mm 550.
UWAGA: Siatka określa zakres długości fali i rozdzielczość spektralną w zastosowanym systemie spektrografu, z rozdzielczością spektralną <1 nm wymaganą do identyfikacji pików. Wybrana siatka daje zakres długości fal około 140 nm i rozdzielczość 0,6 nm.
Skalibruj spektrograf względem znanego źródła kalibracji, takiego jak lampa rtęciowo-argonowa.
1. Ustaw siatkę w pozycji wyjściowej na dole wybranego zakresu długości fali. W tym przypadku krata została umieszczona na 450 nm, co daje zakres od 450 nm do 590 nm.
2. Włącz źródło kalibracji i przyłóż je do otwartego końca światłowodu.
3. Dostosuj ekspozycję aparatu za pomocą oprogramowania sterującego do odpowiedniego czasu, aby uzyskać dobry nienasycony sygnał, taki jak ekspozycja 0.1 s.
4. Dostosuj szczelinę za pomocą oprogramowania sterującego, aby w razie potrzeby wyostrzyć piki widmowe lub, w niektórych przypadkach, pozycję detektora można również dostosować w celu optymalizacji sygnału. Użyto szczeliny o średnicy 100 μm.
  UWAGA: Szczelina powinna być ustawiona na wartość minimalną, aby zmniejszyć poszerzenie linii atomowych spowodowane dyfrakcją światła w szczelinie, przy czym często stosuje się wartości do 20 μm. Jednak wąska szczelina również zmniejszy sygnał i może być konieczne znalezienie równowagi między natężeniem światła a ostrością szczytów.
5. Zapisz widma źródła kalibracji i zidentyfikuj numer piksela na wynikowym obrazie z kamery, przy którym występują szczyty.
6. Wykreślić położenie liczby pikseli dla każdego piku w stosunku do znanej długości fali każdego piku dostarczonej ze źródłem kalibracji i dopasować linię prostą, aby uzyskać równanie, które umożliwi konwersję pikseli na długość fali. Przykład tego dla trzech znanych linii atomowych Merkurego zilustrowany jest na Rysunek 7.
7. Zastosuj kalibrację do tej pozycji siatki przed przejściem do następnej. W przypadku niektórych systemów spektrograficznych konwersja liczby pikseli na długość fali może być zastosowana do oprogramowania za pomocą pliku kalibracyjnego.
8. Ustaw kratę dla następnego podzakresu i powtórz powyższe kroki. W tym przypadku siatka została następnie ustawiona na 550 nm, co dało zakres od 550 nm do 690 nm, co spowodowało nałożenie się 40 nm z poprzednim zakresem długości fali.
  UWAGA: Szerokość obszaru nakładania się musi być wystarczająca, aby umożliwić rozpoznanie trendów na końcu pierwszego zakresu i na początku drugiego zakresu dla późniejszego kroku i procesu klejenia.
9. Powtórz powyższe kroki dla wszystkich pozycji kraty. Powtarzano to aż do osiągnięcia długości fali 890 nm.
  UWAGA: Źródła kalibracji, zazwyczaj lampy ze znanymi pikami widmowymi, są zwykle dostarczane z systemami spektrografów, a producent będzie w stanie podać więcej szczegółów na temat sposobu kalibracji.
Wybierz parametry spektrografu, aby zarejestrować wygenerowany łuk piorunowy.
1. W razie potrzeby wyreguluj szczelinę dalej.
2. Ustaw czas ekspozycji kamery, aby upewnić się, że całe zdarzenie pioruna zostanie uchwycone; podczas ustawiania tego parametru należy wziąć pod uwagę czas wyzwolenia i wszelkie opóźnienia w generatorze wyładowań atmosferycznych lub spektrografie. W przypadku generatora wyładowań atmosferycznych w MBLL zastosowano czas naświetlania wynoszący 5 s.
  UWAGA: Dłuższy czas ekspozycji zwiększy poziom hałasu i prawdopodobieństwo wystąpienia artefaktów, takich jak promieniowanie kosmiczne, dlatego należy dołożyć starań, aby ograniczyć to do minimum. Jednak czas ten musi być również wystarczający, aby uwzględnić wszelką niepewność co do wyzwolenia wygenerowanego łuku piorunowego lub systemu spektrografu, aby zapewnić uchwycenie całego zdarzenia.
3. Zmień tryb systemu spektrografu, aby otrzymać wyzwalacz z generatora piorunów. Sygnał 5 V TTL został użyty do wyzwolenia kamery na 2,5 s przed zainicjowaniem łuku piorunowego.

