Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Metode for innspilling bredbånd høyoppløselig utslipp Spectra av Laboratory Lightning Arcs

Published: August 27, 2019 doi: 10.3791/56336
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Morgan-Botti Lightning Laboratory, Advanced High Voltage Research Centre, School of Engineering, Cardiff University

Summary

Utslipp spektroskopi teknikker har tradisjonelt blitt brukt til å analysere iboende tilfeldig lyn buer som forekommer i naturen. I dette dokumentet beskrives en metode som er utviklet for å oppnå utslipps spektroskopi fra reproduserbar lyn buer som genereres i et laboratoriemiljø.

Abstract

Lyn er en av de mest vanlige og destruktive kreftene i naturen og har lenge vært studert ved hjelp av spektroskopiske teknikker, først med tradisjonelle kamera film metoder og deretter digitalkamera teknologi, som flere viktige egenskaper har blitt Avledet. Imidlertid har slikt arbeid alltid vært begrenset på grunn av den iboende tilfeldig og ikke-repeterbar natur lyn hendelser i feltet. Den siste utviklingen i lyn testanlegg nå tillate reproduserbar generering av lyn buer innen kontrollerte laboratoriemiljøer, og gir en test seng for utvikling av nye sensorer og diagnostiske teknikker for å forstå lyn mekanismer bedre. En slik teknikk er en spektroskopiske system som bruker digitalkamera teknologi i stand til å identifisere de kjemiske elementene som lynet buen samhandler med, med disse dataene deretter brukes til å utlede ytterligere egenskaper. I denne utredningen er spektroskopiske systemet brukes til å oppnå utslipps spekteret fra en 100 kA peak, 100 μs varighet lyn bue generert over et par halvkuleformet tungsten elektroder atskilt med en liten luftspalte. For å opprettholde en Spectral oppløsning på mindre enn 1 NM, ble flere individuelle Spectra spilt inn på tvers av diskrete bølgelengde områder, gjennomsnitt, sydd og korrigert for å produsere et endelig sammensatt spektrum i 450 nm (blått lys) til 890 NM (nær infrarødt lys) rekkevidde. Karakteristiske topper i dataene ble deretter sammenlignet med en etablert offentlig tilgjengelig database for å identifisere den kjemiske element interaksjoner. Denne metoden er lett tilgjengelig for en rekke andre lys utsending hendelser, for eksempel raske elektriske utslipp, delvis utslipp, og gnister i elektrisk utstyr, apparater og systemer.

Introduction

Lyn er en av de mest vanlige og destruktive krefter i naturen preget av en rask elektrisk utladning sett på som et glimt av lys og etterfulgt av torden. En typisk lyn bue kan bestå av en spenning på titalls gigavolt og en gjennomsnittlig strøm på 30 kA over en bue titalls til hundrevis av kilometer lang alt skjer innen 100 μs. observasjon av lys utslipps spekteret fra Lyn hendelser har lenge vært brukt til å utlede informasjon om sine egenskaper. Mange teknikker ble etablert ved hjelp av tradisjonelle film-baserte kamera teknikker for studiet av naturlige lyn streiker i løpet av 1960 til 1980, for eksempel1,2,3,4,5 ,6,7og, mer nylig, moderne digitale teknikker, for eksempel8,9,10,11,12, 13 på alle , 14, har blitt brukt til å gi en mer nøyaktig innsikt i lyn mekanismer. Over tid har slikt arbeid vist evnen til å ikke bare identifisere kjemiske element interaksjoner1,14, men også få målinger av temperatur15,16, trykk5, partikkel-og elektron tetthet5,17, energi18, motstand og innvendig elektrisk felt av Arc8. Men studier av naturlig lyn har alltid vært begrenset av den iboende uforutsigbare tilfeldig og ikke-repeterbar natur lyn hendelser.

I de senere årene har forskning fokusert på hvordan lyn samhandler med omgivelsene, spesielt i luftfartsindustrien for å beskytte fly i flukt fra direkte lynnedslag. Flere store lyn testanlegg har følgelig blitt designet og bygget for å gjenskape de mest destruktive elementene i et lynnedslag, nemlig gjeldende og leveringstid, men med en begrenset spenning. Den Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 ved Cardiff University kan generere fire distinkte lyn bølgeformer opp til en 200 kA i henhold til den aktuelle standard20. Med et slikt laboratorie anlegg, kan lyn enkelt reproduseres og styres med en høy grad av nøyaktighet og repeterbarhet, og gir en test seng for utvikling av nye sensorer og diagnostiske teknikker for å forstå lyn interaksjoner og mekanismer bedre21,22,23. En slik teknikk er en nylig utviklet og installert spektroskopiske system14,21 som i likhet med spektroskopiske systemer som brukes i naturlige lyn studier, opererer i ultrafiolett (UV) til nær-infrarød (NIR) rekkevidde. Det er en ikke-påtrengende metode som ikke forstyrrer lyn buen og er i stor grad upåvirket av elektromagnetisk støy produsert under en streik, i motsetning til de fleste elektronisk baserte enheter.

Den spektrograf systemet ble brukt til å observere spekteret av en typisk laboratorium generert lyn bue bestående av en 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon, 100 μs varighet, 18/40 μs bølgeform over en luftspalte mellom et par 60 mm diameter tungsten som er separert av en 14 mm luftspalte. En typisk spor av denne lyn lys bue bølgeformen er vist i figur 1. Elektrodene ble plassert i en elektromagnetisk impuls (EMI) lys tette kammer slik at det eneste innspilte lyset var fra Lyn buen selv, med en liten mengde av dette lyset blir transportert via en 100 μm diameter fiberoptisk, plassert 2 m unna og collimated til en 0,12 ° visningsvinkel som gir en spot størrelse på 4,2 mm i posisjonen til buen, til et annet EMI-kammer som inneholder spektrograf systemet, som vist i figur 2. EMI kamre ble brukt for å minimere bivirkninger forårsaket av lyn hendelsen. Fiberoptisk er avsluttet ved lys-stramt optikk chassis basert på en Czerny-Turner konfigurasjon av brennvidde 30 cm, med lyset som går gjennom en justerbar 100 μm slit og på en 900 ln/mm 550 Bliss Roterbar rist via tre speil, på en 1 024 x 1 024 piksel digitalt kamera, som vist i Figur 3. I dette tilfellet gir det optiske oppsettet en Spectral oppløsning på 0,6 NM over en ca. 140 NM-Subrange innenfor et omtrentlig område på 800 NM på tvers av UV til NIR bølgelengder. Spectral oppløsning måles som spektrograf evne til å skille to nære topper, og plasseringen av Subrange innenfor hele spekteret kan justeres ved å rotere risten. En viktig komponent i systemet er valget av Diffraksjon rist som dikterer bølgelengdeområdet og Spectral oppløsning, med den tidligere blir omvendt proporsjonal med sistnevnte. Vanligvis er en bred bølgelengdeområde nødvendig for å lokalisere flere Atom linjer, mens en høy Spectral oppløsning er nødvendig for å måle deres posisjon nøyaktig; Dette kan ikke fysisk oppnås med en enkelt rist for denne typen spektrograf. Derfor er data fra flere subranges, med høy oppløsning, tatt med ulike posisjoner på tvers av UV-til NIR-serien. Disse dataene blir trappet og limt sammen for å danne et sammensatt spektrum.

I praksis, på grunn av begrensninger i fiberoptisk lystransmisjon, ble et spektrum bølgelengdeområde på 450 nm til 890 NM registrert. Starter på 450 nm, lys fra fire uavhengige genererte lyn buer ble registrert, bakgrunnsstøy ble trukket, og de var da gjennomsnitt. Bølgelengdeområdet ble deretter flyttet til 550 NM, noe som gir en 40 nm data overlapping, med lys fra en annen fire genererte lyn buer registrert og gjennomsnitt. Dette ble gjentatt inntil 890 NM ble nådd, og de resulterende gjennomsnitts dataene ble sydd sammen for å skape et komplett spektrum på tvers av hele forhåndsdefinerte bølgelengdeområdet. Denne prosessen er illustrert i Figur 4. Karakteristiske topper ble deretter brukt til å identifisere kjemiske elementer gjennom sammenligning med en etablert database24.

