Artykuł metodologiczny

Metoda rejestracji szerokopasmowych widm emisyjnych o wysokiej rozdzielczości laboratoryjnych łuków piorunowych

DOI:

10.3791/56336

⸱

27 sierpnia 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Wybór zakresu długości fali

  1. 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

  1. 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.
  2. 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
      3. .
  3. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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

  1. 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.
  2. 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. atmosferycznych.
    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

  1. Do przetwarzania końcowego i analizy danych wybierz aplikację do obsługi arkuszy kalkulacyjnych z funkcjami obliczeniowymi. Takie oprogramowanie jest powszechnie dostępne.
  2. 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.
  3. Uśrednij każdy pojedynczy zestaw danych dla każdego zakresu długości fali. Jest to zilustrowane na Rysunek 10, gdzie cztery zestawy danych 450 nm są uśrednione.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Przedstaw końcowe dane jako reprezentację graficzną lub wykres intensywności, jak pokazano na rysunku Rysunek 13.

6. Analizowanie danych

  1. 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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Reprezentatywny wykres intensywności wyładowań atmosferycznych w stosunku do długości fali dla krytycznie tłumionego piku 100 kA oscylacyjnego 100 μs piku 18/40 μs, w poprzek szczeliny powietrznej między parą elektrod wolframowych o średnicy 60 mm umieszczonych w odległości 14 mm od siebie, jest podane w Rysunek 14. Dane te składają się z czterech zestawów czterech uśrednionych segmentów danych 140 nm, połączonych ze sobą i skorygowanych pod kątem szumu tła, tłumienia światłowodu i wydajności kwantowej kamery cyfrowej. Dane te zostały przekształcone w wykres intensywności, jak pokazano na rysunku Rysunek 15. Wyraźne piki zostały ręcznie zidentyfikowane poprzez porównanie z ustaloną bazą danych, jak pokazano na Rysunek 16.

