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工程学

Método para la grabación de espectros de emisiones de alta resolución de banda ancha de arcos relámpagos de laboratorio

Published: August 27, 2019
doi:
10.3791/56336
, , , ,
1Morgan-Botti Lightning Laboratory, Advanced High Voltage Research Centre, School of Engineering,Cardiff University

Summary

Tradicionalmente, las técnicas de espectroscopia de emisiones se han utilizado para analizar arcos de rayos inherentemente aleatorios que ocurren en la naturaleza. En este artículo, se describe un método desarrollado para obtener la espectroscopia de emisión a partir de arcos de rayos reproducibles generados dentro de un entorno de laboratorio.

Abstract

El relámpago es una de las fuerzas más comunes y destructivas en la naturaleza y ha sido estudiada durante mucho tiempo utilizando técnicas espectroscópicas, primero con métodos tradicionales de película de cámara y luego tecnología de cámara digital, de la que se han Derivado. Sin embargo, este tipo de trabajo siempre ha sido limitado debido a la naturaleza inherentemente aleatoria y no repetible de los eventos relámpagos naturales en el campo. Los recientes desarrollos en instalaciones de prueba de rayos ahora permiten la generación reproducible de arcos relámpago sin cables dentro de entornos de laboratorio controlados, proporcionando un banco de pruebas para el desarrollo de nuevos sensores y técnicas de diagnóstico para entender los rayos mecanismos mejor. Una de estas técnicas es un sistema espectroscópico que utiliza tecnología de cámara digital capaz de identificar los elementos químicos con los que interactúa el arco relámpago, con estos datos que luego se utilizan para derivar otras características. En este artículo, el sistema espectroscópico se utiliza para obtener el espectro de emisión de un pico de 100 kA, arco relámpago de 100 os de duración generado a través de un par de electrodos de tungsteno hemisféricos separados por una pequeña brecha de aire. Para mantener una resolución espectral de menos de 1 nm, se registraron varios espectros individuales a través de rangos de longitud de onda discretos, promediados, cosidos y corregidos para producir un espectro compuesto final en el rango de 450 nm (luz azul) a 890 nm (luz infrarroja cercana). A continuación, se compararon los picos característicos dentro de los datos con una base de datos establecida disponible al público para identificar las interacciones de los elementos químicos. Este método es fácilmente aplicable a una variedad de otros eventos emisores de luz, tales como descargas eléctricas rápidas, descargas parciales y chispas en equipos eléctricos, aparatos y sistemas.

Introduction

El relámpago es una de las fuerzas más comunes y destructivas en la naturaleza caracterizada por una rápida descarga eléctrica vista como un destello de luz y seguida de truenos. Un arco relámpago típico puede consistir en una tensión de decenas de gigavoltios y una corriente media de 30 kA a través de un arco decenas a cientos de kilómetros de largo todo lo que sucede dentro de 100 s. La observación del espectro de emisión de luz de eventos relámpagos se ha utilizado durante mucho tiempo para derivar información sobre sus propiedades. Muchas técnicas se establecieron utilizando técnicas tradicionales de cámara basada en película para el estudio de los rayos naturales durante la década de 1960 a 1980, por ejemplo1,2,3,4,5 ,6,7y, más recientemente, técnicas digitales modernas, por ejemplo8,9,10,11,12, 13 , 14, se han utilizado para dar una visión más precisa de los mecanismos de rayos. Con el tiempo, este trabajo ha demostrado la capacidad no sólo de identificar las interacciones de elementos químicos1,14, sino también obtener mediciones de temperatura15,16, presión5, densidad de partículas y electrones5,17, energía18, resistencia, y campo eléctrico interno del arco8. Sin embargo, los estudios de relámpagos naturales siempre han estado limitados por la naturaleza aleatoria y no repetible inherentemente impredecible de los eventos relámpago.

