Summary
发射光谱技术传统上用于分析自然界中固有的随机闪电弧。本文介绍了一种从实验室环境中产生的可重现的闪电电弧获得发射光谱的方法。
Abstract
闪电是自然界中最常见的破坏力之一，长期以来，人们一直使用光谱技术进行研究，首先采用传统的相机胶片方法，然后是数码相机技术，从中，雷电具有几个重要特征。派生。然而，由于现场自然闪电事件固有的随机性和不可重复性，这种工作一直受到限制。闪电测试设施的最新发展现在允许在受控实验室环境中重现产生闪电弧，为开发新的传感器和诊断技术以了解闪电提供了一个试验台机制更好。其中一种技术是使用数码相机技术的光谱系统，该系统能够识别闪电弧与之相互作用的化学元素，然后用于利用这些数据来推导出进一步的特征。本文采用光谱系统从100 kA峰值获得发射光谱，100μs持续时间的闪电弧通过一对半球钨电极产生，由一个小气隙隔开。为了保持小于 1 nm 的光谱分辨率，在离散波长范围内记录多个单独的光谱，进行平均、缝合和校正，以生成 450 nm（蓝光）到 890 nm（近红外光）范围内的最终复合光谱。然后，将数据中的特征峰值与已建立的公开数据库进行比较，以确定化学元素相互作用。该方法适用于各种其他发光事件，如快速放电、部分放电和电气设备、设备和系统中的火花。
Introduction
闪电是自然界中最常见的破坏力之一，其特征是快速放电，被视为闪电，随后是雷鸣。典型的闪电弧可以包括几十千兆伏的电压和平均电流30kA的电弧，在数十到几百公里长的弧上，所有时间都在100μs内发生。派生有关其属性的信息。在1960年代到1980年代，许多技术都是利用传统的胶片相机技术来研究自然雷击的，例如1、2、3、4、5 ，6，7，以及最近，现代数字技术，例如8，9，10，11，12， 13,14，已经被用来给闪电机制一个更准确的洞察力。随着时间的推移，这种工作已经证明了不仅能够识别化学元素相互作用1，14，而且还获得温度15，16，压力5的测量。粒子和电子密度5，17，能量18，电阻，和电场的电场的弧8。然而，对自然闪电的研究总是受到闪电事件固有的不可预测的随机性和不可重复性的限制。
近年来，研究的重点是闪电如何与周围环境相互作用，特别是在航空航天工业中，以保护飞行中的飞机免受直接雷击。因此，设计和建造了几个大型雷电测试设施，以复制雷击中最具破坏性的元素，即电流和输送时间，但电压有限。卡迪夫大学的摩根-博蒂闪电实验室（MBLL）19日可以根据相关标准20产生四个不同的闪电波形，高达200kA。 有了这样的实验室设施，闪电可以很容易地复制和控制，具有很高的精度和可重复性，为开发新的传感器和诊断技术，了解闪电相互作用和机制更好21，22，23.其中一种技术是最近开发并安装的光谱系统14，21，它像自然闪电研究中使用的光谱系统一样，在紫外线（UV）到近红外（NIR）范围内工作。它是一种非侵入性方法，不会干扰闪电弧，与大多数基于电子的设备不同，它基本上不受罢工期间产生的电磁噪声的影响。
光谱仪系统用于观察典型实验室生成的闪电弧的光谱，该电弧由 100 kA 峰值严重阻尼振荡、100 μs 持续时间、18/40 μs 波形（跨越直径 60 mm 的钨）之间的空隙组成电极由14毫米气隙隔开。此闪电弧波形的典型轨迹如图1所示。电极被放置在一个电磁脉冲 （EMI） 光密室中，因此唯一记录的光来自闪电弧本身，少量光通过直径为 100 μm 的光纤传输，定位在 2 米之外，准至0.12°视角，在弧的位置使点尺寸为4.2 mm，并形成另一个包含光谱系统的EMI腔室，如图2所示。EMI 腔室用于将闪电事件造成的不利影响降至最低。光纤在基于 30 cm 焦距的 Czerny-Turner 配置的轻闭光纤机箱端接，光线通过可调节的 100 μm 狭缝，通过三面镜子照射到 900 ln/mm 550 火焰可旋转光栅上，连接到 1，024 x 1，024像素数码相机，如图3所示。 