Summary
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.
Abstract
Lightning é uma das forças mais comuns e destrutivas na natureza e tem sido estudado usando técnicas espectroscópicas, primeiro com métodos tradicionais de filme de câmera e, em seguida, tecnologia de câmera digital, a partir do qual várias características importantes foram Derivada. No entanto, tal trabalho sempre foi limitado devido à natureza inerentemente aleatória e não repetível de eventos de raios naturais no campo. Desenvolvimentos recentes em instalações de teste de relâmpago agora permitem a geração reprodutível de arcos relâmpago dentro de ambientes de laboratório controlados, proporcionando uma cama de teste para o desenvolvimento de novos sensores e técnicas de diagnóstico para entender relâmpago mecanismos de melhor. Uma dessas técnicas é um sistema espectroscópico usando tecnologia de câmera digital capaz de identificar os elementos químicos com os quais o arco relâmpago interage, com esses dados sendo usados para derivar outras características. Neste papel, o sistema espectroscópico é usado para obter o espectro de emissão de um pico de 100 kA, o arco de raio de duração de 100 μs gerado através de um par de eletrodos hemisféricos de tungstênio separados por uma pequena lacuna de ar. Para manter uma resolução espectral de menos de 1 nm, vários espectros individuais foram gravados em intervalos de comprimentos de onda discretos, calculados em média, costurados e corrigidos para produzir um espectro composto final na faixa de 450 nm (luz azul) a 890 nm (perto da luz infravermelha). Os Picos característicos dentro dos dados foram comparados então a uma base de dados publicamente disponível estabelecida para identificar as interações do elemento químico. Este método é prontamente aplicável a uma variedade de outros eventos emissores de luz, tais como descargas elétricas rápidas, descargas parciais, e acendem em equipamentos elétricos, aparelhos e sistemas.
Introduction
Lightning é uma das forças mais comuns e destrutivas na natureza caracterizada por uma descarga elétrica rápida visto como um flash de luz e seguido por trovões. Um arco de relâmpago típico pode consistir de uma tensão de dezenas de amplitude e uma corrente média de 30 Ka através de um arco dezenas a centenas de quilômetros de comprimento tudo acontecendo dentro de 100 μs. a observação do espectro de emissão de luz a partir de eventos relâmpago tem sido usada há muito tempo para derivar informações sobre suas propriedades. Muitas técnicas foram estabelecidas usando técnicas de câmera tradicionais baseadas em filmes para o estudo de greves de raios naturais durante a década de 1960 a 1980, por exemplo1,2,3,4,5 ,6,7e, mais recentemente, técnicas digitais modernas, por exemplo8,9,10,11,12, 13 anos de , 14, foram usados para dar uma introspecção mais exata em mecanismos do relâmpago. Aolongo do tempo, tal trabalho demonstrou a capacidade de não apenas identificar interações de elementos químicos1,14, mas também obter medições de temperatura15,16, pressão5, densidade da partícula e do elétron5,17, energia18, resistência, e campo elétrico interno do arco8. No entanto, estudos de relâmpago natural sempre foram limitados pela natureza inerentemente imprevisível aleatória e não repetível de eventos relâmpago.
Nos últimos anos, a investigação centrou-se na forma como os relâmpagos interagem com o ambiente circundante, nomeadamente na indústria aeroespacial para proteger aeronaves em voo a partir de relâmpagos directos. Vários grandes instalações de teste de raios foram, consequentemente, concebidos e construídos para replicar os elementos mais destrutivos de um relâmpago, ou seja, o tempo de entrega e atual, mas com uma tensão limitada. O Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 na Universidade de Cardiff pode gerar quatro formas de onda de relâmpago distintas até um ka 200 de acordo com o padrão relevante20. Com tal facilidade do laboratório, o relâmpago pode facilmente ser reproduzido e controlado com um alto nível da exatidão e da repetibilidade, fornecendo uma cama do teste para o desenvolvimento de sensores novos e de técnicas diagnósticas para compreender interações do relâmpago e mecanismos melhor21,22,23. Um tal técnica é um sistema espectroscópico recentemente desenvolvido e instalado14,21 que, como os sistemas espectroscópicos usados em estudos naturais do relâmpago, operam-se no ultravioleta (UV) à escala near-infrared (NIR). É um método não intrusivo que não interfere com o arco relâmpago e não é largamente afetado pelo ruído electromagnético produzido durante uma greve, ao contrário da maioria dos dispositivos baseados eletronicamente.
O sistema de espectrografia foi usado para observar o espectro de um típico arco de relâmpago gerado por laboratório consistindo de um 100 kA pico oscilatório criticamente apertado, duração de 100 μs, 18/40 μs de forma de onda através de uma lacuna de ar entre um par de 60 mm de diâmetro de tungstênio eletrodos separados por uma abertura de ar de 14 mm. Um traço típico dessa forma de onda de arco relâmpago é mostrado na Figura 1. Os eletrodos foram posicionados em câmara estanque de impulso eletromagnético (EMI) para que a única luz registrada fosse do próprio arco de raios, com uma pequena quantidade desta luz sendo transportada através de uma fibra óptica de 100 μm de diâmetro, posicionada a 2 m de distância e colimado a um ângulo de visão 0,12 ° que dá um tamanho de ponto de 4,2 milímetros na posição do arco, a uma outra câmara de EMI que contem o sistema do espectrografo, como mostrado na Figura 2. As câmaras EMI foram utilizadas para minimizar os efeitos adversos causados pelo evento relâmpago. A fibra óptica é terminada no chassi ótico luz-apertado baseado em uma configuração de Czerny-Turner do comprimento focal 30 cm, com a luz que passa através de uma fenda ajustável de 100 μm e em um 900 ln/milímetro 550 Blaze rotatable grating através de três espelhos, em um 1.024 x 1.024 câmera digital pixel, como mostrado na Figura 3. Neste caso, a configuração óptica dá uma resolução espectral de 0,6 Nm através de um subintervalo aproximadamente 140 nm dentro de uma gama completa aproximada de 800 nm através de comprimentos de onda UV para nir. A resolução espectral é medida como a capacidade do espectrógrafo para distinguir dois picos próximos, e a posição do subintervalo dentro da escala cheia pode ser ajustada girando o grating. Um componente chave do sistema é a escolha do grating da difração que dita a escala do comprimento de onda e a definição espectral, com o anterior que é inversamente proporcional ao último. Tipicamente, uma escala larga do comprimento de onda é precisada de encontrar linhas atômicas múltiplas visto que uma definição espectral elevada é precisada medir sua posição exatamente; Isto não pode ser conseguido fisicamente com uma única grelha para este tipo de espectrógrafo. Conseqüentemente, os dados de diversos subranges, com alta resolução, são tomados em várias posições através do UV à escala de NIR. Estes dados são intensificados e colados juntos para formar um espectro composto.
Na prática, devido às limitações na transmissão clara da fibra óptica, uma escala do comprimento de onda do espectro de 450 nanômetro a 890 nanômetro foi gravada. Começando em 450 nanômetro, a luz de quatro arcos gerados independentes do relâmpago foi gravada, o ruído de fundo foi subtraído, e foram então calculados em média. A faixa de comprimento de onda foi então deslocada para 550 nm, dando uma sobreposição de dados de 40 nm, com luz de outros quatro arcos de raios gerados gravados e calculados em média. Isto foi repetido até 890 nm foi atingido, e os dados da média resultante foram costurados em conjunto para criar um espectro completo em toda a gama de comprimentos de onda predefinidos. Este processo é ilustrado na Figura 4. Os Picos característicos foram então utilizados para identificar elementos químicos através da comparação com um banco de dados estabelecido24.
Neste trabalho é descrito o método de espectroscopia de emissão óptica. Este método é prontamente aplicável a uma ampla gama de outros eventos emissores de luz com alteração mínima para a configuração experimental ou configurações do sistema espectrógrafo. Tais aplicações incluem descargas elétricas rápidas, descargas parciais, Sparking, e outros fenômenos relacionados em sistemas e em equipamento elétricos.
Protocol
1. selecionando faixa de comprimento de onda
- A escala do comprimento de onda do relâmpago a ser observado deve primeiramente ser selecionada. 450 nm a 890 nm foi selecionado.
Nota: esta será limitada pela configuração do laboratório, a gama espectral, tal como definido pelo ângulo de ardência da grelha, e a sensibilidade da câmara.
2. preparando os eletrodos
- Escolha um material de eletrodo adequado. Foi escolhido um par de eletrodos hemisféricos de tungstênio de 60 mm de diâmetro fixados em suportes de cobre, conforme ilustrado na Figura 5.
Nota: qualquer material com o qual o arco relâmpago interage emitirá um espectro, incluindo o eletrodo, e é importante minimizar essa interferência. No entanto, isso deve ser equilibrado contra a capacidade do material do eletrodo para resistir a ataques de raios repetidos com dano mínimo durante a experimentação. Para tungstênio, muitas de suas linhas de emissão dentro da faixa de comprimento de onda escolhida são visíveis apenas entre 450 nm e 590 nm e são largamente distinguíveis de um espectros de relâmpago esperados. É também um material muito duro que é comumente usado em alta tensão e experimentação de alta corrente. -
Limpe e lustre os elétrodos para remover todos os contaminadores. Qualquer material com o qual o arco de relâmpago interage emitirá um espectro, incluindo o de quaisquer contaminantes. É, portanto, importante garantir que os eletrodos são livres de contaminantes para garantir que não haja linhas espectrais erradas.
- Esfregue o eletrodo com lixa grossa por 5 min, coloque-o em um banho de água sónico à temperatura ambiente por 10 min, em seguida, limpe com um pano sem fiapos para afrouxar e remover quaisquer contaminantes. Utilize sempre luvas quando manusear o eléctrodo para evitar a recontaminação.
- Repita o acima tipicamente dez a quinze vezes com graus de diminuição da lixa, do pano de esmeril, e então de lustrar panos até que um bom revestimento polonês esteja conseguido. Foram utilizadas as classes de lixa e pano de 240 a 8.000.
- Monte os eletrodos dentro da plataforma de raios estabelecendo uma distância adequada entre eles. Aqui, os eletrodos são montados dentro da plataforma de raios de 14 mm de distância, como mostrado na Figura 5.
Nota: diferentes instalações de teste de relâmpago têm tensões operacionais diferentes, de modo que a distância entre os eletrodos deve ser tal que uma avaria do ar ocorrerá quando o gerador de impulso relâmpago é acionado.
3. preparando o espectrógrafo
- Coloque o espectrógrafo em um compartimento de classificação EMI independente, conforme ilustrado na Figura 2. Idealmente, o equipamento do relâmpago e o espectrografo devem ser alojados em compartimentos separados do IEM.
- Selecione e instale a fibra óptica. A fibra escolhida foi uma fibra óptica de 8 m de comprimento e instalada entre as duas câmaras EMI.
- Escolheu uma fibra óptica com boas propriedades de transmissão dentro da faixa de comprimento de onda predefinida a ser observada, ou seja, entre 450 nm a 890 nm.
- Anote a eficiência da transmissão de encontro aos dados do comprimento de onda porque este será usado para o borne-processamento dos dados. Isto é frequentemente fornecido pelo fabricante, embora, idealmente, deve ser medido usando uma lâmpada calibrada.
- Conecte uma extremidade da fibra óptica ao chassi ótico em um arranjo Light-Tight.
- Posicione a outra extremidade da fibra óptica para ver o arco de relâmpago entre os eletrodos. A luz de um laser enviado através do espectrómetro no reverso pode ajudar com o alinhamento. A fibra óptica é posicionada na mesma altura que o centro da fenda do eletrodo a 2 m, como mostrado na Figura 6.
- Ajuste a quantidade de luz atingindo a câmera, se necessário, para minimizar qualquer saturação. Um colimador é usado que reduz o ângulo de visão da fibra óptica a 0,12 ° resultando em um tamanho de ponto de 4,2 milímetros na posição do arco do relâmpago para um comprimento de arco total de 14 milímetros, reduzindo a luz por aproximadamente um quarto.
