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