طريقة لتسجيل النطاق العريض عالية الدقة الأطياف الانبعاثات من أقواس البرق المختبر
Summary
وقد استخدمت تقنيات التحليل الطيفي للانبعاثات تقليديا لتحليل أقواس البرق العشوائية بطبيعتها التي تحدث في الطبيعة. في هذه الورقة، يتم وصف طريقة وضعت للحصول على مطياف الانبعاثات من أقواس البرق القابلة للاستنساخ المتولدة داخل بيئة مختبرية.
Abstract
البرق هو واحد من القوى الأكثر شيوعا وتدميرا في الطبيعة، وقد درست منذ فترة طويلة باستخدام تقنيات الطيفية، أولا مع أساليب الفيلم الكاميرا التقليدية ومن ثم تكنولوجيا الكاميرا الرقمية، والتي تم العديد من الخصائص الهامة المشتقه. ومع ذلك، كان هذا العمل دائما محدودا بسبب الطبيعة العشوائية وغير المتكررة بطبيعتها لأحداث البرق الطبيعية في هذا المجال. التطورات الأخيرة في مرافق اختبار البرق تسمح الآن جيل استنساخ أقواس البرق داخل بيئات المختبر الخاضعة للرقابة، وتوفير سرير اختبار لتطوير أجهزة الاستشعار الجديدة وتقنيات التشخيص لفهم البرق آليات أفضل. وإحدى هذه التقنيات هي نظام مطيافي يستخدم تكنولوجيا الكاميرا الرقمية القادرة على تحديد العناصر الكيميائية التي يتفاعل معها قوس البرق، مع استخدام هذه البيانات بعد ذلك لاستخلاص المزيد من الخصائص. في هذه الورقة، يتم استخدام النظام الطيفي للحصول على طيف الانبعاثات من ذروة 100 كيلوآ، 100 ميكروثانية مدة قوس البرق ولدت عبر زوج من أقطاب التنغستن نصف كروية مفصولة بفجوة الهواء الصغيرة. للحفاظ على دقة طيفية أقل من 1 نانومتر، تم تسجيل العديد من الأطياف الفردية عبر نطاقات الطول الموجي المنفصلة، ومتوسط، مخيط، وتصحيحلإنتاج طيف مركب نهائي في نطاق 450 نانومتر (الضوء الأزرق) إلى 890 نانومتر (بالقرب من ضوء الأشعة تحت الحمراء). ثم قورنت الذرى المميزة داخل البيانات بقاعدة بيانات متاحة للجمهور لتحديد تفاعلات العناصر الكيميائية. وتنطبق هذه الطريقة بسهولة على مجموعة متنوعة من الأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء، مثل التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، وإثارة المعدات والأجهزة والأنظمة الكهربائية.
Introduction
البرق هو واحد من القوى الأكثر شيوعا وتدميرا في الطبيعة التي تتميز التفريغ الكهربائي السريع ينظر إليها على أنها ومضة من الضوء وتليها الرعد. ويمكن أن يتكون قوس البرق النموذجي من جهد يبلغ عشرات الجيغافولت ومتوسط تيار يبلغ 30 كيلوفولت عبر قوس يتراوح بين عشرات ومئات الكيلومترات التي تحدث جميعها في غضون 100 ميكرومتر. الحصول على معلومات حول خصائصها. تم تأسيس العديد من التقنيات باستخدام تقنيات الكاميرا التقليدية المستندة إلى الأفلام لدراسة ضربات البرق الطبيعيةخلال الستينات إلى الثمانينات، على سبيل المثال 1،2،3،4،5 و6و7، وفي الآونة الأخيرة، التقنيات الرقمية الحديثة، على سبيل المثال8،9،10،11،12، 13 , 14، وقد استخدمت لإعطاء نظرة أكثر دقة في آليات البرق. مع مرور الوقت، وقد أظهرت هذه الأعمال القدرةليس فقط على تحديد التفاعلات العنصر الكيميائي 1،14،ولكن أيضا الحصول على قياسات درجة الحرارة15،16،الضغط5، كثافة الجسيماتوالإلكترون 5،17،الطاقة18،المقاومة، والمجال الكهربائي الداخلي للقوس8. ومع ذلك، كانت دراسات البرق الطبيعي دائما محدودة من قبل الطبيعة العشوائية التي لا يمكن التنبؤ بها بطبيعتها من أحداث البرق.