4. Przeprowadzanie eksperymentu

Przygotuj generator piorunów.
1. Upewnij się, że wszystkie światła są wyłączone, a komory są zamknięte w razie potrzeby, aby zapewnić światłoszczelne środowisko.
2. Włącz generator piorunów. Każda placówka do testowania wyładowań atmosferycznych będzie miała swój własny protokół przygotowania i włączania. W MBLL obszar jest oczyszczany z personelu i włączane są odpowiednie urządzenia zabezpieczające przed aktywacją generatora piorunów.
3. Wybierz odpowiedni przebieg pioruna i naładuj do wymaganego prądu szczytowego. Zastosowano typowy przebieg oscylacyjny o napięciu 54 kV, 100 kA z tłumieniem szczytowym 100 μs, o przebiegu szczytowym 18/40 μs.
Pozyskiwanie widm z wielu wygenerowanych wyładowań atmosferycznych
1. Ustaw siatkę spektrografu w pozycji początkowej i wykonaj obraz tła, używając tych samych parametrów, co w przypadku uderzenia pioruna. Może to być średnia z kilku obrazów tła. Zastosowano 5-sekundową ekspozycję ze szczeliną 100 μm przy ustawieniu 450 nm.
2. Upewnij się, że system spektrografu jest gotowy do uruchomienia w celu zarejestrowania widm z prawidłowymi ustawieniami. Zastosowano 5-sekundową ekspozycję ze szczeliną 100 μm przy ustawieniu 450 nm.
3. Naładuj generator piorunów i wyzwól zdarzenie pioruna, które uruchomi również spektrograf.
4. Zapisz wyjściowe dane spektralne.
5. Sprawdź dane spektroskopowe pod kątem zakłóceń. Spektrografy są czasami podatne na skoki danych spowodowane promieniowaniem kosmicznym lub innymi artefaktami spowodowanymi brakiem reakcji lub martwymi pikselami. Należy dołożyć starań, aby usunąć takie zakłócenia, a niektóre spektrografy są wyposażone w oprogramowanie, które może to zrobić. Alternatywą jest zignorowanie danych i powtórzenie eksperymentu. Rysunek 8 pokazuje przykład różnicy między danymi z i bez skoku promieniowania kosmicznego.
6. W razie potrzeby oczyścić elektrody z wszelkich zanieczyszczeń, przecierając je alkoholem lub, w przypadku zanieczyszczenia, powtarzając krok 2.2.
7. Powtarzać kroki 4.2.2-4.2.5 aż do uzyskania czterech zestawów danych spektroskopowych dla zakresu 450 nm.
8. Ustawić siatkę spektrografu na 550 nm i powtarzać kroki 4.2.1-4.2.6, aż zostaną uzyskane cztery zestawy danych spektrografu dla zakresu 550 nm.
  UWAGA: Liczba powtarzających się kroków musi być wystarczająca, aby uśrednić wszelkie odchylenia między strzałami obserwowane w wygenerowanym łuku błyskawicy.
9. Powtarzaj powyższe, aż wszystkie zestawy danych zostaną zebrane, aby osiągnąć maksymalną wartość długości fali 890 nm, co daje szesnaście zestawów danych spektralnych.
10. Jeśli istnieje znaczna różnica w widmach każdego podzakresu przy tych samych ustawieniach generatora prądu piorunowego, na przykład w intensywności linii atomowych, to eksperymenty na każdym etapie mogą wymagać powtórzenia więcej niż cztery razy. Ma to na celu zminimalizowanie wpływu wszelkich jednorazowych anomalii i uśrednienie różnic między strzałami z generatora piorunów i łuku bez wyładowań
11. Jeśli występuje różnica w widmach przy tych samych ustawieniach generatora prądu piorunowego, może być konieczna ocena konfiguracji eksperymentalnej pod kątem zanieczyszczeń.

