実験室雷アークの広帯域高解像度発光スペクトルの記録方法

1. 波長範囲の選択 観測される稲妻の波長範囲を最初に選択する必要があります。450 nm~890nmを選択した。注:これは、実験室のセットアップ、格子の燃焼角度によって定義されるスペクトル範囲、およびカメラの感度によって制限されます。 2. 電極の準備 適切な電極材料を選択します。図5に示すように、銅取り付けに固定された直径60mmの半球タングステン電極のペアが選択されました。注: 稲妻アークが相互作用するマテリアルは、電極を含むスペクトルを放出し、この干渉を最小限に抑えることが重要です。しかし、これは、実験中に最小限の損傷で繰り返し落雷に耐える電極材料の能力とのバランスをとる必要があります。タングステンの場合、選択した波長範囲内の発光線の多くは450nmから590nmの間でのみ見ることができ、予想される雷スペクトルと大きく区別されます。また、高電圧および高電流実験で一般的に使用される非常に硬い材料です。 電極をきれいにして磨き、汚染物質を除去してください。稲妻アークが相互作用する材料は、汚染物質を含むスペクトルを放出します。したがって、電極が誤ったスペクトルラインを確保するために汚染物質が自由であることを確認することが重要です。 粗いサンドペーパーで電極を5分間こすり、室温で10分間ソニックウォーターバスに入れ、糸くずの自由な布で拭き取り、汚染物質を緩めて除去します。再汚染を避けるために、電極を取り扱う際には必ず手袋を使用してください。 上記を通常10~15回繰り返し、サンドペーパー、エメリークロスのグレードを下げ、良い研磨仕上げが達成されるまで布を磨きます。240~8,000のサンドペーパーと布グレードを使用しました。 電極を稲妻リグ内に取り付け、それらの間に適切な距離を設定します。ここでは、図5に示すように、電極は14mm離れた雷リグ内に取り付けられています。注:異なる雷試験施設は動作電圧が異なるので、電極間の距離は、雷インパルス発生器がトリガされたときに空気破壊が発生するようにする必要があります。 3. スペクトログラフの準備 図 2に示すように、分光器を独立した EMI 定格エンクロージャに配置します。理想的には、雷リグとスペクトログラフは別々のEMIエンクロージャに収納する必要があります。 光ファイバを選択して取り付します。選択された繊維は8mの長い光ファイバであり、2つのEMIチャンバの間に取り付けられた。 観察される所定の波長範囲内で良好な伝送特性を有する光ファイバを選択し、すなわち、450 nmから890nmの間で観察する。 これはデータ後処理に使用されるため、波長データに対する伝送効率に注意してください。これは、多くの場合、メーカーによって提供されますが、理想的には、校正されたランプを使用して測定する必要があります。 光ファイバの一方の端を光のきつい配置で光シャーシに接続します。 光ファイバのもう一方の端を配置して、電極間の稲妻アークを表示します。逆に分光計を通して送られるレーザーからの光は、アライメントに役立ちます。光ファイバは、図6に示すように、電極ギャップの中心と同じ高さ2mに位置する。 飽和を最小限に抑えるために、必要に応じてカメラに届く光の量を調整します。光ファイバの視野角を0.12°に下げるコリメーターを使用し、全アーク長14mmの雷アークの位置に4.2mmのスポットサイズを生み出し、光を約1分の1に低減します。注:カメラに到達する光の強度は、光源と光ファイバ間の距離を変更するか、スリットを調整するか、または中性密度フィルタを使用して調整することができます。 分光器システムをオンに切り替え、関連する制御ソフトウェアを起動します。デジタルカメラは-70°Cの温度に達するために約10分を必要とします。注: 一部のデジタル カメラでは、完全に動作する前にノイズを低減するために冷却が必要です。 分光計グレーティングを選択します。900 ln/mm 550ブレイズグレーティングを使用しました。注:格子は、ピーク識別に必要な<1 nmのスペクトル分解能で、使用されるスペクトログラフシステム内の波長範囲とスペクトル分解能を定義します。選択された格子はおよそ140 nmの波長の範囲および0.6 nmの決断を与える。 水銀アルゴンランプなどの既知のキャリブレーションソースに対して分光器をキャリブレーションします。 