figure-results-1
Rysunek 1: Wygenerowany profil łuku piorunowego. Zarejestrowany ślad typowego piku 100 kA z krytycznie tłumionym oscylatorem, czasem trwania 100 μs, 18/40 μs wygenerował przebieg pioruna. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Konfiguracja eksperymentalna. Schemat układu eksperymentalnego (bez skali), w którym światło z wygenerowanego łuku piorunowego między dwiema elektrodami jest transportowane za pomocą światłowodu do układu spektroskopowego, składającego się z obudowy optycznej i kamery cyfrowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Konfiguracja spektrografu. Schemat systemu spektrografu (bez skali), w którym światło ze światłowodu jest przekształcane w widmo za pomocą siatki, która jest następnie rejestrowana przez kamerę cyfrową. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Zbieranie, przetwarzanie i prezentacja danych spektralnych. Ilustracja kroków używanych do sortowania, uśredniania, łączenia i korygowania danych w celu uzyskania szerokiego spektrum wysokiej rozdzielczości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Konfiguracja elektrod. Obraz dwóch półkulistych elektrod wolframowych o średnicy 6 mm przymocowanych do miedzianych mocowań umieszczonych w odległości 14 mm od siebie w urządzeniu oświetleniowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Konfiguracja światłowodu. Obraz światłowodu umieszczonego na tej samej wysokości i w odległości 2 m od zamontowanych elektrod. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-7
Rysunek 7: Kalibracja długości fali. (a) Tabela trzech znanych linii Merkurego w stosunku do liczby pikseli, przy której zostały zmierzone, oraz (b) wykres każdego punktu (krzyżuje się) i pasuje do linii prostej (linia przerywana) dając równanie (wstawka) pozwalające na konwersję pikseli na długość fali. Odbywa się to dla wielu znanych linii atomowych w całym zakresie długości fal. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-8
Rysunek 8: Interferencja promieniowania kosmicznego. Dane spektralne z laboratorium o natężeniu 100 kA wygenerowały łuk piorunowy w zakresie od 550 nm do 690 nm, pokazując: (a) dane bez zakłóceń promieniowania kosmicznego oraz (b) i (c) dane z charakterystycznymi skokami promieniowania kosmicznego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-9
Rysunek 9: Odejmowanie tła. Dane spektralne z laboratorium o natężeniu 100 kA wygenerowały łuk piorunowy w zakresie od 550 nm do 690 nm, pokazujące: (a) uśrednione dane tła, (b) dane surowe oraz (c) dane z odjętym średnim tłem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-10
Rysunek 10: Uśrednianie danych. Dane spektralne z laboratorium o natężeniu 100 kA wygenerowały łuk piorunowy w zakresie od 550 nm do 690 nm, pokazując: (a-d) dane indywidualne i (e) dane uśrednione. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-11
Rysunek 11: Łączenie danych. Dane spektralne z laboratorium o natężeniu 100 kA wygenerowały łuk piorunowy pokazujący: (a) zakres od 550 nm do 690 nm, (b) zakres od 650 do 790 nm oraz (c) dwa nałożone na siebie zestawy danych z nakładającymi się na siebie 650 nm do 690 nm. Obszar nakładania się jest następnie uśredniany. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-12
Rysunek 12: Poprawianie danych. Wykresy w zakresie długości fal od 450 nm do 890 nm dla (a) tłumienia światłowodu i (b) wydajności kwantowej kamery spektrografu zapewnionej przez odpowiednich producentów. Służą one do odpowiedniej korekty zszytych danych spektralnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-13
Rysunek 13: Prezentacja danych. Przykłady a) graficznego wykresu danych i b) wykresu intensywności reprezentującego widmo łuku piorunowego wygenerowanego w laboratorium o natężeniu 100 kA w zakresie długości fal od 550 nm do 790 nm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-14
Rysunek 14: Typowe dane graficzne. Typowy uśredniony, zszyty i skorygowany wykres graficzny w zakresie długości fal od 450 nm do 890 nm dla laboratoryjnego łuku piorunowego o natężeniu 100 kA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-15
Rysunek 15: Typowy wykres intensywności. Typowy uśredniony, zszyty i skorygowany wykres intensywności w zakresie długości fal od 450 nm do 890 nm dla laboratoryjnego łuku piorunowego o natężeniu 100 kA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-16
Rysunek 16: Identyfikacja pierwiastka chemicznego. Ilustracja identyfikacji pierwiastków chemicznych linii widmowej dla poziomów jonizacji pierwszego rzędu przy użyciu publicznie dostępnej bazy danych24. Zidentyfikowano pierwiastki w powietrzu (azot, tlen, argon, hel) i elektrodzie (wolfram). Widmo to jest prawie identyczne z tym w reference14, ponieważ używa tego samego aparatu do analizy tego samego typu łuku piorunowego. Ten rysunek został zaadaptowany z reference14. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 towidmo14. 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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Generator piorunów, w tym komory ekranowane EMI, platforma odgromowa i powiązane systemy sterowania i bezpieczeństwaUniwersytet w CardiffNie dotyczyZaprojektowane, opracowane i zbudowane przez Uniwersytet w Cardiff
Elektrody wolframowe o średnicy 60 mm z miedzianymi mocowaniamiNieznanydotyczyDostępne u każdego specjalistycznego producenta
elektrod / urządzeń wysokiego napięciaSpektrograf, w tym obudowa, kamera, światłowód i oprogramowanie sterującePodwozie Andor: SR-303i-B-SIL
Kamera: DU420A-BU2
Światłowód: 249309 SR-OPT-8018-9RX
Oprogramowanie: Solis v4.25
Źródło kalibracji argonu rtęciowegoOpticsHG-1
Oprogramowanie analityczneMicrosoftExcel 2016
Nie Ocean

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wallace, L. The Spectrum of Lightning. Astrophys. J. 139, 994(1963).
  2. Orville, R. E. A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke. J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).
  3. Orville, R. E., Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques. Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).
  4. Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques 2. Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).
  5. Krinder, E. P. Lightning spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).
  6. Orville, R. E. Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region. J. App. Meteorol. 19 (4), 470(1980).
  7. Orville, R., Henderson, R. Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm. J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Walker, T. D., Christian, H. J. Novel observations in lightning spectroscopy. XV International Conference on Atmospheric Electricity. , USA. (2014).
  11. Cen, J., Yuan, P. Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path. Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Uman, M. A. Determination of lightning temperature. J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).
  16. Prueitt, L. M. The excitation temperature of lightning. J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).
  17. Uman, M. A. Quantitative lightning spectroscopy. IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).
  18. Hill, R. D. A survey of lightning energy estimates. Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).
  19. 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).
  20. EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , ED-84 (1997).
  21. Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , France. (2015).
  22. Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , Portugal. (2016).
  23. 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).
  24. Kamira, J., Ralchenko, J. Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , version 5.2 (2014).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Spektroskopia uku elektrycznegoanaliza widma emisyjnegoelektrody wolframowewiat owodowy system zbierania wiat aspektrograf Czerny Turneraczenie zakres w widmowychidentyfikacja pik w w bazie danychuki generowane laboratoryjnieszybkie wy adowania elektrycznepomiar nieinwazyjny

Powiązane artykuły