Summary
טכניקות הפליטה השתמשו באופן מסורתי כדי לנתח קשתות ברק אקראיות מטבעו המתרחשים בטבע. במאמר זה, שיטה שפותחה על מנת להשיג את ספקטרוסקופיית הפליטה מקשתות ברק שנוצרו בתוך סביבת מעבדה מתוארת.
Abstract
ברק הוא אחד הכוחות השכיחים ביותר והרסני ביותר בטבע והוא כבר למד באמצעות טכניקות ספקטרוסקופיות, הראשון עם שיטות הסרט המסורתי המצלמה וטכנולוגיה מצלמה דיגיטלית מכן, שממנה מספר מאפיינים חשובים כבר נגזר. עם זאת, עבודה כזו מאז ומתמיד הוגבלה בשל הטבע האקראי והבלתי-מבוקר של אירועי ברק טבעיים בתחום. ההתפתחויות האחרונות במתקני בדיקת הברק מאפשרים הדור החדש של קשתות הברק בתוך סביבות מעבדה מבוקרת, מתן מיטה מבחן לפיתוח חיישנים חדשים טכניקות אבחון כדי להבין את הברק מנגנון טוב יותר. אחת טכניקה כזאת היא מערכת ספקטרוסקופית באמצעות טכנולוגיית מצלמה דיגיטלית המסוגלת לזהות את האלמנטים הכימיים שבהם קשת הברק אינטראקציה, עם נתונים אלה לאחר מכן משמש כדי להפיק מאפיינים נוספים. במאמר זה, מערכת ספקטרוסקופית משמש כדי להשיג את ספקטרום הפליטה של 100 kA שיא, 100 μs הברק אורך קשת שנוצר על פני זוג אלקטרודות טונגסטן האונה מופרדים על ידי פער אוויר קטן. כדי לשמור על החלטה ספקטרלית של פחות מ-1 ננומטר, מספר ספקטרום בודדים נרשמו על ידי טווחי אורך גל דיסקרטית, ממוצעים, תפור, ותיקן לייצר ספקטרום המורכב הסופי ב 450 ננומטר (אור כחול) כדי 890 ננומטר (ליד אור אינפרא אדום) טווח. הפסגות האופייניות בתוך הנתונים הושוו למסד נתונים שהוקם לציבור כדי לזהות את האינטראקציות של האלמנט הכימי. שיטה זו ישימה בקלות על מגוון רחב של אירועים אחרים פולטות אור, כגון שחרורים חשמליים מהירים, הפרשות חלקיות, וברקים בציוד חשמלי, מכשירים ומערכות.
Introduction
ברק הוא אחד הכוחות השכיחים וההרסניים ביותר בטבע המאופיין בשחרור חשמלי מהיר שנראה כהבזק אור ואחריו רעם. קשת ברק אופייני יכול להיות מורכב מתח של עשרות של ג'יגה וולט וזרם ממוצע של 30 kA על פני קשת עשרות מאות קילומטרים כל קורה בתוך 100 μs. התבוננות בספקטרום פליטת האור מאירועי הברק כבר מזמן שימשו ל גזור מידע אודות המאפיינים שלהם. טכניקות רבות הוקמו באמצעות טכניקות מצלמה מסורתיות המבוססות על סרטים לחקר שביתות ברקים טבעיים במהלך שנות ה-60 עד 1980, לדוגמה1,2,3,4,5 ,6,7ו, לאחרונה, טכניקות דיגיטליות מודרניות, לדוגמה8,9,10,11,12, מיכל בן 13 , 14, שימשו כדי לתת תובנה מדויקת יותר למנגנוני הברק. במשך הזמן, עבודה כזאת הוכיחה את היכולת לא רק לזהות את החומרים הכימיים של האלמנט הכימי1,14, אלא גם להשיג מדידות של טמפרטורה15,16, לחץ5, צפיפות חלקיקים ואלקטרונים5,17, אנרגיה18, התנגדות, והשדה החשמלי הפנימי של הקשת8. עם זאת, מחקרים של ברק טבעי היו תמיד מוגבלים על ידי הטבע הבלתי צפוי מטבעו אקראי ולא לשחזור של אירועי ברק.