格子を、あらかじめ選択した波長範囲の下部に開始位置に配置します。ここで、格子は450nmに位置し、450nm~590nmの範囲を与える。 キャリブレーションソースをオンに切り替え、光ファイバの開いている端に向けて配置します。 コントロールソフトウェアを介したカメラの露出を適切な時間に調整して、0.1sの露出などの良好な不飽和信号を実現します。 必要に応じてスペクトルピークをシャープにするために制御ソフトウェアを介してスリットを調整するか、場合によっては検出器の位置を調整して信号を最適化することもできます。100μmのスリットを使用した。注: スリットは、スリットでの光の回折による原子線の広がりを減少させるために最小値に設定する必要がありますが、使用される値は 20 μm までです。しかし、狭いスリットは信号を減少させ、光の強度とピークの鮮明さの間にバランスを見つける必要があるかもしれません。 キャリブレーションソースのスペクトルを記録し、ピークが発生するカメラ画像のピクセル番号を特定します。 キャリブレーションソースに付属の各ピークの既知の波長に対して各ピークのピクセル数の位置をプロットし、直線に合わせてピクセルを波長に変換する方程式を導き出します。3つの既知の水星原子線の例を図7に示す。 次に進む前に、このグレーティング位置にキャリブレーションを適用します。一部のスペクトログラフシステムでは、キャリブレーションファイルを使用して、ピクセル数から波長への変換をソフトウェアに適用できます。 次のサブ範囲の格子を配置し、上記の手順を繰り返します。ここで、格子は550nmから690nmの範囲を与えて550nmに次に配置され、その結果、以前の波長範囲と40nmの重なりを起こした。注: オーバーラップ領域の幅は、後のステップと接着プロセスの最初の範囲の終わりと 2 番目の範囲の開始でトレンドを認識するのに十分である必要があります。 すべての格子位置について上記の手順を繰り返します。これは890nmに達するまで繰り返された。注:キャリブレーションソース(通常は既知のスペクトルピークを持つランプ)は、通常、分光器システムを備えており、メーカーはキャリブレーションを達成する方法の詳細を提供することができます。 生成された稲妻アークを記録するには、スペクトログラフ パラメータを選択します。 必要に応じて、スリットをさらに調整します。 カメラの露出時間を設定して、雷イベント全体がキャプチャされるようにします。このパラメータを設定する際に、雷発生器またはスペクトログラフのいずれかのトリガ時間と遅延を考慮してください。MBLLの雷発生器では、5sの露光時間を使用しました。注: 露光時間が長いほど、ノイズレベルや宇宙線などのアーティファクトの可能性が高まるため、これを最小限に抑える努力が必要です。ただし、発生した雷アークまたはスペクトログラフ システムのトリガの不確実性を考慮して、イベント全体が確実にキャプチャされるようにする時間も十分である必要があります。 雷発生器からトリガを受け取るようにスペクトログラフシステムモードを変更します。雷アークが開始される前に、5 V TTL 信号を使用してカメラ 2.5 s をトリガしました。 4. 実験の実行 稲妻発生器を準備します。 すべてのライトが消灯し、チャンバーが適切な場所で閉じられ、照明がきつい環境を確保していることを確認します。 雷発生器のスイッチを入れます。各雷試験施設には、準備とスイッチオンのための独自のプロトコルがあります。MBLLでは、人員の領域がクリアされ、落雷発生器が作動する前に関連する安全装置が従事します。 関連する雷波形を選択し、必要なピーク電流に充電します。典型的な54kV、100kAピークが100μsピーク18/40μs波形を使用した。 複数の生成された雷イベントからスペクトルを取得する 分光器グレーティングを開始位置に配置し、落雷と同じパラメータを使用して背景画像を撮影します。これは、いくつかの背景画像の平均である可能性があります。450 nmの設定で100 μmのスリットを持つ5s露光を使用しました。 スペクトルを正しい設定で記録するために、スペクトログラフシステムがトリガされる準備ができていることを確認します。450 nmの設定で100 μmのスリットを持つ5s露光を使用しました。 