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Engineering

실험실 번개 아크의 광대역 고분해능 방출 스펙트럼을 기록하는 방법

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

Summary

방출 분광법은 전통적으로 자연에서 발생하는 본질적으로 임의의 번개 호를 분석하는 데 사용되어 왔습니다. 이 백서에서는 실험실 환경 내에서 생성된 재현 가능한 낙뢰 아크로부터 방출 분광법을 얻기 위해 개발된 방법이 설명되어 있습니다.

Abstract

번개는 자연에서 가장 일반적이고 파괴적인 힘 중 하나이며, 분광 기술을 사용하여 오랫동안 연구되어 왔으며, 먼저 전통적인 카메라 필름 방법과 디지털 카메라 기술로 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다. 파생. 그러나 이러한 작업은 현장에서 자연 번개 이벤트의 본질적으로 무작위적이고 반복되지 않는 특성으로 인해 항상 제한되었습니다. 번개 테스트 시설의 최근 개발은 이제 제어 실험실 환경 내에서 낙뢰 아크의 재현 생성을 허용, 번개를 이해하는 새로운 센서 및 진단 기술의 개발을위한 테스트 베드를 제공 메커니즘을 더 잘 할 수 있습니다. 이러한 기술 중 하나는 번개 아크가 상호 작용하는 화학 원소를 식별 할 수있는 디지털 카메라 기술을 사용하는 분광 시스템이며, 이러한 데이터는 추가 특성을 도출하는 데 사용됩니다. 이 백서에서, 분광 시스템은 작은 공극에 의해 분리된 반구형 텅스텐 전극의 쌍에 걸쳐 생성된 100 kA 피크, 100 μs 지속시간 번개 아크로부터 방출 스펙트럼을 얻기 위해 사용된다. 스펙트럼 분해능을 1nm 미만의 유지하려면 450 nm(청색광)에서 890nm(근적외선) 범위에서 최종 복합 스펙트럼을 생성하기 위해 개별 파장 범위에서 여러 개별 스펙트럼을 기록하고, 평균화하고, 스티치하고, 수정했습니다. 데이터 내의 특징적인 피크는 화학 원소 상호 작용을 확인하기 위해 공개적으로 이용 가능한 확립된 데이터베이스와 비교되었습니다. 이 방법은 전기 장비, 장치 및 시스템에서 빠른 방전, 부분 방전 및 스파크와 같은 다양한 기타 발광 이벤트에 쉽게 적용할 수 있습니다.

Introduction

번개는 빛의 섬광으로 볼 수 있고 천둥이 뒤따르는 급속한 전기 방전을 특징으로하는 자연에서 가장 일반적이고 파괴적인 힘 중 하나입니다. 일반적인 낙뢰 아크는 수십 기가볼트의 전압과 100 μs 이내의 모든 일어나는 수십 킬로미터에서 수백 킬로미터길이의 아크를 가로질러 30 kA의 평균 전류로 구성될 수 있습니다. 속성에 대한 정보를 파생합니다. 1960년대에서 1980년대까지 자연낙뢰 를 연구하기 위해 전통적인 필름 기반 카메라 기법을 사용하여 많은 기법을 확립했습니다(예: 1, 2,3,4,5) 6,7,그리고, 최근에는 현대 디지털 기술, 예를 들어8,9,10,11,12, 13세 , 도 14,낙뢰 메커니즘에 대한 보다 정확한 통찰력을 제공하는 데 사용되었습니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 작업은 화학 원소상호 작용 1,14를식별 할뿐만 아니라 온도15,16,압력5의측정을 얻을 수있는 능력을 입증했다. 입자 및 전자밀도 5,17,에너지18,저항 및 아크8의내부 전기장. 그러나, 자연 번개에 대한 연구는 항상 번개 사건의 본질적으로 예측할 수없는 무작위 및 반복되지 않는 특성에 의해 제한되었습니다.

