Metode til optagelse af bredbånds spektre med høj opløsnings emission af laboratorie Lynbuer

Summary

Emission spektroskopi teknikker har traditionelt været brugt til at analysere i sagens natur tilfældige lyn buer forekommer i naturen. I dette dokument beskrives en metode, der er udviklet til at opnå emissions spektroskopi fra reproducerbare lynbuer genereret i et laboratoriemiljø.

Abstract

Lightning er en af de mest almindeligt forekommende og ødelæggende kræfter i naturen og har længe været undersøgt ved hjælp af spektroskopiske teknikker, først med traditionelle kamera film metoder og derefter digital kamerateknologi, hvorfra flere vigtige egenskaber er blevet Afledte. Men, sådan arbejde har altid været begrænset på grund af den iboende tilfældige og ikke-gentagelig karakter af naturlige lyn begivenheder i marken. Den seneste udvikling i Lightning testfaciliteter giver nu mulighed for reproducerbar generering af lynbuer inden for kontrollerede laboratoriemiljøer, hvilket giver en test seng til udvikling af nye sensorer og diagnostiske teknikker til at forstå lynnedslag mekanismer bedre. En sådan teknik er et spektroskopisk system, der anvender digital kamerateknologi, der kan identificere de kemiske elementer, som lynet er i samspil med, idet disse data derefter bruges til at udlede yderligere egenskaber. I dette papir anvendes det spektroskopiske system til at opnå emissionsspektret fra en 100 kA peak, 100 μs varighed Lightning Arc genereret på tværs af et par halvkugleformede wolframelektroder adskilt af en lille luft kløft. For at opretholde en spektral opløsning på mindre end 1 nm blev flere individuelle spektre registreret på tværs af diskrete bølgelængde intervaller, gennemsnit, syet, og korrigeret for at producere et endeligt komposit spektrum i 450 Nm (blåt lys) til 890 nm (nær infrarødt lys) rækkevidde. De karakteristiske toppe i dataene blev derefter sammenlignet med en etableret offentligt tilgængelig database for at identificere de kemiske element interaktioner. Denne metode er let anvendelig på en række andre lysemitterende hændelser, såsom hurtige elektriske udledninger, delvis udledning, og gnide i elektrisk udstyr, apparater og systemer.

Introduction

Lightning er en af de mest almindeligt og ødelæggende kræfter i naturen karakteriseret ved en hurtig elektrisk udledning ses som en flash af lys og efterfulgt af torden. En typisk Lightning bue kan bestå af en spænding på snesevis af gigavolt og en gennemsnitlig strøm på 30 kA på tværs af en bue titusinder til hundredvis af kilometer, der sker inden for 100 μs. observation af lysemissions spektret fra lynhændelser har længe været brugt til at udlede oplysninger om deres egenskaber. Mange teknikker blev etableret ved hjælp af traditionelle film-baserede kamera teknikker til studiet af naturlige lynnedslag i 1960 ' erne til 1980 ' er, for eksempel^{1,2,3,4,5 ,6,7}og for nylig moderne digitale teknikker, for eksempel^{8,9,10,11,12, 13 , 14}, er blevet brugt til at give en mere præcis indsigt i lynmekanismer. Med tiden har et sådant arbejde vist evnen til ikke blot at identificere kemiske element interaktioner^1,14, men også opnå målinger af temperatur^15,16, tryk⁵, partikel-og elektron tæthed^5,17, energi¹⁸, modstand og indre elektrisk felt af Arc⁸. Men, undersøgelser af naturligt lyn har altid været begrænset af den iboende uforudsigelige tilfældige og ikke-gentagelig karakter af lyn begivenheder.