בשנים האחרונות, המחקר התמקד באופן שבו הברק מקיים אינטראקציה עם הסביבה המקיפה, בעיקר בתחום התעופה האווירית כדי להגן על מטוסים בטיסה מפני מכת ברק ישירה. מספר מתקנים גדולים לבדיקת הברקים עוצבו ובנויים לשכפל את האלמנטים ההרסניים ביותר של מכת ברק, כלומר זמן האספקה הנוכחי והמסירה, אך במתח מוגבל. המעבדה לברק מורגן-בוטום (MBLL)19 ב קארדיף האוניברסיטה יכול ליצור ארבעה ברורים גל הברק צורות עד 200 kA בהתאם לתקן הרלוונטי20. עם מתקן כזה מעבדה, ברקים ניתן לשכפל בקלות בשליטה עם רמה גבוהה של דיוק לעבור חזרה, מתן מיטה בדיקה לפיתוח חיישנים חדשים וטכניקות אבחון כדי להבין אינטראקציות ברקים ו . מנגנונים טובים יותר21,22,23 טכניקה אחת כזו היא מערכת ספקטרוסקופית מפותחת ומותקנת לאחרונה14,21 אשר, כמו מערכות ספקטרוסקופיות המשמשות ללימודי ברק טבעי, פועל אולטרה סגול (UV) לטווח קרוב-אינפרא אדום (ניר). זוהי שיטה לא פולשנית שאינה מפריעה לקשת הברק והיא מושפעת ברובו מהרעש האלקטרו-מגנטי המיוצר במהלך השביתה, להבדיל מההתקנים המבוססים ביותר באופן אלקטרוני.
מערכת ספקטרוגרף שימש להתבונן בספקטרום של מעבדה טיפוסית שנוצר הברק קשת המורכבת של 100 kA השיא ביקורתי מאוד מנדנוד, 100 μs משך, 18/40 μs צורת גל על פני פער האוויר בין זוג של 60 מילימטר קוטר טונגסטן אלקטרודות המופרדות על-ידי מרווח אווירי של 14 מ"מ. סימנים אופייניים לקשת הברק הזאת מוצגת באיור 1. האלקטרודות הוצבו בתוך תא אלקטרו-מגנטי (EMI) בהיר, כך שהאור המוקלט היחיד היה מקשת הברק עצמה, כאשר כמות קטנה של אור זה מועברת באמצעות סיבים אופטיים בקוטר 100 יקרומטר, הממוקמים 2 מ' משם ו באמצעות זווית צפייה 0.12 ° המעניקה גודל ספוט של 4.2 מ"מ במיקום הקשת, לחדר EMI אחר המכיל את מערכת הספקטרוגרף, כפי שמוצג באיור 2. תאי EMI שימשו כדי למזער את ההשפעות השליליות שנגרמו על ידי אירוע הברקים. סיב אופטי הוא הופסק במארז האור הדוק מבוסס על תצורת czerny-טרנר של אורך מוקד 30 ס מ, עם האור עובר דרך מתכווננת 100 יקרומטר לחתוך ו על 900 ב/מ ' 550 להבה הסורגים באמצעות שלוש מראות, על 1,024 x 1,024 מצלמה דיגיטלית פיקסל, כפי שמוצג באיור 3. במקרה זה, ההתקנה האופטית נותן החלטה ספקטרלית של 0.6 ננומטר על פני כ 140 בקירוב ננומטר בתוך מגוון מלא של 800 ננומטר על פני UV לאורך גל של ניר. הרזולוציה הספקטרלית נמדדת כיכולת הספקטרוגרף להבחנה בין שתי פסגות מקרוב, וניתן לכוונן את מיקומו של הטווח הרחב בתוך המגוון המלא על-ידי סיבוב הסורגים. רכיב מפתח של המערכת הוא הבחירה של פומפיה עקיפה המכתיבה את טווח אורך הגל ואת הרזולוציה הספקטרלית, כאשר הישות הקודמת הופכת ביחס הפוך לשני. בדרך כלל, טווח אורך גל רחב צריך לאתר קווים אטומיים מרובים בעוד רזולוציה ספקטרלית גבוהה צריך למדוד את מיקומם במדויק; זה לא יכול להיות מושגת באופן פיזי עם פומפיה אחת עבור סוג זה של ספקטרוגרף. לכן, נתונים ממספר פרקי מידע, עם רזולוציה גבוהה, נלקחים בעמדות שונות ברחבי UV לטווח ניר. נתונים אלה מיוצרים ומודבקים יחד כדי ליצור ספקטרום מורכב.
בפועל, בשל מגבלות של שידור האור סיבים אופטיים, טווח אורך הגל של 450 nm ל 890 ננומטר הוקלט. החל מ-450 ננומטר, אור מארבע קשתות ברק שנוצרו באופן עצמאי הוקלט, רעשי הרקע הופלו, ולאחר מכן הממוצע שלו. טווח אורך הגל היה אז הוזז 550 ננומטר, מתן חפיפה נתונים ננומטר 40, עם אור של עוד ארבע קשתות הברק שנוצר הממוצע. זה חזר עד 890 ננומטר הגיע, והנתונים הממוצע כתוצאה תפרו יחד כדי ליצור ספקטרום שלם על פני טווח אורך הגל המלא המוגדר מראש. תהליך זה מומחש באיור 4. הפסגות האופייניות שימשו לזיהוי אלמנטים כימיים באמצעות השוואה למסד נתונים מבוסס24.