雷発生器を充電し、また、スペクトログラフをトリガする雷イベントをトリガします。 出力スペクトル データを記録します。 分光データに干渉がないか確認してください。スペクトログラフは、宇宙放射線や非応答またはデッドピクセルによって引き起こされる他のアーティファクトによって引き起こされるデータスパイクが発生する可能性があります。このような干渉を除去するための努力が行われるべきであり、一部の分光器はこれを行うことができるソフトウェアを持っています。別の方法として、データを無視して実験を繰り返します。図8は、宇宙放射線スパイクの有無にかかわらずデータの違いの一例を示す。 アルコールで拭き取るか、汚染された場合はステップ2.2を繰り返して、必要に応じて汚染の電極をきれいにします。 450 nm の範囲の 4 セットの分光データが達成されるまで、手順 4.2.2 ~ 4.2.5 を繰り返します。 550 nm に分光器グレーティングを配置し、550 nm の範囲の 4 セットの分光計データが達成されるまで、4.2.1 ~ 4.2.6 の手順を繰り返します。注: 繰り返されるステップの数は、生成された稲妻アークで見られるショットツーショットの分散を平均化するのに十分である必要があります。 すべてのデータセットが 890 nm の最大波長値に達するまで、上記を繰り返し、16 セットのスペクトル データを生成します。 同じ雷電流発生器の設定で各サブレンジのスペクトルに大きなばらつきがある場合、例えば原子線の強度では、各段階での実験を4回以上繰り返す必要があります。この目的は、1 回限りの異常の影響を最小限に抑え、雷発生器と稲妻フリーアークからのショットツーショットの変動を平均化することです。 同じ雷電流発生装置の設定でスペクトルに違いがある場合は、汚染物質の実験セットアップを評価する必要があります。 5. 後処理データ データの後処理と分析では、計算機能を組み込んだスプレッドシート ソフトウェア アプリケーションを選択します。このようなソフトウェアは広く利用可能です。 ステップ 4.2.1 で取得したバックグラウンド データを、関連する各生成された雷スペクトル データから減算します。 450 nm のバックグラウンド データの平均は、生成された各 450 nm のスペクトル データから差し引き、550 nm データの平均は、生成された各 550 nm の稲妻スペクトル データから差し引かれます。この例を図 9に示します。 波長範囲ごとにデータの個々のセットを平均します。これは図10に示し、4 つの 450 nm データセットが平均化されています。 重なり合う領域を使用して連続したスペクトル データを整列させ、重なり合う領域を平均化します。これは図11に示し、平均 450 nm および 550 nm データを示す。注:重なり合う領域の位置合わせと平均化はエラーを引き起こし、タングステンリボンランプを使用して、スペクトル全体の相対強度キャリブレーションを実行する必要がある場合があります。 光ファイバの減衰と量子効率を修正します。これは図 12に示されています。注:各サブレンジの光の透過を測定するために校正されたランプを使用することで、より正確な補正を実現できます。この場合、補正はステッチプロセスの前に適用することができます。 図 13に示すように、最終的なデータをグラフィカル表現または強度プロットとして表示します。 6. データの分析 特性スペクトルピークを特定します。 一部のスペクトログラフシステムには、要素のピークを自動的に識別するソフトウェアが含まれます。ピーク位置が正しい場合は特にステッチデータに注意する必要があります。 手動ピーク識別は、24 などの一般に公開されたデータベースを使用して実行できます。最も低いイオン化レベルから最も強い(相対強度)ピークに合うように注意する必要があります(すなわち、I、II、次にIII)一度に1つの要素。 ピークを正確に識別したり、それらを整列させたりする際の問題は、光学系のキャリブレーションの問題またはずれが原因である可能性があります。光学シャーシ内の光学系の位置を評価し、ステップ 3 を繰り返します。注:生成された雷アークの高エネルギーは、スターク効果による原子放出ラインの広がりを引き起こし、すべてのラインの信頼性の高い識別が不可能な場合があります。