Nota: a intensidade da luz que alcança a câmera pode alternativamente ser ajustada alterando a distância entre a fonte luminosa e a fibra óptica, ajustando a fenda, ou usando um filtro neutro da densidade.
- Ligue o sistema de espectrografia e inicie o software de controlo associado. A câmera digital requer cerca de 10 min para atingir uma temperatura de-70 ° c.
Nota: algumas câmaras digitais necessitam de arrefecimento para reduzir o ruído antes de ficarem plenamente operacionais. - Selecione a grelha do espectrógrafo. Um 900 ln/mm 550 Blaze grating foi usado.
Nota: o grating define a escala do comprimento de onda e a definição espectral dentro do sistema do espectrografo usado, com uma definição espectral de < 1 nanômetro exigida para a identificação máxima. O grating selecionado dá uma escala do comprimento de onda de aproximadamente 140 nanômetro e uma definição de 0,6 nanômetro. - Calibre o espectrógrafo contra uma fonte de calibração conhecida, como uma lâmpada de mercúrio-Argon.
- Posicione a grade em sua posição inicial na parte inferior da faixa de comprimento de onda pré-selecionada. Aqui, o grating foi posicionado em 450 nanômetro que dá uma escala de 450 nanômetro a 590 nanômetro.
- Ligue a fonte de calibração e coloque-a contra a extremidade aberta da fibra óptica.
- Ajuste a exposição da câmera através do software de controle a um tempo apropriado para conseguir um bom sinal insaturado, tal como uma exposição de 0,1 s.
- Ajuste a fenda através do software de controle para afiar os picos espectrais, se necessário ou, em alguns casos, a posição do detector também pode ser ajustada para otimizar o sinal. Utilizou-se fenda de 100 μm.
Nota: a fenda deve ser ajustada a um valor mínimo para diminuir a ampliação das linhas atômicas devido à difração de luz na fenda, com valores de até 20 μm freqüentemente usados. No entanto, uma fenda estreita também reduzirá o sinal e um equilíbrio pode precisar ser encontrado entre a intensidade da luz e a nitidez dos picos. - Registre os espectros da fonte de calibração e identifique o número do pixel na imagem da câmera resultante na qual os picos ocorrem.
- Plotar a posição do número de pixel para cada pico contra o comprimento de onda conhecido de cada pico fornecido com a fonte de calibração e encaixar uma linha reta para derivar uma equação que permitirá a conversão de pixels em comprimento de onda. Um exemplo disso para três linhas atômicas de mercúrio conhecidas é ilustrado na Figura 7.
- Aplique a calibração a esta posição de ralar antes de passar para a próxima. Para alguns sistemas de espectrografia, a conversão de número de pixel para comprimento de onda pode ser aplicada ao software usando um arquivo de calibração.
- Posicione a grelha para o subintervalo seguinte e repita os passos acima. Aqui, o grating foi posicionado próximo a 550 nanômetro que dá uma escala de 550 nanômetro a 690 nanômetro tendo por resultado uma sobreposição de 40nm com a escala precedente do comprimento de onda.
Observação: a largura da região de sobreposição precisa ser suficiente para permitir o reconhecimento de tendências no final do primeiro intervalo e início do segundo intervalo para o processo de colagem e etapa posterior. - Repita os passos acima para todas as posições de ralar. Isto foi repetido até 890 nanômetro foi alcangado.
Nota: as fontes de calibração, normalmente uma lâmpada com picos espectrais conhecidos, são geralmente fornecidas com sistemas de espectrografia e o fabricante poderá fornecer mais detalhes sobre como a calibração pode ser alcançada.
- Selecione os parâmetros do espectrógrafo para gravar o arco de relâmpago gerado.
- Ajuste a fenda ainda mais se necessário.
- Defina o tempo de exposição da câmera para garantir que todo o evento de relâmpago seja capturado; Considere o tempo de disparo e quaisquer atrasos em qualquer um no gerador de raios ou espectrógrafo ao definir este parâmetro. Para o gerador de raios em MBLL, foi utilizado um tempo de exposição de 5 s.