I denne utredningen beskrives metoden for optiske utslipps spektroskopi. Denne metoden er lett anvendelig å en rikt utvalg av annet lyset utsendt begivenheter med minimal omleggingen å det eksperimentelle Setup eller spektrograf system innfatningene. Slike søknader inkluderer raske elektriske utslipp, delvis utslipp, gnister og andre relaterte fenomener i elektriske systemer og utstyr.

Protocol

1. velge bølgelengdeområde

  1. Bølgelengdeområdet til lynet som skal observeres må først velges. 450 nm til 890 NM ble valgt.
    Merk: Dette vil begrenses av laboratorie oppsettet, Spectral-området som definert av den lynraske vinkelen på risten og følsomheten til kameraet.

2. klargjøre elektrodene

  1. Velg et egnet elektrode materiale. Et par 60 mm diameter halvkuleformet wolfram elektroder festet til kobber festene ble valgt, som illustrert i figur 5.
    Merk: ethvert materiale som lynet Arc samhandler med vil avgi et spektrum, inkludert elektroden, og det er viktig å minimere denne forstyrrelsen. Dette bør imidlertid balanseres mot evnen av elektrode materialet til å tåle gjentatte lynnedslag med minimal skade under eksperimentering. For Tungsten, mange av sine utslipps linjer innenfor den valgte bølgelengdeområdet er bare synlig mellom 450 nm og 590 NM og er i stor grad skilles fra en forventet lyn Spectra. Det er også et svært hardt materiale som vanligvis brukes i høy spenning og høy dagens eksperimentering.
  2. Rengjør og polere elektrodene for å fjerne eventuelle forurensninger. Ethvert materiale som lyn Arc samhandler vil avgi et spektrum, inkludert at av eventuelle forurensninger. Det er derfor viktig å sikre at elektrodene er forurensende, for å sikre ingen feilaktige Spectral linjer.
    1. Gni elektroden med grovt sandpapir i 5 min, Legg den i en sonisk vannbad ved romtemperatur i 10 min, tørk med en lofri klut for å løsne og fjerne eventuelle forurensninger. Bruk alltid hansker ved håndtering av elektroden for å unngå recontamination.
    2. Gjenta ovenfor typisk ti til femten ganger med synkende graderinger av sandpapir, Emery klut, og deretter polering kluter til en god polsk finish er oppnådd. Sandpapir og klut graderinger av 240 til 8 000 ble brukt.
  3. Monter elektrodene i lyn riggen som etablerer en passende avstand mellom dem. Her er elektrodene montert i lyn riggen 14 mm fra hverandre som vist i figur 5.
    Merk: ulike lyn testanlegg har ulike operative spenninger, slik at avstanden mellom elektrodene skal være slik at en luft sammenbrudd vil oppstå når lyn impuls generatoren utløses.