在这种情况下，光学设置在大约 140 nm 的子范围内，在大约 800 nm 的紫外线到近红外波长范围内，提供 0.6 nm 的光谱分辨率。光谱分辨率测量为光谱仪区分两个接近峰的能力，并且可以通过旋转光栅来调整子范围在全范围内的位置。系统的一个关键组成部分是选择衍射光栅，它决定了波长范围和光谱分辨率，前者与后者成反比。通常，需要宽波长范围来定位多个原子线，而精确测量其位置需要高光谱分辨率;对于这种类型的光谱仪，单光栅是无法实现的。因此，从多个子范围（高分辨率）中获取的数据在 UV 到 NIR 范围的各个位置进行采集。这些数据被阶梯并粘合在一起，形成一个复合频谱。
在实践中，由于光纤透射的限制，记录的频谱波长范围为450nm至890nm。从450nm开始，记录四个独立生成的闪电弧光，减去背景噪声，然后求平均值。然后，波长范围被移至 550 nm，使 40 nm 的数据重叠，记录并平均记录来自另外四个生成的闪电弧的光。重复，直到达到890nm，并由此产生的平均数据拼接在一起，以创建一个完整的光谱，跨越完整的预定义波长范围。这个过程如图4所示。 然后，特征峰通过与已建立的数据库24的比较来识别化学元素。
本文介绍了光学发射光谱的方法。该方法适用于各种其他发光事件，对实验设置或光谱仪系统设置的更改最小。此类应用包括电气系统和设备中的快速放电、部分放电、火花和其他相关现象。
Protocol
1. 选择波长范围
- 必须首先选择要观测到的闪电的波长范围。选择了 450 nm 到 890 nm。
注：这将受到实验室设置、光栅炽热角度定义的光谱范围和摄像机灵敏度的限制。
2. 准备电极
- 选择合适的电极材料。选了一对直径60毫米的半球钨电极固定在铜制支架上，如图5所示。
注：任何与闪电弧相互作用的材料都会发出光谱，包括电极，因此尽量减少这种干扰非常重要。然而，这应该与电极材料在实验期间承受重复的雷击的能力相平衡，而且伤害最小。对于钨，其许多在所选波长范围内的排放线仅在 450 nm 和 590 nm 之间可见，并且与预期的雷电光谱基本不同。它还是一种非常坚硬的材料，通常用于高电压和高电流实验。 -
清洁和抛光电极以去除任何污染物。与闪电弧相互作用的任何材料都会发出光谱，包括任何污染物的光谱。因此，确保电极无污染以确保没有错误的光谱线非常重要。
- 用粗糙的沙纸擦电极 5 分钟，将其放入室温下声波水浴 10 分钟，然后用无绒布擦拭以松开并清除任何污染物。处理电极时务必使用手套，以避免再污染。
- 重复上述通常十到十五次与减少等级砂纸，砂布，然后抛光布，直到达到良好的抛光完成。使用了240至8，000的沙纸和布牌。
- 将电极安装在闪电装置内，在它们之间建立适当的距离。此处，电极安装在相距14毫米的闪电装置内，如图5所示。
注：不同的闪电测试设施具有不同的工作电压，因此电极之间的距离应为触发闪电脉冲发生器时发生空气故障。
3. 准备光谱仪
- 如图所示，将光谱仪放置在独立的 EMI 额定外壳中。理想情况下，闪电钻机和光谱仪应安装在单独的 EMI 外壳中。
- 选择并安装光纤。所选光纤为 8 米长的光纤，安装在两个 EMI 腔室之间。
- 选择在预定义波长范围内具有良好的传输性能的光纤，即450 nm 到 890 nm 之间。
- 注意与波长数据的传输效率，因为这将用于数据后处理。这通常由制造商提供，但理想情况下，应该使用校准的灯进行测量。
- 以轻密排列的方式将光纤的一端连接到光纤机箱。
- 放置光纤的另一端，查看电极之间的闪电弧。反向通过光谱仪发送的激光发出的光有助于对齐。光纤位于与电极间隙中心2米相同的高度，如图6所示。
- 如有必要，调整到达摄像机的光量，以尽量减少任何饱和度。使用准直器将光纤视角降低至 0.12°，使闪电弧位置的点尺寸为 4.2 mm，总弧长为 14 mm，使光线减少约四分之一。
注：通过改变光源和光纤之间的距离、调整狭缝或使用中性密度滤镜，可以调整到达摄像机的光线强度。
- 打开光谱仪系统并启动相关的控制软件。数码相机需要大约 10 分钟才能达到 -70°C 的温度。
注：某些数码相机在完全投入运行之前需要冷却以降低噪音。 - 选择光谱光栅。使用了 900 ln/mm 550 火焰光栅。
注：光栅定义了光谱仪系统内的波长范围和光谱分辨率，峰值识别所需的光谱分辨率为 <1 nm。所选光栅的波长范围约为 140 nm，分辨率为 0.6 nm。 - 根据已知的校准源（如汞-阿贡灯）校准光谱仪。
- 将光栅置于预先选择的波长范围的底部。在这里，光栅定位在 450 nm，范围为 450 nm 到 590 nm。
- 打开校准源并将其放在光纤的开端。
- 通过控制软件将摄像机曝光调整到适当的时间，以实现良好的不饱和信号，例如 0.1 s 的曝光。
- 通过控制软件调整狭缝以根据需要锐化光谱峰值，或者在某些情况下，还可以调整探测器的位置以优化信号。使用了100μm的狭缝。
注： 狭缝应设置为最小值，以减少由于狭缝处的光的衍射而扩大原子线的扩展，通常使用的值高达 20 μm。然而，一个狭窄的狭缝也会降低信号，可能需要在光强和峰值的锐度之间找到平衡。 - 记录校准源的光谱，并识别产生峰值的摄像机图像上的像素数。
- 根据校准源提供的每个峰值的已知波长绘制每个峰值的像素数位置，并拟合一条直线以推导出一个方程，该方程将允许像素转换为波长。图7说明了三个已知的水星原子线的例子。
- 在移动到下一个光栅位置之前，将校准应用到此光栅位置。对于某些光谱仪系统，可以使用校准文件将像素数转换为波长应用于软件。
- 为下一个子范围放置光栅，然后重复上述步骤。在这里，光栅下一个定位为 550 nm，范围为 550 nm 至 690 nm，因此与前一个波长范围重叠 40nm。
注： 重叠区域的宽度需要足够，以便在第一个范围的末尾和第二个范围的开始识别趋势，以便稍后步骤和粘合过程。 - 对所有光栅位置重复上述步骤。这一重复，直到达到890nm。
注： 校准源（通常是具有已知光谱峰值的灯）通常配备光谱仪系统，制造商将能够提供有关如何实现校准的更多详细信息。
- 选择光谱仪参数以记录生成的闪电弧。
- 如有必要，进一步调整狭缝。
- 设置摄像机曝光时间以确保捕获整个闪电事件;设置此参数时，请考虑闪电发生器或光谱仪中的任何触发时间和任何延迟。对于 MBLL 处的闪电发生器，使用 5 s 的曝光时间。
注：较长的曝光时间会增加噪声水平和伪影（如宇宙射线）的可能性，因此应努力将噪声级别降至最低。但是，时间也必须足以考虑触发的闪电弧或光谱仪系统的任何不确定性，以确保捕获整个事件。 - 更改光谱系统模式以接收来自闪电发生器的触发器。在闪电弧启动之前，使用 5 V TTL 信号触发摄像机 2.5 s。
4. 运行实验
-
准备闪电发电机。
- 确保所有灯都熄灭，在相关位置关闭腔室，以确保光线紧闭的环境。
- 打开闪电发电机。每个闪电测试设施将有自己的准备和打开的协议。在 MBLL，在启动闪电发生器之前，区域已清除人员，并接合相关安全装置。
- 选择相关的闪电波形并充电到所需的峰值电流。使用了典型的 54 kV、100 kA 峰值严重阻尼振荡 100 μs 峰值 18/40 μs 波形。
-
从多个生成的闪电事件获取光谱
- 将光谱光栅置于起始位置，并使用与雷击相同的参数拍摄背景图像。这可能是多个背景图像的平均值。在 450 nm 设置下，使用带 100 μm 狭缝的 5 s 曝光。