Nota: um tempo de exposição mais longo aumentará os níveis de ruído e a probabilidade de artefatos, como raios cósmicos, de modo que os esforços devem ser feitos para manter isso ao mínimo. No entanto, o tempo também deve ser suficiente para dar conta de qualquer incerteza no desencadeamento do arco de relâmpago gerado ou sistema de espectrografia para garantir que todo o evento é capturado. - Mude o modo de sistema do espectrógrafo para receber um gatilho do gerador de raios. Um sinal TTL de 5 V foi usado para acionar a câmera 2,5 s antes de o arco de relâmpago ter sido iniciado.
4. executando um experimento
-
Prepare o gerador de raios.
- Assegure-se de que todas as luzes estão desapertadas e as câmaras estejam fechadas quando relevantes para assegurar um ambiente claro.
- Ligue o gerador de raios. Cada instalação de teste de relâmpago terá seu próprio protocolo para preparar e ligar. No MBLL, a área é limpa do pessoal e os dispositivos de segurança relevantes são acoplados antes que o gerador do relâmpago possa ser ativado.
- Selecione a forma de onda de relâmpago relevante e carregue na corrente de pico desejada. Um típico 54 kV, 100 Ka pico oscilatório criticamente amortecida 100 μs pico 18/40 μs forma de onda foi usado.
-
Adquira espectros de vários eventos de relâmpago gerados
- Posicione a grade do espectrógrafo em sua posição inicial e pegue uma imagem de fundo usando os mesmos parâmetros que para o Lightning Strike. Isso pode ser uma média de várias imagens de fundo. Uma exposição de 5 s com uma fenda de 100 μm foi usada no ajuste de 450 nanômetro.
- Assegure-se de que o sistema do espectrógrafo esteja pronto para ser acionado para gravar os espectros com as configurações corretas. Uma exposição de 5 s com uma fenda de 100 μm foi usada no ajuste de 450 nanômetro.
- Carregue o gerador de raios e acione o evento relâmpago, que também acionará o espectrógrafo.
- Registre os dados espectrais de saída.
- Verifique os dados espectroscópicos para qualquer interferência. Os espectrógrafos são ocasionalmente propensos a picos de dados causados por radiação cósmica ou outros artefatos causados por pixels não responsivos ou mortos. Esforços devem ser feitos para remover tal interferência e alguns espectrógrafos têm software que pode fazer isso. Uma alternativa é ignorar os dados e repetir o experimento. A Figura 8 mostra um exemplo da diferença entre os dados com e sem um pico de radiação cósmica.
- Limpe os eletrodos de qualquer contaminação, se necessário, quer limpando com álcool ou, se contaminado, repetindo o passo 2,2.
- Repita as etapas 4.2.2 a 4.2.5 até que quatro conjuntos de dados espectroscópicos para a faixa de 450 nm tenham sido alcançados.
- Posicione a grade do espectrógrafo em 550 nm e repita as etapas 4.2.1 a 4.2.6 até que quatro conjuntos de dados de espectrografia para a faixa de 550 nm tenham sido alcançados.
Observação: o número de etapas repetidas precisa ser suficiente para a média de qualquer variância de disparo para disparo observada no arco de relâmpago gerado. - Repita o acima até que todos os conjuntos de dados tenham sido coletados para atingir o valor máximo de comprimento de onda de 890 nm, resultando em dezesseis conjuntos de dados espectrais.
- Se houver variação significativa nos espectros de cada sub-rotina nas mesmas configurações de gerador de corrente de relâmpago, por exemplo, na intensidade das linhas atômicas, os experimentos em cada estágio podem ter que ser repetidos mais de quatro vezes. A finalidade deste é minimizar o efeito de todas as anomalias one-off e à média para fora a variação do tiro-à-tiro do gerador do relâmpago e do arco livre do relâmpago.
- Se houver uma diferença nos espectros nas mesmas configurações de gerador de corrente de relâmpago, a configuração experimental poderá precisar ser avaliada para contaminantes.