최근 몇 년 동안, 연구는 번개가 주변 환경과 상호 작용하는 방법에 초점을 맞추고있다, 특히 항공 우주 산업에서 직접 낙뢰로부터 비행 항공기를 보호하기 위해. 여러 개의 대형 낙뢰 테스트 시설은 결과적으로 낙뢰의 가장 파괴적인 요소, 즉 전류 및 전달 시간을 복제하도록 설계 및 제작되었지만 제한된 전압으로 제작되었습니다. 카디프 대학의 모건 보티 번개 연구소 (MBLL)19 는 관련 표준 20에 따라 200kA까지 4 개의 별개의 낙뢰 파형을 생성 할 수 있습니다. 이러한 실험실 시설을 통해 낙뢰를 높은 정확도와 반복성으로 쉽게 재현및 제어할 수 있으며, 새로운 센서 및 진단 기술을 개발하여 낙뢰 상호 작용을 이해하고 메커니즘 더 나은21,22,23. 이러한 기술 중 하나는 자연 낙뢰 연구에 사용되는 분광 시스템과 마찬가지로 자외선(UV)에서 근적외선(NIR) 범위로 작동하는 분광 시스템14,21을 최근에 개발하고 설치한 기술입니다. 그것은 번개 아크를 방해하지 않고 대부분의 전자 기반 장치와 달리, 파업 중에 생성 된 전자기 잡음의 영향을 크게받지 않는 비 관입 방법입니다.

분광기 시스템은 100 kA 피크 비판적으로 감쇠 된 진동, 100 μs 지속 시간, 18/40 μs 파형으로 구성된 전형적인 실험실 생성 낙뢰 아크의 스펙트럼을 관찰하는 데 사용되었습니다 60 mm 직경 텅스텐 쌍 사이의 공기 간격에 걸쳐 14mm 공기 간격으로 분리된 전극. 이 번개 아크 파형의 전형적인 흔적은 그림1에 나와 있습니다. 전극은 전자기 임펄스 (EMI) 빛 꽉 챔버에 위치했다 그래서 유일한 기록 된 빛은 번개 아크 자체에서이었다, 이 빛의 소량은 100 μm 직경 광섬유를 통해 수송되고, 2 m 떨어진 위치 도2에 도시된 바와 같이 0.12° 시야각으로 시준하여 아크의 위치에서 4.2 mm의 스팟 크기를 주고, 분광기 시스템을 포함하는 다른 EMI 챔버에. EMI 챔버는 낙뢰 로 인한 부작용을 최소화하기 위해 사용되었다. 광섬유는 초점 거리 30cm의 Czerny-Turner 구성에 따라 경밀한 광학 섀시에서 종료되며, 조명은 조정 가능한 100 μm 슬릿을 통과하고 3개의 거울을 통해 900 ln/mm 550 블레이즈 로터리 격자에 1,024 x 1,024로 분해됩니다. 그림3과 같이 픽셀 디지털 카메라. 이 경우, 광학 설정은 UV에서 NIR 파장에 걸쳐 약 800 nm의 전체 범위 내에서 약 140 nm 의 하위 범위에 걸쳐 0.6 nm의 스펙트럼 해상도를 제공합니다. 스펙트럼 분해능은 분광기가 두 개의 근접 피크를 구별하는 능력으로 측정되며, 전체 범위 내의 하위 범위의 위치는 격자를 회전시킴으로써 조절될 수 있다. 시스템의 핵심 구성 요소는 파장 범위와 스펙트럼 해상도를 지시하는 회절 격자의 선택이며 전자는 후자에 반비례합니다. 일반적으로 여러 원자선을 찾으려면 넓은 파장 범위가 필요하지만 위치를 정확하게 측정하기 위해 높은 스펙트럼 해상도가 필요합니다. 이것은 이러한 유형의 분광기에 대한 단일 격자로 물리적으로 달성 될 수 없습니다. 따라서 고해상도의 여러 하위 범위의 데이터는 UV에서 NIR 범위까지 다양한 위치에서 촬영됩니다. 이러한 데이터는 복합 스펙트럼을 형성하기 위해 함께 단계및 접착됩니다.

실제로, 광섬유 광 투과의 한계로 인해, 450 nm ~ 890 nm의 스펙트럼 파장 범위가 기록되었다. 450 nm에서 시작하여 4 개의 독립적으로 생성 된 번개 아크에서 빛이 기록되고 배경 잡음이 차감된 다음 평균화되었습니다. 그런 다음 파장 범위가 550 nm로 이동하여 40 nm 의 데이터가 겹치고 다른 4 개의 번개 아크에서 생성된 빛이 기록되고 평균화되었습니다. 이것은 890 nm에 도달 할 때까지 반복되었고, 그 결과 평균 데이터는 전체 미리 정의 된 파장 범위에 걸쳐 완전한 스펙트럼을 만들기 위해 함께 스티치되었다. 이 프로세스는 그림4에 나와 있습니다. 특성 피크는 확립된데이터베이스(24)와비교하여 화학 원소를 식별하는 데 사용되었다.