I de seneste år har forskningen fokuseret på, hvordan Lightning interagerer med det omgivende miljø, især i luftfartsindustrien for at beskytte fly i flugt fra direkte lynnedslag. Flere store Lightning testfaciliteter er derfor blevet designet og bygget til at replikere de mest destruktive elementer i et lynnedslag, nemlig den nuværende og leveringstid, men med en begrænset spænding. Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)¹⁹ på Cardiff University kan generere fire forskellige Lightning bølgeformer op til en 200 kA i overensstemmelse med den relevante standard²⁰. Med et sådant laboratorie anlæg kan lynnedslag let reproduceres og styres med en høj grad af nøjagtighed og repeterbarhed, hvilket giver en test seng til udvikling af nye sensorer og diagnostiske teknikker til at forstå lyninteraktioner og mekanismer bedre^21,22,23. En sådan teknik er et nyligt udviklet og installeret spektroskopisk system^14,21 , som, ligesom de spektroskopiske systemer, der anvendes i naturlige lynundersøgelser, opererer i ultraviolet (UV) til nær-infrarød (NIR) Range. Det er en ikke-påtrængende metode, som ikke forstyrrer Lightning Arc og er stort set upåvirket af den elektromagnetiske støj, der produceres under en strejke, i modsætning til de fleste elektronisk baserede enheder.

Spektrograph systemet blev brugt til at observere spektret af en typisk laboratorium genereret Lightning bue bestående af en 100 kA peak kritisk dæmpet oscillatory, 100 μs varighed, 18/40 μs bølgeform på tværs af en luft kløft mellem et par af 60 mm diameter wolfram elektroder adskilt af en 14 mm luftspalte. En typisk spor af denne Lightning bue bølgeform er vist i figur 1. Elektroderne var placeret i en elektromagnetisk impuls (EMI) lys-stramt kammer, således at det eneste indspillede lys var fra Lightning Arc selv, med en lille mængde af dette lys, der transporteres via en 100 μm diameter fiberoptik, placeret 2 m væk og til en 0,12 ° betragtningsvinkel, der giver en spot størrelse på 4,2 mm ved Arc-positionen, til et andet EMI-kammer, som indeholder spektrograf systemet, som vist i figur 2. EMI-kamrene blev brugt til at minimere de negative virkninger forårsaget af Lightning-hændelsen. Fiber optikken afsluttes ved det lystætte optiske chassis baseret på en Czerny-Turner-konfiguration af brændvidden 30 cm, hvor lyset passerer gennem en justerbar 100 μm slids og på en 900 LN/mm 550 Blaze drejelig rist via tre spejle, på en 1.024 x 1.024 pixel Digital Camera, som vist i figur 3. I dette tilfælde giver den optiske opsætning en spektral opløsning på 0,6 nm på tværs af en ca 140 nm udløber inden for et omtrentligt komplet område på 800 nm på tværs af UV til NIR bølgelængder. Spektral opløsningen måles som spektrografens evne til at skelne mellem to tætte toppe, og positionen af udløber inden for hele spektret kan justeres ved at rotere rist. Et centralt element i systemet er valget af diffraktion rist, som dikterer bølgelængdeområdet og spektral opløsningen, hvor førstnævnte er omvendt proportional med sidstnævnte. Typisk er et bredt bølgelængde område er nødvendig for at finde flere atomare linjer, mens en høj spektral opløsning er nødvendig for at måle deres position præcist; Dette kan ikke fysisk opnås med en enkelt rist til denne type spektrograf. Derfor er data fra flere subranger, med høj opløsning, taget på forskellige positioner på tværs af UV til NIR-området. Disse data er trådt og limet sammen for at danne et sammensat spektrum.

I praksis, på grund af begrænsninger i fiberoptisk lys transmission, et spektrum bølgelængde område på 450 Nm til 890 nm blev registreret. Fra og med 450 Nm blev der indspillet lys fra fire uafhængige genererede lynbuer, baggrundsstøj blev trukket, og de blev derefter gennemsnitligt. Bølgelængdeområdet blev derefter flyttet til 550 nm, hvilket gav en 40 nm data overlap, med lys fra en anden fire genereret lyn buer indspillet og gennemsnit. Dette blev gentaget, indtil 890 nm blev nået, og de resulterende gennemsnitlige data blev syet sammen for at skabe et komplet spektrum over hele det foruddefinerede bølgelængde område. Denne proces er illustreret i figur 4. Karakteristiske toppe blev derefter brugt til at identificere kemiske elementer ved sammenligning med en etableret database²⁴.

