Summary
Tekniker för emissions spektroskopi har traditionellt använts för att analysera inneboende slumpmässiga blixt bågar som förekommer i naturen. I detta dokument beskrivs en metod som utvecklats för att erhålla en emissions spektroskopi från reproducerbara blixt bågar som genereras inom en laboratoriemiljö.
Abstract
Blixten är en av de vanligaste och mest destruktiva krafterna i naturen och har länge studerats med hjälp av spektroskopiska tekniker, först med traditionella kamera film metoder och sedan Digital kamerateknik, från vilken flera viktiga egenskaper har Härledda. Dock har sådant arbete alltid varit begränsad på grund av den inneboende slumpmässiga och icke-repeterbara karaktären av naturliga blixtar händelser i området. Den senaste tidens utveckling i Lightning test anläggningar tillåter nu reproducerbara generationen blixt bågar i kontrollerade laboratoriemiljöer, vilket ger en testbädd för utveckling av nya sensorer och diagnostiska tekniker för att förstå blixten mekanismer bättre. En sådan teknik är ett spektroskopiskt system som använder digital kamerateknik som kan identifiera de kemiska element som ljusbågen samverkar med, med dessa data som sedan används för att härleda ytterligare egenskaper. I detta papper, det spektroskopiska systemet används för att få utsläpps spektrum från en 100 kA Peak, 100 μs varaktighet Lightning båge genereras över ett par halvsfäriska volfram elektroder åtskilda av en liten luftspalt. För att bibehålla en spektralupplösning på mindre än 1 Nm, registrerades flera enskilda spektra över diskreta våglängdsområden, i genomsnitt, sydda och korrigerade för att producera ett slutligt sammansatt spektrum i 450 nm (blått ljus) till 890 nm (nära infrarött ljus) intervall. Karakteristiska toppar inom data jämfördes sedan med en etablerad allmänt tillgänglig databas för att identifiera de kemiska elementens interaktioner. Denna metod är lätt att tillämpas på en rad andra ljus utsläpp händelser, såsom snabba elektriska utsläpp, partiella utsläpp, och gnistor i elektrisk utrustning, apparater och system.
Introduction
Blixten är en av de vanligaste och mest destruktiva krafterna i naturen som kännetecknas av en snabb elektrisk urladdning sedd som en blixt av ljus och följt av åska. En typisk blixt båge kan bestå av en spänning av tiotals gigavolt och en genomsnittlig ström av 30 kA över en båge tiotals till hundratals kilometerlång alla händer inom 100 μs. observation av ljusemission spektrum från Lightning händelser har länge använts för att härleda information om deras egenskaper. Många tekniker etablerades med hjälp av traditionella filmbaserade kamera tekniker för studier av naturliga blixtnedslag under 1960-talet till 1980, till exempel1,2,3,4,5 ,6,7och, mer nyligen, modern digital teknik, till exempel8,9,10,11,12, 13 , 14, har använts för att ge en mer exakt inblick i Lightning mekanismer. Med tiden har sådant arbete visat förmåga att inte bara identifiera kemiska element interaktioner1,14, men också få mätningar av temperatur15,16, tryck5, partikel-och Elektrontäthet5,17, energi18, resistans och inre elektriska fält av Arc8. Men studier av naturliga blixtar har alltid begränsats av den inneboende oförutsägbara slumpmässiga och icke-repeterbara karaktären av blixtar händelser.
Under senare år har forskningen fokuserat på hur blixten interagerar med den omgivande miljön, särskilt inom flygindustrin för att skydda flygplan under flygning från direkt blixtnedslag. Flera stora blixtar test anläggningar har därför utformats och byggts för att replikera de mest destruktiva elementen i en blixtnedslag, nämligen den nuvarande och leveranstid, men vid en begränsad spänning. Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 vid Cardiff University kan generera fyra distinkta blixtar vågformer upp till en 200 ka i enlighet med den relevanta standarden20. Med en sådan laboratorie anläggning, kan blixten enkelt reproduceras och kontrolleras med en hög grad av noggrannhet och repeterbarhet, vilket ger en testbädd för utveckling av nya sensorer och diagnostiska tekniker för att förstå Lightning interaktioner och mekanismer bättre21,22,23. En sådan teknik är ett nyligen utvecklat och installerat spektroskopiskt system14,21 som, liksom de spektroskopiska system som används i Natural Lightning Studies, verkar i det ultravioletta (UV) till nära infraröda (NIR) sortimentet. Det är en icke-störande metod som inte stör Lightning Arc och är till stor del opåverkad av det elektromagnetiska brus som produceras under en strejk, till skillnad från de flesta elektroniskt baserade enheter.