En los últimos años, la investigación se ha centrado en cómo los rayos interactúan con el medio ambiente circundante, especialmente en la industria aeroespacial para proteger las aeronaves en vuelo de los rayos directos. Varias grandes instalaciones de prueba de rayos han sido diseñadas y construidas para replicar los elementos más destructivos de un rayo, a saber, la corriente y el tiempo de entrega, pero a una tensión limitada. El Laboratorio de Relámpagos Morgan-Botti (MBLL)19 de la Universidad de Cardiff puede generar cuatroformas de onda de relámpago distintas de hasta 200 kA de acuerdo con la norma 20 correspondiente. Con una instalación de laboratorio de este tipo, los rayos se pueden reproducir y controlar fácilmente con un alto grado de precisión y repetibilidad, proporcionando un banco de pruebas para el desarrollo de nuevos sensores y técnicas de diagnóstico para entender las interacciones con los rayos y mecanismos mejor21,22,23. Una de estas técnicas es un sistema espectroscópico recientemente desarrollado e instalado14,21 que, al igual que los sistemas espectroscópicos utilizados en estudios de rayos naturales, funciona en el rango ultravioleta (UV) a infrarrojo cercano (NIR). Es un método no intrusivo que no interfiere con el arco del rayo y no se ve afectado en gran medida por el ruido electromagnético producido durante un golpe, a diferencia de la mayoría de los dispositivos basados en electrónica.

El sistema de espectrógrafo se utilizó para observar el espectro de un arco relámpago típico generado en laboratorio que consiste en un pico de 100 kA herremido amortiguado críticamente, una duración de 100 os, una forma de onda de 18/40 s a través de una brecha de aire entre un par de 60 mm de diámetro de tungsteno electrodos separados por un espacio de aire de 14 mm. Un rastro típico de esta forma de onda de arco relámpago se muestra en la Figura1. Los electrodos se colocaron en una cámara ligera de impulso electromagnético (EMI) de modo que la única luz registrada era del arco relámpago en sí, con una pequeña cantidad de esta luz transportada a través de una fibra óptica de 100 m de diámetro, posicionada a 2 m de distancia y colisionado a un ángulo de visión de 0,12o dando un tamaño de punto de 4,2 mm en la posición del arco, a otra cámara EMI que contiene el sistema de espectrógrafo, como se muestra en la Figura2. Las cámaras EMI se utilizaron para minimizar los efectos adversos causados por el evento relámpago. La fibra óptica se termina en el chasis óptico ligero-apretado basado en una configuración Czerny-Turner de longitud focal de 30 cm, con la luz pasando a través de una ranura ajustable de 100 m y en una rejilla giratoria de 900 ln/mm 550 a través de tres espejos, en un 1.024 x 1.024 cámara digital de píxeles, como se muestra en la Figura 3. En este caso, la configuración óptica proporciona una resolución espectral de 0,6 nm a través de un subrango de aproximadamente 140 nm dentro de un rango completo aproximado de 800 nm a través de longitudes de onda UV a NIR. La resolución espectral se mide como la capacidad del espectrógrafo para distinguir dos picos cercanos, y la posición del subrango dentro del rango completo se puede ajustar girando la rejilla. Un componente clave del sistema es la elección de la rejilla de difracción que dicta el rango de longitud de onda y la resolución espectral, siendo el primero inversamente proporcional al segundo. Típicamente, se necesita un amplio rango de longitud de onda para localizar múltiples líneas atómicas, mientras que se necesita una alta resolución espectral para medir su posición con precisión; esto no se puede lograr físicamente con una sola rejilla para este tipo de espectrógrafo. Por lo tanto, los datos de varios subrangos, con alta resolución, se toman en varias posiciones a través de la gama UV a NIR. Estos datos se escalonan y se pegan para formar un espectro compuesto.