이 백서에서는 광학 방출 분광법의 방법을 설명합니다. 이 방법은 실험 설정 또는 분광기 시스템 설정을 최소한으로 변경하여 광범위한 다른 발광 이벤트에 쉽게 적용할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에는 전기 시스템 및 장비의 빠른 전기 방전, 부분 방전, 스파크 및 기타 관련 현상이 포함됩니다.

Protocol

1. 파장 범위 선택

  1. 관찰할 번개의 파장 범위를 먼저 선택해야 합니다. 450 nm 에서 890 nm을 선택하였다.
    참고: 이것은 실험실 설정, 격자의 타오르는 각도및 카메라의 감도에 의해 정의된 스펙트럼 범위에 의해 제한됩니다.

2. 전극 준비

  1. 적합한 전극 재료를 선택하십시오. 도5에 나타낸 바와 같이 구리 마운팅에 고정된 직경 60 mm 반구형 텅스텐 전극을 선택했다.
    참고: 번개 아크가 상호 작용하는 모든 재료는 전극을 포함한 스펙트럼을 방출하며 이러한 간섭을 최소화하는 것이 중요합니다. 그러나 이는 실험 중 최소한의 손상으로 반복되는 낙뢰를 견딜 수 있는 전극 재료의 능력과 균형을 이루어야 합니다. 텅스텐의 경우, 선택한 파장 범위 내에서 방출 라인의 대부분은 450 nm와 590 nm 사이에 볼 수 있으며, 크게 예상 번개 스펙트럼에서 구별된다. 또한 고전압 및 고전류 실험에 일반적으로 사용되는 매우 단단한 재료입니다.
  2. 전극을 청소하고 연마하여 오염 물질을 제거합니다. 번개 호가 상호 작용하는 모든 물질은 모든 오염 물질을 포함하여 스펙트럼을 방출합니다. 따라서 전극이 오염물질이 없는지 확인하여 잘못된 스펙트럼 라인을 보장하는 것이 중요합니다.
    1. 거친 사포로 전극을 5 분 동안 문지르고 실온에서 10 분 동안 음파 수조에 넣은 다음 보풀이없는 천으로 닦아 오염 물질을 풀고 제거하십시오. 재오염을 방지하기 위해 전극을 다룰 때는 항상 장갑을 사용하십시오.
    2. 일반적으로 사포, 에머리 천의 등급을 감소시키고 좋은 광택 마무리가 달성 될 때까지 천을 연마하여 일반적으로 10 ~ 15 번 위의 반복합니다. 240~8,000개의 사포와 천 등급이 사용되었다.
  3. 번개 장비 내에 전극을 장착하여 그 사이의 적절한 거리를 설정합니다. 여기서, 전극은 도5에 도시된 바와 같이 14mm 떨어져 낙뢰 장비 내에 장착된다.
    참고: 다른 낙뢰 테스트 시설은 작동 전압이 다르므로 낙뢰 임펄스 발생기가 트리거될 때 전극 사이의 거리가 공기 고장이 발생되도록 해야 합니다.

