Método para gravação de banda larga de alta resolução espectros de emissão de laboratório arcos relâmpago
27 de agosto de 2019
Técnicas de espectroscopia de emissão têm sido tradicionalmente usadas para analisar arcos de raios inerentemente aleatórios que ocorrem na natureza. Neste artigo, um método desenvolvido para obter a espectroscopia de emissão de arcos de raios reprodutíveis gerados dentro de um ambiente laboratorial é descrito.
O objetivo geral deste experimento é adquirir o espectro de emissões de um arco relâmpago gerado. Este método pode ajudar a entender os mecanismos de raios subjacentes, sua interação com o ar e sua interação com outros elementos dentro do ambiente circundante. A principal vantagem dessa técnica é que ela não é intrusiva e não interfere com o arco relâmpago.
Ajudando-me a demonstrar o procedimento será Chris Stone, o gerente do Laboratório Lightning. Este experimento usa o gerador de raios no Morgan-Botti Lightning Lab da Universidade de Cardiff. O raio é gerado dentro de uma câmara eletromagnética protegida por impulso.
Dentro da câmara, há uma plataforma de raios. A plataforma tem suportes para eletrodos geradores de arco. A dois metros da plataforma está um tripé que suporta uma pequena fibra óptica.
A fibra é colidida e direcionada para a região de descarga. A fibra óptica conduz a luz para uma segunda câmara em cima da primeira; dentro da câmara há um sistema espectrógrafo controlado por computador. A fibra óptica termina no chassi leve do sistema.
As duas câmaras, o aparelho associado a cada uma delas e a fibra de conexão são retratados neste esquema. O sistema espectrógrafo é baseado em uma configuração Czerny-Turner com uma distância focal de 30 centímetros. A luz da fibra passa através de uma fenda ajustável de 100 micrômetros.
Três espelhos e uma grade rotativa refletem a luz em uma câmera digital operando a menos 70 graus Celsius. A resolução espectral é de 0,6 nanômetros em um subsarmetro de 140 nanômetros. Prepare eletrodos feitos de um material apropriado.
Este experimento usa um par de hemisférios de tungstênio com um diâmetro de 60 milímetros. Preparar os eletrodos requer panos sem fiapos, um banho de água sônica e uma variedade de lixa e notas de pano de polimento. Limpe um eletrodo de cada vez;comece com lixa grosseira e esfregue o eletrodo por cinco minutos.
Quando terminar, coloque o hemisfério em um banho sônico de temperatura ambiente. Depois de 10 minutos, use luvas limpas e remova o hemisfério. Limpe-o com um pano sem fiapos.
Repita o processo de esfregar e limpar com notas mais finas de lixa. O objetivo é remover contaminantes e conseguir um bom polimento para o experimento. Quando ambos os eletrodos estiverem limpos, leve-os para a câmara para montagem.
Neste experimento, quando montados, os eletrodos são separados por 14 milímetros. Na câmara de eletrodos, posicione a fibra óptica para ver o centro da abertura do eletrodo. Através de um computador de controle, inicie o sistema espectrógrafo e mova sua grade para a posição inicial de 450 nanômetros, em seguida, coloque uma fonte de calibração na extremidade aberta da fibra óptica e ligue-a.
No computador de controle, otimize o sinal e regise o espectro. Desligue e remova a fonte de calibração. Encontre os comprimentos de onda para os picos conhecidos da fonte para calibração, neste caso na parte de trás do dispositivo.
Digite esses valores no software de controle espectrógrafo para calibração automática. Continue posicionando a grade para o seu próximo subrange, que deve se sobrepor ao primeiro, em seguida, retornar a fonte de calibração para a frente da fibra óptica para calibrar este intervalo. Repita as etapas de calibração sobre o comprimento de onda desejado.
Para o experimento, feche a porta da câmara de eletrodo e certifique-se de que está leve. Em seguida, vá para a sala de controle do gerador de raios. Certifique-se de que a porta está presa.
Dentro, ligue o gerador de raios, depois vire para os computadores para controlar e monitorar o experimento. Use software no computador de controle para mover a grade espectrografia para sua posição inicial de 450 nanômetros e, em seguida, use a câmera para tirar uma imagem de fundo. Em seguida, selecione a forma de onda, neste caso uma com um pico de 100 quilos-amp.
Depois de garantir que o espectrógrafo será acionado pelo evento relâmpago, comece a carregar o sistema e monitore o nível de carga. Quando o carregamento estiver completo, o sistema está pronto. Coloque proteção auditiva antes de iniciar uma contagem regressiva.
Pressione o botão para acionar o raio. Logo após o arco, a forma de onda de raios aparecerá no software de controle do gerador de raios. Além disso, o espectro aparecerá no software espectrógrafo.
Continue fazendo mais três medições com a grade em 450 nanômetros, em seguida, mova a grade para sua próxima posição, 550 nanômetros. Repita as medidas nesta posição e em cada uma das outras na faixa desejada de comprimentos de onda. Esses dados são de um arco relâmpago gerado por laboratório de 100 quilos.
É o resultado da média dos espectros medidos de cada subsaria e costurar os subsares juntos. Aqui estão os mesmos dados mostrados como um gráfico de intensidade com os picos proeminentes identificados através da comparação com um banco de dados. Linhas de nitrogênio, oxigênio, argônio e hélio aparecem devido à sua presença na atmosfera.
Tungstênio aparece devido ao eletrodo. Embora este método possa fornecer informações sobre arcos de raios gerados, ele também pode ser aplicado a outras descargas elétricas rápidas, como descarga parcial de alta tensão e faíscas. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como gravar espectros de raios a partir de arcos de raios gerados ou de qualquer outra descarga elétrica rápida.
Visão Geral
Este estudo apresenta um método para adquirir o espectro de emissão de arcos de raios gerados em laboratório. A técnica é não invasiva e permite uma análise detalhada da interação do raio com o ambiente circundante.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Espectroscopia de emissão
- Fenômenos de relâmpago
- Experimentação laboratorial
Antecedentes
- A espectroscopia de emissão tem sido usada para analisar raios naturais.
- Arco-elétricos de raio gerados em laboratório fornecem condições reprodutíveis para estudo.
- O método permite obter informações sobre os mecanismos do raio.
- Técnicas não intrusivas são essenciais para medições precisas.
Objetivo do Estudo
- Adquirir o espectro de emissão dos arcos de raios gerados.
- Compreender a interação dos raios com o ar e outros elementos.
- Desenvolver um método de laboratório confiável para o estudo de raios.
Métodos Utilizados
- Uso de um gerador de raios em um ambiente controlado.
- Sistema de fibra óptica para capturar a luz da região de descarga.
- Calibração do sistema espectrográfico para medições precisas.
- Coleta de dados por meio de múltiplas medições em uma faixa de comprimentos de onda.
Resultados Principais
- Os espectros de emissão foram registrados com sucesso a partir dos arcos de raios.
- Identificaram-se linhas espectrais de nitrogênio, oxigênio, argônio e tungstênio.
- Os dados mostraram a presença de elementos atmosféricos nos espectros.
- O método pode ser aplicado a outras descargas elétricas rápidas.
Conclusões
- O método desenvolvido fornece informações valiosas sobre o comportamento dos relâmpagos.
- Pode aprimorar a compreensão das descargas elétricas rápidas.
- Aplicações futuras podem estender-se além dos relâmpagos para outros fenômenos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a análise espectral reprodutível e não invasiva de descargas elétricas de alta energia, fornecendo uma plataforma controlada para o estudo de interações plasma-material relevantes para a confiabilidade de sistemas elétricos e análise de falhas. Ao capturar espectros de emissão em larga banda com resolução sub-nanométrica, ele contribui para a redução mecanicista de riscos no projeto e na validação de componentes de alta tensão, sistemas de isolamento e dispositivos de proteção contra surtos. A abordagem aumenta a confiança preditiva na avaliação pré-clínica e translacional de modelos de estresse elétrico ao fornecer dados quantitativos de emissão elementar verificáveis em bases de dados.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação da química do plasma e das interações entre materiais de eletrodos sob condições controladas e repetíveis de descarga de alta corrente.
- Valor Operacional: Oferece um método óptico padronizado e não invasivo para monitoramento em tempo real da dinâmica do arco, sem perturbar a descarga.
Desenvolvimento de Ensaios e Triagem
- Valor Científico: Gera perfis de emissão quantitativos e resolvidos por comprimento de onda que servem como leituras semelhantes a impressões digitais para a composição elementar e estados de excitação.
- Valor Operacional: Apoia a padronização de ensaios por meio de espectros de subintervalos calibrados e emendáveis com resolução rastreável (<1 nm) e reprodutibilidade ao longo de vários arcos.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita a continuidade entre modelagem de descarga em escala laboratorial e cenários reais de tensão elétrica, identificando assinaturas de emissão atmosférica e derivadas do eletrodo.
- Valor Operacional: Permite a validação cruzada de bancos de dados espectrais e algoritmos diagnósticos para monitoramento de descargas parciais em equipamentos elétricos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra aos fluxos de trabalho de segurança elétrica e testes de materiais como uma ferramenta diagnóstica primária para caracterizar fenômenos de descarga antes de estudos de modelagem mecanicista ou envelhecimento acelerado.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre vias de degradação de materiais mediadas por plasma por meio de leituras ópticas diretas de emissão.
- Triagem: Fornece saídas espectrais reprodutíveis e de alta resolução, adequadas para identificação automatizada de picos e correspondência com bibliotecas.
- Análise: Permite comparação quantitativa de condições de descarga por meio de emendas espectrais calibradas por intensidade e subtração de fundo.
- Pesquisa Translacional: Conecta a caracterização laboratorial de arcos à ocorrência de descargas parciais e centelhamento em sistemas elétricos com relevância prática.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma espectroscópica reutilizável para avaliar diversos materiais de eletrodos, distâncias entre eletrodos e perfis de forma de onda em diferentes campanhas de testes.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista nas interações plasma-superfície ao fornecer dados de emissão específicos por elemento, validados com base em bancos de dados de referência.
- Valor Operacional: Garante padronização e escalabilidade por meio do acoplamento de fibra e operação do espectrógrafo controlada por computador, com posicionamento automatizado da rede de difração.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir ou interromper no projeto de sistemas de alta tensão, permitindo a detecção precoce de sinais indesejáveis de vaporização do eletrodo ou ruptura da isolação.
- Impacto no Portfólio: Apoia o avanço ajustado ao risco de materiais isolantes e componentes de proteção contra surtos, por meio da discriminação objetiva de modos de falha resolvidos espectralmente.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em espectroscopia óptica, diagnósticos de plasma e protocolos de segurança em alta tensão.
- Depende de um espectrógrafo Czerny-Turner com câmera digital aprimorada para UV e controle de fenda em escala sub-micrométrica.
- Necessita blindagem eletromagnética e invólucro hermético à luz para evitar contaminação do sinal.
- Envolve protocolos de emenda de comprimentos de onda que exigem calibração com sobreposição de subintervalos e normalização de intensidade.
- Limitado ao acesso óptico em linha de visada; o desempenho pode ser afetado pela oclusão por partículas ou degradação da janela em uso prolongado.