3. klargjøre Spektrograf

  1. Plasser spektrograf i et uavhengig EMI-vurdert kabinett, som illustrert i figur 2. Ideelt sett bør lyn riggen og spektrograf bli plassert i egne EMI-kabinetter.
  2. Velg og Installer fiberoptisk. Den valgte fiber var en 8 m lang fiberoptisk og installert mellom de to EMI kamre.
    1. Velg en fiberoptisk med gode overførings egenskaper innenfor den forhåndsdefinerte bølgelengdeområdet som skal observeres, det vil simellom 450 nm til 890 NM.
    2. Legg merke til Overføringseffektiviteten mot bølgelengde data, da dette vil bli brukt til data etterbehandling. Dette er ofte gitt av produsenten selv, ideelt sett, bør det måles ved hjelp av en kalibrert lampe.
    3. Koble den ene enden av fiberoptisk til optikk kabinettet i en lett stram ordning.
    4. Plasser den andre enden av fiberoptikk for å vise lyn buen mellom elektrodene. Lys fra en laser som sendes gjennom spektrometer i revers, kan hjelpe med justering. Den fiberoptiske er plassert i samme høyde som midten av elektrode gapet på 2 m, som vist i figur 6.
    5. Juster Lysmengden som når kameraet, hvis det er nødvendig for å minimere metning. Det brukes en parallelliseringsoptikk som reduserer fiberoptisk visningsvinkel til 0,12 °, noe som resulterer i en spot størrelse på 4,2 mm i posisjonen til lyn buen for en total buelengde på 14 mm, noe som reduserer lyset med omtrent en fjerdedel.
      Merk: intensiteten av lys når kameraet kan alternativt justeres ved å endre avstanden mellom lyskilden og fiberoptisk, ved å justere slit, eller ved hjelp av en nøytral tetthet filter.
  3. Slå på spektrograf systemet og start den tilhørende Kontrollprogramvaren. Det digitale kameraet krever rundt 10 min for å nå en temperatur på-70 ° c.
    Merk: noen digitale kameraer krever kjøling for å redusere støy før de blir fullstendig operative.
  4. Velg spektrograf rist. En 900 ln/mm 550 Blaze rist ble brukt.
    Merk: risten definerer bølgelengdeområdet og Spectral oppløsning innenfor det spektrograf systemet som brukes, med en Spectral oppløsning på < 1 NM som kreves for maksimal identifikasjon. Den valgte risten gir et bølgelengdeområde på ca. 140 NM og en oppløsning på 0,6 NM.
  5. Kalibrer spektrograf mot en kjent kalibrerings kilde, for eksempel en Mercury-Argon-lampe.
    1. Plasser risten i startposisjonen nederst på det forhåndsvalgt bølgelengdeområdet. Her ble risten plassert ved 450 nm, noe som ga en rekkevidde på 450 nm til 590 NM.
    2. Slå kalibrerings kilden på og plasser den mot den åpne enden av fiberoptikk.
    3. Juster kamera eksponeringen via Kontrollprogramvaren til et passende tidspunkt for å oppnå et godt umettede signal, for eksempel en eksponering av 0,1 s.
    4. Juster slit via Kontrollprogramvaren for å skjerpe Spectral toppene hvis nødvendig, eller, i noen tilfeller, kan posisjonen til detektoren også justeres for å optimalisere signalet. Det ble brukt en splitt på 100 μm.
      Merk: slit bør settes til en minimal verdi for å redusere utvidelse av Atom linjer på grunn av Diffraksjon av lys i slit, med verdier opp til 20 μm ofte brukt. Imidlertid vil en smal slit også redusere signalet og en balanse kan trenge å bli funnet mellom lys intensitet og skarphet av topper.
    5. Noter Spectra av kalibrerings kilden og Identifiser piksel nummeret på det resulterende kamerabildet der toppene forekommer.
    6. Plott posisjonen til piksel nummeret for hver topp mot den kjente bølgelengden til hver topp som følger med kalibrerings kilden og passer til en rett linje for å utlede en ligning som tillater konvertering av piksler til bølgelengde. Et eksempel på dette for tre kjente Mercury Atomic linjer er illustrert i figur 7.
    7. Påfør kalibreringen til denne gitter posisjonen før du går videre til neste. For noen spektrograf systemer kan konverteringen av piksel nummer til bølgelengde brukes på programvaren ved hjelp av en kalibrerings fil.
    8. Plasser risten for neste Subrange, og Gjenta trinnene over. Her ble risten neste plassert til 550 NM, noe som gir en rekkevidde på 550 NM til 690 NM, noe som resulterte i en overlapping av 40nm med forrige bølgelengdeområde.
      Merk: bredden på overlappingsområdet må være tilstrekkelig for å tillate gjenkjennelse av trender på slutten av det første området og begynnelsen av det andre området for senere trinn og lim prosessen.
    9. Gjenta trinnene ovenfor for alle gitter posisjoner. Dette ble gjentatt inntil 890 NM ble nådd.
      Merk: kalibrerings kilder, vanligvis en lampe med kjente Spectral topper, er vanligvis utstyrt med spektrograf systemer og produsenten vil kunne gi mer informasjon om hvordan kalibrering kan oppnås.
  6. Velg spektrograf parametere for å registrere den genererte lyn buen.
    1. Juster splitten ytterligere om nødvendig.
    2. Still inn kameraets eksponeringstid for å sikre at hele lyn hendelsen fanges opp. vurdere trigger tiden og eventuelle forsinkelser i noe i enten lyn generatoren eller spektrograf når du angir denne parameteren. For lyn generatoren på MBLL, ble det brukt en eksponeringstid på 5 s.
      Merk: en lengre eksponeringstid vil øke støynivået og sannsynligheten for artefakter, slik som kosmiske stråler, slik at innsatsen bør gjøres for å holde dette til et minimum. Tiden må imidlertid også være tilstrekkelig til å gjøre rede for eventuell usikkerhet ved utløsing av det genererte lys bue-eller spektrograf systemet for å sikre at hele hendelsen fanges opp.
    3. Endre spektrograf systemmodus for å motta en utløser fra Lyn generatoren. Et 5 V TTL-signal ble brukt til å utløse kameraet 2,5 s før lyn buen ble igangsatt.