במאמר זה, שיטת הספקטרוסקופיית הפליטה האופטית מתוארת. שיטה זו ישימה בקלות על מגוון רחב של אירועים אחרים פולטות אור עם שינוי מינימלי להגדרות הניסוי הנסיוני או הגדרות מערכת ספקטרוגרפיה. יישומים כאלה כוללים שחרורים חשמליים מהירים, שחרורים חלקיים, ברקים ותופעות קשורות אחרות במערכות חשמל וציוד.
Protocol
1. בחירת טווח אורך הגל
- יש לבחור תחילה את טווח אורך הגל של הברק שעליו יש לצפות. 450 ננומטר ל890 nm נבחר.
הערה: זה יהיה מוגבל על ידי הגדרת המעבדה, טווח ספקטרלי כפי שהוגדר על ידי זווית הלוהט של הסורגים, ואת הרגישות של המצלמה.
2. הכנת האלקטרודות
- בחר חומר אלקטרודה מתאים. זוג של 60 מילימטר קוטר אלקטרודות כדוריות טונגסטן קבוע השלוחות נחושת נבחר, כפי שמודגם באיור 5.
הערה: כל חומר שאיתו הברק מקיים אינטראקציה פולט ספקטרום, כולל האלקטרודה, וחשוב למזער את ההפרעה הזו. עם זאת, זה צריך להיות מאוזן נגד היכולת של חומר האלקטרודה כדי לעמוד במכות ברק חוזרות עם נזק מינימלי במהלך הניסויים. עבור טונגסטן, רבים של קווי הפליטה שלה בתוך טווח אורך הגל שנבחר הם גלויים רק בין 450 nm ו 590 ננומטר והם במידה ניכרת להבדיל מספקטרום הברק צפוי. זהו גם חומר קשה מאוד המשמש בדרך כלל במתח גבוה גבוהה וניסויים הנוכחי. -
לנקות ולהבריק את האלקטרודות כדי להסיר את כל המזהמים. כל חומר שבקשת הברק מקיים האינטראקציה פולט ספקטרום, כולל זה של כל מזהמים. לכן, חשוב לוודא שאלקטרודות מזהם בחינם כדי להבטיח שאין קווים ספקטרלי שגויים.
- שפשף את האלקטרודה עם נייר זכוכית גס עבור 5 דקות, מניחים אותו לתוך אמבט מים קוליים בטמפרטורת החדר עבור 10 דקות, ולאחר מכן לנגב עם מטלית חינם מוך לשחרר ולהסיר כל המזהמים. תמיד להשתמש בכפפות כאשר טיפול האלקטרודה כדי למנוע זיהום מחדש.
- חזור על האמור לעיל בדרך כלל עשר עד חמש עשרה פעמים עם ציונים יורדים של נייר זכוכית, נייל בד, ולאחר מכן ליטוש בגדים עד להשיג גימור פולני טוב. נייר זכוכית וציוני בד של 240 כדי 8,000 שימשו.
- הר האלקטרודות בתוך מעטה הברקים להקים מרחק מתאים ביניהם. כאן, האלקטרודות מותקן בתוך מעטה הברק 14 מ"מ בנפרד כפי שמוצג באיור 5.
הערה: מתקני בדיקת ברק שונים יש מתח תפעולי שונים, כך המרחק בין האלקטרודות צריך להיות כזה התמוטטות אוויר יתרחש כאשר גנרטור הברק מופעל.
3. הכנת הספקטרוגרפיה
- מקם את הספקטרוגרף במארז מדורג באמצעות EMI, כפי שמודגם באיור 2. באופן אידיאלי, מעטה הברק והספקטרוגרף צריכים להיות ממוקמים בתוך מארזי EMI נפרדים.
- לבחור ולהתקין את סיבים אופטיים. הסיב הנבחר היה סיב אופטי באורך 8 מ' ומותקן בין שני תאי EMI.
- בחרה סיב אופטי עם מאפייני שידור טובים בתוך טווח הגל המוגדר מראש כדי להיות נצפתה, כלומר, בין 450 nm ל 890 nm.
- שים לב ליעילות השידור מול נתוני אורך הגל, מכיוון שפעולה זו תהיה בשימוש עבור עיבוד נתונים. זה מסופק לעתים קרובות על ידי היצרן למרות, באופן אידיאלי, יש למדוד באמצעות מנורה מכויל.
- חבר קצה אחד של סיבים אופטיים למארז האופטי בהסדר הדוק.