- 确保光谱系统已准备好触发，以使用正确的设置记录光谱。在 450 nm 设置下，使用带 100 μm 狭缝的 5 s 曝光。
- 为闪电发生器充电并触发闪电事件，这也将触发光谱仪。
- 记录输出光谱数据。
- 检查光谱数据是否有任何干扰。光谱仪偶尔会出现由宇宙辐射引起的数据尖峰或由无响应或死像素引起的其他伪影。应努力消除这种干扰，一些光谱仪有软件可以做到这一点。另一种方法是忽略数据并重复实验。图 8显示了具有或没有宇宙辐射尖峰的数据之间的差异示例。
- 如果用酒精擦拭或受污染，请清除任何污染电极，如果受到污染，则重复步骤 2.2。
- 重复步骤 4.2.2 到 4.2.5，直到达到 450 nm 范围的四组光谱数据。
- 将光谱光栅定位到 550 nm，并重复步骤 4.2.1 到 4.2.6，直到达到 550 nm 范围的四组光谱仪数据。
注： 重复步骤的数量需要足够平均生成闪电弧中出现的任何射向方差。 - 重复上述操作，直到收集了所有数据集，达到 890 nm 的最长值，从而生成 16 组光谱数据。
- 如果同一雷电电流发生器设置下每个子范围的光谱有显著差异，例如原子线的强度，则每个阶段的实验可能必须重复四次以上。其目的是将任何一次性异常的影响降至最低，并平均出来自闪电发生器和无雷弧的射口变化。
- 如果相同雷电电流发生器设置的光谱存在差异，则可能需要评估实验设置中的污染物。
5. 后处理数据
- 对于数据的后处理和分析，请选择包含计算功能的电子表格软件应用程序。此类软件随处可见。
-
从每个相关的生成的雷电光谱数据中减去步骤 4.2.1 中获取的背景数据。
- 从每 450 nm 生成的光谱数据中减去 450 nm 背景数据的平均值，从每生成 550 nm 生成的雷电光谱数据中减去 550 nm 数据的平均值，等等。这个例子如图9所示。
- 为每个波长范围的单独数据集平均。如图 10所示，其中四个 450 nm 数据集是平均的。
- 使用重叠区域对齐连续光谱数据，然后对重叠区域进行平均。图 11显示了平均 450 nm 和 550 nm 的数据。
注： 重叠区域的对齐和平均将引入误差，可能需要使用钨带灯等对整个频谱进行相对强度校准。 - 正确处理光纤衰减和量子效率。如图12所示。
注： 通过使用校准的灯测量每个子范围的光的传输，可以实现更准确的校正。在这种情况下，可以在缝合过程之前应用修正。 - 将最终数据显示为图形表示或强度图，如图13所示。
6. 分析数据
-
识别特征光谱峰。
- 某些光谱仪系统将包括自动识别元件峰值的软件。应注意，特别是缝合的数据，峰值位置是正确的。
- 手动峰值标识可以使用公开可用的数据库（如24。应注意首先从最低电离水平（即I，然后是II，然后III）一个元素中拟合最强（相对强度）峰值。
- 准确识别峰值或对齐峰值时出现问题可能是由于光学器件的校准问题或失调造成的。评估光学元件在光学机箱中的位置，并重复步骤 3。
注：由于斯塔克效应，生成的闪电弧的高能量将导致原子发射线变宽，并且可能无法可靠地识别所有线。
Representative Results
图14给出了100 kA峰值严重阻尼振荡100μs峰值18/40μs波形的波长图的代表性闪电强度，该强度跨越一对直径为14毫米的60毫米直径钨电极之间的空隙。这些数据由四组四个 140 nm 平均数据段拼接在一起，并针对背景噪声、光纤衰减和数码相机量子效率进行了校正。这些数据已转换为强度图，如图15所示。通过与已建立的数据库进行比较，已手动识别突出的峰值，如图16所示。
图 1：生成的闪电弧轮廓。记录的典型 100 kA 峰值严重阻尼振荡的跟踪，100 μs 持续时间，18/40 μs 生成的闪电波形。请点击此处查看此图的较大版本。