5. dados de pós-processamento
- Para o pós-processamento e análise de dados, selecione um aplicativo de software de planilha incorporando recursos de cálculo. Esse software é amplamente disponível.
-
Subtrair os dados de plano de fundo adquiridos na etapa 4.2.1 de cada dados de espectro de relâmpago gerados relevantes.
- A média dos dados de fundo 450 nm é subtraída de cada dados de espectros gerados 450 nm, a média dos dados de 550 nm é subtraída de cada 550 nm gerados dados espectros de relâmpago, e assim por diante. Um exemplo disso é mostrado na Figura 9.
- Média de cada conjunto individual de dados para cada faixa de comprimento de onda. Isso é ilustrado na Figura 10 , em que os conjuntos de dados 4 450 nm são calculados.
- Use a região sobreposta para alinhar os dados de espectros consecutivos e, em seguida, a região de sobreposição. Isso é ilustrado na Figura 11 , que mostra a média de 450 nm e 550 nm de dados.
Nota: o alinhamento e a média da região sobreposta introduzirão erros e poderá ser necessário realizar uma calibração de intensidade relativa para o espectro completo usando, por exemplo, uma lâmpada de fita de tungstênio. - Correto para a atenuação da fibra óptica e a eficiência quântica. Isso é ilustrado na Figura 12.
Nota: uma correção mais exata pode ser conseguida usando uma lâmpada calibrada para medir a transmissão da luz para cada subrange. Neste caso, a correção pode ser aplicada antes do processo de costura. - Apresente os dados finais como uma representação gráfica ou um gráfico de intensidade, como mostrado na Figura 13.
6. analisando dados
-
Identifique os picos espectrais característicos.
- Alguns sistemas de espectrografia incluirão software que identificará automaticamente os picos dos elementos. Cuidado deve ser tomado, especialmente com dados costurados, que os locais de pico estão corretos.
- A identificação de pico manual pode ser feita usando bancos de dados disponíveis publicamente, como24. O cuidado deve ser tomado para caber os picos os mais fortes (da intensidade relativa) dos mais baixos níveis da ionização primeiramente (isto é, i, então II, então III) um elemento de cada vez.
- Problemas em identificar com precisão picos ou alinhá-los pode ser devido a problemas de calibração ou desalinhamentos na óptica. Avalie a posição da ótica no chassi do sistema ótico e repita a etapa 3.
Nota: a alta energia dos arcos de raios gerados causará a ampliação das linhas de emissão atômica devido ao efeito Stark e a identificação confiável de todas as linhas pode não ser possível.
Representative Results
Uma intensidade de relâmpago representativa contra a trama de comprimento de onda para um pico de kA 100 oscilatório criticamente apertado 100 μs pico 18/40 μs de forma de onda, através de uma lacuna de ar entre um par de eletrodos de tungstênio de 60 mm de diâmetro posicionado 14 mm de distância, é dada na Figura 14. Estes dados consistem em quatro conjuntos de 4 140 nm segmentos de dados em média costurado e corrigido para o ruído de fundo, fibra óptica atenuação, e a câmera digital eficiência quântica. Esses dados foram convertidos em um gráfico de intensidade, como mostrado na Figura 15. Os picos proeminentes foram identificados manualmente através da comparação com um banco de dados estabelecido, como mostrado na Figura 16.