Spektrografsystemet användes för att observera spektrat av ett typiskt laboratorium genererade Lightning båge bestående av en 100 kA Peak kritiskt dämpad oscillatoriska, 100 μs varaktighet, 18/40 μs vågform över en luftspalt mellan ett par av 60 mm diameter volfram med 14 mm luftspalt. Ett typiskt spår av denna ljus båg kurva visas i figur 1. Elektroderna var placerade i en elektromagnetisk impuls (EMI) ljus-tight kammare så att det enda inspelade ljuset var från Lightning Arc själv, med en liten mängd av detta ljus som transporteras via en 100 μm diameter fiberoptisk, placerad 2 m bort och kollimerad till en 0,12 ° betraktningsvinkel som ger en dekor storlek på 4,2 mm vid Arc-positionen, till en annan EMI-kammare som innehåller spektrografsystemet, som visas i figur 2. EMI Chambers användes för att minimera de negativa effekter som orsakats av blixten händelsen. Den fiberoptik avslutas vid den lätta täta optiska chassi baserat på en Czerny-Turner konfiguration av brännvidd 30 cm, med ljuset som passerar genom en justerbar 100 μm slit och på en 900 LN/mm 550 Blaze vridbar galler via tre speglar, på en 1 024 x 1 024 Digital pixel digitalkamera, som visas i figur 3. I detta fall ger den optiska inställningen en spektralupplösning på 0,6 Nm över en ca 140 Nm under en ungefärlig full räckvidd på 800 nm över UV till NIR våglängder. Spektralupplösningen mäts som spektrografens förmåga att urskilja två nära toppar, och placeringen av subrange inom hela sortimentet kan justeras genom att vrida på gallerdurka. En viktig del av systemet är valet av diffraktions galler som dikterar våglängdsområdet och spektralupplösningen, där den förstnämnda är omvänt proportionell mot den senare. Vanligtvis behövs ett brett våglängdsområde för att lokalisera flera Atom linjer, medan en hög spektralupplösning behövs för att mäta deras position korrekt. Detta kan inte fysiskt uppnås med en enda gallerdurkar för denna typ av spektrograf. Därför, data från flera subranges, med hög upplösning, tas på olika positioner över UV till NIR sortiment. Dessa data är klistrade och limmas ihop för att bilda ett sammansatt spektrum.
I praktiken, på grund av begränsningar i fiberoptisk ljustransmission, spelades ett spektrum våglängdsområde på 450 nm till 890 nm. Från och med 450 nm, ljus från fyra oberoende genererade blixt bågar spelades in, bakgrundsbrus subtrafördes, och de var sedan i genomsnitt. Våglängdsområdet flyttades sedan till 550 Nm, vilket ger en 40 Nm data överlappning, med ljus från ytterligare fyra genererade blixt bågar inspelade och i genomsnitt. Detta upprepades tills 890 nm nåddes, och de resulterande genomsnittliga uppgifterna var sammanfogade för att skapa ett komplett spektrum över hela det fördefinierade våglängdsområdet. Denna process illustreras i figur 4. Karakteristiska toppar användes sedan för att identifiera kemiska element genom jämförelse med en etablerad databas24.
I detta dokument beskrivs metoden för optisk emissions spektroskopi. Denna metod är lätt att tillämpas på ett brett spektrum av andra ljus utsläpp händelser med minimal förändring av den experimentella installationen eller spektrografsysteminställningarna. Sådana tillämpningar omfattar snabba elektriska urladdningar, partiella utsläpp, gnistor och andra relaterade fenomen i elektriska system och utrustning.
Protocol
1. välja våglängdsområde
- Våglängdsområdet för blixten som skall observeras måste först väljas. 450 nm till 890 nm valdes.
Obs: detta kommer att begränsas av laboratorie inställningar, spektralområdet som definieras av den blixtrande vinkeln på gallerdurkan och kamerans känslighet.
2. förbereda elektroderna
- Välj ett lämpligt elektrod material. Ett par av 60 mm halvsfäriska volframelektroder fast till koppar fästen valdes, vilket illustreras i figur 5.
Anmärkning: allt material som Lightning Arc interagerar kommer att avge ett spektrum, inklusive elektroden, och det är viktigt att minimera denna störning. Detta bör dock vägas mot förmågan hos elektrod material att motstå upprepade blixtar strejker med minimal skada under experiment. För volfram, många av dess utsläpp linjer inom den valda våglängdsområdet är endast synlig mellan 450 nm och 590 nm och är till stor del särskiljas från en förväntad Lightning Spectra. Det är också ett mycket hårt material som ofta används i hög spänning och hög ström experiment. -
Rengör och polera elektroderna för att avlägsna eventuella föroreningar. Allt material med vilket Lightning Arc interagerar kommer att avge ett spektrum, inklusive eventuella föroreningar. Det är därför viktigt att se till att elektroderna är kontaminantfria så att inga Felaktiga spektrallinjer säkerställs.
- Gnugga elektroden med grovt sandpapper i 5 min, placera den i ett Sonic vattenbad i rumstemperatur i 10 min, torka sedan med en luddfri trasa för att lossa och ta bort eventuella föroreningar. Använd alltid handskar vid hantering av elektroden för att undvika återkontaminering.
- Upprepa ovanstående typiskt tio till femton gånger med minskande kvaliteter av sandpapper, smärgel trasa, och sedan poler trasor tills en bra polsk finish uppnås. Sandpapper och tygkvaliteter på 240 till 8 000 användes.
- Montera elektroderna i blixtaggregatet och etablera ett lämpligt avstånd mellan dem. Här är elektroderna monterade i Lightning-riggen med 14 mm mellanrum som visas i figur 5.
Obs: olika Lightning test anläggningar har olika driftspänningar, så avståndet mellan elektroderna bör vara sådan att en luft uppdelning kommer att inträffa när Lightning impulsgeneratorn utlöses.
3. förberedelse av spektrografen
- Placera spektrografen i ett oberoende EMI-klassat hölje, enligt illustrationen i figur 2. Helst ska Lightning-riggen och spektrografen inhysas i separata EMI-höljen.
- Välj och installera fiberoptik. Den valda fibern var en 8 m lång fiberoptik och installerades mellan de två EMI-kamrarna.
- Valde en fiberoptik med goda transmissions egenskaper inom det fördefinierade våglängdsområdet som skall observeras, dvsmellan 450 nm till 890 nm.
- Observera överföringen effektivitet mot våglängd data eftersom detta kommer att användas för data efter bearbetning. Detta tillhandahålls ofta av tillverkaren, men helst bör det mätas med en kalibrerad lampa.
- Anslut den ena änden av fiberoptiken till det optiska chassit i ett lätt-tätt arrangemang.
- Placera den andra änden av fiberoptiken för att se blixt bågen mellan elektroderna. Ljus från en laser som skickas genom spektrometern i omvänd kan hjälpa till med justering. Fiberoptiken är placerad på samma höjd som mitten av elektrod gapet vid 2 m, vilket visas i figur 6.
- Justera mängden ljus som når kameran om det behövs för att minimera mättnaden. En kollimator används som minskar fiberoptisk betraktningsvinkel till 0,12 ° vilket resulterar i en dekor storlek på 4,2 mm vid positionen av Lightning Arc för en total båg längd på 14 mm, vilket minskar ljuset med cirka en fjärdedel.
Obs: intensiteten av ljuset som når kameran kan alternativt justeras genom att ändra avståndet mellan ljuskällan och fiberoptiken genom att justera skåran eller genom att använda ett neutralt täthetsfilter.
- Slå på spektrografsystemet och starta tillhörande styr program. Den digitala kameran kräver ca 10 min för att nå en temperatur på-70 ° c.
Obs: vissa digitalkameror kräver kylning för att minska bullret innan de blir fullt fungerande. - Välj spektrografgallerdurering. En 900 LN/mm 550 Blaze gallerdurkar användes.
Anmärkning: durationen definierar våglängdsområdet och spektralupplösningen inom det spektrografsystem som används, med en spektralupplösning på < 1 Nm som krävs för topp identifikation. Den valda gallerdurkationen ger ett våglängdsområde på ca 140 Nm och en upplösning på 0,6 Nm. - Kalibrera spektrografen mot en känd kalibrerings källa, till exempel en kvicksilver-argon-lampa.
- Placera gallerdurkden i startpositionen längst ner på det förvalda våglängdsområdet. Här var gallerdurkar placerad på 450 nm vilket ger en räckvidd på 450 nm till 590 Nm.
- Slå på kalibrerings källan och placera den mot den öppna änden av fiberoptiken.
- Justera kamerans exponering via styr programvaran till en lämplig tidpunkt för att uppnå en bra omättad signal, till exempel en exponering av 0,1 s.
- Justera skåran via styr programvaran för att skärpa spektraltopparna vid behov eller, i vissa fall, positionen för detektorn kan också justeras för att optimera signalen. En slits på 100 μm användes.
Obs: skåra bör ställas in på ett minimalt värde för att minska breddning av Atom linjerna på grund av diffraktion av ljus vid skåran, med värden upp till 20 μm som ofta används. Men en smal slits kommer också att minska signalen och en balans kan behöva hittas mellan ljusintensitet och skärpa toppar. - Anteckna kalibrerings källans spektra och identifiera pixel numret på den resulterande kamera bild där topparna förekommer.
- Plotta positionen för pixel numret för varje topp mot den kända våglängden för varje topp som är försedd med kalibrerings källan och passa in en rak linje för att härleda en ekvation som gör det möjligt att konvertera pixlar till våglängd. Ett exempel på detta för tre kända kvicksilver Atom linjer illustreras i figur 7.
- Applicera kalibreringen på denna gallerposition innan du går vidare till nästa. För vissa spektrografsystem kan omvandlingen av pixel nummer till våglängd tillämpas på programvaran med hjälp av en kalibrerings fil.
- Placera galler för nästa subrange och upprepa ovanstående steg. Här var galler nästa placerad till 550 Nm ger en räckvidd på 550 nm till 690 Nm vilket resulterar i en överlappning av 40nm med den tidigare våglängdsområdet.
Bredden på överlappningsområdet måste vara tillräcklig för att möjliggöra igenkänning av trender i slutet av det första intervallet och början av det andra intervallet för det senare steget och limprocessen. - Upprepa ovanstående steg för alla gallerpositioner. Detta upprepades tills 890 nm nåddes.
Anmärkning: kalibrerings källor, typiskt en lampa med kända spektraltoppar, är vanligtvis försedda med spektrografsystem och tillverkaren kommer att kunna ge mer information om hur kalibreringen kan uppnås.
- Välj spektrografparametrar för att spela in den genererade Lightning Arc.
- Justera skåran ytterligare om det behövs.
- Ställ in kamerans exponeringstid så att hela Lightning-händelsen fångas upp. Tänk på utlösartiden och eventuella förseningar i någon av blixt generatorn eller spektrografen när du anger den här parametern. För blixt generatorn vid MBLL användes en exponeringstid på 5 s.
Obs: en längre exponeringstid kommer att öka bullernivåer och sannolikheten för artefakter, såsom kosmisk strålning, så ansträngningar bör göras för att hålla detta till ett minimum. Tiden måste dock också vara tillräcklig för att ta hänsyn till eventuell osäkerhet vid utlösning av den genererade Lightning Arc eller spektrografsystemet för att säkerställa att hela evenemanget fångas. - Ändra spektrografsystemläget för att få en utlösare från Lightning-generatorn. En 5 V TTL-signal användes för att utlösa kameran 2,5 s innan Lightning Arc initierades.
4. köra ett experiment
-
Förbered blixt generatorn.
- Se till att alla lampor är avstängda och att kamrarna är stängda där det är relevant för att säkerställa en lätt snäv miljö.
- Slå på blixt generatorn. Varje Lightning test anläggning kommer att ha ett eget protokoll för att förbereda och slå på. Vid MBLL rensas området av personal och de relevanta säkerhetsanordningarna är engagerade innan blixt generatorn kan aktiveras.
- Välj den relevanta Lightning vågform och ladda till önskad toppström. En typisk 54 kV, 100 kA topp kritiskt dämpad oscillerande 100 μs Peak 18/40 μs vågform användes.
-
Förvärva spektra från flera genererade Lightning händelser
- Placera spektrografgallerdurken vid startpositionen och ta en bakgrundsbild med samma parametrar som för blixtnedslag. Detta kan vara ett genomsnitt av flera bakgrundsbilder. En 5 s exponering med en slits på 100 μm användes vid 450 nm-inställningen.
- Se till att spektrografsystemet är redo att utlösas för att registrera spektra med rätt inställningar. En 5 s exponering med en slits på 100 μm användes vid 450 nm-inställningen.
- Ladda Lightning Generator och utlösa blixten händelsen, som också kommer att utlösa spektrografen.
- Registrera utdata spektrala data.
- Kontrollera spektroskopiska data för eventuella störningar. Spektrografer är ibland benägna att data spikar orsakas av kosmisk strålning eller andra artefakter som orsakas av icke-lyhörd eller döda pixlar. Ansträngningar bör göras för att undanröja sådana störningar och vissa spektrografer har programvara som kan göra detta. Ett alternativ är att bortse från data och upprepa experimentet. Figur 8 visar ett exempel på skillnaden mellan data med och utan en kosmisk strålning spik.
- Rengör elektroderna vid eventuell kontaminering om det behövs genom att antingen torka ner med alkohol eller, om det är förorenat, upprepa steg 2,2.
- Upprepa steg 4.2.2 till 4.2.5 tills fyra uppsättningar spektroskopiska data för intervallet 450 nm har uppnåtts.
- Placera spektrografen galler till 550 nm och upprepa steg 4.2.1 till 4.2.6 tills fyra uppsättningar spektrografdata för 550 Nm har uppnåtts.
Anmärkning: antalet upprepade steg måste vara tillräckligt för att genomsnittet ut varje skott-till-skott avvikelse ses i den genererade Lightning Arc. - Upprepa ovanstående tills alla datauppsättningar har samlats in för att nå det maximala våglängdsvärdet på 890 nm, vilket resulterar i sexton uppsättningar spektrala data.
- Om det finns betydande variation i spektra av varje subrange vid samma blixt aktuella Generator inställningar, till exempel i intensiteten av Atom linjer, då experimenten i varje skede kan behöva upprepas mer än fyra gånger. Syftet med detta är att minimera effekten av eventuella engångs avvikelser och att i genomsnitt ta fram skott-till-shot-variationen från blixt generatorn och blixt fria bågen.
- Om det finns en skillnad i spektra vid samma blixt aktuella Generator inställningar, sedan experimentella installationen kan behöva bedömas för föroreningar.
5. uppgifter efter bearbetning
- För efter behandling och analys av data väljer du ett kalkylbladsprogram som innehåller beräkningsfunktioner. Sådan programvara är allmänt tillgänglig.
-
Subtrahera bakgrundsdata som erhållits i steg 4.2.1 från varje relevant genererade Lightning Spectra-data.
- Genomsnittet av de 450 nm bakgrundsdata subtraas från varje 450 nm genererade Spectra data, genomsnittet av de 550 Nm data subtraas från varje 550 Nm genererade Lightning Spectra data, och så vidare. Ett exempel på detta visas i figur 9.
- Genomsnittlig varje individuell uppsättning data för varje våglängd intervall. Detta illustreras i figur 10 där 4 450 nm-dataset är i genomsnitt.
- Använd den överlappande regionen för att justera sammanhängande Spectra-data och genomsnittlig sedan den överlappande regionen. Detta illustreras i figur 11 som visar de genomsnittliga 450 nm-och 550 Nm-uppgifterna.
Anmärkning: anpassningen och medelvärdet av den överlappande regionen kommer att introducera fel och det kan vara nödvändigt att utföra en relativ intensitet kalibrering för hela spektrumet med hjälp av, till exempel, en volfram band lampa. - Korrekt för fiberoptik dämpning och Quantum effektivitet. Detta illustreras i figur 12.
Anmärkning: en mer exakt korrigering kan uppnås genom att använda en kalibrerad lampa för att mäta överföringen av ljus för varje subrange. I det här fallet kan korrigeringen tillämpas före bindningsprocessen. - Presentera de slutgiltiga uppgifterna som antingen en grafisk representation eller en intensitetsprofil, som visas i figur 13.
6. analysera data
-
Identifiera de karakteristiska spektraltopparna.
- Vissa spektrografsystem kommer att innehålla programvara som automatiskt identifierar element toppar. Försiktighet bör iakttas, särskilt med sydda data, att de högsta platserna är korrekta.
- Manuell topp identifiering kan göras med hjälp av allmänt tillgängliga databaser, till exempel24. Försiktighet bör iakttas för att passa den starkaste (relativ intensitet) toppar från de lägsta joniseringsnivåer först (dvs, jag, sedan II, sedan III) ett element i taget.
- Problem med att exakt identifiera toppar eller anpassa dem kan bero på kalibreringsproblem eller feljusteringar i optiken. Bedöm optikens position i optikchassit och upprepa steg 3.
Obs: den höga energin i de genererade Lightning bågar kommer att orsaka breddning av Atom utsläpp linjer på grund av den nakna effekten och tillförlitlig identifiering av alla linjer kan inte vara möjligt.
Representative Results
En representativ Lightning intensitet mot våglängd tomt för en 100 kA topp kritiskt dämpad oscillerande 100 μs topp 18/40 μs vågform, över en luftspalt mellan ett par av 60 mm diameter volfram elektroder placerade 14 mm isär, anges i figur 14. Dessa data består av fyra uppsättningar av 4 140 Nm genomsnitt datasegment sydda tillsammans och korrigeras för bakgrundsljud, fiberoptik dämpning, och digitalkamera Quantum effektivitet. Dessa data har omvandlats till en intensitetstomt, vilket visas i figur 15. Framträdande toppar har identifierats manuellt genom jämförelse med en etablerad databas, som visas i figur 16.
Figur 1 : Genererade Lightning Arc-profil. Den inspelade spår av en typisk 100 kA topp kritiskt dämpade oscillatoriska, 100 μs varaktighet, 18/40 μs genererade Lightning vågform. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Experimentell installation. En schematisk av den experimentella installationen (inte skala), där ljus från en genererad Lightning båge mellan två elektroder transporteras via en fiberoptik till det spektroskopiska systemet, bestående av ett optikchassi och digitalkamera. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Inställning av spektrograf. En schematisk av spektrografsystemet (inte skala), där ljus från fiberoptiken förvandlas till ett spektrum, via en gallerdurken, som sedan registreras av en digitalkamera. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Sammanställa, bearbeta och presentera spektraldata. En illustration av de steg som används för att sortera, medelvärde, stygn och korrigera data för att uppnå ett brett högupplöst spektrum. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Elektrod konfiguration. En bild av de två halvsfäriska elektroderna med 6 mm diameter som är fastsatta i koppar fästen, placerade 14 mm isär i Lightning-riggen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Fiber optisk konfiguration. En bild av fiberoptiken placerad på samma höjd och på ett avstånd av 2 m från de monterade elektroderna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 : Våglängd kalibrering. aen tabell med tre kända kvicksilver linjer mot det pixel nummer vid vilket de mättes, ochben sammansvärjning av varje punkt (kors) och en linjär passning (streckad linje) som ger en ekvation (infällt) som gör det möjligt att omvandla pixlar till våglängd. Detta görs för flera kända Atom linjer över hela våglängdsområdet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 : Kosmisk strålinterferens. Spektraldata från ett 100 kA-laboratorium genererade Lightning Arc i 550 nm till 690 Nm-området som visar: (a) data utan kosmisk strålinterferens, och (b) och (c) data med karakteristiska kosmiska strålspikar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 : Subtraktion av bakgrund. Spektrala data från en 100 kA laboratorium genererade Lightning Arc i 550 nm till 690 Nm intervall som visar: (a) genomsnittliga bakgrundsdata, (b) rådata, och (c) data med genomsnittlig bakgrund subtraberas. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10 : Medelvärdes data. Spektraldata från ett 100 ka laboratorium genererade Lightning Arc i 550 nm till 690 Nm intervall som visar: (a-d) enskilda uppgifter, och (e) genomsnittliga data. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11 : Sy data. Spektrala data från en 100 kA laboratorium genererade Lightning Arc visar: (a) 550 nm till 690 Nm-området, (b) 650 till 790 Nm-området, och (c) de två överlagda dataset med en 650 nm till 690 Nm överlappning. Överlappnings regionen beräknas sedan i genomsnitt. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 : Korrigera data. Tomter i den 450 nm till 890 nm våglängdsområde för (a) fiber dämpning, och (b) spektrograf kamera Quantum effektivitet som tillhandahålls av respektive tillverkare. Dessa används för att korrigera de sydda spektrala data därefter. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 13 : Presentera data. Exempel på (a) en grafisk data tomt och (b) en intensitetsplot som representerar spektrumet av ett 100 ka-laboratorium genererade Lightning Arc i 550 nm till 790 Nm våglängdsområde. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 14 : Typiska grafiska data. En typisk medelvärde, sydd och korrigerad grafisk Plot i 450 nm till 890 nm våglängdsområde för en 100 kA laboratorium genererade Lightning Arc. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 15 : Typisk intensitet tomt. En typisk medelvärde, sydd, och korrigerad intensitet tomt i 450 nm till 890 nm våglängd intervall för en 100 kA laboratorium genererade Lightning Arc. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 16 : Identifiering av kemisk beståndsdel. En illustration av spektrallinjen kemisk element identifiering för första ordningens joniseringsnivåer med hjälp av en allmänt tillgänglig databas24. Element i luften (kväve, syre, argon, helium) och i elektroden (volfram) har identifierats. Detta spektrum är nästan identiskt med det i referens14 eftersom det använder samma apparat för att analysera samma typ av blixt båge. Denna siffra har anpassats från referens14. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Spektroskopi är ett användbart verktyg för att identifiera kemiska element reaktioner under både naturliga och genererade blixtnedslag. Med tanke på en tillräckligt noggrann och reproducerbar experimentell installation, ytterligare analys av data kan avslöja en mängd andra Lightning egenskaper. Det har till exempel använts för att kontrollera att spektrat av laboratoriet genererade Lightning bågar är spektralt liknar naturliga blixtar och att tillägg av andra material i Lightning ARC kan förändra detta spektrum signifikant14. Metoden kan också användas för andra ljusavgivande händelser såsom snabba elektriska utsläpp, partiella utsläpp, gnistrande och andra relaterade fenomen i högspänningssystem, där samtidig identifiering av flera Atom linjer eller element över en brett spektrum är viktigt.
Det mest kritiska steget är att säkerställa att rätt parametrar används när man ställer in spektrografen, såsom slits, galler och kamerainställningar, för att få bästa möjliga data vilket resulterar i starka, skarpa spektraltoppar. Ansträngningar bör göras för att även säkerställa att detektorn inte är mättad vid optimering av signalen. Positionen av fiber kan också justeras och/eller kollimerad att förbättra ljusintensitet, samt se till att alla ströljus som inte ingår i blixten händelsen antingen elimineras eller tas bort som en del av bakgrunden Imaging processen. Detta kan ta några försök och fel. Förmågan hos blixt generatorn som används för att återge samma blixt händelse exakt med minimal variation, eller för att förstå var eventuella variationer kan komma från så att de kan styras, är viktigt för att erhålla tillförlitlig och repeterbar spektroskopisk Resultat.
Ändringar kan göras för att bedöma olika delar av det elektromagnetiska spektrumet längre in i UV-och IR-banden där bildteknik tillåter och beroende på vilken typ av händelse som avbildas. Till exempel kan förlänga våglängdsområdet under 450 nm avslöja ytterligare Atom-och molekylära linjer, såsom utsläpp från NO och OH radikaler. Justera spektrografgallerdurkar för att ge en lägre upplösning över ett bredare spektrum kan bidra till att identifiera intressanta funktioner, som sedan kan analyseras med en högre upplösning smalare Range gallerdurkar.
Den största fördelen med denna teknik är att det är helt icke-störande, så det inte kräver någon förändring av Lightning Generator. Genom att transportera ljuset via en fiberoptik reduceras mängden elektriska störningar från den hårda elektromagnetiska miljön, vilket andra system, såsom kameror, kan uppleva om de inte är tillräckligt avskärmade. Detta innebär att data från en spektrograf potentiellt har mycket lägre brus och mindre störningar än andra instrument. Denna specifika teknik begränsas av dess brist på tidsupplösning och efterföljande brist på ytterligare karakterisering av Lightning Arc. Till exempel finns höghastighets-spektrografer som kan ge tid löst spektraldata som leder till mätningar av temperatur och Elektrontäthet.
Det förväntas att spektroskopi kommer att bli ett viktigt verktyg, tillsammans med andra diagnostiska instrument, för att förstå laboratoriegenererade Lightning bågar. Det kommer att bidra med gratis information om karakteristiska blixtar händelse signaturer och användas för att identifiera de reaktiva kemiska elementen i bågen. Vidareutveckling av denna teknik kan också resultera i härledning av ytterligare egenskaper.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt det ekonomiska stöd som ges av Sêr Cymru nationella forskningsnätverk inom avancerad teknik och material (NRN073) och innovera Storbritannien via rymdteknik Institutet (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).