En la práctica, debido a limitaciones en la transmisión de luz de fibra óptica, se registró un rango de longitud de onda de espectro de 450 nm a 890 nm. A partir de 450 nm, se registró luz de cuatro arcos relámpago generados independientemente, se restó el ruido de fondo y luego se promediaron. El rango de longitud de onda se desplazó a 550 nm, dando una superposición de datos de 40 nm, con la luz de otros cuatro arcos de rayos generados registrados y promediados. Esto se repitió hasta que se alcanzaron 890 nm, y los datos promediados resultantes fueron cosidos juntos para crear un espectro completo a través del rango completo de longitud de onda predefinida. Este proceso se ilustra en la Figura4. A continuación, se utilizaron picos característicos para identificar elementos químicos mediante la comparación con una base de datos establecida24.

En este documento, se describe el método de espectroscopia de emisión óptica. Este método es fácilmente aplicable a una amplia gama de otros eventos emisores de luz con una alteración mínima en la configuración experimental o la configuración del sistema de espectrógrafo. Tales aplicaciones incluyen descargas eléctricas rápidas, descargas parciales, chispas y otros fenómenos relacionados en sistemas y equipos eléctricos.

Protocol

1. Selección del rango de longitud de onda Primero debe seleccionarse el rango de longitud de onda del rayo que se va a observar. Se seleccionaron 450 nm a 890 nm.NOTA: Esto estará limitado por la configuración del laboratorio, el rango espectral definido por el ángulo de la rejilla y la sensibilidad de la cámara. 2. Preparación de los electrodos Elija un material de electrodo adecuado. Se eligió un par de electrodos de tungsteno hemisféricos de 60 mm de diámetro fijados a montajes de cobre, como se ilustra en la Figura5.NOTA: Cualquier material con el que interactúe el arco relámpago emitirá un espectro, incluido el electrodo, y es importante minimizar esta interferencia. Sin embargo, esto debe equilibrarse contra la capacidad del material del electrodo para soportar rayos repetidos con un daño mínimo durante la experimentación. Para el tungsteno, muchas de sus líneas de emisión dentro del rango de longitud de onda elegido sólo son visibles entre 450 nm y 590 nm y son en gran medida distinguibles de un espectro de relámpagos esperado. También es un material muy duro que se utiliza comúnmente en la experimentación de alta tensión y alta corriente. Limpie y pula los electrodos para eliminar cualquier contaminante. Cualquier material con el que interactúe el arco relámpago emitirá un espectro, incluido el de cualquier contaminante. Por lo tanto, es importante asegurarse de que los electrodos estén libres de contaminantes para garantizar que no haya líneas espectrales erróneas. Frote el electrodo con papel de lija grueso durante 5 minutos, colóquelo en un baño de agua sónico a temperatura ambiente durante 10 minutos, luego limpie con un paño libre de pelusas para aflojar y eliminar cualquier contaminante. Utilice siempre guantes cuando manipule el electrodo para evitar la recontaminación. Repita lo anterior típicamente de diez a quince veces con grados decrecientes de papel de lija, tela de esmey, y luego pulir los paños hasta lograr un buen acabado pulido. Se utilizaron papeldeo y tela de 240 a 8.000 grados de lija. Monte los electrodos dentro de la plataforma de rayos estableciendo una distancia adecuada entre ellos. Aquí, los electrodos se montan dentro de la plataforma de rayos 14 mm de distancia como se muestra en la Figura5.NOTA: Diferentes instalaciones de prueba de rayos tienen diferentes voltajes operativos, por lo que la distancia entre los electrodos debe ser tal que se produzca una avería de aire cuando se active el generador de impulsos de rayos. 