4. kjøre et eksperiment

  1. Klargjør lyn generatoren.
    1. Forsikre deg om at alle lysene er slukket og at kamrene er lukket der det er relevant for å sikre et lett stramt miljø.
    2. Slå på lyn generatoren. Hver lyn Testanlegget vil ha sin egen protokoll for å forberede og slå på. Ved MBLL er området ryddet for personell, og de relevante sikkerhetsanordninger er engasjert før lyn generatoren kan aktiveres.
    3. Velg den aktuelle lyn bølgeformen og lad opp til ønsket topp strøm. En typisk 54 kV, 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon 100 μs peak 18/40 μs bølgeform ble brukt.
  2. Skaff Spectra fra flere genererte lyn hendelser
    1. Plasser spektrograf risten på startposisjonen og ta et bakgrunnsbilde med de samme parametrene som for lynnedslag. Dette kan være et gjennomsnitt av flere bakgrunnsbilder. En 5 s eksponering med en 100 μm slit ble brukt på 450 nm innstillingen.
    2. Sørg for at spektrograf systemet er klart til å utløses for å ta opp Spectra med de riktige innstillingene. En 5 s eksponering med en 100 μm slit ble brukt på 450 nm innstillingen.
    3. Lad lyn generatoren og utløse lyn hendelsen, som også vil utløse spektrograf.
    4. Registrere output Spectral data.
    5. Kontroller spektroskopiske data for eventuelle forstyrrelser. Spektrofotometre er tidvis utsatt for data topper forårsaket av kosmisk stråling eller andre gjenstander forårsaket av ikke-responsive eller døde piksler. Arbeidet bør gjøres for å fjerne slike forstyrrelser og noen spektrofotometre har programvare som kan gjøre dette. Et alternativ er å se bort fra dataene og gjenta eksperimentet. Figur 8 viser et eksempel på forskjellen mellom data med og uten en kosmisk stråle pigg.
    6. Rengjør elektrodene for eventuell forurensning ved behov ved enten å tørke ned med alkohol eller, hvis det er forurenset, Gjenta trinn 2,2.
    7. Gjenta trinn 4.2.2 til 4.2.5 inntil det er oppnådd fire sett med spektroskopiske data for 450 nm-serien.
    8. Plasser spektrograf risten til 550 NM og gjenta trinn 4.2.1 til 4.2.6 inntil det er oppnådd fire sett med spektrograf data for 550 NM-serien.
      Merk: antall gjentatte trinn må være tilstrekkelig til å gjennomsnittlig ut eventuelle skudd-til-skudd varians sett i den genererte lyn buen.
    9. Gjenta ovenstående til alle datasett er samlet inn for å nå den maksimale bølgelengde verdien til 890 NM, noe som resulterer i seksten sett med Spectral data.
    10. Hvis det er betydelig variasjon i Spectra av hver Subrange på samme lyn strømgeneratoren innstillinger, for eksempel i intensiteten av Atom linjer, så forsøkene på hvert trinn må gjentas mer enn fire ganger. Hensikten med dette er å minimere effekten av eventuelle en gangs uregelmessigheter og gjennomsnittlig ut skudd-til-skudd variasjon fra Lyn generator og lyn fri bue.
    11. Hvis det er en forskjell i Spectra på de samme lyn strømgeneratoren innstillingene, så det eksperimentelle oppsettet må kanskje vurderes for forurensninger.

