Summary
Методы спектроскопии выбросов традиционно используются для анализа по своей сути случайных дуг молнии, происходящих в природе. В этой работе описан метод, разработанный для получения спектроскопии выбросов из воспроизводимых дуг молнии, образующихся в лабораторных условиях.
Abstract
Молния является одним из наиболее распространенных и разрушительных сил в природе и уже давно изучается с использованием спектроскопических методов, сначала с традиционными методами пленки камеры, а затем цифровой технологии камеры, из которых несколько важных характеристик были Производным. Однако такая работа всегда была ограничена из-за изначально случайного и неповторимого характера природных молний в полевых условиях. Последние разработки в молниеносных испытательных объектах теперь позволяют воспроизводимое поколение дуг молнии в контролируемой лабораторных условиях, обеспечивая испытательный устан для разработки новых датчиков и диагностических методов для понимания молнии механизмы лучше. Одним из таких методов является спектроскопическая система с использованием цифровой технологии камеры, способной идентифицировать химические элементы, с которыми взаимодействует дуга молнии, причем эти данные затем используются для получения дополнительных характеристик. В этой работе спектроскопическая система используется для получения спектра выбросов с пика 100 кА, 100-й линии молнии дуги, генерируемой через пару электродов вольфрама, разделенных небольшим воздушным зазором. Для поддержания спектрального разрешения менее 1 нм, несколько отдельных спектров были записаны в диапазонах дискретных длин волн, усредненные, сшитые, и исправлены для получения окончательного композитного спектра в диапазоне 450 нм (синий свет) до 890 нм (около инфракрасного света) диапазона. Характерные пики в данных затем сравнивались с установленной общедоступной базой данных для определения взаимодействий с химическими элементами. Этот метод легко применим к целому ряду других светоизлучающих событий, таких как быстрые электрические разряды, частичные разряды и искрится в электрическом оборудовании, аппарате и системах.
Introduction
Молния является одним из наиболее распространенных и разрушительных сил в природе характеризуется быстрым электрическим разрядом рассматривается как вспышка света и следуют гром. Типичная дуга молнии может состоять из напряжения десятков гигавольт и среднего тока от 30 кА по дуге, которая составляет от десятков до сотен километров, все это происходит в пределах 100 х. Наблюдение спектра светового излучения от молний уже давно используется для получать информацию об их свойствах. Многие методы были созданы с использованием традиционных методов камеры на основе пленки для изученияестественных ударов молнии в период с 1960-х по 1980-е годы, например, 1,2,3,4,5 ,6,7и, совсем недавно, современные цифровые методы, например,8,9,10,11,12, 13 Год , 14, были использованы, чтобы дать более точное представление о молнии механизмов. Со временем такая работа продемонстрировала способность не тольковыявлять взаимодействия химических элементов 1,14,но и получать измерения температуры15,16,давления5, плотность частиц иэлектронов 5,17,энергия18,сопротивление, и внутреннее электрическое поле дуги8. Однако исследования естественной молнии всегда ограничивались изначально непредсказуемым случайным и неповторимым характером молниеносных событий.
В последние годы, исследования были сосредоточены на том, как молния взаимодействует с окружающей средой, в частности, в аэрокосмической промышленности для защиты самолетов в полете от прямых ударов молнии. В последствии было спроектировано и построено несколько крупных испытательных мощностей молнии для воспроизведения наиболее разрушительных элементов удара молнии, а именно текущего и срока доставки, но при ограниченном напряжении. Лаборатория молнии Morgan-Botti (MBLL) в Кардиффском университете может генерировать четыре различные формы молнии до 200 кА в соответствии с соответствующим стандартом20. С помощью такого лабораторного центра молния может быть легко воспроизведена и управляться с высокой степенью точности и повторяемости, обеспечивая испытательный ложе для разработки новых датчиков и диагностических методов для понимания взаимодействия молнии и механизмы лучше21,22,23. Одним из таких методов является недавно разработанная и установленная спектроскопическая система14,21, которая, как и спектроскопические системы, используемые в естественных исследованиях молнии, работает в ультрафиолетовом (УФ) в диапазоне ближнего инфракрасного (NIR). Это ненавязчивый метод, который не мешает дуге молнии и в значительной степени не зависит от электромагнитного шума, производимого во время удара, в отличие от большинства устройств на электронной основе.
Спектрографсистема была использована для наблюдения спектра типичной лаборатории генерируемых молнии дуги, состоящей из 100 кА пик критически смоченной осцилляторной, 100 й продолжительность, 18/40 s волновой формы через воздушный зазор между парой 60 мм диаметром вольфрама электроды, разделенные 14-мм воздушным зазором. Типичный след этой формы волны дуги молнии показан на рисунке 1. Электроды были расположены в электромагнитной импульсной (EMI) светонепроницаемой камере, так что единственный записанный свет был от самой дуги молнии, с небольшим количеством этого света, перевозимых через волоконно-оптический диаметр 100 мкм, расположенный на 2 м и collimated к 0.12 "угол обзора давая размер пятна 4,2 мм в положении дуги, в другой камере EMI, содержащей спектрограф системы, как показано на рисунке 2. Камеры EMI были использованы для минимизации негативных последствий, вызванных молниеносным событием. Оптоволоконное волокно прекращается на светло-жесткой оптической шасси на основе конфигурации Черни-Тернер фокусного длины 30 см, с светом, проходящим через регулируемую щель 100 мкм и на 900 л/м 550 пламя вращающейся решетки через три зеркала, на 1024 х 1024 пиксельная цифровая камера, как показано на рисунке 3. В этом случае оптическая установка дает спектральное разрешение 0,6 нм в субдиапазоне примерно 140 нм в пределах приблизительного полного диапазона 800 нм по всей длине волн NIR. Спектральное разрешение измеряется как способность спектрографа различать два близких пика, а положение субдиапазона в пределах всего диапазона может быть скорректировано путем вращения решетки. Ключевым компонентом системы является выбор дифракционной решетки, которая диктует диапазон длины волны и спектральное разрешение, причем первая из них обратно пропорциональна последней. Как правило, для определения местоположения нескольких атомных линий необходим широкий диапазон длин волн, в то время как для точного измерения их положения требуется высокое спектральное разрешение; это не может быть физически достигнуто с одной решеткой для этого типа спектрографа. Таким образом, данные из нескольких подрангов, с высоким разрешением, принимаются на различных позициях в диапазоне УФ-излучения. Эти данные склеиваются и склеиваются, образуя составной спектр.
На практике из-за ограничений в передаче волоконно-оптических световых веществ был зафиксирован диапазон длины волны спектра от 450 нм до 890 Нм. Начиная с 450 нм, свет от четырех независимых генерируемых дуг молнии был записан, фоновый шум был вычтен, и они были затем усреднены. Диапазон длины волны был затем сдвинут до 550 нм, давая 40 нм перекрытия данных, с светом еще от четырех генерируемых дуг молнии записаны и усреднены. Это повторялось до тех пор, пока не было достигнуто 890 нм, и полученные в результате усредненные данные были сшиты вместе, чтобы создать полный спектр в пределах полного предопределенного диапазона длин волн. Этот процесс иллюстрируется на рисунке 4. Характерные пики затем использовались для идентификации химических элементов посредством сравнения с установленной базой данных24.
В этой работе описан метод оптической спектроскопии выбросов. Этот метод легко применим к широкому кругу других событий, излучающих свет с минимальными изменениями в настройках экспериментальной установки или спектрографной системы. Такие приложения включают быстрые электрические разряды, частичные разряды, искры и другие связанные с этим явления в электрических системах и оборудовании.
Protocol
1. Выбор диапазона длинволн
- Диапазон длины волны молнии, которая будет наблюдаться, должен быть выбран. Было выбрано от 450 нм до 890 нм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет ограничено лабораторной установки, спектральный диапазон, как это определено пылающий угол решетки, и чувствительность камеры.
2. Подготовка электродов
- Выберите подходящий электродный материал. Была выбрана пара из 60 мм диаметром электродов вольфрама, закрепленных на медных креплениях, как показано на рисунке 5.
ПРИМЕЧАНИЕ: Любой материал, с которым молния дуги взаимодействует будет испускают спектр, в том числе электрод, и важно, чтобы свести к минимуму это помехи. Однако, это должно быть сбалансировано с способностью материала электрода выдерживать повторные удары молнии с минимальным повреждением во время экспериментов. Для вольфрама многие из его линий эмиссии в пределах выбранного диапазона длин волн видны только между 450 нм и 590 нм и в значительной степени отличимы от ожидаемых спектров молнии. Это также очень твердый материал, который обычно используется в высоковольтных и высоких экспериментов тока. -
Очистите и отполируйте электроды, чтобы удалить любые загрязняющие вещества. Любой материал, с которым взаимодействует дуга молнии, испускает спектр, в том числе и любой загрязнители. Поэтому важно обеспечить, чтобы электроды были загрязняющими, чтобы не было ошибочных спектральных линий.
- Руб электрод с грубой наждачной бумагой в течение 5 минут, поместите его в звуковую водную ванну при комнатной температуре в течение 10 минут, затем протрите ворсом свободной тканью, чтобы ослабить и удалить любые загрязняющие вещества. Всегда используйте перчатки при обращении с электродом, чтобы избежать повторного загрязнения.
- Повторите выше, как правило, от десяти до пятнадцати раз с уменьшением сортов наждачной бумаги, Эмери ткань, а затем полировки ткани, пока хорошая отделка польский достигается. Использовались наждачные и тканевые сорта от 240 до 8000.
- Монтировать электроды внутри молнии установки установления подходящего расстояния между ними. Здесь электроды устанавливаются внутри молниеносной установки на 14 мм друг от друга, как показано на рисунке 5.
ПРИМЕЧАНИЕ: Различные средства испытания молнии имеют различное оперативное напряжение, поэтому расстояние между электродами должно быть таким, что пробоя воздуха будет происходить, когда генератор импульса молнии срабатывает.
3. Подготовка спектрографа
- Поместите спектрограф в независимый корпус с рейтингом EMI, как показано на рисунке 2. В идеале, молния установки и спектрограф аграрий должны быть размещены в отдельных корпусах EMI.
- Выберите и установите волоконно-оптический. Выбранное волокно было 8 м волоконно-оптической и установленмежду двумя камерами EMI.
- Выбирай волоконно-оптический с хорошими свойствами передачи в пределах заданного диапазона длин волн, который следует соблюдать, т.е.от 450 нм до 890 нм.
- Обратите внимание на эффективность передачи данных длинволн, поскольку они будут использоваться для обработки данных после обработки. Это часто обеспечивается производителем, хотя, в идеале, он должен быть измерен с помощью калибровочной лампы.
- Соедините один конец волоконно-оптического к оптическому шасси в легкой плотной расположении.
- Расположите другой конец волоконно-оптического, чтобы просмотреть дугу молнии между электродами. Свет от лазера, посылаемого через спектрометр в обратном направлении, может помочь с выравниванием. Волоконно-оптический расположен на той же высоте, что и центр электродного зазора на 2 м, как показано на рисунке 6.
- При необходимости отрегулируйте количество света, достигающего камеры, чтобы свести к минимуму насыщенность. Используется коллиматор, который уменьшает угол обзора волоконно-оптических до 0,12 ", в результате чего размер пятна 4,2 мм в положении дуги молнии для общей длины дуги 14 мм, уменьшая свет примерно на четверть.
ПРИМЕЧАНИЕ: Интенсивность света, достигающего камеры, может быть скорректирована путем изменения расстояния между источником света и волоконно-оптической, путем регулировки щели или с помощью фильтра нейтральной плотности.
- Включите систему спектрографов и запустите связанное программное обеспечение управления. Цифровая камера требует около 10 минут, чтобы достичь температуры -70 градусов по Цельсию.
ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые цифровые камеры требуют охлаждения, чтобы уменьшить шум, прежде чем они станут полностью работоспособными. - Выберите решетку спектрографа. Использовалась пылающая решетка 900 л/м55.
ПРИМЕЧАНИЕ: Решетка определяет диапазон длины волны и спектральное разрешение в используемой спектрографической системе, с спектральным разрешением в 1 нм, необходимым для пиковой идентификации. Выбранная решетка дает диапазон длины волны около 140 нм и разрешение 0,6 нм. - Калибруй терограф от известного источника калибровки, например, лампы Меркурий-Аргон.
- Расположите решетку в исходном положении в нижней части заранее выбранного диапазона длин волн. Здесь решетка была расположена на 450 нм, давая диапазон от 450 нм до 590 нм.
- Включите источник калибровки и поместите его против открытого конца волоконно-оптической.
- Отрегулируйте экспозицию камеры с помощью программного обеспечения управления к подходящему времени для достижения хорошего ненасыщенного сигнала, например, воздействия 0,1 с.
- Отрегулируйте щель с помощью программного обеспечения управления, чтобы при необходимости отточить спектральные пики или, в некоторых случаях, положение детектора также может быть скорректировано для оптимизации сигнала. Была использована щель в 100 мкм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Разрез должен быть установлен на минимальное значение, чтобы уменьшить расширение атомных линий из-за дифракции света на щели, со значениями до 20 мкм часто используется. Тем не менее, узкая щель также уменьшит сигнал и может потребоваться баланс между интенсивностью света и резкостью пиков. - Запишите спектры источника калибровки и определите число пикселей на полученном изображении камеры, на котором происходят пики.
- Участок положение пиксельного числа для каждого пика против известной длины волны каждого пика при условии, с источником калибровки и подходят прямой линии для получения уравнения, которое позволит преобразование пикселей в длину волны. Пример этого для трех известных атомных линий Меркурия иллюстрируется на рисунке 7.
- Принесите калибровку к этому положению решетки, прежде чем перейти на следующую. Для некоторых систем спектрографа к он может быть применен к программному обеспечению с помощью калибровообразующих файлов.
- Расположите решетку для следующего поддиапазона и повторите вышеперечисленные шаги. Здесь решетка была следующей расположен до 550 нм давая диапазон от 550 нм до 690 нм в результате перекрытия 40nm с предыдущим диапазоном длинволн.
ПРИМЕЧАНИЕ: Ширина области перекрытия должна быть достаточной, чтобы обеспечить распознавание тенденций в конце первого диапазона и начале второго диапазона для более позднего процесса шага и клея. - Повторите вышеуказанные шаги для всех позиций решетки. Это повторялось до достижения 890 нм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Источники калибровки, как правило, лампа с известными спектральными пиками, как правило, снабжены спектрографными системами, и производитель сможет предоставить более подробную информацию о том, как можно достичь калибровки.
- Выберите параметры спектрографа для записи генерируемой дуги молнии.
- При необходимости отрегулируйте щель.
- Установите время экспозиции камеры, чтобы убедиться, что все событие молнии захвачено; рассмотреть время срабатывания и любые задержки в любой в любом из генератора молнии или спектрограф при настройке этого параметра. Для генератора молний в MBLL использовалось время экспозиции 5 с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Более длительное время экспозиции увеличит уровень шума и вероятность артефактов, таких как космические лучи, поэтому следует приложить усилия, чтобы свести это к минимуму. Однако времени также должно быть достаточно для учета любой неопределенности в срабатывании генерируемой дуги молнии или системы спектрографов, чтобы убедиться, что все событие захвачено. - Измените режим системы спектрографов, чтобы получить триггер от генератора молний. Сигнал 5 V TTL был использован для запуска камеры 2.5 s до того, как была начата дуга молнии.
4. Проведение эксперимента
-
Приготовьте генератор молний.
- Убедитесь, что все огни выключены и камеры закрыты там, где это уместно для обеспечения плотной среды.
- Включите генератор молний. Каждый испытательный центр молнии будет иметь свой собственный протокол для подготовки и включения. В MBLL, область очищается от персонала и соответствующие устройства безопасности включены до молнии генератор может быть активирован.
- Выберите соответствующую форму волны молнии и зарядите требуемый пиковый ток. Использовалась типичная 54 кВ, 100 кА пик критически смоченной осцилляторной 100-й пик 18/40 х волновой формы.
-
Приобретайте спектры от нескольких сгенерированных событий молнии
- Расположите на тюнинге спектрограф а в стартовом положении и снизите фоновое изображение с использованием тех же параметров, что и для удара молнии. Это может быть в среднем несколько фоновых изображений. Выдержка 5 s с щелью 100 мкм была использована на установке 450 nm.
- Убедитесь, что система спектрографа готова к срабатыванию для записи спектра с правильными настройками. Выдержка 5 s с щелью 100 мкм была использована на установке 450 nm.
- Зарядите генератор молнии и вызвать молниеносное событие, которое также вызовет спектрограф.
- Запись спектральных данных вывода.
- Проверьте спектроскопические данные на наличие помех. Спектрографы иногда подвержены всплескам данных, вызванным космическим излучением или другими артефактами, вызванными не отвечающими требованиями или мертвыми пикселями. Следует приложить усилия для устранения таких помех, а некоторые спектрографы имеют программное обеспечение, которое может это сделать. Альтернативой является игнорирование данных и повторение эксперимента. На рисунке 8 показан пример разницы между данными с космическим всплеском излучения и без нее.
- Очистите электроды от любого загрязнения, если этого требуется, либо вытирая спиртом, либо, если они загрязнены, повторяя шаг 2.2.
- Повторите шаги 4.2.2 до 4.2.5 до тех пор, пока не будут выполнены четыре набора спектроскопических данных для диапазона 450 нм.
- Расположите спектрограф, наладив на 550 нм, и повторите шаги от 4,2,1 до 4,2,6 до тех пор, пока не будут выполнены четыре набора данных спектрографа для диапазона 550 нм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Количество повторных шагов должно быть достаточным, чтобы усреднеть любой выстрел к выстрелу дисперсии видели в генерируемых дуги молнии. - Повторяйте выше, пока все наборы данных не будут собраны, чтобы достичь максимального значения длины волны 890 нм, в результате чего шестнадцать наборов спектральных данных.
- Если есть значительные различия в спектрах каждого субдиапазона в тех же настройках генератора тока молнии, например, в интенсивности атомных линий, то эксперименты на каждом этапе, возможно, придется повторить более четырех раз. Цель этого заключается в том, чтобы свести к минимуму эффект от любых одноразовых аномалий и усреднеть выстрел к выстрелу изменения от генератора молний и молнии свободной дуги.
- Если есть разница в спектрах при тех же настройках генератора молнии тока, то экспериментальная установка, возможно, потребуется оценить на загрязняющие вещества.
5. Данные постобработки
- Для постобработки и анализа данных выберите программное приложение для электронных таблиц, включающее возможности расчета. Такое программное обеспечение широко доступно.
-
Вычесть фоновые данные, полученные в шаге 4.2.1 с каждого соответствующего генерируемого спектра данных молнии.
- Среднее количество фоновых данных 450 нм вычитается из каждого 450 нм генерируемых спектрных данных, в среднем данные 550 нм вычитаются из каждого 550 нм генерируемых данных спектра молнии, и так далее. Пример этого показан на рисунке 9.
- Среднее значение каждого отдельного набора данных для каждого диапазона длин волн. Это показано на рисунке 10, где усреднены четыре набора данных 450 нм.
- Используйте перекрывающийся регион для выравнивания последовательных спектрных данных, а затем усреднете перекрывающийся регион. Это показано на рисунке 11, который показывает в среднем 450 нм и 550 нм данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выравнивание и усреднение перекрывающейся области приведет к ошибкам, и может возникнуть необходимость в проведении отдолченной калибровки интенсивности для полного спектра с использованием, например, лампы вольфрамовой ленты. - Правильно для оптоволоконного затмения и квантовой эффективности. Это иллюстрируется на рисунке 12.
ПРИМЕЧАНИЕ: Более точная коррекция может быть достигнута с помощью калибровочной лампы для измерения передачи света для каждого субранга. В этом случае коррекция может быть применена до процесса сшивания. - Представляем окончательные данные как графическое представление или участок интенсивности, как показано на рисунке 13.
6. Анализ данных
-
Определите характерные спектральные пики.
- Некоторые системы спектрографов будут включать программное обеспечение, которое будет автоматически определять пики элементов. Следует соблюдать осторожность, особенно с шитами данных, чтобы пиковые локации были правильными.
- Ручная идентификация пика может быть выполнена с помощью общедоступных баз данных, таких как24. Следует позаботиться о том, чтобы соответствовать самым сильным (относительной интенсивности) пикам от самых низких уровней ионизации,т.е.i, i, ii, затем III) одним элементом за раз.
- Проблемы в точном определении пиков или выравнивании их могут быть вызваны проблемами калибровки или несоответствиями в оптике. Оцените положение оптики в оптическом шасси и повторите шаг 3.
ПРИМЕЧАНИЕ: Высокая энергия генерируемых дуг молнии приведет к расширению атомных линий выбросов из-за эффекта Старка и надежной идентификации всех линий не может быть возможным.
Representative Results
Репрезентативная интенсивность молнии против длины волны участок для пика 100 кА критически смоченной осепеля 100 й пик 18/40 s волновой формы, через воздушный зазор между парой 60 мм диаметром вольфрама электродов, расположенных 14 мм друг от друга, дается в Рисунок 14. Эти данные состоят из четырех наборов из четырех сегментов данных на 140 нм, сшитых вместе и исправленных для фонового шума, оптоволоконного затмения и квантовой эффективности цифровой камеры. Эти данные были преобразованы в участок интенсивности, как показано на рисунке 15. Видные пики были вручную определены посредством сравнения с установленной базой данных, как показано на рисунке 16.
Рисунок 1 : Генерируемый профиль дуги молнии. Зарегистрированный след типичного пика 100 кА критически смоченной колебля, продолжительность 100 х, 18/40 с генерировавшимися молниеносной волной. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2 : Экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки (не масштабирования), где свет от генерируемой дуги молнии между двумя электродами транспортируется через волоконно-оптический в спектроскопическую систему, состоящую из оптического шасси и цифровой камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3 : Установка спектрографа. Схема спектрографической системы (не для масштабирования), где свет от волоконно-оптических превращается в спектр, через решетку, которая затем записывается цифровой камерой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4 : Сопоставление, обработка и представление спектральных данных. Иллюстрация шагов, используемых для содействия, среднего, стежка и правильных данных для достижения широкого спектра высокого разрешения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5 : Конфигурация электрода. Изображение двух 6 мм диаметром электродов вольфрама, закрепленных на медных креплениях, расположенных на 14 мм друг от друга внутри молниеносной установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6 : Волоконно-оптическая конфигурация. Изображение волоконно-оптического расположено на той же высоте и на расстоянии 2 м от установленных электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7 : Калибровка длины волны. (a ) Таблица из трех известных линий Меркурия против числа пикселей, на котором они были измерены, и (b) участок каждой точки (кресты) и прямой линии подходят (пунктирная линия) давая уравнение (всет), что позволяет пикселей быть преобразованы в длину волны. Это делается для нескольких известных атомных линий по всему диапазону длин волн. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8 : Космические лучи помехи. Спектральные данные из лаборатории 100 кА генерировали дугу молнии в диапазоне от 550 нм до 690 нм, показывающие:(a) данные без помех космических лучей, и (b)и (c) данные с характерными космическими всплесками лучей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 9 : Вычитание фона. Спектральные данные из лаборатории 100 кА генерировали дугу молнии в диапазоне от 550 нм до 690 нм, показывающие: (a) усредненные фоновые данные, (b)необработанные данные, и (c) данные со средним фоном вычитается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 10 : Усреднение данных. Спектральные данные из лаборатории 100 кА генерировали дугу молнии в диапазонеот 550 нм до 690 нм, показывающие: (a-d)индивидуальные данные, и (e) усреднены данные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 11 : Сшивание данных. Спектральные данные из лаборатории 100 кА генерировали дугу молнии, показывающую:(a) диапазон от 550 нм до 690 нм, (b) диапазон от 650 до 790 нм, и (c) два накладных набора данных с перекрытием 650 нм до 690 нм. Затем область перекрытия усредняется. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 12 : Исправление данных. Участки в диапазоне длинволн длины от 450нм до 890 нм для затухания волокна и (b) квантовой эффективности спектрографной камеры, предоставляемой соответствующими производителями. Они используются для исправления сшитых спектральных данных соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 13 : Представление данных. Примеры(a) графического участка данных и (b)участок интенсивности, представляющий спектр лаборатории 100 кА, генерируемой молниеносной дугой в диапазоне от 550 нм до 790 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 14 : Типичные графические данные. Типичный усредненный, сшитый и исправленный графический участок в диапазоне от 450 нм до 890 нм для лаборатории 100 кА, генерируемой дугой молнии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 15 : Типичный участок интенсивности. Типичный усредненный, сшитый и исправленный участок интенсивности в диапазоне от 450 нм до 890 нм волны для лаборатории 100 кА, генерируемой дугой молнии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 16 : Идентификация химического элемента. Иллюстрация идентификации химического элемента спектральной линии для уровней ионизации первого порядка с использованием общедоступной базы данных24. Выявлены элементы воздуха (азот, кислород, аргон, гелий) и электрода (вольфрама). Этот спектр почти идентичен тому, что в ссылке14, как он использует тот же аппарат для анализа того же типа дуги молнии. Эта цифра была адаптирована из ссылки14. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Discussion
Спектроскопия является полезным инструментом для выявления реакций химических элементов во время естественных и генерируемых ударов молнии. При достаточно точной и воспроизводимой экспериментальной установке дальнейший анализ данных может выявить множество других свойств молнии. Он, например, был использован для проверки того, что спектры лабораторных генерируемых дуг молнии являются спектрально похожи на естественные молнии и что добавление других материалов в дугу молнии может изменить этот спектр значительно14. Метод также может быть использован для других светоизлучающих событий, таких как быстрые электрические разряды, частичные разряды, искры и другие связанные с ними явления в высоковольтных системах, где одновременное определение нескольких атомных линий или элементов через широкий спектр имеет важное значение.
Наиболее важным шагом является обеспечение использования правильных параметров при настройке спектрографа, таких как щель, решетка и настройки камеры, для получения наилучших данных, которые могут быть получены в результате сильных, резких спектральных пиков. Следует также приложить усилия для обеспечения того, чтобы детектор не был насыщен при оптимизации сигнала. Положение волокна также может быть скорректировано и/или коллимировано для улучшения интенсивности света, а также для обеспечения того, чтобы любой бродячий свет, не врамкахный молниеносным событием, был либо устранен, либо удален в процессе фоновой визуализации. Это может занять некоторое проб и ошибок. Способность генератора молний используется для воспроизведения же событие молнии точно с минимальными изменениями, или понять, где любые изменения могут исходить от так, что они могут быть под контролем, имеет важное значение в получении надежных и повторяемых спектроскопических Результаты.
Изменения могут быть внесены в эту установку для оценки различных частей электромагнитного спектра дальше в УФ и ИК-диапазоны, где технология визуализации позволяет и в зависимости от типа события, образуемого. Например, расширение диапазона длины волны ниже 450 нм может выявить дальнейшие атомные и молекулярные линии, такие как выбросы от NO и OH радикалов. Корректировка решетки спектрографа, чтобы дать более низкое разрешение в более широком диапазоне может помочь определить интересные особенности, которые затем могут быть проанализированы с помощью более узкого диапазона разрешения решетки.
Основным преимуществом этого метода является то, что он полностью ненавязчив, поэтому он не требует каких-либо изменений в генераторе молнии. При транспортировке света через волоконно-оптические, количество электрических помех из суровой электромагнитной среды уменьшается, которые другие системы, такие как камеры, могут испытывать, если не достаточно защищены. Это означает, что данные с спектрографа потенциально имеют гораздо меньший уровень шума и меньше помех, чем другие приборы. Этот специфический метод ограничен отсутствием разрешения времени и последующим отсутствием дальнейшей характеристики дуги молнии. Например, существуют высокоскоростные спектрографы, которые могут производить временные спектральные данные, ведущие к измерениям температуры и плотности электронов.
Ожидается, что спектроскопия станет важным инструментом, наряду с другими диагностическими приборами, в понимании лабораторных порожденных молниеносных дуг. Он будет способствовать бесплатной информации о характерных сигнатур молнии события и будет использоваться для идентификации реактивных химических элементов в дуге. Дальнейшее развитие этого метода может также привести к производной дополнительных характеристик.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы с благодарностью признают финансовую поддержку, оказываемую Национальной исследовательской сетью «Сер Симру» в области передовой инженерии и материалов (NRN073) и Innovate UK через Институт аэрокосмических технологий (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).