图 2：实验设置。实验设置（不缩放）的示意图，其中两个电极之间产生的闪电弧的光通过光纤传输到光谱系统，包括光学机箱和数码相机。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3：光谱仪设置。光谱仪系统的示意图（不缩放），其中来自光纤的光通过光栅变成光谱，然后由数码相机记录。请点击此处查看此图的较大版本。
图 4：整理、处理和呈现光谱数据。用于整理、平均、拼接和校正数据以实现宽高分辨率频谱的步骤的插图。请点击此处查看此图的较大版本。
图 5：电极配置。两个直径为 6 mm 的半球钨电极固定在铜支座上的图像，在闪电装置内相距 14 mm。请点击此处查看此图的较大版本。
图 6：光纤配置。光纤的图像位于与安装的电极 2 m 相同的高度和距离上。请点击此处查看此图的较大版本。
图 7：波长校准。（a） 三个已知水星线的表，对照测量它们所处的像素数，和 （b） 每个点的图（交叉） 和直线拟合（虚线），给出一个方程（内设），允许像素转换为波长。这是针对整个波长范围内的多个已知原子线进行的。请点击此处查看此图的较大版本。
图 8：宇宙射线干扰。来自100 kA实验室的光谱数据在550nm至690nm范围内生成了闪电弧，显示： （a） 数据没有宇宙射线干扰，和 （b） 和 （c） 具有特征宇宙射线尖峰的数据。请点击此处查看此图的较大版本。
图 9：背景的减法。来自 100 kA 实验室的光谱数据生成了 550 nm 到 690 nm 范围内的闪电弧，显示： （a） 平均背景数据， （b） 原始数据， 和 （c） 平均背景减去的数据。请点击此处查看此图的较大版本。
图 10：平均数据。来自 100 kA 实验室的光谱数据生成了 550 nm 到 690 nm 范围内的闪电弧，显示 （a-d）个人数据和 （e） 平均数据。请点击此处查看此图的较大版本。
图 11：拼接数据。来自 100 kA 实验室的光谱数据生成了闪电弧，显示：（a ） 550 nm 到 690 nm 范围，（b ） 650 到 790 nm 范围，以及 （c ） 两个重叠数据集，重叠 650 nm 到 690 nm。然后对重叠区域求平均值。请点击此处查看此图的较大版本。
图 12：更正数据。450 nm 至 890 nm 波长范围内的图（a） 光纤衰减和 （b） 光谱仪摄像机量子效率由各制造商提供.这些用于相应地校正拼接的光谱数据。请点击此处查看此图的较大版本。
图 13：显示数据。图形数据图和 （b） 表示 100 kA 实验室光谱的强度图的示例在 550 nm 到 790 nm 波长范围内生成闪电弧。请点击此处查看此图的较大版本。
图 14：典型的图形数据。在 450 nm 到 890 nm 波长范围内，为 100 kA 实验室生成闪电弧的典型平均、缝合和校正图形图。请点击此处查看此图的较大版本。
图 15：典型强度图。在 450 nm 到 890 nm 波长范围内，为 100 kA 实验室生成闪电弧的典型平均、缝合和校正强度图。请点击此处查看此图的较大版本。
图 16：化学元素识别。使用公开可用的数据库24，为一阶电电化水平的光谱线化学元素识别的图示。已识别空气中的元件（氮、氧、气态、氦）和电极（钨）。<该光谱与参考14中的光谱几乎相同，因为它使用相同的仪器来分析同一类型的闪电弧。这个数字已根据参考文献14作出修改。请点击此处查看此图的较大版本。
Discussion
光谱学是识别自然和产生的雷击期间化学反应的有用工具。给定一个足够准确和可重复的实验设置，对数据的进一步分析可以揭示各种其他闪电特性。例如，它被用来验证实验室生成的闪电弧的光谱与自然闪电的光谱相似，并且向闪电弧中添加其他材料可以显著改变这个光谱14。该方法还可用于其他发光事件，如快速放电、部分放电、火花和其他高压系统中的相关现象，在高压系统中同时识别多个原子线或元件。宽频谱很重要。