- הצב את הקצה השני של סיב אופטי כדי לראות את קשת הברק בין האלקטרודות. אור מלייזר שנשלח דרך הספקטרומטר ברוורס יכול לעזור עם היישור. סיב אופטי ממוקם בגובה זהה למרכז של פער האלקטרודה ב 2 מ ', כמוצג באיור 6.
- כוונן את כמות האור המגיעה למצלמה במידת הצורך כדי למזער את הרוויה. שימוש בקולימטור מפחית את זווית הצפייה בסיבים אופטיים עד 0.12 ° והתוצאה היא בגודל מקום של 4.2 מ"מ במיקום של קשת הברק עבור אורך קשת כולל של 14 מ"מ, הפחתת האור בערך רבע שעה.
הערה: עוצמת האור המגיעה למצלמה יכולה להיות מותאמת לחילופין על-ידי שינוי המרחק בין מקור האור לסיבים אופטיים, על-ידי התאמת החתך, או באמצעות מסנן דחיסות נייטרלית.
- הפעל את מערכת הספקטרוגרף והפעל את תוכנת הבקרה המשויכת. המצלמה הדיגיטלית דורשת בסביבות 10 דקות כדי להגיע לטמפרטורה של-70 ° c.
הערה: מצלמות דיגיטליות מסוימות דורשות קירור כדי להפחית את הרעש לפני שהם הופכים מבצעית לחלוטין. - בחרו בפומפיה הספקטרוגרפיה. שימוש ב-900 in/mm 550 להבה.
הערה: הפומפיה מגדירה את טווח אורך הגל ואת הרזולוציה ספקטרלית בתוך מערכת ספקטרוגרף בשימוש, עם רזולוציה ספקטרלית של < 1 ננומטר נדרש לזיהוי שיא. הפומפיה שנבחרה מעניקה טווח אורך-גל של כ-140 ננומטר ורזולוציה של 0.6 ננומטר. - כיול את הספקטרוגרף מול מקור כיול ידוע, כגון מנורה של ארגון מרקורי.
- הצב את הפומפיה במיקומה ההתחלתי בתחתית טווח אורך הגל הנבחר. כאן, הסורג הוצב ב 450 ננומטר נותן מגוון של 450 nm ל 590 nm.
- העבר את מקור הכיול והציבו אותו כנגד הקצה הפתוח של הסיב האופטי.
- כוונן את חשיפת המצלמה דרך תוכנת הבקרה לזמן מתאים כדי להשיג אות בלתי רווי טוב, כגון חשיפה של 0.1 s.
- להתאים את החריץ דרך תוכנת הבקרה כדי לחדד את הפסגות ספקטרלי אם נדרש או, במקרים מסוימים, את המיקום של הגלאי יכול גם להיות מותאם כדי למטב את האות. שימוש בחתך של 100 יקרומטר.
הערה: הסדק צריך להיות מוגדר לערך מינימלי כדי להקטין את הרחבת הקווים האטומיים עקב עקיפה של אור בחריץ, עם ערכים של עד 20 יקרומטר לעתים קרובות נעשה שימוש. עם זאת, חתך צר יהיה גם להקטין את האות ואת האיזון עשוי להיות צריך להימצא בין עוצמת אור וחדות של פסגות. - הקלט את הספקטרום של מקור הכיול וזהה את מספר הפיקסל בתמונת המצלמה שנוצרת, בה מתרחשות הפסגות.
- מתווה את המיקום של מספר הפיקסל עבור כל שיא נגד אורך הגל הידוע של כל שיא שסופק עם מקור הכיול ולהתאים קו ישר לגזור משוואה אשר יאפשר המרה של פיקסלים על אורך הגל. דוגמה לכך עבור שלוש קווים אטומיים מרקורי מומחש באיור 7.
- החל את הכיול על מיקום פומפיה זה לפני המעבר אל הבא. עבור מערכות ספקטרוגרפיות מסוימות, ניתן להחיל את ההמרה של מספר הפיקסל על אורך הגל על התוכנה באמצעות קובץ כיול.
- הצב את הפומפיה עבור הטווח החוזר הבא וחזור על השלבים שלעיל. כאן, הסורג היה במיקום הבא כדי 550 nm נותן מגוון של 550 nm כדי 690 nm וכתוצאה מכך חפיפה של 40nm עם טווח הגל הקודם.
הערה: הרוחב של אזור החפיפה צריך להספיק כדי לאפשר הכרה במגמות בסוף הטווח הראשון ובתחילת הטווח השני לתהליך ההדבקה והשלב המאוחר יותר. - חזור על השלבים שלעיל עבור כל מיקומי הפומפיה. זה חזר על עצמו עד 890 ננומטר הגיע.