5. Dane końcowe

Do przetwarzania końcowego i analizy danych wybierz aplikację do obsługi arkuszy kalkulacyjnych z funkcjami obliczeniowymi. Takie oprogramowanie jest powszechnie dostępne.
Odejmij dane tła uzyskane w kroku 4.2.1 od każdego odpowiedniego wygenerowanego widma wyładowań atmosferycznych.
1. Średnia danych tła 450 nm jest odejmowana od każdych danych widmowych generowanych 450 nm, średnia danych 550 nm jest odejmowana od każdych danych widma błyskawic generowanych 550 nm i tak dalej. Przykład tego jest pokazany w Rysunek 9.
Uśrednij każdy pojedynczy zestaw danych dla każdego zakresu długości fali. Jest to zilustrowane na Rysunek 10, gdzie cztery zestawy danych 450 nm są uśrednione.
Użyj nakładającego się obszaru, aby wyrównać kolejne dane widm, a następnie uśrednij nakładający się obszar. Jest to zilustrowane na Rysunek 11, który pokazuje uśrednione dane 450 nm i 550 nm.
UWAGA: Wyrównanie i uśrednienie nakładającego się obszaru wprowadzi błędy i może być konieczne przeprowadzenie kalibracji natężenia względnego dla całego widma przy użyciu, na przykładample, wolframowej lampy wstęgowej.
Korekta tłumienia światłowodu i wydajności kwantowej. Jest to zilustrowane w Rysunek 12.
UWAGA: Dokładniejszą korekcję można uzyskać, używając skalibrowanej lampy do pomiaru transmisji światła dla każdego podzakresu. W takim przypadku korektę można zastosować przed procesem szycia.
Przedstaw końcowe dane jako reprezentację graficzną lub wykres intensywności, jak pokazano na rysunku Rysunek 13.

6. Analizowanie danych

Zidentyfikuj charakterystyczne piki widmowe.
1. Niektóre systemy spektrograficzne będą zawierały oprogramowanie, które automatycznie zidentyfikuje piki pierwiastków. Należy zachować ostrożność, zwłaszcza w przypadku zszytych danych, aby lokalizacje pików były prawidłowe.
2. Ręczna identyfikacja piku może być wykonana za pomocą publicznie dostępnych baz danych, takich jak²⁴. Należy zadbać o to, aby najpierw dopasować najsilniejsze (względne intensywność) piki od najniższych poziomów jonizacji (tj. I, następnie II, a następnie III) po jednym elemencie na raz.
3. Problemy z dokładną identyfikacją pików lub ich wyrównaniem mogą wynikać z problemów z kalibracją lub niewspółosiowością optyki. Oceń położenie układu optycznego w obudowie układu optycznego i powtórz krok 3.
  UWAGA: Wysoka energia generowanych łuków piorunowych spowoduje poszerzenie linii emisji atomowej z powodu efektu Starka i wiarygodna identyfikacja wszystkich linii może nie być możliwa.

Wyniki

Reprezentatywny wykres natężenia wyładowania w funkcji długości fali dla krytycznie tłumionej fali oscylacyjnej o szczycie 100 kA, czasie trwania szczytu 100 µs i czasie narastania/opadania 18/40 µs, w przerwie powietrznej między parą wolframowych elektrod o średnicy 60 mm ustawionych w odległości 14 mm, przedstawiono na Rysunku 14. Dane te składają się z czterech zestawów po cztery segmenty danych uśrednione dla 140 nm, które zostały połączone i skorygowane o szum tła, tłumienie światłowodowe oraz wydajność kwantową kamery cyfrowej. Dane te przekształcono w wykres natężenia, jak pokazano na Rysunku 15. Wyraźne piki zostały zidentyfikowane ręcznie poprzez porównanie z uznaną bazą danych, co przedstawiono na Rysunku 16.

Wykres prądu w funkcji czasu, szczyt przy 10μs, zanik do 100μs; stosowany w analizie wyładowań elektrycznych.
Rysunek 1: Profil generowanego łuku piorunowego. Zarejestrowany przebieg typowej generowanej fali piorunowej o szczycie 100 kA, krytycznie tłumionych oscylacjach, czasie trwania 100 µs oraz parametrach 18/40 µs. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat zakłóceń elektromagnetycznych; układ optyczny do absorpcji przejściowej z systemem spektrograficznym.
Rysunek 2: Układ eksperymentalny. Schemat układu eksperymentalnego (nie w skali), w którym światło z wygenerowanego łuku elektrycznego między dwiema elektrodami jest transportowane za pomocą światłowodu do systemu spektroskopowego, składającego się z podstawy optycznej i kamery cyfrowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat spektroskopii optycznej z włóknem, lustrami, siatką; dyspersja światła, konfiguracja kamery cyfrowej.
Rysunek 3: Konfiguracja spektrografu. Schemat systemu spektrograficznego (nie w skali), w którym światło z włókna optycznego jest przekształcane w widmo za pomocą siatki dyfrakcyjnej, a następnie rejestrowane przez kamerę cyfrową. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat przetwarzania danych widmowych; średnia długości fali, łączenie, korekcja, widmo emisji.
Rycina 4: Gromadzenie, przetwarzanie i prezentacja danych widmowych. Ilustracja kroków służących do gromadzenia, uśredniania, łączenia i korygowania danych w celu uzyskania szerokiego widma o wysokiej rozdzielczości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Równowaga statyczna; dwie metalowe sfery; eksperyment z lewitacją magnetyczną; metalowa powierzchnia; konfiguracja zbliżeniowa.
Rysunek 5: Konfiguracja elektrod. Zdjęcie dwóch półkulistych elektrod wolframowych o średnicy 6 mm, przymocowanych do miedzianych uchwytów i rozmieszczonych w odległości 14 mm wewnątrz układu do generowania wyładowań. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Elektrody i światłowód w układzie do spektroskopii absorpcyjnej przejściowej do badań wzbudzenia optycznego.
Rycina 6: Konfiguracja światłowodu. Zdjęcie światłowodu umieszczonego na tej samej wysokości i w odległości 2 m od zamontowanych elektrod. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Tabela i wykres linii atomowych rtęci; analiza długości fali względem piksela; wynik regresji liniowej.
Rysunek 7: Kalibracja długości fali. (a) Tabela trzech znanych linii rtęci w zestawieniu z numerem piksela, przy którym zostały zmierzone, oraz (b) wykres każdego punktu (krzyżyki) i dopasowanie liniowe (linia przerywana) z równaniem (wstawka), które pozwala na przeliczenie pikseli na długość fali. Procedurę tę przeprowadza się dla wielu znanych linii atomowych w całym zakresie długości fal. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykresy spektroskopowe pokazujące piki promieniowania kosmicznego oraz pomiary intensywności w funkcji długości fali.
Rycina 8: Interferencja promieniowania kosmicznego. Dane spektralne z laboratoryjnego łuku pioruna o natężeniu 100 kA w zakresie od 550 nm do 690 nm przedstawiające: (a) dane bez interferencji promieniowania kosmicznego oraz (b) i (c) dane z charakterystycznymi pikami promieniowania kosmicznego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykresy dopasowania widma pokazujące intensywność absorpcji w funkcji długości fali; badanie wzbudzenia optycznego.