3. 분광기 준비

  1. 그림2에 나와 있는 것처럼 분광기를 독립적인 EMI 정격 인클로저에 놓습니다. 이상적으로는 낙뢰 장비와 분광기를 별도의 EMI 인클로저에 보관해야 합니다.
  2. 광섬유를 선택하고 설치합니다. 선택된 섬유는 8m 길이의 광섬유였으며 두 개의 EMI 챔버 사이에 설치되었다.
    1. 관찰할 미리 정의된 파장 범위 내에서 양호한 투과 특성을 가진 광섬유를 선택했습니다( 즉,450 nm ~ 890 nm 사이).
    2. 파장 데이터에 대한 전송 효율은 데이터 후처리에 사용됩니다. 이것은 종종 제조업체에서 제공하지만, 이상적으로는 교정 된 램프를 사용하여 측정해야합니다.
    3. 광섬유의 한쪽 끝을 광밀한 배열로 광학 섀시에 연결합니다.
    4. 광섬유의 다른 쪽 끝을 배치하여 전극 사이의 번개 호를 봅니다. 역방향으로 분광계를 통해 전송된 레이저의 빛은 정렬에 도움이 될 수 있습니다. 광섬유는 그림6과 같이 전극 갭의 중심과 2m에 같은 높이에 위치합니다.
    5. 채도를 최소화하기 위해 필요한 경우 카메라에 도달하는 빛의 양을 조정합니다. 광섬유 시야각을 0.12°로 낮추는 콜리메이터가 사용되어 총 아크 길이가 14mm인 번개 아크 위치에서 스팟 크기가 4.2mm가 되어 빛이 약 1분기 감소합니다.
      참고: 카메라에 도달하는 빛의 강도는 광원과 광섬유 사이의 거리를 변경하거나 슬릿을 조정하거나 중립 밀도 필터를 사용하여 조정할 수 있습니다.
  3. 분광기 시스템을 켜고 관련 제어 소프트웨어를 시작합니다. 디지털 카메라는 -70 °C의 온도에 도달하는 데 약 10 분이 필요합니다.
    참고: 일부 디지털 카메라는 완전히 작동하기 전에 소음을 줄이기 위해 냉각이 필요합니다.
  4. 분광기 격자를 선택합니다. 900 ln/mm 550 블레이즈 격자를 사용했습니다.
    참고: 격자는 피크 식별에 필요한 스펙트럼 해상도와 함께 사용되는 분광기 시스템 내의 파장 범위와 스펙트럼 분해능을 정의합니다. 선택한 격자는 약 140 nm의 파장 범위와 0.6 nm의 해상도를 제공합니다.
  5. 수은-아르곤 램프와 같은 알려진 교정 소스에 대해 분광기를 교정합니다.
    1. 미리 선택된 파장 범위의 하단에 있는 격자를 시작 위치에 배치합니다. 여기서, 격자는 450 nm에서 450 nm의 범위를 주는 590 nm에 위치시켰다.
    2. 교정 소스를 켜고 광섬유의 열린 끝에 놓습니다.
    3. 제어 소프트웨어를 통해 카메라 노출을 적절한 시간으로 조정하여 0.1s의 노출과 같은 양호한 불포화 신호를 달성합니다.
    4. 필요한 경우 제어 소프트웨어를 통해 슬릿을 조정하여 스펙트럼 피크를 선명하게 하거나, 경우에 따라 검출기의 위치를 조정하여 신호를 최적화할 수도 있습니다. 100 μm의 슬릿을 사용했습니다.
      참고: 슬릿은 슬릿에서 빛의 회절로 인해 원자선의 확대를 줄이기 위해 최소 값으로 설정해야 하며, 최대 20 μm의 값이 자주 사용됩니다. 그러나 좁은 슬릿은 신호를 감소시키고 피크의 광강도와 선명도 사이에서 균형을 찾아야 할 수도 있습니다.
    5. 보정 소스의 스펙트럼을 기록하고 피크가 발생하는 결과 카메라 이미지의 픽셀 번호를 식별합니다.
    6. 보정 소스와 함께 제공되는 각 피크의 공지된 파장에 대해 각 피크에 대한 픽셀 수의 위치를 플롯하고 픽셀을 파장으로 변환할 수 있는 방정식을 도출하기 위해 직선에 맞춥습니다. 세 가지 알려진 수은 원자선에 대한 이것의 예는 그림7에 나와 있습니다.
    7. 다음 으로 이동하기 전에 이 격자 위치에 교정을 적용합니다. 일부 분광기 시스템의 경우 보정 파일을 사용하여 픽셀 수를 파장으로 변환하는 방법을 소프트웨어에 적용할 수 있습니다.
    8. 다음 하위 범위에 대한 격자를 배치하고 위의 단계를 반복합니다. 여기서, 격자는 550 nm에 위치하여 550 nm 에서 690 nm의 범위를 제공하여 이전 파장 범위와 40nm의 중첩을 초래한다.
      참고: 중첩 영역의 너비는 이후 단계 및 접착제 프로세스에 대한 첫 번째 범위의 끝과 두 번째 범위의 시작 부분에 추세를 인식할 수 있도록 충분해야 합니다.
    9. 모든 격자 위치에 대해 위의 단계를 반복합니다. 이것은 890 nm에 도달 할 때까지 반복되었다.
      참고: 일반적으로 알려진 스펙트럼 피크가 있는 램프인 교정 소스는 일반적으로 분광기 시스템과 함께 제공되며 제조업체는 교정을 달성하는 방법에 대한 자세한 정보를 제공할 수 있습니다.
  6. 생성된 번개 호를 기록하려면 분광기 매개변수를 선택합니다.
    1. 필요한 경우 슬릿을 더 조정합니다.
    2. 카메라 노출 시간을 설정하여 전체 번개 이벤트가 캡처되도록 합니다. 이 매개 변수를 설정할 때 번개 발생기 또는 분광기의 트리거 시간과 지연을 고려하십시오. MBLL의 낙뢰 발생기의 경우 노출 시간이 5s로 사용되었습니다.
      참고: 노출 시간이 길면 소음 수준이 높아지고 우주선과 같은 아티팩트의 가능성이 높아지므로 이를 최소한으로 유지하기 위해 노력해야 합니다. 그러나 생성된 번개 아크 또는 분광기 시스템의 트리거링의 불확실성을 고려하여 전체 이벤트가 캡처되도록 하는 데에도 시간이 충분해야 합니다.
    3. 분광기 시스템 모드를 변경하여 번개 발생기에서 트리거를 수신합니다. 번개 아크가 시작되기 전에 5V TTL 신호를 사용하여 카메라를 2.5s 트리거했습니다.

4. 실험 실행

  1. 번개 발생기를 준비합니다.
    1. 조명이 꺼지고 챔버가 닫혀 있는지 확인하여 조명이 좁은 환경을 보장합니다.
    2. 번개 발생기를 켭타. 각 번개 테스트 시설에는 준비 및 켜기를 위한 자체 프로토콜이 있습니다. MBLL에서는 이 지역이 인력을 제거하고 번개 발생기를 작동시키기 전에 관련 안전 장치가 작동합니다.
    3. 관련 낙뢰 파형을 선택하고 필요한 피크 전류로 충전합니다. 전형적인 54 kV, 100 kA 피크비판적으로 감쇠된 진동 100 μs 피크 18/40 μs 파형이 사용되었다.
  2. 생성된 여러 번의 번개 이벤트에서 스펙트럼 획득
    1. 분광기 격자를 시작 위치에 배치하고 번개 스트라이크와 동일한 매개 변수를 사용하여 배경 이미지를 촬영합니다. 이는 여러 배경 이미지의 평균일 수 있습니다. 100 μm 슬릿을 이용한 5 s의 노출을 450 nm 설정에서 사용했습니다.
    2. 분광기 시스템이 올바른 설정으로 스펙트럼을 기록하도록 트리거될 준비가 되었는지 확인합니다. 100 μm 슬릿을 이용한 5 s의 노출을 450 nm 설정에서 사용했습니다.
    3. 번개 생성기를 충전하고 분광기를 트리거하는 번개 이벤트를 트리거합니다.
    4. 출력 스펙트럼 데이터를 기록합니다.
    5. 분광 데이터에 간섭이 있는지 확인합니다. 분광기는 때때로 우주 방사선 또는 반응하지 않거나 죽은 픽셀로 인한 기타 아티팩트로 인한 데이터 스파이크에 취약합니다. 이러한 간섭을 제거하기 위한 노력이 이루어져야 하며 일부 분광기에는 이를 수행할 수 있는 소프트웨어가 있습니다. 다른 방법은 데이터를 무시하고 실험을 반복하는 것입니다. 도 8은 우주 방사선 스파이크가 있거나 없는 데이터 간의 차이의 예를 나타낸다.
    6. 알코올로 닦아내거나 오염된 경우 2.2단계를 반복하여 필요한 경우 오염의 전극을 청소하십시오.
    7. 450 nm 범위에 대한 4세트의 분광 데이터 세트가 달성될 때까지 4.2.2 ~ 4.2.5 단계를 반복합니다.
    8. 분광기 격자를 550 nm로 배치하고 550 nm 범위에 대한 4 세트의 분광기 데이터가 달성 될 때까지 4.2.1 ~ 4.2.6 단계를 반복합니다.
      참고: 반복되는 단계의 수는 생성된 번개 아크에서 볼 수 있는 샷 대 샷 분산을 평균화하기에 충분해야 합니다.
    9. 모든 데이터 집합이 수집되어 최대 파장 값 890nm에 도달할 때까지 위의 과정을 반복하여 16개의 스펙트럼 데이터 집합을 생성합니다.
    10. 예를 들어 동일한 낙뢰 전류 발생기 설정에서 각 하위 범위의 스펙트럼에 상당한 차이가 있는 경우, 예를 들어 원자선의 강도에서 각 단계의 실험을 4회 이상 반복해야 할 수 있습니다. 이 것의 목적은 일회성 변칙의 영향을 최소화하고 번개 발생기와 번개없는 아크에서 샷 - 투 - 샷 변화를 평균하는 것입니다.
    11. 동일한 번개 전류 발생기 설정에서 스펙트럼에 차이가 있는 경우 실험 설정을 오염 물질에 대해 평가해야 할 수 있습니다.

5. 후처리 데이터

  1. 데이터의 후처리 및 분석을 위해 계산 기능을 통합한 스프레드시트 소프트웨어 응용 프로그램을 선택합니다. 이러한 소프트웨어는 널리 사용할 수 있습니다.
  2. 4.2.1단계에서 수집된 배경 데이터를 생성된 각 번개 스펙트럼 데이터에서 뺍니다.
    1. 450 nm 배경 데이터의 평균은 각 450 nm 생성 스펙트럼 데이터에서 빼고, 550 nm 데이터의 평균은 각 550 nm 생성 된 낙뢰 스펙트럼 데이터에서 공제됩니다. 이에 대한 예는 그림9에 나와 있습니다.
  3. 각 파장 범위에 대한 각 개별 데이터 집합을 평균합니다. 이는 4개의 450nm 데이터 집합이 평균화되는 그림 10에 나와 있습니다.
  4. 겹치는 영역을 사용하여 연속 스펙트럼 데이터를 정렬한 다음 겹치는 영역을 평균합니다. 이는 평균 450 nm 및 550 nm 데이터를 보여주는 도 11에 도시되어 있다.
    참고: 겹치는 영역의 정렬 및 평균화는 오류를 발생시키고 텅스텐 리본 램프와 같은 전체 스펙트럼에 대한 상대 강도 교정을 수행해야 할 수 있습니다.
  5. 광섬유 감쇠 및 양자 효율에 적합합니다. 그림 12에나와 있습니다.
    참고: 교정된 램프를 사용하여 각 하위 범위에 대한 빛의 투과를 측정하여 보다 정확한 보정을 수행할 수 있습니다. 이 경우, 보정은 스티치 과정 전에 적용 될 수있다.
  6. 그림 13과같이 최종 데이터를 그래픽 표현 또는 강도 플롯으로 표시합니다.

6. 데이터 분석

  1. 특성 스펙트럼 피크를 식별합니다.
    1. 일부 분광기 시스템에는 요소 피크를 자동으로 식별하는 소프트웨어가 포함됩니다. 특히 스티치 된 데이터에 피크 위치가 올바른지주의해야합니다.
    2. 수동 피크 식별은24와같이 공개적으로 사용 가능한 데이터베이스를 사용하여 수행할 수 있습니다. 가장 낮은 이온화 수준(즉, I, 다음 II, III)에서 가장 강한(상대 강도) 피크에 맞추기 위해 주의를 기울여야 합니다.
    3. 피크를 정확하게 식별하거나 정렬하는 데 문제가 있는 것은 교정 문제 또는 광학의 정렬 불량 때문일 수 있습니다. 광학 섀시에서 광학의 위치를 평가하고 3단계를 반복합니다.
      참고: 생성된 번개 아크의 높은 에너지로 인해 스탁 효과로 인해 원자 방출 선이 넓어지고 모든 라인의 안정적인 식별이 불가능할 수 있습니다.

Representative Results

100 kA 피크에 대한 파장 플롯에 대한 대표적인 낙뢰 강도 100 μs 피크 18/40 μs 파형, 14 mm 간격으로 배치된 60 mm 직경 의 텅스텐 전극 쌍 사이의 공기 갭을 가로질러, 도 14에주어진다. 이러한 데이터는 4개의 140nm 평균 데이터 세그먼트4세트로 구성되어 있으며, 배경 잡음, 광섬유 감쇠 및 디지털 카메라 양자 효율을 위해 함께 스티치되고 수정되었습니다. 이러한 데이터는 그림 15와같이 강도 플롯으로 변환되었습니다. 그림 16과같이 설정된 데이터베이스와 비교하여 눈에 띄는 피크가 수동으로 식별되었습니다.

Figure 1
그림 1 : 번개 아크 프로파일이 생성되었습니다. 일반적인 100 kA 피크의 기록된 추적은 비판적으로 감쇠된 진동, 100 μs 지속 시간, 18/40 μs 생성 번개 파형. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2 : 실험적 설정. 두 전극 사이의 생성된 낙뢰 아크에서 나온 빛이 광섬유를 통해 광섬유를 통해 광섬유시스템으로 이송되는 실험 설정(스케일이 아님)의 회로도는 광학 섀시와 디지털 카메라로 구성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3 : 분광기 설정. 광섬유의 빛이 격자를 통해 스펙트럼으로 바뀌는 분광기 시스템의 회로도는 디지털 카메라로 기록됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4 : 스펙트럼 데이터를 정렬, 처리 및 표시합니다. 광범위한 고해상도 스펙트럼을 달성하기 위해 데이터를 대조, 평균, 스티치 및 올바른 데이터를 사용하는 단계의 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5 : 전극 구성. 구리 마운팅에 고정된 두 개의 6mm 직경 6mm 반구형 텅스텐 전극의 이미지는 낙뢰 장비 내에서 14mm 간격으로 배치되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6 : 광섬유 구성. 장착된 전극으로부터 2m 의 거리와 같은 높이에 위치한 광섬유의 이미지입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7 : 파장 보정. (a) 측정된 픽셀 수에 대해 알려진 3개의 수성 선의 표, (b) 각 점의 플롯(십자가)과 직선 맞춤(파선)을 제공하여 픽셀을 파장으로 변환할 수 있도록 하는 방정식(inset)을 제공합니다. 이것은 전체 파장 범위에 걸쳐 여러 알려진 원자 라인에 대해 수행됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8 : 우주선 간섭. 100 kA 실험실에서 생성된 스펙트럼 데이터는 550 nm 에서 690 nm범위의 낙뢰 아크를 생성하였다: (a) 우주선 간섭이 없는 데이터, 및 (b) 및 (c) 특징적인 우주선 스파이크를 가진 데이터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 9
그림 9 : 배경의 빼기. 100 kA 실험실에서 생성된 스펙트럼 데이터는 550 nm 에서 690 nm범위의 낙뢰 아크를 생성하였다: (a) 평균 배경 데이터, (b) 원시 데이터, 및 (c) 평균 배경을 뺀 데이터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 10
그림 10 : 평균 데이터. 100 kA 실험실에서 생성된 스펙트럼 데이터는 550 nm 에서 690 nm범위의 낙뢰 아크를 생성하였다: (a-d) 개별 데이터, 및(e) 평균 데이터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 11
그림 11 : 스티치 데이터. 100 kA 실험실에서 생성된 스펙트럼 데이터는 번개아크를 생성하였다: (a) 550 nm 에서 690 nm 범위, (b) 650~ 790 nm 범위, 및 (c) 650 nm 에서 690 nm 중첩을 가진 두 개의 중첩 데이터 세트. 그런 다음 겹치는 영역이 평균화됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 12
그림 12 : 데이터 수정. 플롯은 450 nm 에서 890 nm 파장 범위 (a) 섬유 감쇠, 및 (b) 각 제조 업체에서 제공하는 분광기 카메라 양자 효율. 이들은 그에 따라 스티치 스펙트럼 데이터를 수정하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 13
그림 13 : 데이터 제시. (a)그래픽 데이터 플롯 및 (b) 100 kA 실험실의 스펙트럼을 나타내는 강도 플롯은 550 nm 에서 790 nm 파장 범위에서 낙뢰 아크를 생성하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 14
그림 14 : 일반적인 그래픽 데이터. 100 kA 실험실에서 생성된 번개 아크에 대해 450 nm ~ 890 nm 파장 범위의 일반적인 평균, 스티치 및 보정 그래픽 플롯. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 15
그림 15 : 일반적인 강도 플롯. 100 kA 실험실에서 생성된 번개 아크에 대한 450 nm ~ 890 nm 파장 범위에서 전형적인 평균, 스티치 및 보정 된 강도 플롯. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 16
그림 16 : 화학 원소 식별. 공개적으로 이용 가능한 데이터베이스(24)를 이용하여 1차 이온화수준에 대한 스펙트럼 라인 화학 원소 식별의 예. 공기 (질소, 산소, 아르곤, 헬륨) 및 전극 (텅스텐)의 원소가 확인되었습니다. 이 스펙트럼은 동일한 유형의 번개 아크를 분석하기 위해 동일한 장치를 사용하기 때문에 참조 14에서와 거의 동일합니다. 이 수치는 참조14에서조정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

분광법은 자연 및 생성 된 낙뢰 중 화학 원소 반응을 식별하는 데 유용한 도구입니다. 충분히 정확하고 재현 가능한 실험 설정을 감안할 때 데이터에 대한 추가 분석은 다양한 다른 낙뢰 특성을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 실험실에서 생성된 낙뢰 아크의 스펙트럼이 자연 낙뢰와 분광적으로 유사하다는 것을 검증하는 데 사용되었으며, 다른 물질을 번개 아크에 첨가하면 이 스펙트럼이 현저하게14로변화될 수 있다. 이 방법은 또한 고속 방전, 부분 방전, 스파크 및 고전압 시스템의 기타 관련 현상과 같은 다른 발광 이벤트에 사용할 수 있습니다. 넓은 스펙트럼이 중요합니다.

가장 중요한 단계는 슬릿, 격자 및 카메라 설정과 같은 분광기를 설정할 때 올바른 파라미터를 사용하여 강력하고 날카로운 스펙트럼 피크를 생성할 수 있는 최상의 데이터를 확보하는 것입니다. 또한 신호를 최적화할 때 검출기가 포화되지 않도록 노력해야 합니다. 광도를 개선하기 위해 섬유의 위치를 조정 및/또는 시준할 수 있을 뿐만 아니라 번개 이벤트의 일부가 아닌 미각이 배경 이미징 프로세스의 일부로 제거되거나 제거되도록 할 수 있습니다. 이 몇 가지 시행 착오를 걸릴 수 있습니다. 최소한의 변화로 동일한 번개 이벤트를 정확하게 재현하거나, 제어 할 수 있도록 변형이 어디에서 왔는지 이해하는 데 사용되는 번개 발생기의 능력은 신뢰할 수 있고 반복 가능한 분광을 얻는 데 중요합니다. 결과.

이미징 기술이 허용하는 UV 및 IR 대역으로 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 평가하기 위해 이 설정을 변경할 수 있으며 이미지화되는 이벤트의 유형에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 파장 범위를 450 nm 이하로 확장하면 NO 및 OH 라디칼에서 방출되는 것과 같은 추가의 원자 및 분자 라인을 나타낼 수 있습니다. 분광기 격자를 조정하여 더 넓은 범위에서 더 낮은 해상도를 제공하면 흥미로운 기능을 식별하는 데 도움이 될 수 있으며, 이 기능은 더 높은 해상도의 좁은 범위 격자를 사용하여 분석할 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 완전히 비간섭, 그래서 번개 발생기에 어떤 변경을 필요로하지 않는다는 것입니다. 광섬유를 통해 빛을 운반함으로써 가혹한 전자기 환경으로부터의 전기 적 간섭량이 감소하며, 카메라와 같은 다른 시스템은 충분히 차폐되지 않을 경우 발생할 수 있습니다. 이는 분광기의 데이터가 잠재적으로 다른 계측기보다 훨씬 낮은 노이즈와 덜 간섭을 가지고 있음을 의미합니다. 이 특정 기법은 시간 해결의 부족과 번개 아크의 추가 특성화의 후속 부족에 의해 제한됩니다. 예를 들어, 온도 및 전자 밀도 측정으로 이어지는 시간 해결 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있는 고속 분광기가 존재합니다.

분광법은 다른 진단 기기와 함께 번개 아크를 생성 한 실험실을 이해하는 중요한 도구가 될 것으로 예상됩니다. 그것은 특성 번개 이벤트 서명에 대한 무료 정보를 기여하고 아크 내에서 반응화학 원소를 식별하는 데 사용됩니다. 이 기술의 추가 개발은 또한 추가적인 특성의 유도를 초래할 수 있다.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

저자는 감사하게도 첨단 엔지니어링 및 재료 (NRN073)의 Sêr Cymru 국립 연구 네트워크에 의해 제공되는 재정 지원을 인정하고 항공 우주 기술 연구소를 통해 영국 혁신 (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

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References

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엔지니어링 문제 150 방출 분광법 분광법 생성 된 번개 번개 번개 호 전기 방전 빠른 전기 방전
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Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Stone, C., Haddad, A. Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs. J. Vis. Exp. (150), e56336, doi:10.3791/56336 (2019).

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