3. Preparación del espectrógrafo Coloque el espectrógrafo en un gabinete independiente con clasificación EMI, como se ilustra en la Figura2. Idealmente, la plataforma de rayos y el espectrógrafo deben estar alojados en recintos EMI separados. Seleccione e instale la fibra óptica. La fibra elegida era una fibra óptica de 8 m de largo e instalada entre las dos cámaras EMI. Elija una fibra óptica con buenas propiedades de transmisión dentro del rango de longitud de onda predefinido a observar, esdecir, entre 450 nm a 890 nm. Tenga en cuenta la eficiencia de transmisión frente a los datos de longitud de onda, ya que se utilizará para el postprocesamiento de datos. Esto es a menudo proporcionado por el fabricante aunque, idealmente, debe medirse utilizando una lámpara calibrada. Conecte un extremo de la fibra óptica al chasis óptico en una disposición ligera. Coloque el otro extremo de la fibra óptica para ver el arco relámpago entre los electrodos. La luz de un láser enviado a través del espectrómetro en reversa puede ayudar con la alineación. La fibra óptica se coloca a la misma altura que el centro de la brecha del electrodo a 2 m, como se muestra en la Figura6. Ajuste la cantidad de luz que llega a la cámara si es necesario para minimizar cualquier saturación. Se utiliza un colimador que reduce el ángulo de visión de fibra óptica a 0,12o, lo que resulta en un tamaño de punto de 4,2 mm en la posición del arco relámpago para una longitud de arco total de 14 mm, reduciendo la luz en aproximadamente un cuarto.NOTA: La intensidad de la luz que llega a la cámara se puede ajustar alternativamente alterando la distancia entre la fuente de luz y la fibra óptica, ajustando la ranura o utilizando un filtro de densidad neutra. Encienda el sistema de espectrógrafo e inicie el software de control asociado. La cámara digital requiere alrededor de 10 minutos para alcanzar una temperatura de -70 oC.NOTA: Algunas cámaras digitales requieren refrigeración para reducir el ruido antes de que estén completamente operativas. Seleccione la rejilla del espectrógrafo. Se utilizó una rejilla de incendio de 900 ln/mm 550.NOTA: La rejilla define el rango de longitud de onda y la resolución espectral dentro del sistema de espectrógrafo utilizado, con una resolución espectral de <1 nm necesaria para la identificación de picos. La rejilla seleccionada proporciona un rango de longitud de onda de aproximadamente 140 nm y una resolución de 0,6 nm. Calibre el espectrógrafo con una fuente de calibración conocida, como una lámpara Mercury-Argon. Coloque la rejilla en su posición inicial en la parte inferior del rango de longitud de onda preseleccionado. Aquí, la rejilla se colocó a 450 nm dando un rango de 450 nm a 590 nm. Encienda la fuente de calibración y colóquela contra el extremo abierto de la fibra óptica. Ajuste la exposición de la cámara a través del software de control a un momento adecuado para lograr una buena señal insaturada, como una exposición de 0,1 s. Ajuste la ranura a través del software de control para afilar los picos espectrales si es necesario o, en algunos casos, la posición del detector también se puede ajustar para optimizar la señal. Se utilizó una hendidura de 100 m.NOTA: La hendidura debe ajustarse a un valor mínimo para disminuir la ampliación de las líneas atómicas debido a la difracción de la luz en la hendidura, con valores de hasta 20 m utilizados a menudo. Sin embargo, una hendidura estrecha también reducirá la señal y puede ser necesario encontrar un equilibrio entre la intensidad de la luz y la nitidez de los picos. Registre los espectros de la fuente de calibración e identifique el número de píxel en la imagen de cámara resultante en la que se producen los picos. Trazar la posición del número de píxelpara cada pico contra la longitud de onda conocida de cada pico proporcionado con la fuente de calibración y ajustar una línea recta para derivar una ecuación que permitirá la conversión de píxeles a longitud de onda. Un ejemplo de esto para tres líneas atómicas de Mercury conocidas se ilustra en la Figura7. Aplique la calibración a esta posición de rejilla antes de pasar a la siguiente. Para algunos sistemas de espectrógrafo, la