Rysunek 9: Odjęcie tła. Dane widmowe z wygenerowanego laboratoryjnie łuku błyskawicy o natężeniu 100 kA w zakresie od 550 nm do 690 nm przedstawiające: (a) uśrednione dane tła, (b) dane surowe oraz (c) dane po odjęciu średniego tła. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza spektralna, wykresy natężenia w funkcji długości fali, wynik badania optycznego, pomiar emisji.
Rysunek 10: Uśrednianie danych. Dane spektralne z laboratoryjnie generowanego łuku piorunowego o natężeniu 100 kA w zakresie od 550 nm do 690 nm przedstawiające: (a-d) poszczególne dane oraz (e) dane uśrednione. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Wykres analizy widmowej przedstawiający intensywności emisji dla różnych długości fal.
Rycina 11: Łączenie danych. Dane widmowe z laboratoryjnie wygenerowanego łuku piorunowego o natężeniu 100 kA przedstawiające: (a) zakres od 550 nm do 690 nm, (b) zakres od 650 do 790 nm oraz (c) dwa nałożone na siebie zestawy danych z obszarem nakładania się od 650 nm do 690 nm. Obszar nakładania się jest następnie uśredniany. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Wykresy tłumienia i wydajności kwantowej w funkcji długości fali; analiza absorpcji optycznej i emisji.
Rycina 12: Korekcja danych. Wykresy w zakresie długości fali od 450 nm do 890 nm dla (a) tłumienia światłowodu oraz (b) wydajności kwantowej kamery spektrografu dostarczone przez odpowiednich producentów. Są one wykorzystywane do odpowiedniej korekcji połączonych danych spektralnych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres analizy widmowej; widmo emisji optycznej; długość fali vs intensywność; wykres pików emisyjnych.
Figura 13: Prezentacja danych. Przykłady (a) graficznego wykresu danych oraz (b) wykresu intensywności reprezentującego widmo łuku pioruna generowanego w laboratorium o natężeniu 100 kA w zakresie długości fali od 550 nm do 790 nm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Wykres emisji spektroskopowej przedstawiający intensywność w funkcji długości fali dla analizy widmowej.
Rysunek 14: Typowe dane graficzne. Typowy uśredniony, zszyty i skorygowany wykres graficzny w zakresie długości fali od 450 nm do 890 nm dla wygenerowanego w laboratorium łuku piorunowego o natężeniu 100 kA. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Diagram widma ilustrujący absorpcję światła; długości fal 500-850 nm, analiza optyczna.
Rycina 15: Typowy wykres natężenia. Typowy uśredniony, złożony i skorygowany wykres natężenia w zakresie długości fal od 450 nm do 890 nm dla łuku piorunowego generowanego laboratoryjnie o natężeniu 100 kA. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat linii widmowych przedstawiający długość fali (500-850 nm), wskazujący emisje pierwiastków do analizy.
Rycina 16: Identyfikacja pierwiastków chemicznych. Ilustracja identyfikacji pierwiastków chemicznych na podstawie linii widmowych dla poziomów pierwszej jonizacji z wykorzystaniem ogólnodostępnej bazy danych²⁴. Zidentyfikowano pierwiastki obecne w powietrzu (azot, tlen, argon, hel) oraz w elektrodzie (wolfram). Widmo to jest niemal identyczne z widmem przedstawionym w źródle¹⁴, ponieważ zastosowano tę samą aparaturę do analizy tego samego rodzaju łuku piorunowego. Rycina została opracowana na podstawie źródła¹⁴. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Spektroskopia jest użytecznym narzędziem do identyfikacji reakcji pierwiastków chemicznych zarówno podczas naturalnych, jak i generowanych uderzeń piorunów. Biorąc pod uwagę wystarczająco dokładną i powtarzalną konfigurację eksperymentalną, dalsza analiza danych może ujawnić szereg innych właściwości piorunów. Został on na przykład wykorzystany do sprawdzenia, czy widma łuków piorunowych generowanych w laboratorium są widmowo podobne do naturalnego oświetlenia i że dodanie innych materiałów do łuku piorunowego może znacząco zmienić to^widmo14. Metoda może być również stosowana do innych zdarzeń emitujących światło, takich jak szybkie wyładowania elektryczne, wyładowania niezupełne, iskrzenie i inne powiązane zjawiska w systemach wysokiego napięcia, gdzie ważna jest jednoczesna identyfikacja wielu linii atomowych lub pierwiastków w szerokim spektrum.

Najważniejszym krokiem jest upewnienie się, że podczas ustawiania spektrografu używane są właściwe parametry, takie jak szczelina, siatka i ustawienia kamery, aby uzyskać jak najlepsze dane, co skutkuje silnymi, ostrymi pikami widmowymi. Należy również dołożyć starań, aby podczas optymalizacji sygnału detektor nie był nasycony. Położenie światłowodu można również regulować i/lub kolimować w celu poprawy intensywności światła, a także zapewnienia, że wszelkie rozproszone światło, które nie są częścią zdarzenia piorunowego, zostanie wyeliminowane lub usunięte w ramach procesu obrazowania tła. Może to wymagać kilku prób i błędów. Zdolność generatora wyładowań atmosferycznych do dokładnego odtworzenia tego samego wyładowania atmosferycznego przy minimalnych zmianach lub do zrozumienia, skąd mogą pochodzić jakiekolwiek zmiany, aby można je było kontrolować, jest ważna w uzyskiwaniu wiarygodnych i powtarzalnych wyników spektroskopowych.

W tej konfiguracji można wprowadzić zmiany, aby ocenić różne części widma elektromagnetycznego dalej w pasmach UV i IR, gdzie pozwala na to technologia obrazowania i w zależności od rodzaju obrazowanego zdarzenia. Na przykład rozszerzenie zakresu długości fal poniżej 450 nm może ujawnić dalsze linie atomowe i molekularne, takie jak emisje rodników NO i OH. Dostosowanie siatki spektrografu w celu uzyskania niższej rozdzielczości w szerszym zakresie może pomóc w zidentyfikowaniu interesujących cech, które można następnie przeanalizować za pomocą siatki o węższym zakresie o wyższej rozdzielczości.

Główną zaletą tej techniki jest to, że jest całkowicie nieinwazyjna, więc nie wymaga żadnych zmian w generatorze piorunów. Transportując światło za pomocą światłowodu, zmniejsza się ilość zakłóceń elektrycznych spowodowanych trudnym środowiskiem elektromagnetycznym, które mogą wystąpić w innych systemach, takich jak kamery, jeśli nie są wystarczająco ekranowane. Oznacza to, że dane ze spektrografu mają potencjalnie znacznie niższy poziom szumów i mniej zakłóceń niż inne instrumenty. Ta specyficzna technika jest ograniczona przez brak rozdzielczości czasowej, a co za tym idzie brak dalszej charakterystyki łuku piorunowego. Na przykład istnieją szybkie spektrografy, które mogą generować dane spektralne z rozdzielczością czasową, prowadzące do pomiarów temperatury i gęstości elektronów.