הערה: מקורות כיול, בדרך כלל מנורה עם פסגות ספקטרליות ידועות, מסופקות בדרך כלל עם מערכות ספקטרוגרפים והיצרן יוכל לספק פרטים נוספים על אופן ההשגה של כיול.
- בחר בפרמטרים של הספקטרוגרפים כדי להקליט את קשת הברק שנוצרה.
- כוונן את החריץ במידת הצורך.
- קבע את זמן חשיפת המצלמה כדי לוודא שאירוע הברקים כולו נלכד; שקול את זמן ההדק ואת כל העיכובים בכל אחד ממחולל הברק או הספקטרוגרף בעת הגדרת פרמטר זה. עבור גנרטור הברק ב MBLL, השתמשו בזמן חשיפה של 5 s.
הערה: זמן חשיפה ארוך יותר יגדיל את רמות הרעש ואת הסבירות של חפצים, כגון קרניים קוסמיות, כך צריך לעשות מאמצים כדי לשמור על זה למינימום. עם זאת, הזמן צריך גם להיות מספיק כדי להסביר כל אי ודאות המפעיל של קשת הברק שנוצר או מערכת ספקטרוגרפיה כדי להבטיח את האירוע כולו הוא נלכד. - שנה את מצב המערכת ספקטרוגרף כדי לקבל גורם מפעיל ממחולל הברק. A 5 V TTL האות שימש כדי להפעיל את המצלמה 2.5 s לפני שהקשת הברק אותחלה.
4. הרצת ניסוי
-
. הכן את גנרטור הברק
- ודא כי כל האורות כבויים והתאים סגורים במקום הרלוונטי כדי להבטיח סביבה הדוקה.
- . הפעל את גנרטור הברק לכל מתקן בדיקת ברק יהיה פרוטוקול משלו להכנה והחלפה. ב-MBLL, האזור מנוקה מכוח אדם ומתקני הבטיחות הרלוונטיים מאורסים לפני שניתן יהיה להפעיל את גנרטור הברק.
- בחר את צורת הברק הרלוונטית ואת הטעינה לשיא הדרוש. אופייני 54 kV, 100 kA שיא ביקורתי מאוד מנדנוד 100 μs שיא 18/40 שימוש בצורת גל של μs.
-
רכישת ספקטרום ממספר אירועי ברק שנוצרו
- מקם את פומפיה ספקטרוגרף במיקום ההתחלה שלה ולקחת תמונת רקע באמצעות אותם הפרמטרים של השביתה הברק. זה עשוי להיות ממוצע של כמה תמונות רקע. חשיפה של 5 עם 100 יקרומטר חריץ שימש בסביבה 450 nm.
- ודא שמערכת הספקטרוגרף מוכנה להקלטה כדי להקליט את הספקטרום עם ההגדרות הנכונות. חשיפה של 5 עם 100 יקרומטר חריץ שימש בסביבה 450 nm.
- לטעון את גנרטור הברק ולהפעיל את אירוע הברקים, אשר גם להפעיל את הספקטרוגרף.
- הקלט את נתוני הפלט הספקטרלי.
- בדוק את הנתונים הספקטרוסקופיים עבור כל הפרעה. ספקטרוגרפים נוטים מדי פעם לדוקרנים נתונים הנגרמים על ידי קרינה קוסמית או ממצאים אחרים הנגרמים על ידי פיקסלים שאינם מגיבים או מתים. יש לבצע את המאמצים כדי להסיר הפרעה כזו ולחלק מהספקטרוגרפים יש תוכנה שיכולה לעשות זאת. חלופה היא להתעלם מהנתונים ולחזור על הניסוי. איור 8 מראה דוגמה של ההפרש בין נתונים עם או בלי מדקר קרינה קוסמית.
- נקה את האלקטרודות של כל זיהום אם נדרש על ידי מנגב עם אלכוהול או, אם מזוהם, חוזר צעד 2.2.
- חזור על שלבים ש4.2.2 ל4.2.5 עד לקבלת ארבע קבוצות של נתונים ספקטרוסקופיים עבור טווח ה-nm 450.
- הצב את הספקטרוגרף פומפיה כדי 550 ננומטר ושלבים חוזרים 4.2.1 כדי ל4.2.6 עד שארבע קבוצות של נתוני ספקטרוגרפים עבור הטווח של 550 ננומטר הושגו.
הערה: מספר הצעדים החוזרים צריך להיות מספיק כדי לממוצע את כל השונות ירה לירות לראות את קשת הברק שנוצר. - חזור על האמור לעיל עד שכל ערכות הנתונים נאספו כדי להגיע לערך מרבי של אורך הגל של 890 ננומטר, וכתוצאה מכך 16 קבוצות של נתונים ספקטרליים.
- אם יש וריאציה משמעותית בספקטרום של כל משנה באותו הגדרות מחולל הברק, למשל, בעוצמת הקווים האטומיים, כל הניסויים בכל שלב יכולים לחזור יותר מארבע פעמים. המטרה של זה היא למזער את ההשפעה של כל חריגות אחד-off ולממוצע את הגרסה ירה-אל-shot מן גנרטור הברק ואת קשת הברק בחינם.
- אם יש הבדל בספקטרום באותו מחולל ברק הגדרות זרם, אז ההתקנה ניסיוני צריך להיות מוערך עבור מזהמים.
5. נתונים לאחר עיבוד
- לאחר העיבוד וניתוח הנתונים, בחר יישום תוכנה של גיליון אלקטרוני המשלב יכולות חישוב. תוכנה כזו זמינה באופן נרחב.
-
הפחת את נתוני הרקע שנרכשו בשלב 4.2.1 מכל נתוני הברק שנוצרו.
- ממוצע הנתונים ברקע 450 ננומטר מופחתים על הנתונים המופקים של 450 ננומטר, ממוצע הנתונים ה550 ננומטר מופקות מכל 550 אחד מהם כתוצאה מ-nm של נתוני ספקטרום הברק, וכן הלאה. דוגמה לכך מוצגת באיור 9.
- ממוצע כל ערכת נתונים בודדת עבור כל טווח אורך הגל. הדבר מומחש באיור 10 שבו קבוצות הנתונים nm 4 450 ננומטר ממוצעים.
- השתמש באזור החופף כדי ליישר נתוני ספקטרום עוקבים, ולאחר מכן הממוצע לאזור החופף. זה מומחש באיור 11 המציגה את הממוצע 450 ננומטר ו 550 נתונים nm.
הערה: היישור והממוצע של האזור החופף יהיה להציג שגיאות וייתכן שיהיה צורך לבצע כיול אינטנסיביות יחסית עבור הספקטרום המלא באמצעות, למשל, מנורה סרט טונגסטן. - נכון לצורך הנחתה בסיבים אופטיים ויעילות קוונטית. . זה מומחש באיור 12
הערה: ניתן להשיג תיקון מדויק יותר על-ידי שימוש במנורה מכוילת כדי למדוד את שידור האור עבור כל מסוף. במקרה זה, ניתן להחיל את התיקון לפני תהליך התפירה. - הציגו את הנתונים הסופיים כייצוג גרפי או כהתוויה בעוצמה, כמוצג באיור 13.
6. ניתוח נתונים
-
זהה את הפסגות הספקטרליות האופייניות.
- מערכות ספקטרוגרפיות מסוימות יכללו תוכנה שתזהה באופן אוטומטי את פסגות הרכיבים. הטיפול צריך להילקח, במיוחד עם הנתונים תפור, כי מיקומי שיא נכונים.
- ניתן לבצע זיהוי שיא ידני באמצעות מסדי נתונים זמינים לציבור, כגון24. יש לנקוט כדי להתאים את הפסגות החזקות ביותר (אינטנסיביות יחסית) מן הרמות האינון הנמוך ביותר הראשון (כלומר, אני, אז II, אז III) אלמנט אחד בכל פעם.
- בעיות בזיהוי הפסגות המדויק או היישור שלהן עשויות להיות עקב בעיות כיול או שגיאת יישור באופטיקה. העריכו את מיקום האופטיקה במארז האופטיקה וחזרו על שלב 3.
הערה: האנרגיה הגבוהה של קשתות הברק שנוצרו תגרום להרחבת קווי הפליטה האטומית עקב אפקט סטארק וזיהוי אמין של כל הקווים לא יהיו אפשריים.
Representative Results
בעוצמת הברק נציג נגד מגרש אורך גל עבור 100 kA שיא ביקורתי באופן קריטי מאוד 100 μs שיא 18/40 μs צורת גל, על פני פער אוויר בין זוג של 60 mm מילימטר בקוטר אלקטרודות ממוקם 14 מ"מ בנפרד, ניתן באיור 14. נתונים אלה מורכבים מארבע קבוצות של 4 140 ננומטר בממוצע מקטעי נתונים תפור יחד ותיקן רעש רקע, הנחתה סיבים אופטיים, ואת המצלמה הדיגיטלית יעילות קוונטית. נתונים אלה הומרו להתוויה בעצימות, בדומה למוצג באיור 15. פסגות בולטות זוהו באופן ידני בהשוואה למסד נתונים מבוסס, כפי שמוצג באיור 16.
איור 1 : שנוצר פרופיל קשת הברק. המעקב מוקלט של שיא אופייני 100 kA באופן קריטי מנדנוד, 100 μs משך, 18/40 μs ברקים גל הברק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2 : התקנה ניסויית. סכמטי של ההתקנה הניסיונית (לא לשנות את קנה המידה), שם אור מקשת ברק שנוצר בין שתי אלקטרודות מועבר דרך סיב אופטי למערכת ספקטרוסקופית, המורכב של מארז אופטיקה ומצלמה דיגיטלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3 : התקנת ספקטרוגרף. שרטוט של מערכת ספקטרוגרף (לא בקנה מידה), כאשר האור מסיבים אופטיים הוא הופך לספקטרום, דרך פומפיה, אשר נרשם לאחר מכן על ידי מצלמה דיגיטלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4 : איסוף, עיבוד, הצגת נתונים ספקטרלי. איור של השלבים המשמשים לאיסוף, ממוצע, תפר ונתונים נכונים כלפי השגת ספקטרום רחב ברזולוציה גבוהה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5 : תצורת אלקטרודה. תמונה של שני 6 קוטר מילימטר כדורי טונגסטן האונה קבוע לתוך הרכב נחושת ממוקם 14 מ"מ מלבד המתקן ברק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6 : תצורת סיבים אופטיים. תמונה של סיבים אופטיים ממוקם בגובה זהה במרחק של 2 מ ' האלקטרודות רכוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7 : כיול אורך הגל. (א) שולחן של שלושה קווי מרקורי ידועים כנגד מספר הפיקסל שבו הם נמדדו, ו (ב) מזימה של כל נקודה (צלבים) והתאמה קו ישר (קו מקווקו) מתן משוואה (הזחה) המאפשר פיקסלים להיות מומרים לאורך הגל. פעולה זו מתבצעת עבור מספר קווים אטומיים ידועים לאורך טווח אורך הגל כולו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8 : הפרעה בקרני הקוסמית. נתונים ספקטרליים מ 100 kA מעבדה שנוצר הברק קשת בתוך 550 nm כדי 690 ננומטר טווח המראה: (א) נתונים ללא הפרעות קרן הקוסמית, ו (ב) ו (ג) נתונים עם קוצים מאפיין הקוסמית קרן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9 : חיסור של רקע. נתונים ספקטרליים מ 100 kA מעבדה שנוצר הברק קשת בתוך 550 nm כדי 690 ננומטר טווח מראה: (א) נתוני רקע ממוצע, (ב) נתונים גולמיים, ו (ג) נתונים עם הרקע הממוצע מופחתים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10 : חישוב ממוצע של נתונים. נתונים ספקטרליים ממעבדת 100 kA שנוצר ברק קשת ב 550 nm כדי 690 nm טווח המראה: (a-d) נתונים בודדים, ו (e) נתונים בממוצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11 : הנתונים תפרים. נתונים ספקטרליים ממעבדת 100 kA שנוצר הברק מראה: (א) ה550 nm כדי 690 ננומטר טווח, (ב) ה650 כדי 790 ננומטר טווח, ו (ג) שני מצופה הנתונים המצופים עם ב650 nm כדי 690 nm חפיפה. לאחר מכן, אזור החפיפה מממוצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 12 : תיקון נתונים. מגרשים 450 nm כדי 890 בטווח גל ננומטר עבור (a) הנחתה סיבים, ו (ב) ספקטרוגרף מצלמה יעילות קוונטית המסופקים על ידי יצרנים בהתאמה. אלה משמשים כדי לתקן את הנתונים ספקטרלי תפור בהתאם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 13 : הצגת נתונים. דוגמאות של (א) מגרש נתונים גרפי ו (ב) מגרש אינטנסיביות המייצג את הספקטרום של מעבדה 100 kA שנוצר הברק קשת בתוך 550 nm כדי 790 בטווח גל ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 14 : נתונים גרפיים טיפוסיים. ממוצע אופייני, תפור, ו מתוקן מגרש גרפי ב 450 nm כדי 890 בטווח גל ננומטר עבור 100 kA מעבדה שנוצר הברק קשת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 15 : מגרש אינטנסיביות אופייני. אופייני הממוצע, תפור, ומתוקן העלילה אינטנסיביות ב 450 nm כדי 890 בטווח גל ננומטר עבור 100 kA מעבדה שנוצר הברק קשת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 16 : זיהוי אלמנט כימי. אילוסטרציה של שורה ספקטרלית של אלמנט כימי הזיהוי עבור רמות יינון הסדר הראשון באמצעות מסד נתונים זמין לציבור24. אלמנטים באוויר (חנקן, חמצן, ארגון, הליום) ו באלקטרודה (טונגסטן) זוהו. ספקטרום זה הוא קרוב-זהה לזה בהתייחסות14 כפי שהוא משתמש באותו מנגנון לנתח את אותו סוג של קשת הברק. הדמות הזאת הותאמה מהפניה14. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
ספקטרוסקופיה היא כלי שימושי לזיהוי התגובות אלמנט כימי במהלך שביתות הברק הטבעי ושנוצר. בהינתן מלכודת ניסיונית מדויקת ומספקת, ניתוח נוסף על הנתונים יכול לחשוף מגוון של תכונות ברק אחרות. יש לו, למשל, שימש כדי לוודא כי ספקטרום של קשתות הברק שנוצר מעבדה בדומה לברק טבעי וכי תוספת של חומרים אחרים לתוך קשת הברק יכול לשנות את הספקטרום הזה באופן משמעותי14. השיטה יכולה לשמש גם לאירועים אחרים הפולטות אור, כגון שחרורים חשמליים מהירים, שחרורים חלקיים, ברקים ותופעות קשורות אחרות במערכות מתח גבוה, כאשר הזיהוי הסימולטני של קווים אטומיים מרובים או מרכיבים ברחבי ה ספקטרום רחב חשוב.