conversión del número de píxel a longitud de onda se puede aplicar al software mediante un archivo de calibración. Coloque la rejilla para el siguiente subrango y repita los pasos anteriores. Aquí, la rejilla se posicionó a 550 nm dando un rango de 550 nm a 690 nm, lo que resulta en una superposición de 40 nm con el rango de longitud de onda anterior.NOTA: La anchura de la región de solapamiento debe ser suficiente para permitir el reconocimiento de tendencias al final del primer rango y al principio del segundo rango para el paso posterior y el proceso de pegamento. Repita los pasos anteriores para todas las posiciones de rejilla. Esto se repitió hasta que se alcanzó 890 nm.NOTA: Las fuentes de calibración, normalmente una lámpara con picos espectrales conocidos, suelen estar provistas de sistemas de espectrógrafo y el fabricante podrá proporcionar más detalles sobre cómo se puede lograr la calibración. Seleccione los parámetros del espectrógrafo para registrar el arco relámpago generado. Ajuste la ranura aún más si es necesario. Establezca el tiempo de exposición de la cámara para asegurarse de que se captura todo el evento relámpago; tenga en cuenta el tiempo de disparo y cualquier retraso en cualquiera en el generador de rayos o el espectrógrafo al establecer este parámetro. Para el generador de rayos en MBLL, se utilizó un tiempo de exposición de 5 s.NOTA: Un tiempo de exposición más largo aumentará los niveles de ruido y la probabilidad de artefactos, como los rayos cósmicos, por lo que se deben hacer esfuerzos para mantener esto al mínimo. Sin embargo, el tiempo también debe ser suficiente para tener en cuenta cualquier incertidumbre en la activación del arco relámpago generado o del sistema de espectrógrafo para garantizar que se capture todo el evento. Cambie el modo del sistema de espectrógrafo para recibir un disparador del generador de rayos. Se utilizó una señal TTL de 5 V para activar la cámara 2,5 s antes de que se iniciara el arco relámpago. 4. Ejecución de un experimento Preparen el generador de rayos. Asegúrese de que todas las luces estén apagadas y las cámaras estén cerradas cuando sea pertinente para garantizar un entorno hermético. Encienda el generador de rayos. Cada instalación de prueba de rayos tendrá su propio protocolo para preparar y encender. En MBLL, el área está despejada del personal y los dispositivos de seguridad pertinentes se activan antes de que se pueda activar el generador de rayos. Seleccione la forma de onda del rayo relevante y cargue a la corriente máxima requerida. Se utilizó un pico típico de 54 kV, 100 kA, oscilatorio amortiguado críticamente 100 s pico 18/40 s forma de onda. Adquirir espectros de múltiples eventos relámpago generados Coloque la rejilla del espectrógrafo en su posición inicial y tome una imagen de fondo utilizando los mismos parámetros que para el rayo. Esto puede ser un promedio de varias imágenes de fondo. Se utilizó una exposición de 5 s con una hendidura de 100 m en el ajuste de 450 nm. Asegúrese de que el sistema de espectrógrafo está listo para activarse para registrar los espectros con los ajustes correctos. Se utilizó una exposición de 5 s con una hendidura de 100 m en el ajuste de 450 nm. Cargue el generador de rayos y active el evento relámpago, que también activará el espectrógrafo. Registre los datos espectrales de salida. Compruebe los datos espectroscópicos para detectar cualquier interferencia. En ocasiones, los espectrografímos son propensos a picos de datos causados por la radiación cósmica u otros artefactos causados por píxeles muertos o que no responden. Se deben hacer esfuerzos para eliminar dicha interferencia y algunos espectrógrafos tienen software que puede hacer esto. Una alternativa es ignorar los datos y repetir el experimento. La Figura 8 muestra un ejemplo de la diferencia entre los datos con y sin un pico de radiación cósmica. Limpie los electrodos de cualquier contaminación si es necesario limpiando con alcohol o, si está contaminado, repitiendo el paso 2.2. Repita los pasos 4.2.2 a 4.2.5 hasta que se hayan logrado cuatro conjuntos de datos espectroscópicos para el rango de 450 nm. Coloque la rejilla del espectrógrafo a 550 nm y repita los pasos 4.2.1 a 4.2.6 hasta que se hayan logrado cuatro conjuntos de datos de espectrógrafo para el rango de 550 nm.NOTA: El número de pasos repetidos debe ser suficiente para promediar cualquier varianza de disparo a disparo que se ve en el arco relámpago generado. Repita lo anterior hasta que se hayan recopilado todos los datasets para alcanzar el valor máximo de longitud de onda de 890 nm, lo que resulta en dieciséis conjuntos de datos espectrales. Si hay una variación significativa en los espectros de cada subrango en la misma configuración del generador de corriente de relámpago, por ejemplo, en la intensidad de las líneas atómicas, entonces los experimentos en cada etapa pueden tener que repetirse más de cuatro veces. El propósito de esto es minimizar el efecto de cualquier anomalía única y promediar la variación de disparo a disparo del generador de rayos y el arco libre de rayos. Si hay una diferencia en los espectros en la misma configuración del generador de corriente de rayos, entonces la configuración experimental puede necesitar ser evaluada para los contaminantes. 5. Datos posteriores al procesamiento Para el post-procesamiento y análisis de datos, seleccione una aplicación de software de hoja de cálculo que incorpore capacidades de cálculo. Este tipo de software está ampliamente disponible. Restar los datos de fondo adquiridos en el paso 4.2.1 de cada dato de espectros de rayos generados relevantes. El promedio de los datos de fondo de 450 nm se resta de cada 450 nm de datos de espectrogenerados, el promedio de los datos de 550 nm se resta de cada 550 nm de datos de espectros de rayos generados, y así sucesivamente. Un ejemplo de esto se muestra en la figura9. Promedio de cada conjunto individual de datos para cada rango de longitud de onda. Esto se ilustra en la figura 10, donde se promedian los cuatro conjuntos de datos de 450 nm. Utilice la región superpuesta para alinear datos de espectros consecutivos y, a continuación, promediar la región superpuesta. Esto se ilustra en el cuadro 11 que muestra los datos promediados 450 nm y 550 nm.NOTA: La alineación y el promedio de la región superpuesta introducirán errores y puede ser necesario llevar a cabo una calibración de intensidad relativa para el espectro completo utilizando, por ejemplo, una lámpara de cinta de tungsteno. Correcto para la atenuación de fibra óptica y la eficiencia cuántica. Esto se ilustra en la Figura 12.NOTA: Se puede lograr una corrección más precisa mediante el uso de una lámpara calibrada para medir la transmisión de luz para cada subrango. En este caso, la corrección se puede aplicar antes del proceso de costura. Presentar los datos finales como una representación gráfica o una gráfica de intensidad, como se muestra en la Figura 13. 6. Análisis de datos Identifique los picos espectrales característicos. Algunos sistemas de espectrógrafo incluirán software que identificará automáticamente los picos de los elementos. Se debe tener cuidado, especialmente con los datos cosidos, de que las ubicaciones de los picos sean correctas. La identificación manual de picos se puede realizar utilizando bases de datos disponibles públicamente, como24. Se debe tener cuidado de ajustarse a los picos más fuertes (intensidadrelativa) de los niveles de ionización más bajos primero (es decir, yo, luego II, luego III) un elemento a la vez. Los problemas para identificar con precisión los picos o alinearlos pueden deberse a problemas de calibración o desalineaciones en la óptica. Evalúe la posición de la óptica en el chasis óptico y repita el paso 3.NOTA: La alta energía de los arcos relámpago generados hará que la ampliación de las líneas de emisión atómica debido al Efecto Stark y la identificación confiable de todas las líneas no sea posible.