Oczekuje się, że spektroskopia stanie się ważnym narzędziem, obok innych instrumentów diagnostycznych, w zrozumieniu łuków piorunowych generowanych w laboratorium. Dostarczy on dodatkowych informacji na temat charakterystycznych sygnatur wyładowań atmosferycznych i zostanie wykorzystany do identyfikacji reaktywnych pierwiastków chemicznych w łuku. Dalszy rozwój tej techniki może również skutkować uzyskaniem dodatkowych cech.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez Krajową Sieć Badawczą Sêr Cymru w zakresie Zaawansowanej Inżynierii i Materiałów (NRN073) oraz Innovate UK za pośrednictwem Instytutu Technologii Lotniczej (113037).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Generator piorunów, w tym komory ekranowane EMI, platforma odgromowa i powiązane systemy sterowania i bezpieczeństwa	Uniwersytet w Cardiff	Nie dotyczy	Zaprojektowane, opracowane i zbudowane przez Uniwersytet w Cardiff
Elektrody wolframowe o średnicy 60 mm z miedzianymi mocowaniami	Nieznany	dotyczy	Dostępne u każdego specjalistycznego producenta
elektrod / urządzeń wysokiego napięciaSpektrograf, w tym obudowa, kamera, światłowód i oprogramowanie sterujące	Podwozie Andor	: SR-303i-B-SIL
		Kamera: DU420A-BU2
		Światłowód: 249309 SR-OPT-8018-9RX
		Oprogramowanie: Solis v4.25
Źródło kalibracji argonu rtęciowego	Optics	HG-1
Oprogramowanie analityczne	Microsoft	Excel 2016

Nie Ocean

Bibliografia

Wallace, L. The Spectrum of Lightning. Astrophys. J. 139, 994(1963).
Orville, R. E. A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke. J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).
Orville, R. E., Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques. Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).
Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques 2. Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).
Krinder, E. P. Lightning spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).
Orville, R. E. Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region. J. App. Meteorol. 19 (4), 470(1980).
Orville, R., Henderson, R. Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm. J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).
Warner, T. A., Orville, R. E., Marsh, J. L., Huggins, K. Spectral (600-1050 nm) time exposures (99.6 µs) of a lightning stepped leader. J. Geophys. Res. 116, 12210(2011).
Zhao, J., Yuan, P., Cen, J., Liu, J., Wang, J., Zhang, G. Characteristics and applications of near-infrared emissions from lightning. J. of Appl. Phys. 114, 163303(2013).
Walker, T. D., Christian, H. J. Novel observations in lightning spectroscopy. XV International Conference on Atmospheric Electricity. , USA. (2014).
Cen, J., Yuan, P. Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path. Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).
Xue, S., Yuan, P., Cen, J., Wang, X. Spectral observations of a natural bipolar cloud-to-ground lightning. J. Geophys. Res.: Atmos. 120, 1972-1979 (2015).
Sousa Martins, R., Zaepffel, C., Chemartin, L., Lalande, P. h, Soutiani, A. Characterization of a high current pulsed arc using optical emission spectroscopy. J. of Phys. D: Appl. Phys. 49, 415205(2016).
Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. Techniques for the comparison of light spectra from natural and laboratory generated lightning current arcs. Appl. Phys. Lett. 109, 093502(2016).
Uman, M. A. Determination of lightning temperature. J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).
Prueitt, L. M. The excitation temperature of lightning. J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).
Uman, M. A. Quantitative lightning spectroscopy. IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).
Hill, R. D. A survey of lightning energy estimates. Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).
Stone, C., Simpson, H., Leichauer,, Griffiths, H., Haddad, A., Cole, M., Evans, S. Establishment of a lightning test laboratory for direct-effects research. International Conference on Lightning and Static Electricity. , USA. (2013).
EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , ED-84 (1997).
Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , France. (2015).
Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , Portugal. (2016).
Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference. , France. (2016).
Kamira, J., Ralchenko, J. Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , version 5.2 (2014).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Spektroskopia łuku elektrycznego analiza widma emisyjnego elektrody wolframowe światłowodowy system zbierania światła spektrograf Czerny-Turnera łączenie zakresów widmowych identyfikacja pików w bazie danych łuki generowane laboratoryjnie szybkie wyładowania elektryczne pomiar nieinwazyjny

Metoda rejestracji szerokopasmowych widm emisyjnych o wysokiej rozdzielczości laboratoryjnych łuków piorunowych