השלב הקריטי ביותר הוא להבטיח שנעשה שימוש בפרמטרים הנכונים בעת הגדרת הספקטרוגרף, כגון הגדרות החיתוך, הפומפיה והמצלמה, כדי לרכוש את הנתונים הטובים ביותר האפשריים כתוצאה מפסגות ספקטרליות חזקות וחדות. יש לעשות מאמצים גם להבטיח כי הגלאי אינו רווי בעת אופטימיזציה של האות. ניתן גם לכוונן את מיקום הסיבים ו/או לשפר את עוצמת האור, כמו גם להבטיח שאור תועה שאינו חלק מאירוע הברקים יחוסל או יוסר כחלק מתהליך דימות הרקע. זה עשוי לקחת קצת ניסוי וטעייה. היכולת של גנרטור הברק השתמשו כדי לשכפל את אותו אירוע הברק במדויק עם וריאציה מינימלית, או כדי להבין היכן כל וריאציות עשוי לבוא כך שהם יכולים להיות נשלט, חשוב בהשגת ספקטרוסקופי אמין וניתן לשחזור תוצאות.
ניתן לעשות שינויים בהתקנה זו כדי להעריך חלקים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי לתוך להקות UV ו-IR שבהם טכנולוגיית דימות מאפשר ובהתאם לסוג האירוע הדמיה. לדוגמה, הרחבת טווח אורך הגל מתחת 450 ננומטר יכול לחשוף קווים אטומיים ומולקולרים נוספים, כגון פליטות NO ו-OH רדיקלים. התאמת הספקטרוגרפיה כדי להעניק רזולוציה נמוכה יותר בטווח רחב יותר עשויה לסייע בזיהוי תכונות מעניינות, שניתן לנתח אותן באמצעות הטווח הצר יותר של הרזולוציה.
היתרון העיקרי של טכניקה זו היא כי הוא אינו פולשני לחלוטין, ולכן הוא אינו דורש כל שינוי לגנרטור הברק. על-ידי הובלת האור באמצעות סיב אופטי, כמות ההפרעות החשמליות מהסביבה האלקטרומגנטית הקשה מצטמצמת, שמערכות אחרות, כגון מצלמות, עשויות לחוות אם לא מסוכך מספיק. משמעות הדבר היא שהנתונים מתוך ספקטרוגרף עלולים להיות בעלי רעש נמוך בהרבה ופחות הפרעות ממכשירים אחרים. טכניקה ספציפית זו מוגבלת על-ידי חוסר ברזולוציה הזמן והעדר הבאה של אפיון נוסף של קשת הברק. לדוגמה, הספקטרוגרפים במהירות גבוהה קיימים אשר יכולים לייצר זמן שנפתר נתונים ספקטרליות המובילים למדידות בדחיסות הטמפרטורה והאלקטרונים.
צפוי שספקטרוסקופיה תהפוך לכלי חשוב, לצד מכשור אבחוני אחר, בהבנת קשתות הברק שהופקו במעבדה. זה יתרום מידע בחינם על חתימות אופייני של אירועי ברק וישמש כדי לזהות את האלמנטים הכימיים התגובתית בתוך הקשת. התפתחות נוספת של טכניקה זו עשויה לגרום גם לנגזרת של מאפיינים נוספים.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים מכירים בהכרת תודה את התמיכה הפיננסית המסופקת באמצעות רשת המחקר הלאומית Sêr בהנדסה ובחומרים (NRN073) ולחדש את בריטניה דרך המכון לטכנולוגיה אווירית (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).