Representative Results

En la Figura 14se muestra una intensidad de relámpago representativa contra la gráfica de longitud de onda para un pico de 100 kA oscilatorio amortiguado críticamente 100 s de pico 18/40o, a través de un intervalo de aire entre un par de electrodos de tungsteno de 60 mm de diámetro situados con 14 mm de diferencia. Estos datos consisten en cuatro conjuntos de cuatro segmentos de datos promediados de 140 nm cosidos y corregidos para el ruido de fondo, la atenuación de la fibra óptica y la eficiencia cuántica de la cámara digital. Estos datos se han convertido en una gráfica de intensidad, como se muestra en la Figura 15. Los picos prominentes se han identificado manualmente mediante la comparación con una base de datos establecida, como se muestra en la Figura 16. Figura 1 : Perfil de arco relámpago generado. El rastro registrado de un típico pico de 100 kA oscilatorio amortiguado críticamente, 100 s de duración, 18/40 s generado forma de onda de relámpago. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2 : Configuración experimental. Un esquema de la configuración experimental (no a escala), donde la luz de un arco relámpago generado entre dos electrodos se transporta a través de una fibra óptica al sistema espectroscópico, que consiste en un chasis óptico y una cámara digital. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3 : Configuración del espectrógrafo. Un esquema del sistema de espectrógrafo (no a escala), donde la luz de la fibra óptica se convierte en un espectro, a través de una rejilla, que luego es grabada por una cámara digital. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4 : Intercalación, procesamiento y presentación de datos espectrales. Una ilustración de los pasos utilizados para cotejar, promediar, puntada y datos correctos para lograr un amplio espectro de alta resolución. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5 : Configuración del electrodo. Una imagen de los dos electrodos de tungsteno hemisféricos de 6 mm de diámetro fijados a los montajes de cobre colocados 14 mm de distancia dentro de la plataforma del rayo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6 : Configuración de fibra óptica. Una imagen de la fibra óptica colocada a la misma altura y a una distancia de 2 m de los electrodos montados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7 : Calibración de longitud de onda. (a) Una tabla de tres líneas de Mercurio conocidas contra el número de píxeles en el que se midieron, y (b) una gráfica de cada punto (cruces) y un ajuste en línea recta (línea discontinua) que da una ecuación (inset) que permite convertir píxeles a longitud de onda. Esto se hace para múltiples líneas atómicas conocidas a lo largo de todo el rango de longitud de onda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8 : Interferencia de rayos cósmicos. Los datos espectrales de un laboratorio de 100 kA generaron arco relámpago en el rango de 550 nm a 690 nm que muestra:(a) datos sin interferencia de rayos cósmicos, y (b) y (c) datos con picos de rayos cósmicos característicos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9 : Resta de fondo. Los datos espectrales de un laboratorio de 100 kA generaron arco relámpago en el rango de 550 nm a 690 nm que muestra:(a ) datos de fondo promediados, (b) datos sin procesar y (c) datos con fondo medio sustraído. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 10 : Promedio de datos. Los datos espectrales de un laboratorio de 100 kA generaron arco de rayos en el rango de 550 nm a 690 nm que muestra:(a-d) datos individuales y (e) datos promediados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 11 : Datos de costura. Los datos espectrales de un laboratorio de 100 kA generaron un arco relámpago que muestra:(a ) el rango de 550 nm a 690 nm, (b) el rango de 650 a 790 nm, y (c) los dos datasets superpuestos con una superposición de 650 nm a 690 nm. A continuación, se promedia la región de superposición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 12 : Corrección de datos. Parcelas en el rango de longitud de onda de 450 nm a 890 nm para(a ) atenuación de fibra, y (b) eficiencia cuántica de la cámara de espectrógrafo proporcionada por los respectivos fabricantes. Estos se utilizan para corregir los datos espectrales cosidos en consecuencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 13 : Presentación de datos. Ejemplos de(a ) una gráfica de datos gráficos y (b) una gráfica de intensidad que representa el espectro de un laboratorio de 100 kA generado arco de rayos en el rango de longitud de onda de 550 nm a 790 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 14 : Datos gráficos típicos. Una gráfica típica promediada, cosida y corregida en el rango de longitud de onda de 450 nm a 890 nm para un arco relámpago generado por un laboratorio de 100 kA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 15 : Gráfica de intensidad típica. Una gráfica de intensidad promediada, cosida y corregida típica en el rango de longitud de onda de 450 nm a 890 nm para un arco relámpago generado por un laboratorio de 100 kA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 16 : Identificación de elementos químicos. Ilustración de la identificación de elementos químicos de línea espectral para niveles de ionización de primer orden utilizando una base de datos disponible públicamente24. Se han identificado elementos en el aire (nitrógeno, oxígeno, argón, helio) y en el electrodo (tungsteno). Este espectro es casi idéntico al de la referencia14, ya que utiliza el mismo aparato para analizar el mismo tipo de arco relámpago. Esta figura ha sido adaptada de la referencia14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La espectroscopia es una herramienta útil para identificar las reacciones de los elementos químicos durante los rayos naturales y generados. Dada una configuración experimental lo suficientemente precisa y reproducible, un análisis más preciso de los datos puede revelar una variedad de otras propiedades de relámpago. Se ha utilizado, por ejemplo, para verificar que los espectros de arcos relámpago generados por laboratorio son espectralmente similares a los rayos naturales y que la adición de otros materiales en el arco relámpago puede alterar este espectro significativamente14. El método también se puede utilizar para otros eventos emisores de luz como descargas eléctricas rápidas, descargas parciales, chispas y otros fenómenos relacionados en sistemas de alta tensión, donde la identificación simultánea de múltiples líneas atómicas o elementos a través de un espectro amplio es importante.