في السنوات الأخيرة، ركزت الأبحاث على كيفية تفاعل البرق مع البيئة المحيطة، ولا سيما في صناعة الطيران لحماية الطائرات أثناء الطيران من ضربات البرق المباشرة. وبالتالي، تم تصميم وبناء العديد من مرافق اختبار البرق الكبيرة لتكرار العناصر الأكثر تدميرا ً لضربة البرق، أي الوقت الحالي ووقت التسليم، ولكن بجهد محدود. مختبر مورغان بوتي البرق (MBLL)19 في جامعة كارديف يمكن أن تولد أربعة موجات البرق متميزة تصل إلى 200 كيلو طن من الموجات وفقا للمعيار ذات الصلة20. مع مثل هذا المرفق المختبري، يمكن بسهولة استنساخ البرق والسيطرة عليها مع درجة عالية من الدقة والتكرار، وتوفير سرير اختبار لتطوير أجهزة الاستشعار الجديدة وتقنيات التشخيص لفهم تفاعلات البرق و آليات أفضل21،22،23. وإحدى هذه التقنيات هي نظام مطيافي تم تطويره وتثبيته مؤخراً14و21، وهو، شأنه في ذلك شأن النظم الطيفية المستخدمة في دراسات البرق الطبيعي، يعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UV) إلى الأشعة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR). وهي طريقة غير تدخلية لا تتداخل مع قوس البرق ولا تتأثر إلى حد كبير بالضوضاء الكهرومغناطيسية التي تنتج أثناء الإضراب، على عكس معظم الأجهزة القائمة إلكترونيا.
تم استخدام نظام الطيف لمراقبة طيف قوس البرق المختبري النموذجي الذي تم إنشاؤه ويتكون من 100 كيلومتر من التذبذب المخمد بشكل نقدي، و100 ميكروثانية، و18/40 درجة مئوية من الموجي عبر فجوة هوائية بين زوج من التنغستن قطره 60 مم الأقطاب الكهربائية مفصولة بفجوة الهواء 14 ملم. يظهر في الشكل 1أثر نموذجي لهذا الشكل الموجي قوس البرق. تم وضع الأقطاب الكهربائية في غرفة ذات قوة كهرومغناطيسية (EMI) محكمة خفيفة بحيث كان الضوء المسجل الوحيد من قوس البرق نفسه، مع كمية صغيرة من هذا الضوء يتم نقلها عبر الألياف البصرية قطرها 100 متر، المتمركزة 2 متر بعيدا و معطيإلى زاوية عرض 0.12 درجة مما يعطي حجم بقعة من 4.2 ملم في موقف القوس، إلى غرفة EMI أخرى تحتوي على نظام الطيف، كما هو موضح في الشكل 2. وقد استخدمت غرف EMI لتقليل الآثار السلبية الناجمة عن حدث البرق. يتم إنهاء الألياف البصرية في الهيكل البصري محكم الضوء على أساس تكوين Czerny-Turner من الطول البؤري 30 سم، مع الضوء يمر من خلال شق 100 ميكرومتر قابل للتعديل وعلى 900 ln/mm 550 حريق صر قابل للتدوير عبر ثلاث مرايا، على 1024 × 1024 بكسل الكاميرا الرقمية، كما هو مبين في الشكل 3. في هذه الحالة، يعطي الإعداد البصري دقة طيفية قدرها 0.6 نانومتر عبر نطاق فرعي يبلغ 140 نانومتر ًا تقريبًا ضمن نطاق كامل تقريبي يبلغ 800 نانومتر عبر الأشعة فوق البنفسجية إلى أطوال موجية NIR. وتقاس الاستبانة الطيفية بقدرة المطياف على التمييز بين قمتين قريبتين، ويمكن تعديل موضع النطاق الفرعي ضمن النطاق الكامل بتدوير الصريف. ويتمثل أحد المكونات الرئيسية للنظام في اختيار صريف الانعراج الذي يملي نطاق الطول الموجي والقرار الطيفي، مع تناسب الأول عكسياً مع الثاني. وعادة ما تكون هناك حاجة إلى نطاق واسع من الطول الموجي لتحديد مواقع خطوط ذرية متعددة في حين أن هناك حاجة إلى استبانة طيفية عالية لقياس موقعها بدقة؛ هذا لا يمكن أن يتحقق جسديا مع صريف واحد لهذا النوع من الطيف. لذلك، يتم أخذ البيانات من عدة نطاقات فرعية، مع دقة عالية، في مواقع مختلفة عبر الأشعة فوق البنفسجية إلى نطاق NIR. يتم وضع هذه البيانات ولصقها معا لتشكيل طيف مركب.
في الممارسة العملية، بسبب القيود في انتقال الضوء الألياف البصرية، تم تسجيل نطاق الطول الموجي الطيف من 450 نانومتر إلى 890 نانومتر. بدءا من 450 نانومتر، تم تسجيل الضوء من أربعة أقواس البرق ولدت مستقلة، تم طرح الضوضاء الخلفية، ثم تم متوسطها. ثم تم تحويل نطاق الطول الموجي إلى 550 نانومتر، مما يعطي تداخل بيانات 40 نانومتر، مع ضوء من أربعة أقواس البرق الأخرى ولدت المسجلة ومتوسط. وقد تكرر ذلك حتى تم التوصل إلى 890 نانومتر، وتم خياطة البيانات المتوسطة الناتجة معاً لخلق طيف كامل عبر نطاق الطول الموجي الكامل المحدد مسبقاً. ويتضح هذا العمل بهذه العملية في الشكل 4. ثم استخدمت القمم المميزة لتحديد العناصر الكيميائية من خلال المقارنة مع قاعدة البيانات القائمة24.
في هذه الورقة، يتم وصف طريقة التحليل الطيفي للانبعاثات البصرية. وتنطبق هذه الطريقة بسهولة على مجموعة واسعة من الأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء مع الحد الأدنى من التغيير في إعدادات الإعداد التجريبي أو نظام الطيف. وتشمل هذه التطبيقات التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، والإثارة، وغيرها من الظواهر ذات الصلة في النظم والمعدات الكهربائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
التحليل الطيفي هو أداة مفيدة لتحديد تفاعلات العناصر الكيميائية خلال كل من ضربات البرق الطبيعية والمتولدة. وبالنظر إلى الإعداد التجريبي الدقيق والقابل للاستنساخ بما فيه الكفاية، فإن إجراء مزيد من التحليل للبيانات يمكن أن يكشف عن مجموعة متنوعة من خصائص البرق الأخرى. فقد استخدمت، على سبيل المثال، للتحقق من أن أطياف أقواس البرق التي تم إنشاؤها في المختبر تشبه الطيفية البرق الطبيعي وأن إضافة مواد أخرى إلى قوس البرق يمكن أن تغير هذا الطيف بشكل كبير14. ويمكن أيضا استخدام هذه الطريقة للأحداث الأخرى التي تنبعث منها الضوء مثل التصريفات الكهربائية السريعة، والتصريفات الجزئية، والإثارة، وغيرها من الظواهر ذات الصلة في أنظمة الجهد العالي، حيث يتم التعرف المتزامن على خطوط أو عناصر ذرية متعددة عبر الطيف الواسع مهم.
الخطوة الأكثر أهمية هي ضمان استخدام المعلمات الصحيحة عند إعداد الطيف، مثل الشق، صريف، وإعدادات الكاميرا، للحصول على أفضل البيانات الممكنة مما أدى إلى قمم طيفية قوية وحادة. وينبغي بذل الجهود أيضا لضمان عدم تشبع الكاشف عند تحسين الإشارة. كما يمكن تعديل موضع الألياف و/أو تجميعها لتحسين شدة الضوء، فضلاً عن ضمان إزالة أي ضوء طائش ليس جزءًا من حدث البرق أو إزالته كجزء من عملية التصوير الخلفية. قد يستغرق هذا بعض التجربة والخطأ. قدرة مولد البرق المستخدمة لإعادة إنتاج نفس الحدث البرق بدقة مع الحد الأدنى من الاختلاف، أو لفهم من أين يمكن أن تأتي أي اختلافات من أجل أن يمكن السيطرة عليها، مهم في الحصول على مطياف موثوق بها وقابلة للتكرار نتائج.
ويمكن إجراء تعديلات على هذا الإعداد لتقييم أجزاء مختلفة من الطيف الكهرمغنطيسي في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء حيث تسمح تكنولوجيا التصوير واعتمادا على نوع الحدث الذي يجري تصويره. على سبيل المثال، توسيع نطاق الطول الموجي أقل من 450 نانومتر يمكن أن تكشف عن المزيد من الخطوط الذرية والجزيئية، مثل الانبعاثات من NO وOH الجذور. قد يساعد ضبط صريف الطيف لإعطاء دقة أقل على نطاق أوسع في تحديد الميزات المثيرة للاهتمام، والتي يمكن تحليلها بعد ذلك باستخدام صريف نطاق أضيق دقة أعلى.
الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها غير تدخلية تماما، لذلك فإنه لا يتطلب أي تغيير في مولد البرق. عن طريق نقل الضوء عن طريق الألياف البصرية، يتم تقليل كمية التداخل الكهربائي من البيئة الكهرومغناطيسية القاسية، والتي قد تواجه أنظمة أخرى، مثل الكاميرات، إن لم تكن محمية بما فيه الكفاية. وهذا يعني أن البيانات المستمدة من مطياف يحتمل أن يكون لها ضوضاء أقل بكثير وتدخل أقل من الأدوات الأخرى. وهذه التقنية المحددة محدودة بسبب افتقارها إلى الوقت وما يترتب على ذلك من عدم توصيف قوس البرق. فعلى سبيل المثال، توجد مطياف عالية السرعة يمكن أن تنتج بيانات طيفية محسمة زمنياً تؤدي إلى قياسات درجات الحرارة وكثافة الإلكترون.
ومن المتوقع أن يصبح التحليل الطيفي أداة هامة، إلى جانب أجهزة تشخيصية أخرى، في فهم أقواس البرق التي يولدها المختبر. وسوف تسهم بمعلومات مجانية عن التوقيعات المميزة لحدث البرق وستستخدم لتحديد العناصر الكيميائية التفاعلية داخل القوس. كما أن زيادة تطوير هذه التقنية قد تؤدي إلى اشتقاق خصائص إضافية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وينوه المؤلفون بامتنان بالدعم المالي الذي تقدمه شبكة البحوث الوطنية في مجال الهندسة والمواد المتقدمة (NRN073) وشركة Innovation UK عن طريق معهد تكنولوجيا الفضاء الجوي (113037).
Materials
| 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. , (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, H., Griffiths, A., Haddad, M., Cole, S., Evans, Establishment of a lightning test laboratory for direct-effects research. International Conference on Lightning and Static Electricity. , (2013).
- . . EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , (1997).
- Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , (2015).
- Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , (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. , (2016).
- Kamira, J., Ralchenko, J. . Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , (2014).