5. post-prosessering data

  1. For post-prosessering og analyse av data, velger du et regnearkprogram som omfatter beregning evner. Slik programvare er allment tilgjengelig.
  2. Trekk fra bakgrunnsdataene ervervet i trinn 4.2.1 fra hver relevante genererte lyn Spectra data.
    1. Gjennomsnittet av 450 nm bakgrunnsdata trekkes fra hver 450 nm generert Spectra data, er gjennomsnittet av de 550 NM data trekkes fra hver 550 NM generert lyn Spectra data, og så videre. Et eksempel på dette er vist i figur 9.
  3. Gjennomsnitt hvert enkelt sett med data for hvert bølgelengdeområde. Dette illustreres i Figur 10 hvor de 4 450 nm datasettene er i gjennomsnitt.
  4. Bruk overlappingsområdet til å justere påfølgende data, og gjennomsnittlig det overlappende området. Dette illustreres i Figur 11 som viser gjennomsnittlig 450 nm og 550 NM data.
    Merk: justeringen og snitt av overlappende regionen vil introdusere feil, og det kan være nødvendig å utføre en relativ intensitet kalibrering for hele spekteret ved hjelp av for eksempel en wolfram bånd lampe.
  5. Riktig for fiberoptisk demping og Quantum effektivitet. Dette illustreres i Figur 12.
    Merk: en mer nøyaktig korreksjon kan oppnås ved hjelp av en kalibrert lampe for å måle overføring av lys for hver Subrange. I dette tilfellet kan korreksjonen brukes før sømmen prosessen.
  6. Presenter de endelige dataene som enten en grafisk representasjon eller et intensitet plot, som vist i figur 13.

6. analysere data

  1. Identifiser de karakteristiske Spectral-toppene.
    1. Noen spektrograf systemer vil inneholde programvare som automatisk vil identifisere element topper. Forsiktighet bør utvises, spesielt med sydd data, at toppen steder er riktige.
    2. Manuell topp-ID kan gjøres ved hjelp av offentlig tilgjengelige databaser, for eksempel24. Forsiktighet bør utvises for å passe den sterkeste (relative intensitet) topper fra de laveste ionisering nivåer først (dvs.jeg, da II, deretter III) ett element om gangen.
    3. Problemer i nøyaktig identifisere topper eller samkjøre dem kan skyldes kalibrering problemer eller avvik i optikk. Vurder plasseringen av optikk i optikk kabinettet og gjenta trinn 3.
      Merk: den høye energien i den genererte lyn buer vil føre til utvidelse av Atom utslipps linjer på grunn av Stark Effect og pålitelig identifisering av alle linjer kan ikke være mulig.

Representative Results

En representativ lyn intensitet mot bølgelengde tomten for en 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon 100 μs peak 18/40 μs bølgeform, over en luftspalte mellom et par 60 mm diameter tungsten elektroder plassert 14 mm fra hverandre, er gitt i figur 14. Disse dataene består av fire sett med 4 140 NM gjennomsnitt datasegmenter sydd sammen og korrigert for bakgrunnsstøy, fiberoptisk demping, og det digitale kameraet Quantum effektivitet. Disse dataene er omgjort til et intensitet plot, som vist i Figur 15. Prominente topper har blitt manuelt identifisert gjennom sammenligning med en etablert database, som vist i Figur 16.