El paso más crítico es asegurarse de que se utilizan los parámetros correctos al configurar el espectrógrafo, como la ranura, la rejilla y la configuración de la cámara, para adquirir los mejores datos posibles, lo que resulta en picos espectrales fuertes y nítidos. Se deben hacer esfuerzos para asegurarse también de que el detector no está saturado al optimizar la señal. La posición de la fibra también se puede ajustar y/o colimar para mejorar la intensidad de la luz, así como garantizar que cualquier luz perdida que no forme parte del evento relámpago se elimine o se elimine como parte del proceso de imágenes de fondo. Esto puede tomar algún ensayo y error. La capacidad del generador de rayos utilizado para reproducir el mismo evento relámpago con precisión con una variación mínima, o para entender de dónde pueden provenir cualquier variación para que puedan ser controladas, es importante para obtener espectroscópicas confiables y repetibles Resultados.

Se pueden realizar modificaciones en esta configuración para evaluar diferentes partes del espectro electromagnético en las bandas UV e IR donde la tecnología de imagen permite y dependiendo del tipo de evento que se esté imaginando. Por ejemplo, extender el rango de longitud de onda por debajo de 450 nm puede revelar más líneas atómicas y moleculares, como las emisiones de los radicales NO y OH. Ajustar la rejilla del espectrógrafo para dar una resolución más baja en un rango más amplio puede ayudar a identificar características interesantes, que luego se pueden analizar utilizando una rejilla de rango más estrecho de mayor resolución.

La principal ventaja de esta técnica es que es totalmente no intrusiva, por lo que no requiere ninguna alteración en el generador de rayos. Al transportar la luz a través de una fibra óptica, se reduce la cantidad de interferencia eléctrica del entorno electromagnético agresivo, que otros sistemas, como las cámaras, pueden experimentar si no están suficientemente blindados. Esto significa que los datos de un espectrógrafo potencialmente tienen mucho menos ruido y menos interferencia que otros instrumentos. Esta técnica específica está limitada por su falta de resolución de tiempo y la posterior falta de posterior caracterización del arco relámpago. Por ejemplo, existen espectrógrafos de alta velocidad que pueden producir datos espectrales resueltos en el tiempo que conducen a mediciones de temperatura y densidad de electrones.

Se espera que la espectroscopia se convierta en una herramienta importante, junto con otros instrumentos de diagnóstico, en la comprensión de los arcos relámpago generados por laboratorio. Aportará información gratuita sobre las firmas de eventos relámpago característicos y se utilizará para identificar los elementos químicos reactivos dentro del arco. El desarrollo posterior de esta técnica también puede dar lugar a la derivación de características adicionales.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado por la Red Nacional de Investigación en Ingeniería avanzada y materiales (NRN073) e Innovate UK a través del Instituto de Tecnología Aeroespacial (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
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References

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Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Stone, C., Haddad, A. Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs. J. Vis. Exp. (150), e56336, doi:10.3791/56336 (2019).
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