I dette dokument beskrives metoden til optisk emissions spektroskopi. Denne metode er let anvendelig på en lang række andre lysemitterende hændelser med minimal ændring af den eksperimentelle opsætning eller spektrograph Systemindstillinger. Sådanne anvendelser omfatter hurtige elektriske udledninger, delvise udledninger, gnide og andre relaterede fænomener i elektriske systemer og udstyr.

Protocol

1. valg af bølgelængde område

1. Bølgelængdeområdet for det lyn, der skal observeres, skal først vælges. 450 Nm til 890 nm blev valgt.
   Bemærk: Dette vil blive begrænset af laboratorie opsætningen, spektral området som defineret af ristens brændende vinkel og følsomheden af kameraet.

2. klargøring af elektroderne

1. Vælg et egnet elektrode materiale. Et par 60 mm diameter halvkugleformede wolframelektroder fastgjort til kobber beslag blev valgt, som illustreret i figur 5.
   Bemærk: ethvert materiale, som Lightning-buen interagerer med, udsender et spektrum, herunder elektroden, og det er vigtigt at minimere denne interferens. Dette bør dog opvejes mod elektrode materialets evne til at modstå gentagne lynnedslag med minimal beskadigelse under eksperimenter. For wolfram er mange af dens emissionslinjer inden for det valgte bølgelængde område kun synlige mellem 450 Nm og 590 nm og kan stort set skelnes fra en forventet Lightning Spectra. Det er også et meget hårdt materiale, der er almindeligt anvendt i høj spænding og høje aktuelle eksperimenter.
2. Rengør og polere elektroderne for at fjerne eventuelle forurenende stoffer. Ethvert materiale, hvormed Lightning Arc interagerer vil udsende et spektrum, herunder af eventuelle forurenende stoffer. Det er derfor vigtigt at sikre, at elektroderne er kontaminerende fri for at sikre ingen fejlagtige spektrallinjer.
   1. Gnid elektroden med groft sandpapir i 5 min, Placer den i et sonisk vandbad ved stuetemperatur i 10 minutter, og tør derefter med en fnugfri klud for at løsne og fjerne eventuelle forurenende stoffer. Brug altid handsker ved håndtering af elektroden for at undgå rekontaminering.
   2. Gentag ovenstående typisk ti til femten gange med faldende kvaliteter af sandpapir, Emery klud, og derefter polering klude, indtil en god polsk finish er opnået. Der blev anvendt sandpapir-og stof kvaliteter på 240 til 8.000.
3. Monter elektroderne i Lightning-opstillingen, der etablerer en passende afstand mellem dem. Her er elektroderne monteret inden for lynet 14 mm fra hinanden som vist i figur 5.
   Bemærk: forskellige Lightning-testanlæg har forskellige driftsmæssige spændinger, så afstanden mellem elektroderne skal være således, at der opstår en luft opdeling, når Lightning impuls generatoren udløses.

3. klargøring af Spektrografen

1. Spektrografen placeres i et uafhængigt EMI-klassificeret kabinet, som illustreret i figur 2. Ideelt set bør Lightning rig og spektrograf anbringes i separate EMI-kabinetter.
2. Vælg og Installer fiberoptik. Den valgte fiber var en 8 m lang fiberoptik og installeret mellem de to EMI kamre.
   1. Vælg en fiberoptik med gode Transmissionsegenskaber inden for det foruddefinerede bølgelængde område, der skal observeres, dvsmellem 450 nm til 890 nm.
   2. Bemærk transmissionseffektiviteten mod bølgelængde data, da dette vil blive brugt til data efter behandling. Dette leveres ofte af producenten, selv om det ideelt set skal måles ved hjælp af en kalibreret lampe.
   3. Forbind den ene ende af fiber optikken til det optiske chassis i et let stramt arrangement.
   4. Placer den anden ende af fiber optikken for at se lynet buen mellem elektroderne. Lys fra en laser sendt gennem spektrometer i omvendt kan hjælpe med tilpasningen. Fiber optikken er placeret i samme højde som midten af elektrode hullet ved 2 m, som vist i figur 6.
   5. Juster mængden af lys, når kameraet når det er nødvendigt for at minimere enhver mætning. Der anvendes en kollimator, som reducerer den fiberoptiske betragtningsvinkel til 0,12 °, hvilket resulterer i en spot størrelse på 4,2 mm ved lydens placering for en samlet lysbue længde på 14 mm, hvilket reducerer lyset med ca. en fjerdedel.
      Bemærk: intensiteten af lys, der når kameraet, kan alternativt justeres ved at ændre afstanden mellem lyskilden og fiberoptik ved at justere slids eller ved hjælp af et neutralt tætheds filter.
3. Tænd for spektrograph-systemet, og start den tilhørende kontrol software. Det digitale kamera kræver ca. 10 min. for at nå en temperatur på-70 °C.
   Bemærk: nogle digitale kameraer kræver afkøling for at reducere støjen, før de bliver fuldt funktionsdygtige.
4. Vælg den spektrograf rist. En 900 LN/mm 550 Blaze rist blev brugt.
   Bemærk: riften definerer bølgelængdeområdet og spektral opløsningen inden for det anvendte spektrograf system med en spektral opløsning på < 1 nm, der kræves til spids identifikation. Den valgte rist giver et bølgelængde område på ca. 140 nm og en opløsning på 0,6 nm.
5. Kalibrer spektrografen mod en kendt kalibrerings kilde, såsom en kviksølv-argon lampe.
   1. Placer ristens udgangsposition i bunden af det forudvalgte bølgelængde område. Her blev rist ringen placeret ved 450 Nm, hvilket giver en rækkevidde på 450 Nm til 590 nm.
   2. Tænd for kalibrerings kilden og Placer den mod den åbne ende af fiber optikken.
   3. Juster kameraets eksponering via betjenings softwaren til et passende tidspunkt for at opnå et godt umættet signal, såsom en eksponering på 0,1 s.
   4. Juster slids via betjenings softwaren for at skærpe spektral toppene, hvis det er nødvendigt, eller i nogle tilfælde kan detektorens position også justeres for at optimere signalet. Der blev anvendt en slids på 100 μm.
      Bemærk: slids skal indstilles til en minimal værdi for at mindske udvidelsen af de atomare linjer på grund af diffraktion af lys ved slids, med værdier op til 20 μm ofte brugt. Men en smal spalte vil også reducere signalet og en balance kan være nødvendigt at finde mellem lysintensitet og skarphed af toppe.
   5. Registrer kalibrerings kildens spektre, og Identificer pixel nummeret på det resulterende kamera billede, hvor toppene forekommer.
   6. Plot placeringen af pixel nummeret for hver spids mod den kendte bølgelængde af hver spids, der leveres med kalibrerings kilden og passer til en lige linje for at udlede en ligning, der gør det muligt at konvertere pixels til bølgelængde. Et eksempel på dette for tre kendte kviksølv atomer er illustreret i figur 7.
   7. Anvend kalibreringen på denne riste position, før du går videre til den næste. For nogle spektrograf systemer kan konverteringen af pixel nummer til bølgelængde anvendes på softwaren ved hjælp af en kalibrerings fil.
   8. Placer rist ingen for den næste udløber, og Gentag ovenstående trin. Her var rist ringen næste placeret til 550 nm giver en række 550 nm til 690 nm resulterer i en overlapning på 40nm med den tidligere bølgelængde område.
      Bemærk: bredden af overlap regionen skal være tilstrækkelig til at tillade anerkendelse af tendenser i slutningen af det første område og begyndelsen af den anden rækkevidde for det senere trin og lim proces.
   9. Gentag ovenstående trin for alle ristestillinger. Dette blev gentaget, indtil 890 nm blev nået.
      Bemærk: kalibrerings kilder, typisk en lampe med kendte spektral toppe, er normalt forsynet med spektrograf systemer, og producenten vil være i stand til at give flere detaljer om, hvordan kalibrering kan opnås.
6. Vælg spektrograph-parametre for at registrere den genererede Lightning-bue.
   1. Juster slids yderligere, hvis det er nødvendigt.
   2. Indstil kameraets eksponeringstid for at sikre, at hele Lightning-hændelsen registreres. Overvej udløseren tid og eventuelle forsinkelser i nogen i enten Lightning generator eller spektrograph, når du indstiller denne parameter. For Lightning-generatoren ved MBLL blev der anvendt en eksponeringstid på 5 s.
      Bemærk: en længere eksponeringstid vil øge støjniveauet og sandsynligheden for artefakter, såsom kosmiske stråler, så der bør gøres en indsats for at holde dette til et minimum. Tiden skal dog også være tilstrækkelig til at tegne en eventuel usikkerhed ved udløsning af det genererede Lightning Arc-eller spektrograph-system for at sikre, at hele arrangementet registreres.
   3. Skift spektrograph-systemtilstanden for at modtage en udløser fra Lightning-generatoren. Et 5 V TTL-signal blev brugt til at udløse kameraet 2,5 s, før Lightning Arc blev initieret.