最关键的步骤是确保在设置光谱仪时使用正确的参数，例如狭缝、光栅和摄像机设置，以获得可能的最佳数据，从而产生强而锐利的光谱峰值。在优化信号时，还应努力确保探测器未饱和。光纤的位置也可以调整和/或准直，以提高光强度，以及确保任何不属于闪电事件的杂散光在背景成像过程中被消除或移除。这可能需要一些尝试和错误。闪电发生器用于以最小的变化准确再现同一闪电事件的能力，或了解任何变化可能来自何处，以便控制它们，对于获得可靠且可重复的光谱非常重要结果。
可以更改此设置，以进一步评估电磁频谱的不同部分，使其进一步进入紫外线和红外波段，其中成像技术允许并取决于被成像的事件类型。例如，将波长范围扩展到 450 nm 以下可以揭示进一步的原子和分子线，例如 NO 和 OH 基的发射。调整光谱光栅以在较宽的范围内提供较低的分辨率可能有助于识别有趣的特征，然后可以使用更高分辨率的窄范围光栅进行分析。
这种技术的主要优点是它是完全非侵入性的，所以它不需要任何改变雷电发生器。通过光纤传输光，可以减少恶劣电磁环境产生的电气干扰，如果没有足够的屏蔽，其他系统（如摄像机）可能会遇到这些干扰。这意味着来自光谱仪的数据可能比其他仪器具有更低的噪声和干扰。这种特定的技术受到时间分辨率的缺乏和随后对闪电弧的进一步特征的限制。例如，确实存在高速光谱仪，可以生成时间解析的光谱数据，从而测量温度和电子密度。
预计在了解实验室产生的闪电电弧时，光谱学将与其他诊断仪器一起成为一个重要的工具。它将提供有关特征性闪电事件特征的免费信息，并用于识别电弧内的活性化学元素。该技术的进一步发展也可能导致其他特性的推导。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感谢Sör Cymru国家高级工程和材料研究网络（NRN073）和英国创新公司通过航空航天技术研究所（113037）提供的财政支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Lightning Generator, including EMI shielded chambers, lightning rig and associated control and safety systems | Cardiff University | N/A | Designed, developed and constructed by Cardiff University |
| 60mm diameter tungsten electrodes with copper mountings | Unknown | N/A | Available from any specialist electrode / high voltage equipment manufacturer |
| Spectrograph, including chassis, camera, optic fibre and control software | Andor | Chassis: SR-303i-B-SIL | |
| Camera: DU420A-BU2 | |||
| Optic Fibre: 249309 SR-OPT-8018-9RX | |||
| Software: Solis v4.25 | |||
| Mercury argon calibration source | Ocean Optics | HG-1 | |
| Anaylsis software | Microsoft | Excel 2016 |
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