Figura 1 : Perfil de arco de relâmpago gerado. O traço gravado de um típico 100 Ka pico oscilatório criticamente amortecida, duração de 100 μs, 18/40 μs gerou uma forma de onda relâmpago. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Configuração experimental. Um esquema da configuração experimental (para não escalar), onde a luz de um arco de relâmpago gerado entre dois eletrodos é transportada através de uma fibra óptica para o sistema espectroscópico, consistindo de um chassi óptico e câmera digital. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Configuração do espectrógrafo. Um esquemático do sistema de espectrografia (para não escalar), onde a luz da fibra óptica é transformada em um espectro, através de uma grelha, que é então gravada por uma câmera digital. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Agrupar, processar e apresentar dados espectrais. Uma ilustração das etapas usadas para agrupar, a média, o ponto, e os dados corretos para conseguir um espectro de alta resolução largo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Configuração do eletrodo. Uma imagem dos dois elétrodos hemisférica do tungstênio do diâmetro de 6 milímetros fixados aos montagens de cobre posicionados 14 milímetros distante dentro do equipamento do relâmpago. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Configuração da fibra óptica. Uma imagem da fibra óptica posicionada na mesma altura e a uma distância de 2 m dos elétrodos montados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7 : Calibração do comprimento de onda. (a) uma tabela de três linhas conhecidas de mercúrio contra o número de pixel em que foram medidos, e (b) um gráfico de cada ponto (Cruzes) e um ajuste de linha reta (linha tracejada) dando uma equação (Inset) permitindo que os pixels sejam convertidos em comprimento de onda. Isso é feito para várias linhas atômicas conhecidas em toda a faixa de comprimento de onda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8 : Interferência do raio cósmico. Os dados espectrais de um laboratório de 100 kA geraram um arco de relâmpago na faixa de 550 nm a 690 nm mostrando: (a) dados sem interferência de raios cósmicos e (b) e (c) dados com picos característicos de raios cósmicos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9 : Subtração do fundo. Os dados espectrais de um laboratório de 100 kA geraram um arco de relâmpago na faixa de 550 nm a 690 nm mostrando: (a) dados de fundo em média, (b) dados brutos e (c) dados com fundo médio subtraída. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10 : Dados de média. Os dados espectrais de um laboratório de 100 Ka geraram um arco relâmpago na faixa de 550 nm a 690 nm mostrando: (a-d) dados individuais e (e) dados em média. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11 : Dados de costura. Dados espectrais de um laboratório de 100 kA gerado raio mostrando: (a) a550 nm para 690 nm intervalo, (b) a 650 a 790 nm intervalo, e (c) os dois conjuntos de dados sobrepostos com um 650 nm para 690 nm sobreposição. Em seguida, a região de sobreposição é calculada. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 12 : Corrigindo dados. Parcelas na faixa de comprimento de onda de 450 nm a 890 nm para (a) atenuação de fibra e (b) eficiência quântica da câmera espectrográfica fornecida pelos respectivos fabricantes. Estes são usados para corrigir os dados espectrais costurados em conformidade. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13 : Apresentação de dados. Exemplos de (a) um gráfico de dados gráficos e (b) um gráfico de intensidade representando o espectro de um arco de relâmpago gerado pelo laboratório de 100 ka na faixa de comprimento de onda de 550 nm a 790 nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 14 : Dados gráficos típicos. Um gráfico gráfico em média, costurado e corrigido típico na faixa de comprimento de onda de 450 nm a 890 nm para um arco de relâmpago gerado pelo laboratório 100 kA. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 15 : Plotagem de intensidade típica. Um gráfico de intensidade média, costurado e corrigido típico na faixa de comprimento de onda de 450 nm a 890 nm para um arco de relâmpago gerado pelo laboratório 100 kA. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 16 : Identificação de elementos químicos. Uma ilustração da linha espectral identificação do elemento químico para níveis da ionização da primeira ordem usando uma base de dados publicamente disponível24. Elementos no ar (nitrogênio, oxigênio, Argon, hélio) e no eletrodo (tungstênio) foram identificados. Este espectro é próximo-idêntico àquele na referência14 porque usa o mesmo instrumento para analisar o mesmo tipo de arco do relâmpago. Este número foi adaptado da referência14. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
A espectroscopia é uma ferramenta útil para identificar reações de elementos químicos durante ataques de raios naturais e gerados. Dada uma configuração experimental suficientemente precisa e reprodutível, uma análise mais aprofundada sobre os dados pode revelar uma variedade de outras propriedades de relâmpago. Tem, por exemplo, sido usado para verificar que os espectros de arcos de raios gerados por laboratório são espectral semelhante ao relâmpago natural e que a adição de outros materiais para o arco relâmpago pode alterar este espectro significativamente14. O método também pode ser usado para outros eventos emissores de luz, tais como descargas elétricas rápidas, descargas parciais, acendem, e outros fenômenos relacionados em sistemas de alta tensão, onde a identificação simultânea de múltiplas linhas atômicas ou elementos através de um amplo espectro é importante.
A etapa mais crítica é garantir que os parâmetros corretos sejam usados ao configurar o espectrógrafo, como as configurações de fenda, ralar e câmera, para adquirir os melhores dados possíveis, resultando em picos espectrais fortes e afiados. Os esforços devem ser feitos para assegurar também que o detector não esteja saturado ao otimizar o sinal. A posição da fibra pode igualmente ser ajustada e/ou colimado para melhorar a intensidade de luz, assim como assegurar-se de que toda a luz perdida não parte do evento do relâmpago seja eliminada ou removida como parte do processo de imagem latente do fundo. Isso pode levar algum julgamento e erro. A capacidade do gerador de raios usado para reproduzir o mesmo evento relâmpago com precisão com variação mínima, ou para entender onde quaisquer variações podem vir de modo que eles podem ser controlados, é importante na obtenção de espectroscopia confiável e repetível Resultados.
As alterações podem ser feitas para esta configuração para avaliar diferentes partes do espectro eletromagnético ainda mais nas bandas UV e IR onde a tecnologia de imagem permite e dependendo do tipo de evento que está sendo imaged. Por exemplo, estender a escala do comprimento de onda abaixo de 450 nanômetro pode revelar umas linhas atômicas e moleculars mais adicionais, tais como emissões dos radicais de NO e de OH. Ajustar o grating do espectrografo para dar uma definição mais baixa sobre uma escala mais larga pode ajudar a identificar características interessantes, que podem então ser analisadas usando um grating mais estreito da escala da definição mais elevada.
A principal vantagem desta técnica é que ele é totalmente não-intrusivo, por isso não requer qualquer alteração ao gerador de raios. Transportando a luz através de uma fibra óptica, a quantidade de interferência elétrica do ambiente eletromagnético áspero é reduzida, que outros sistemas, tais como câmeras, podem experimentar se não suficientemente blindado. Isto significa que os dados de um espectrógrafo potencialmente têm muito mais baixo ruído e menos interferência do que outros instrumentos. Esta técnica específica é limitada por sua falta da definição do tempo e da falta subseqüente de uma caracterização mais adicional do arco do relâmpago. Por exemplo, existem espectrógrafos de alta velocidade que podem produzir dados espectrais resolvidos por tempo, levando a medições de temperatura e densidade de elétrons.
Espera-se que a espectroscopia se torne uma ferramenta importante, juntamente com outros instrumentos diagnósticos, na compreensão de arcos de raios gerados por laboratórios. Ele contribuirá com informações complementares sobre as assinaturas de eventos de relâmpago característicos e será usado para identificar os elementos químicos reativos dentro do arco. O desenvolvimento adicional desta técnica também pode resultar na derivação de características adicionais.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores reconhecem com gratidão o apoio financeiro prestado pela rede nacional de pesquisa sêr Cymru em engenharia avançada e materiais (NRN073) e inovar no Reino Unido através do 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 |
References
- Wallace, L. The Spectrum of Lightning. Astrophys. J. 139, 994 (1963).
- Orville, R. E. A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke. J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).
- Orville, R. E., Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques. Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).
- Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques 2. Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).
- Krinder, E. P. Lightning spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).
- Orville, R. E. Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region. J. App. Meteorol. 19 (4), 470 (1980).
- Orville, R., Henderson, R. Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm. J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).
- 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).
- 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).
- Walker, T. D., Christian, H. J. Novel observations in lightning spectroscopy. XV International Conference on Atmospheric Electricity. , USA. (2014).
- Cen, J., Yuan, P. Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path. Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Uman, M. A. Determination of lightning temperature. J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).
- Prueitt, L. M. The excitation temperature of lightning. J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).
- Uman, M. A. Quantitative lightning spectroscopy. IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).
- Hill, R. D. A survey of lightning energy estimates. Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).
- 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).
- EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , ED-84 (1997).
- Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , France. (2015).
- Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , Portugal. (2016).
- 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).
- Kamira, J., Ralchenko, J. Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , version 5.2 (2014).