4. kørsel af et eksperiment

1. Forbered lynet generatoren.
   1. Sørg for, at alle lygter er slukket, og at kamrene lukkes, hvor det er relevant, for at sikre et let stramt miljø.
   2. Tænd for Lightning-generatoren. Hver Lightning test facilitet vil have sin egen protokol til at forberede og tænde. På MBLL er området ryddet af personalet, og de relevante sikkerhedsanordninger er involveret, før Lightning-generatoren kan aktiveres.
   3. Vælg den relevante Lightning-bølgeform, og oplad til den påkrævede spidsstrøm. En typisk 54 kV, 100 kA peak kritisk dæmpede oscillerende 100 μs peak 18/40 μs bølgeform blev brugt.
2. Få Spectra fra flere genererede lynhændelser
   1. Placer spektrograf rist ved dens startposition og tag et baggrundsbillede med de samme parametre som for Lightning Strike. Dette kan være et gennemsnit af flere baggrundsbilleder. En 5 s eksponering med en 100 μm slids blev brugt ved 450 Nm-indstillingen.
   2. Sørg for, at spektrograph-systemet er klar til at blive udløst for at registrere spektrene med de korrekte indstillinger. En 5 s eksponering med en 100 μm slids blev brugt ved 450 Nm-indstillingen.
   3. Oplad Lightning generator og udløse Lightning begivenhed, som også vil udløse spektrografen.
   4. Optag output spektraldata.
   5. Kontroller de spektroskopiske data for eventuel interferens. Spektrografer er lejlighedsvis tilbøjelige til data pigge forårsaget af kosmisk stråling eller andre artefakter forårsaget af ikke-Responsive eller døde pixels. Der bør gøres en indsats for at fjerne en sådan interferens, og nogle spektrografer har software, som kan gøre dette. Et alternativ er at ignorere dataene og gentage eksperimentet. Figur 8 viser et eksempel på forskellen mellem data med og uden en kosmisk stråling Spike.
   6. Rengør elektroderne af enhver kontaminering, hvis det kræves ved enten at tørre ned med alkohol eller, hvis forurenet, gentage trin 2,2.
   7. Gentag trin 4.2.2 til 4.2.5, indtil fire sæt spektroskopiske data for intervallet 450 Nm er nået.
   8. Placer spektrografen til 550 nm, og Gentag trin 4.2.1 til 4.2.6, indtil fire sæt spektrograf data for intervallet 550 nm er opnået.
      Bemærk: antallet af gentagne trin skal være tilstrækkeligt til at gennemsnitligt en vilkårlig shot-to-shot-afvigelse set i den genererede Lightning-bue.
   9. Gentag ovenstående, indtil alle datasæt er blevet indsamlet for at nå den maksimale bølgelængde værdi på 890 nm, hvilket resulterer i seksten sæt spektraldata.
   10. Hvis der er signifikant variation i spektrene for hver udløber ved samme Lightning Current generator indstillinger, for eksempel i intensiteten af atomare linjer, så kan forsøgene på hvert trin skal gentages mere end fire gange. Formålet med dette er at minimere effekten af eventuelle engangs anomalier og at gennemsnitlige den shot-to-shot variation fra Lightning generator og Lightning Free Arc.
   11. Hvis der er en forskel i Spectra ved samme Lightning Current-generator indstillinger, kan det være nødvendigt at vurdere det eksperimentelle setup for forurenende stoffer.

5. data efter behandling

1. Til efter behandling og analyse af data skal du vælge et regnearksprogram, der indeholder beregningsfunktioner. Sådan software er almindeligt tilgængelige.
2. Subtrahere de baggrundsdata, der er erhvervet i trin 4.2.1, fra hver relevant genereret Lightning Spectra-data.
   1. Gennemsnittet af 450 Nm baggrundsdata trækkes fra hver 450 Nm genereret Spectra data, gennemsnittet af 550 nm data trækkes fra hver 550 nm genereret Lightning Spectra data, og så videre. Et eksempel på dette er vist i figur 9.
3. Gennemsnitligt hvert enkelt datasæt for hvert bølgelængde område. Dette illustreres i figur 10 , hvor 4 450 Nm-datasæt er gennemsnitligt.
4. Brug det overlappende område til at justere fortløbende Spectra-data og derefter gennemsnitligt det overlappende område. Dette illustreres i Figur 11 , som viser de gennemsnitligt 450 Nm-og 550 nm-data.
   Bemærk: tilpasningen og gennemsnittet af den overlappende region vil introducere fejl, og det kan være nødvendigt at foretage en relativ intensitet kalibrering for det komplette spektrum ved hjælp af for eksempel en wolfram bånd lampe.
5. Korrekt til fiberoptisk dæmpning og kvante effektivitet. Dette illustreres i figur 12.
   Bemærk: en mere nøjagtig korrektion kan opnås ved at bruge en kalibreret lampe til at måle transmissionen af lys for hver Subrange. I dette tilfælde kan korrektionen anvendes før syning proces.
6. Præsentere de endelige data som enten en grafisk gengivelse eller et intensitets plot, som vist i Figur 13.

6. analyse af data

1. Identificer de karakteristiske spektral toppe.
   1. Nogle spektrograph systemer vil omfatte software, som automatisk vil identificere element toppe. Der bør udvises forsigtighed, især med syede data, at peak steder er korrekte.
   2. Manuel spids identifikation kan gøres ved hjælp af offentligt tilgængelige databaser, såsom²⁴. Der skal udvises forsigtighed for at passe til den stærkeste (relative intensitet) toppe fra de laveste ioniserings niveauer først (dvs., jeg, derefter II, derefter III) et element ad gangen.
   3. Problemer med præcist at identificere toppe eller justere dem kan skyldes kalibrerings problemer eller fejljusteringer i optikken. Vurder placeringen af optikken i optik chassiset, og Gentag trin 3.
      Bemærk: den høje energi af de genererede lynbuer vil forårsage udvidelse af de atomare emissionslinjer på grund af den skarpe effekt og pålidelig identifikation af alle linjer er måske ikke muligt.

Representative Results

En repræsentativ Lightning intensitet mod bølgelængde plot for en 100 kA peak kritisk dæmpet oscillerende 100 μs peak 18/40 μs bølgeform, på tværs af en luft kløft mellem et par af 60 mm diameter wolframelektroder placeret 14 mm fra hinanden, er givet i Figur 14. Disse data består af fire sæt af 4 140 nm gennemsnit datasegmenter syet sammen og korrigeret for baggrundsstøj, fiberoptisk dæmpning, og digital kamera Quantum effektivitet. Disse data er blevet konverteret til en intensitet plot, som vist i Figur 15. Fremtrædende toppe er blevet manuelt identificeret ved sammenligning med en etableret database, som vist i Figur 16.

Figur 1 : Genereret Lightning Arc-profil. Den indspillede spor af en typisk 100 kA peak kritisk dæmpet oscillatory, 100 μs varighed, 18/40 μs genereret Lightning bølgeform. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 : Eksperimentel opsætning. En skematisk af den eksperimentelle opsætning (ikke at skalere), hvor lyset fra en genereret lyn bue mellem to elektroder transporteres via en fiberoptik til det spektroskopiske system, bestående af en optik chassis og digital kamera. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 : Opsætning af Spektrograph. En skematisk af spektrograph system (ikke at skalere), hvor lyset fra fiberoptik er forvandlet til et spektrum, via en rist, som derefter optages af et digitalt kamera. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 : Sortering, behandling og præsentation af spektraldata. En illustration af de trin, der bruges til at sammenligne, gennemsnit, sy og korrigere data til opnåelse af et bredt højt opløsnings spektrum. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5 : Elektrode konfiguration. Et billede af de to 6 mm diameter halvkugleformede wolframelektroderne fastgjort til kobber beslag placeret 14 mm fra hinanden inden for lynet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6 : Fiberoptisk konfiguration. Et billede af fiberoptik placeret i samme højde og i en afstand af 2 m fra de monterede elektroder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7 : Bølgelængde kalibrering. a) en tabel med tre kendte kviksølv linjer i forhold til det pixel nummer, hvormed de blev målt, og (b) et plot af hvert punkt (krydsninger) og en lige linje pasform (stiplet linje), der giver en ligning (Indsæt), der gør det muligt at konvertere pixels til bølgelængde. Dette gøres for flere kendte atomare linjer over hele bølgelængdeområdet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8 : Kosmisk stråle interferens. Spektraldata fra et 100 kA laboratorium genererede Lightning Arc i intervallet 550 nm til 690 nm, der viser: (a) data uden kosmisk stråle interferens og (b) og (c) data med karakteristiske kosmiske stråle pigge. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9 : Subtraktion af baggrund. Spektraldata fra et 100 kA laboratorium genererede Lightning Arc i intervallet 550 nm til 690 nm, der viser: (a) gennemsnitlige baggrundsdata, (b) rå data, og (c) data med gennemsnits baggrund fratrukket. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10 : Gennemsnitlig data. Spektraldata fra et 100 kA laboratorium genererede Lightning Arc i intervallet 550 nm til 690 nm, der viser: (a-d) individuelle data og (e) gennemsnitligt data. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11 : Syning af data. Spektraldata fra et 100 kA laboratorium genereret Lightning Arc viser: (a) den 550 nm til 690 nm område, (b) den 650 til 790 nm område, og (c) de to overlagte datasæt med en 650 nm til 690 nm overlap. Over lapnings området beregnes derefter i gennemsnit. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12 : Korrigering af data. Parceller i 450 Nm til 890 nm bølgelængde område for (a) fiber dæmpning, og (b) spektrograph kamera Quantum effektivitet leveres af de respektive fabrikanter. Disse bruges til at korrigere de syet spektraldata i overensstemmelse hermed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 13 : Præsentation af data. Eksempler på (a) en grafisk data plot og (b) en intensitet plot, der repræsenterer spektret af et 100 kA laboratorium genereret lyn bue i 550 nm til 790 nm bølgelængde område. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 14 : Typiske grafiske data. En typisk gennemsnitlig, syet og korrigeret grafisk plot i 450 Nm til 890 nm bølgelængde område for en 100 kA laboratorium genereret Lightning Arc. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 15 : Typisk intensitet plot. En typisk gennemsnitlig, syet og korrigeret intensitet plot i 450 Nm til 890 nm bølgelængde område for en 100 kA laboratorium genereret Lightning Arc. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 16 : Identifikation af kemiske elementer. En illustration af spektrallinje kemisk element identifikation for første ordre ioniserings niveauer ved hjælp af en offentligt tilgængelig database²⁴. Elementer i luften (nitrogen, ilt, argon, helium) og i elektroden (wolfram) er blevet identificeret. Dette spektrum er næsten identisk med det i reference¹⁴ , da det bruger det samme apparat til at analysere den samme type Lightning Arc. Dette tal er blevet tilpasset fra reference¹⁴. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Spektroskopi er et nyttigt værktøj til at identificere kemiske element reaktioner under både naturlige og genererede lynnedslag. I betragtning af en tilstrækkelig nøjagtig og reproducerbar eksperimentel opsætning kan yderligere analyse af data afsløre en række andre Lightning egenskaber. Det har for eksempel været brugt til at kontrollere, at spektrene af laboratorium genereret lyn buer er spektrumsmæssigt ligner naturlige lyn, og at tilsætning af andre materialer i Lightning Arc kan ændre dette spektrum betydeligt¹⁴. Metoden kan også anvendes til andre lysemitterende hændelser såsom hurtige elektriske udledninger, delvise udledninger, gnide og andre relaterede fænomener i højspændingssystemer, hvor samtidig identifikation af flere atomare linjer eller elementer på tværs af en bredt spektrum er vigtigt.

Det mest kritiske trin er at sikre, at de korrekte parametre anvendes ved opsætning af spektrografen, såsom spalte-, rist-og kameraindstillinger, for at opnå de bedst mulige data, hvilket resulterer i stærke, skarpe spektral toppe. Der bør gøres en indsats for også at sikre, at detektoren ikke er mættet, når signalet optimeres. Placeringen af fibrene kan også justeres og/eller kollimeret for at forbedre lysintensiteten, samt at sikre, at enhver Stray lys ikke en del af Lightning begivenhed er enten elimineret eller fjernet som en del af baggrunden Imaging proces. Det kan tage nogle forsøg og fejl. Evnen af Lightning generator bruges til at reproducere den samme lyn begivenhed præcist med minimal variation, eller til at forstå, hvor eventuelle variationer kan komme fra, så de kan styres, er vigtigt at opnå pålidelige og gentagelig spektroskopiske Resultater.

Der kan foretages ændringer i dette setup for at vurdere forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum yderligere i UV-og IR-båndene, hvor billedbehandlings teknologien tillader og afhængigt af den type hændelse, der afbildes. For eksempel, udvide bølgelængde område under 450 nm kan afsløre yderligere atomare og molekylære linjer, såsom emissioner fra NO og OH radikale. Justering af spektrografen rist for at give en lavere opløsning over en bredere vifte kan bidrage til at identificere interessante funktioner, som derefter kan analyseres ved hjælp af en højere opløsning smallere rækkevidde rist.

Den største fordel ved denne teknik er, at det er helt ikke-påtrængende, så det kræver ikke nogen ændring af Lightning generator. Ved at transportere lyset via en fiberoptik reduceres mængden af elektrisk interferens fra det barske elektromagnetiske miljø, hvilket andre systemer, såsom kameraer, kan opleve, hvis de ikke er tilstrækkeligt afskærmede. Det betyder, at data fra en spektrograf potentielt har meget lavere støj og mindre interferens end andre instrumenter. Denne specifikke teknik er begrænset af sin mangel på tid opløsning og efterfølgende mangel på yderligere karakterisering af Lightning Arc. F. eks. findes der højhastigheds spektrografer, som kan give tid til at løse spektraldata, som fører til målinger af temperatur og elektron tæthed.

Det forventes, at spektroskopi vil blive et vigtigt redskab, sammen med andre diagnostiske instrumentering, i forståelse laboratorium genereret lyn buer. Det vil bidrage med gratis information om karakteristiske lyn begivenhed signaturer og bruges til at identificere de reaktive kemiske elementer i buen. Yderligere udvikling af denne teknik kan også resultere i derisering af yderligere egenskaber.

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