Emission spektroskopi teknikker har traditionelt været brugt til at analysere i sagens natur tilfældige lyn buer forekommer i naturen. I dette dokument beskrives en metode, der er udviklet til at opnå emissions spektroskopi fra reproducerbare lynbuer genereret i et laboratoriemiljø.
Lightning er en af de mest almindeligt forekommende og ødelæggende kræfter i naturen og har længe været undersøgt ved hjælp af spektroskopiske teknikker, først med traditionelle kamera film metoder og derefter digital kamerateknologi, hvorfra flere vigtige egenskaber er blevet Afledte. Men, sådan arbejde har altid været begrænset på grund af den iboende tilfældige og ikke-gentagelig karakter af naturlige lyn begivenheder i marken. Den seneste udvikling i Lightning testfaciliteter giver nu mulighed for reproducerbar generering af lynbuer inden for kontrollerede laboratoriemiljøer, hvilket giver en test seng til udvikling af nye sensorer og diagnostiske teknikker til at forstå lynnedslag mekanismer bedre. En sådan teknik er et spektroskopisk system, der anvender digital kamerateknologi, der kan identificere de kemiske elementer, som lynet er i samspil med, idet disse data derefter bruges til at udlede yderligere egenskaber. I dette papir anvendes det spektroskopiske system til at opnå emissionsspektret fra en 100 kA peak, 100 μs varighed Lightning Arc genereret på tværs af et par halvkugleformede wolframelektroder adskilt af en lille luft kløft. For at opretholde en spektral opløsning på mindre end 1 nm blev flere individuelle spektre registreret på tværs af diskrete bølgelængde intervaller, gennemsnit, syet, og korrigeret for at producere et endeligt komposit spektrum i 450 Nm (blåt lys) til 890 nm (nær infrarødt lys) rækkevidde. De karakteristiske toppe i dataene blev derefter sammenlignet med en etableret offentligt tilgængelig database for at identificere de kemiske element interaktioner. Denne metode er let anvendelig på en række andre lysemitterende hændelser, såsom hurtige elektriske udledninger, delvis udledning, og gnide i elektrisk udstyr, apparater og systemer.
Lightning er en af de mest almindeligt og ødelæggende kræfter i naturen karakteriseret ved en hurtig elektrisk udledning ses som en flash af lys og efterfulgt af torden. En typisk Lightning bue kan bestå af en spænding på snesevis af gigavolt og en gennemsnitlig strøm på 30 kA på tværs af en bue titusinder til hundredvis af kilometer, der sker inden for 100 μs. observation af lysemissions spektret fra lynhændelser har længe været brugt til at udlede oplysninger om deres egenskaber. Mange teknikker blev etableret ved hjælp af traditionelle film-baserede kamera teknikker til studiet af naturlige lynnedslag i 1960 ‘ erne til 1980 ‘ er, for eksempel1,2,3,4,5 ,6,7og for nylig moderne digitale teknikker, for eksempel8,9,10,11,12, 13 , 14, er blevet brugt til at give en mere præcis indsigt i lynmekanismer. Med tiden har et sådant arbejde vist evnen til ikke blot at identificere kemiske element interaktioner1,14, men også opnå målinger af temperatur15,16, tryk5, partikel-og elektron tæthed5,17, energi18, modstand og indre elektrisk felt af Arc8. Men, undersøgelser af naturligt lyn har altid været begrænset af den iboende uforudsigelige tilfældige og ikke-gentagelig karakter af lyn begivenheder.
I de seneste år har forskningen fokuseret på, hvordan Lightning interagerer med det omgivende miljø, især i luftfartsindustrien for at beskytte fly i flugt fra direkte lynnedslag. Flere store Lightning testfaciliteter er derfor blevet designet og bygget til at replikere de mest destruktive elementer i et lynnedslag, nemlig den nuværende og leveringstid, men med en begrænset spænding. Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 på Cardiff University kan generere fire forskellige Lightning bølgeformer op til en 200 kA i overensstemmelse med den relevante standard20. Med et sådant laboratorie anlæg kan lynnedslag let reproduceres og styres med en høj grad af nøjagtighed og repeterbarhed, hvilket giver en test seng til udvikling af nye sensorer og diagnostiske teknikker til at forstå lyninteraktioner og mekanismer bedre21,22,23. En sådan teknik er et nyligt udviklet og installeret spektroskopisk system14,21 , som, ligesom de spektroskopiske systemer, der anvendes i naturlige lynundersøgelser, opererer i ultraviolet (UV) til nær-infrarød (NIR) Range. Det er en ikke-påtrængende metode, som ikke forstyrrer Lightning Arc og er stort set upåvirket af den elektromagnetiske støj, der produceres under en strejke, i modsætning til de fleste elektronisk baserede enheder.
Spektrograph systemet blev brugt til at observere spektret af en typisk laboratorium genereret Lightning bue bestående af en 100 kA peak kritisk dæmpet oscillatory, 100 μs varighed, 18/40 μs bølgeform på tværs af en luft kløft mellem et par af 60 mm diameter wolfram elektroder adskilt af en 14 mm luftspalte. En typisk spor af denne Lightning bue bølgeform er vist i figur 1. Elektroderne var placeret i en elektromagnetisk impuls (EMI) lys-stramt kammer, således at det eneste indspillede lys var fra Lightning Arc selv, med en lille mængde af dette lys, der transporteres via en 100 μm diameter fiberoptik, placeret 2 m væk og til en 0,12 ° betragtningsvinkel, der giver en spot størrelse på 4,2 mm ved Arc-positionen, til et andet EMI-kammer, som indeholder spektrograf systemet, som vist i figur 2. EMI-kamrene blev brugt til at minimere de negative virkninger forårsaget af Lightning-hændelsen. Fiber optikken afsluttes ved det lystætte optiske chassis baseret på en Czerny-Turner-konfiguration af brændvidden 30 cm, hvor lyset passerer gennem en justerbar 100 μm slids og på en 900 LN/mm 550 Blaze drejelig rist via tre spejle, på en 1.024 x 1.024 pixel Digital Camera, som vist i figur 3. I dette tilfælde giver den optiske opsætning en spektral opløsning på 0,6 nm på tværs af en ca 140 nm udløber inden for et omtrentligt komplet område på 800 nm på tværs af UV til NIR bølgelængder. Spektral opløsningen måles som spektrografens evne til at skelne mellem to tætte toppe, og positionen af udløber inden for hele spektret kan justeres ved at rotere rist. Et centralt element i systemet er valget af diffraktion rist, som dikterer bølgelængdeområdet og spektral opløsningen, hvor førstnævnte er omvendt proportional med sidstnævnte. Typisk er et bredt bølgelængde område er nødvendig for at finde flere atomare linjer, mens en høj spektral opløsning er nødvendig for at måle deres position præcist; Dette kan ikke fysisk opnås med en enkelt rist til denne type spektrograf. Derfor er data fra flere subranger, med høj opløsning, taget på forskellige positioner på tværs af UV til NIR-området. Disse data er trådt og limet sammen for at danne et sammensat spektrum.
I praksis, på grund af begrænsninger i fiberoptisk lys transmission, et spektrum bølgelængde område på 450 Nm til 890 nm blev registreret. Fra og med 450 Nm blev der indspillet lys fra fire uafhængige genererede lynbuer, baggrundsstøj blev trukket, og de blev derefter gennemsnitligt. Bølgelængdeområdet blev derefter flyttet til 550 nm, hvilket gav en 40 nm data overlap, med lys fra en anden fire genereret lyn buer indspillet og gennemsnit. Dette blev gentaget, indtil 890 nm blev nået, og de resulterende gennemsnitlige data blev syet sammen for at skabe et komplet spektrum over hele det foruddefinerede bølgelængde område. Denne proces er illustreret i figur 4. Karakteristiske toppe blev derefter brugt til at identificere kemiske elementer ved sammenligning med en etableret database24.
I dette dokument beskrives metoden til optisk emissions spektroskopi. Denne metode er let anvendelig på en lang række andre lysemitterende hændelser med minimal ændring af den eksperimentelle opsætning eller spektrograph Systemindstillinger. Sådanne anvendelser omfatter hurtige elektriske udledninger, delvise udledninger, gnide og andre relaterede fænomener i elektriske systemer og udstyr.
Spektroskopi er et nyttigt værktøj til at identificere kemiske element reaktioner under både naturlige og genererede lynnedslag. I betragtning af en tilstrækkelig nøjagtig og reproducerbar eksperimentel opsætning kan yderligere analyse af data afsløre en række andre Lightning egenskaber. Det har for eksempel været brugt til at kontrollere, at spektrene af laboratorium genereret lyn buer er spektrumsmæssigt ligner naturlige lyn, og at tilsætning af andre materialer i Lightning Arc kan ændre dette spektrum betydeligt14. Metoden kan også anvendes til andre lysemitterende hændelser såsom hurtige elektriske udledninger, delvise udledninger, gnide og andre relaterede fænomener i højspændingssystemer, hvor samtidig identifikation af flere atomare linjer eller elementer på tværs af en bredt spektrum er vigtigt.
Det mest kritiske trin er at sikre, at de korrekte parametre anvendes ved opsætning af spektrografen, såsom spalte-, rist-og kameraindstillinger, for at opnå de bedst mulige data, hvilket resulterer i stærke, skarpe spektral toppe. Der bør gøres en indsats for også at sikre, at detektoren ikke er mættet, når signalet optimeres. Placeringen af fibrene kan også justeres og/eller kollimeret for at forbedre lysintensiteten, samt at sikre, at enhver Stray lys ikke en del af Lightning begivenhed er enten elimineret eller fjernet som en del af baggrunden Imaging proces. Det kan tage nogle forsøg og fejl. Evnen af Lightning generator bruges til at reproducere den samme lyn begivenhed præcist med minimal variation, eller til at forstå, hvor eventuelle variationer kan komme fra, så de kan styres, er vigtigt at opnå pålidelige og gentagelig spektroskopiske Resultater.
Der kan foretages ændringer i dette setup for at vurdere forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum yderligere i UV-og IR-båndene, hvor billedbehandlings teknologien tillader og afhængigt af den type hændelse, der afbildes. For eksempel, udvide bølgelængde område under 450 nm kan afsløre yderligere atomare og molekylære linjer, såsom emissioner fra NO og OH radikale. Justering af spektrografen rist for at give en lavere opløsning over en bredere vifte kan bidrage til at identificere interessante funktioner, som derefter kan analyseres ved hjælp af en højere opløsning smallere rækkevidde rist.
Den største fordel ved denne teknik er, at det er helt ikke-påtrængende, så det kræver ikke nogen ændring af Lightning generator. Ved at transportere lyset via en fiberoptik reduceres mængden af elektrisk interferens fra det barske elektromagnetiske miljø, hvilket andre systemer, såsom kameraer, kan opleve, hvis de ikke er tilstrækkeligt afskærmede. Det betyder, at data fra en spektrograf potentielt har meget lavere støj og mindre interferens end andre instrumenter. Denne specifikke teknik er begrænset af sin mangel på tid opløsning og efterfølgende mangel på yderligere karakterisering af Lightning Arc. F. eks. findes der højhastigheds spektrografer, som kan give tid til at løse spektraldata, som fører til målinger af temperatur og elektron tæthed.
Det forventes, at spektroskopi vil blive et vigtigt redskab, sammen med andre diagnostiske instrumentering, i forståelse laboratorium genereret lyn buer. Det vil bidrage med gratis information om karakteristiske lyn begivenhed signaturer og bruges til at identificere de reaktive kemiske elementer i buen. Yderligere udvikling af denne teknik kan også resultere i derisering af yderligere egenskaber.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender taknemmeligt den finansielle støtte fra Sêr Cymru nationale forskningsnetværk inden for avanceret ingeniørvidenskab og materialer (NRN073) og innovere UK via Aerospace Technology Institute (113037).
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 |