Figure 1
Figur 1 : Generert lyn bue profil. Den innspilte spor av en typisk 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon, 100 μs varighet, 18/40 μs generert lyn bølgeform. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Eksperimentell oppsett. En skjematisk av det eksperimentelle Setup (ikke for å skalere), hvor lyset fra en generert lyn bue mellom to elektroder transporteres via en fiberoptisk til spektroskopiske systemet, bestående av en optikk chassis og digitalkamera. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Spektrograf oppsett. En skjematisk av spektrograf system (ikke for å skalere), der lyset fra fiberoptisk er omgjort til et spektrum, via en rist, som deretter registreres av et digitalt kamera. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Sorterings, bearbeiding og presentasjon av Spectral data. En illustrasjon av trinnene som brukes til å sortere, gjennomsnittlig, sy og korrigere data mot å oppnå et bredt spektrum med høy oppløsning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Elektrode konfigurasjon. Et bilde av de to 6 mm diameter halvkuleformet wolfram elektroder festet til kobber festene plassert 14 mm fra hverandre innenfor lyn riggen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Fiberoptisk konfigurasjon. Et bilde av fiberoptisk plassert i samme høyde og i en avstand på 2 m fra de monterte elektrodene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 : Bølgelengde kalibrering. (a) en tabell med tre kjente Mercury linjer mot piksel nummeret der de ble målt, og (b) en tomt på hvert punkt (krysser) og en rett linje Fit (stiplet linje) som gir en ligning (innfelt) slik at piksler skal konverteres til bølgelengde. Dette gjøres for flere kjente Atom linjer over hele bølgelengdeområdet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8 : Kosmisk stråling. Spectral data fra en 100 kA laboratorium genererte lyn bue i 550 NM til 690 NM rekkevidde som viser: (a) data uten kosmisk stråling forstyrrelser, og (b) og (c) data med karakteristiske kosmiske ray pigger. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9 : Subtraksjon av bakgrunnen. Spectral data fra et 100 kA laboratorium genererte lyn bue i 550 NM til 690 NM rekkevidde som viser: (a) gjennomsnitt bakgrunnsdata, (b) rådata, og (c) data med gjennomsnittlig bakgrunn trekkes. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 10
Figur 10 : Beregne gjennomsnitt av data. Spectral data fra et 100 kA laboratorium genererte lyn Arc i 550 NM til 690 NM utvalg viser: (a-d) individuelle data, og (e) gjennomsnitt data. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 11
Figur 11 : Sy data. Spectral data fra en 100 kA laboratorium genererte lyn Arc viser: (a) 550 nm til 690 NM rekkevidde, (b) den 650 til 790 NM rekkevidde, og (c) de to kledde datasett med en 650 NM til 690 NM overlapping. Deretter gjennomsnitt i overlappingsområdet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 12
Figur 12 : Rette data. Tomter i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for (a) fiber demping, og (b) spektrograf kamera Quantum effektivitet levert av respektive produsenter. Disse brukes til å korrigere sydd Spectral data tilsvarende. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 13
Figur 13 : Presentere data. Eksempler på (a) et grafisk data plott og (b) en intensitet tomten representerer spekteret av en 100 kA laboratorium generert lyn bue i 550 NM til 790 NM bølgelengde rekkevidde. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 14
Figur 14 : Typiske grafiske data. En typisk gjennomsnitt, sydd, og korrigert grafisk plott i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for en 100 kA laboratorium generert lyn bue. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 15
Figur 15 : Typisk intensitet plot. En typisk gjennomsnitt, sydd, og korrigert intensitet tomten i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for en 100 kA laboratorium generert lyn bue. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 16
Figur 16 : Identifikasjon av kjemikalie element. En illustrasjon av Spectral linje kjemisk element identifikasjon for første ordre ionisering nivåer ved hjelp av en offentlig tilgjengelig database24. Elementer i luften (nitrogen, oksygen, Argon, helium) og i elektroden (tungsten) har blitt identifisert. Dette spekteret er nesten identisk med det i referanse14 som den bruker samme apparat til å analysere samme type lyn bue. Dette tallet er tilpasset fra referanse14. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Spektroskopi er et nyttig verktøy for å identifisere kjemiske element reaksjoner under både naturlige og genererte lynnedslag. Gitt en tilstrekkelig nøyaktig og reproduserbar eksperimentell oppsett, ytterligere analyse på dataene kan avdekke en rekke andre lyn egenskaper. Det har for eksempel blitt brukt til å verifisere at Spectra av laboratoriet generert lyn buer er Spectrally ligner naturlig lyn og at tillegg av andre materialer i lyn buen kan endre dette spekteret betydelig14. Metoden kan også brukes til andre lys Emitting hendelser som raske elektriske utslipp, delvis utslipp, gnister, og andre relaterte fenomener i høyspennings systemer, der samtidig identifisering av flere Atomic linjer eller elementer over en bredt spekter er viktig.

Det mest kritiske trinnet er å sikre at de riktige parametrene brukes når du setter opp spektrograf, for eksempel slit, rist, og kamerainnstillinger, for å skaffe de beste dataene mulig som resulterer i sterke, skarpe Spectral topper. Det bør gjøres en innsats for også å sikre at detektoren ikke er mettet når du optimaliserer signalet. Plasseringen av fiber kan også justeres og/eller collimated å forbedre lysstyrken, samt sikre at eventuelle bortkommen lys ikke en del av lyn hendelsen er enten eliminert eller fjernes som en del av bakgrunnen bildebehandling prosessen. Dette kan ta noen prøving og feiling. Evnen til lyn generatoren som brukes til å reprodusere den samme lynnedslag nøyaktig med minimal variasjon, eller for å forstå hvor noen variasjoner kan komme fra, slik at de kan styres, er viktig for å oppnå pålitelig og repeterbar spektroskopiske Resultater.

Det kan gjøres endringer i dette oppsettet for å vurdere ulike deler av det elektromagnetiske spekteret lenger inn i UV-og IR-båndene der bildeteknologi tillater og avhengig av hvilken type hendelse som blir avbildet. For eksempel kan utvide bølgelengdeområdet under 450 nm avdekke ytterligere Atom-og molekylære linjer, for eksempel utslipp fra NO og OH radikaler. Justering av spektrograf rist for å gi en lavere oppløsning over et bredere område kan bidra til å identifisere interessante funksjoner, som deretter kan analyseres ved hjelp av en høyere oppløsning smalere rekkevidde rist.

Den største fordelen med denne teknikken er at det er helt ikke-påtrengende, så det ikke krever noen endring til lyn generator. Ved å transportere lyset via en fiberoptisk, reduseres mengden elektrisk interferens fra det tøffe elektromagnetiske miljøet, som andre systemer, for eksempel kameraer, kan oppleve hvis de ikke er tilstrekkelig skjermet. Dette betyr at data fra en spektrograf potensielt har mye lavere støy og mindre interferens enn andre instrumenter. Denne spesifikke teknikken er begrenset av sin mangel på tid oppløsning og påfølgende mangel på ytterligere karakterisering av lyn buen. For eksempel, høyhastighets spektrofotometre finnes som kan produsere tid løst Spectral data som fører til temperatur og elektron tetthet målinger.

Det er forventet at spektroskopi vil bli et viktig verktøy, sammen med andre diagnostiske instrumentering, i å forstå laboratoriet generert lyn buer. Det vil bidra med gratis informasjon om karakteristiske lyn hendelses signaturer og brukes til å identifisere de reaktive kjemiske elementene innenfor buen. Videre utvikling av denne teknikken kan også føre til avledning av ytterligere egenskaper.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takknemlig erkjenner den økonomiske støtten som tilbys av Sêr Cymru National Research Network i Advanced engineering og materialer (NRN073) og innovere UK via Aerospace Technology Institute (113037).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering utslipp spektroskopi spektroskopi generert lyn lynnedslag lyn buer elektriske utslipp raske elektriske utslipp
Metode for innspilling bredbånd høyoppløselig utslipp Spectra av Laboratory Lightning Arcs
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mitchard, D., Clark, D., Carr, D.,… More

Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Stone, C., Haddad, A. Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs. J. Vis. Exp. (150), e56336, doi:10.3791/56336 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter