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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |