JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
工程学

Laboratuvar Yıldırım Yaylar Genişbant Yüksek Çözünürlüklü Emisyon Spectra Kayıt Yöntemi

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

Summary

Emisyon spektroskopisi teknikleri geleneksel doğada meydana gelen doğal olarak rasgele yıldırım yayları analiz etmek için kullanılmıştır. Bu yazıda, laboratuvar ortamında üretilen tekrarlanabilir yıldırım yaylarından emisyon spektroskopisi elde etmek için geliştirilen bir yöntem tanımlanmıştır.

Abstract

Yıldırım doğadaki en yaygın ve yıkıcı güçlerden biridir ve uzun zamandır spektroskopik teknikler kullanılarak incelenmiştir, önce geleneksel kamera filmi yöntemleri, sonra da dijital kamera teknolojisi ile çeşitli önemli özellikler Türetilmiş. Ancak, bu tür çalışmalar her zaman alanında doğal yıldırım olayların doğal olarak rasgele ve tekraredilemez doğası nedeniyle sınırlı olmuştur. Şimşek test tesislerindeki son gelişmeler artık kontrollü laboratuvar ortamlarında tekrarlanabilir yıldırım arklarının üretilmesine olanak sağlayarak, yıldırımı anlamak için yeni sensörlerin ve tanı tekniklerinin geliştirilmesi için bir test yatağı sağlar. mekanizmalar daha iyi. Bu tekniklerden biri, yıldırım arkının etkileştiği kimyasal elementleri tanımlayabilen dijital kamera teknolojisini kullanan spektroskopik bir sistemdir ve bu veriler daha sonra daha fazla özellik elde etmek için kullanılmaktadır. Bu yazıda, spektroskopik sistem küçük bir hava boşluğu ile ayrılmış hemisferik tungsten elektrotlar bir çift boyunca oluşturulan 100 kA tepe, 100 μs süresi yıldırım ark emisyon spektrumu elde etmek için kullanılır. 1 nm’den daha az bir spektral çözünürlüğü korumak için, 450 nm (mavi ışık) ile 890 nm (kızılötesi ışığa yakın) aralığında son bir kompozit spektrum üretmek için ayrı dalga boyu aralıkları arasında birkaç ayrı spektrum kaydedildi, ortalama, dikişli ve düzeltildi. Daha sonra, kimyasal element etkileşimlerini tanımlamak için, verilerdeki karakteristik zirveler, kamuya açık bir veritabanıyla karşılaştırıldı. Bu yöntem, hızlı elektrik deşarjları, kısmi deşarjlar ve elektrikli ekipmanlar, cihazlar ve sistemlerde kıvılcım gibi çeşitli ışık yayan olaylar için kolayca uygulanabilir.

Introduction

Şimşek, bir ışık parlaması olarak görülen ve ardından gök gürültüsü ile gelen hızlı bir elektriksel deşarj ile karakterize doğada en yaygın ve yıkıcı güçlerden biridir. Tipik bir yıldırım arkı, onlarca gigavolt luk bir gerilimden ve bir yay boyunca ortalama 30 kA’lık bir akımdan oluşabilir. özellikleri hakkında bilgi elde etmek. Birçok teknik 1960’lardan 1980’lere kadar doğal yıldırımların incelenmesi için geleneksel film tabanlı kamera teknikleri kullanılarak kurulmuştur, örneğin1,2,3,4,5 ,6,7ve, daha yakın zamanda, modern dijital teknikler, örneğin8,9,10,11,12, 13.000 , 14, yıldırım mekanizmaları içine daha doğru bir fikir vermek için kullanılmıştır. Zaman içinde, bu tür çalışmalar sadece kimyasal element etkileşimleri belirlemek için yeteneğini göstermiştir1,14, ama aynı zamanda sıcaklık ölçümleri elde15,16, basınç5, parçacık ve elektron yoğunluğu5,17, enerji18, direnç, ve ark iç elektrik alanı8. Ancak, doğal yıldırım çalışmaları her zaman yıldırım olaylarının doğal olarak öngörülemeyen rasgele ve tekraredilemez doğası ile sınırlı olmuştur.

Son yıllarda yapılan araştırmalar, yıldırımın özellikle havacılık endüstrisinde doğrudan yıldırım düşmesine karşı uçakları korumak için çevredeki çevreyle nasıl etkileştiğine odaklanmıştır. Sonuç olarak, bir şimşek çarpmasının en yıkıcı unsurlarını, yani akım ve teslimat süresini, ancak sınırlı voltajda çoğaltmak üzere tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Cardiff Üniversitesi’ndeki Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19, ilgili standart20’yeuygun olarak 200 kA’ya kadar dört farklı yıldırım dalga formu üretebilir. Böyle bir laboratuvar tesisi ile, yıldırım kolayca çoğaltılabilir ve doğruluk ve tekrarlanabilirlik yüksek derecede kontrol, yıldırım etkileşimleri anlamak için yeni sensörler ve tanı teknikleri geliştirilmesi için bir test yatağı sağlayan ve mekanizmalar daha iyi21,22,23. Böyle bir teknik, doğal yıldırım çalışmalarında kullanılan spektroskopik sistemler gibi Yakın Kızılötesi (NIR) aralığında Ultraviyole (UV) faaliyet gösteren yeni geliştirilen ve kurulmuş spektroskopik sistem14,21. Yıldırım yayı ile karışmayan ve çoğu elektronik tabanlı cihazın aksine, bir grev sırasında üretilen elektromanyetik gürültüden büyük ölçüde etkilenmeyen müdahaleci olmayan bir yöntemdir.

Spektrograf sistemi, 60 mm çapındaki tungsten çifti arasındaki bir hava boşluğu nda 100 kA’lık bir pik kritik sönümlü salınım, 100 μs süre, 18/40 μs dalga formundan oluşan tipik bir laboratuvarın spektrumunu gözlemlemek için kullanılmıştır. elektrotlar 14 mm hava boşluğu ile ayrılır. Bu şimşek ark dalga formunun tipik bir izi Şekil1’de gösterilmiştir. Elektrotlar elektromanyetik impuls (EMI) ışık geçirmez bir haznede konumlandırıldı, böylece kaydedilen tek ışık yıldırım arkının kendisinden geldi ve bu ışığın küçük bir kısmı 100 m çapında fiber optik ile taşınıyor, 2 m uzaklıkta konumlandırılmış ve 0,12° görüş açısına göre, yay konumunda 4,2 mm’lik bir nokta boyutu vererek, Şekil2’de gösterildiği gibi spektrograf sistemini içeren başka bir EMI haznesine. EMI odaları yıldırım olayının neden olduğu yan etkileri en aza indirmek için kullanılmıştır. Fiber optik, odak uzaklığı 30 cm’lik Czerny-Turner konfigürasyonuna dayalı ışık geçirmez optik şaside, ayarlanabilir 100 m’lik yarıktan geçen ışıkla ve üç ayna üzerinden 900 ln/mm 550 yangın döndürülebilir ızgaraya, 1.024 x 1.024’e sonlandırılır. piksel dijital fotoğraf makinesi, Şekil3’te gösterildiği gibi . Bu durumda, optik kurulum UV ile NIR dalga boyları arasında yaklaşık 800 nm aralığında yaklaşık 140 nm alt aralığında 0,6 nm spektral çözünürlük sağlar. Spektral çözünürlük, spektrografın iki yakın tepeyi ayırt etme yeteneği olarak ölçülür ve alt aralığın tam aralıktaki konumu ızgarayı döndürerek ayarlanabilir. Sistemin önemli bir bileşeni dalga boyu aralığı ve spektral çözünürlük dikte kırınım ızgara seçimi, eski tersi ikinci ile orantılı olmak. Tipik olarak, birden fazla atomik hattı bulmak için geniş bir dalga boyu aralığı gerekirken, konumlarını doğru bir şekilde ölçmek için yüksek spektral bir çözünürlük gerekir; bu tür spektrograflar için tek bir ızgara ile fiziksel olarak elde edilemez. Bu nedenle, yüksek çözünürlükte çeşitli alt aralıklardan gelen veriler, UV ile NIR aralığında çeşitli konumlarda alınır. Bu veriler, bileşik bir spektrum oluşturmak için bir araya getirilmiş ve yapıştırılmış.

Uygulamada, fiber optik ışık iletimindeki sınırlamalar nedeniyle, 450 nm ile 890 nm arasında bir spektrum dalga boyu aralığı kaydedildi. 450 nm’den başlayarak, dört bağımsız oluşturulan yıldırım yaylarından gelen ışık kaydedildi, arka plan gürültüsü çıkarıldı ve daha sonra ortalamalandı. Dalga boyu aralığı daha sonra 550 nm’ye kaydırıldı ve 40 nm’lik bir veri çakışması yapıldı ve dört üretilen yıldırım yaylarının ışığı kaydedildi ve ortalama olarak kaydedildi. Bu 890 nm ulaşılana kadar tekrarlandı ve elde edilen ortalama veri tam önceden tanımlanmış dalga boyu aralığı boyunca tam bir spektrum oluşturmak için bir araya dikildi. Bu süreç Şekil4’te gösterilmiştir. Karakteristik zirveleri daha sonra kurulan bir veritabanı24ile karşılaştırıldığında kimyasal elementleri tanımlamak için kullanılmıştır.

Bu yazıda optik emisyon spektroskopisi yöntemi tanımlanmıştır. Bu yöntem, deneysel kurulum veya spektrograf sistem ayarlarında en az değişiklik ile diğer ışık yayan olaylar geniş bir yelpazede için kolayca uygulanabilir. Bu tür uygulamalar hızlı elektrik deşarjları, kısmi deşarjlar, kıvılcım ve elektrik sistemleri ve ekipmanları diğer ilgili olayları içerir.

Protocol

1. Dalga Boyu Aralığının Seçilmesi İlk olarak gözlemlenecek yıldırımın dalga boyu aralığı seçilmelidir. 450 nm – 890 nm seçildi.NOT: Bu laboratuvar kurulumu ile sınırlı olacaktır, ızgara yanan açısı ile tanımlanan spektral aralığı, ve kameranın hassasiyeti. 2. Elektrotların Hazırlanması Uygun bir elektrot malzemesi seçin. Şekil5’te gösterildiği gibi bakır montajlara sabitlenmiş 60 mm çapında hemisferik tungsten elektrotlar seçilmiştir.NOT: Yıldırım arkın etkileşime girdiği herhangi bir malzeme elektrot da dahil olmak üzere bir spektrum yayacaktır ve bu paraziti en aza indirmek önemlidir. Ancak, bu deneme sırasında en az hasar ile tekrarlanan yıldırım lara dayanacak elektrot malzemesi yeteneğine karşı dengeli olmalıdır. Tungsten için, seçilen dalga boyu aralığındaki emisyon hatlarının çoğu sadece 450 nm ile 590 nm arasında görülebilir ve beklenen bir şimşek spektrumundan büyük ölçüde ayırt edilebilir. Aynı zamanda yaygın yüksek gerilim ve yüksek akım deneylerde kullanılan çok sert bir malzemedir. Herhangi bir kirletici maddeyi çıkarmak için elektrotları temizleyin ve parlata. Yıldırım arkının etkileştiği herhangi bir madde, herhangi bir kirletici madde de dahil olmak üzere bir spektrum yayacak. Bu nedenle, elektrotların hatalı spektral çizgiler olmamasını sağlamak için kirletici madde olmadığından emin olmak önemlidir. 5 dakika kaba zımpara ile elektrot ovmak, 10 dakika oda sıcaklığında bir sonik su banyosu içine yerleştirin, sonra gevşetmek ve herhangi bir kirletici kaldırmak için bir tiftik ücretsiz bez ile silin. Yeniden kontaminasyonu önlemek için elektrot kullanılırken her zaman eldiven kullanın. Zımpara, emery bez ve sonra iyi bir lehçe yüzey elde edilene kadar bez parlatma azalan sınıfları ile yukarıdaki genellikle on ila on beş kez tekrarlayın. Zımpara ve kumaş sınıfları 240 ila 8.000 arasında kullanılmıştır. Yıldırım kulesinin içindeki elektrotları monte edin ve aralarında uygun bir mesafe katedin. Burada, elektrotlar Şekil5’te gösterildiği gibi 14 mm’lik şimşek donanımına monte edilmiştir.NOT: Farklı yıldırım test tesisleri farklı çalışma gerilimleri vardır, bu nedenle elektrotlar arasındaki mesafe yıldırım impuls jeneratörü tetiklendiğinde bir hava arızası meydana gelecek şekilde olmalıdır. 3. Spektrografın Hazırlanması Spektrografı Şekil2’de gösterildiği gibi bağımsız bir EMI dereceli kasaya yerleştirin. İdeal olarak, yıldırım donanımı ve spektrograf ayrı EMI muhafazaları içinde yer almalıdır. Fiber optik seçin ve kurun. Seçilen fiber 8 m uzunluğunda fiber optik ve iki EMI odaları arasında yüklü idi. Önceden tanımlanmış dalga boyu aralığında iyi iletim özelliklerine sahip bir fiber optik seçti, yani, 450 nm ile 890 nm arasında. Bu işlem sonrası veri için kullanılacak gibi dalga boyu verilerine karşı iletim verimliliği unutmayın. İdeal olarak kalibre edilmiş bir lamba kullanılarak ölçülmelidir rağmen bu genellikle üretici tarafından sağlanmaktadır. Fiber optik bir ucunu ışık geçirmez bir düzenlemeyle optik şasiye bağlayın. Elektrotlar arasındaki yıldırım arkını görüntülemek için fiber optikdiğer ucunu konumlandırın. Spektrometreden ters olarak gönderilen bir lazerden gelen ışık hizalamada yardımcı olabilir. Fiber optik, Şekil6’da gösterildiği gibi, elektrot boşluğunun merkezi ile 2 m yükseklikte konumlandırılır. Herhangi bir doygunluğu en aza indirmek için gerekirse kameraya ulaşan ışık miktarını ayarlayın. Fiber optik görüntüleme açısını 0,12°’ye düşüren ve toplam yay uzunluğu 14 mm olan lightning arkının konumunda 4,2 mm’lik bir nokta boyutuna sahip olan bir kolimatör kullanılır ve ışığı yaklaşık dörtte bir oranında azaltır.NOT: Kameraya ulaşan ışığın yoğunluğu alternatif olarak ışık kaynağı ile fiber optik arasındaki mesafedeğiştirilerek, yarık ayarlayarak veya nötr yoğunluk filtresi kullanılarak ayarlanabilir. Spektrograf sistemini açın ve ilişkili kontrol yazılımını başlatın. Dijital fotoğraf makinesinin -70 °C sıcaklığa ulaşması için yaklaşık 10 dakika süre gerekmektedir.NOT: Bazı dijital fotoğraf makineleri, tam olarak çalışmaya başlamadan önce gürültüyü azaltmak için soğutma gerektirir. Spektrograf ızgarasını seçin. 900 ln/mm 550 yangın ızgarası kullanıldı.NOT: Izgara, kullanılan spektrograf sistemindeki dalga boyu aralığını ve spektral çözünürlüğü tanımlar ve tepe tanımlaması için gerekli <1 nm spektral çözünürlüğü ile. Seçilen ızgara yaklaşık 140 nm dalga boyu aralığı ve 0,6 nm çözünürlük verir. Spektrografı Merkür-Argon lambası gibi bilinen bir kalibrasyon kaynağına göre kalibre edin. Izgarayı başlangıç konumunda önceden seçilmiş dalga boyu aralığının alt kısmında konumlandırın. Burada, ızgara 450 nm 590 nm 450 nm bir dizi vererek konumlandırılmış oldu. Kalibrasyon kaynağını açın ve fiber optik açık ucuna yerleştirin. Kontrol yazılımı aracılığıyla kamera pozlamasını, 0,1 s’lik pozlama gibi doymamış iyi bir sinyal elde etmek için uygun bir zamana ayarlayın. Gerekirse spektral tepelerini keskinleştirmek için kontrol yazılımı aracılığıyla yarık ayarlayın veya bazı durumlarda dedektörün konumu sinyali optimize etmek için ayarlanabilir. 100 μm’lik bir yarık kullanıldı.NOT: Yarık, genellikle 20 μm’ye kadar değerlerle yarıktaki ışığın kırınımı nedeniyle atomik çizgilerin genişletilmesini azaltmak için en az değere ayarlanmalıdır. Ancak, dar bir yarık da sinyali azaltacak tır ve ışık yoğunluğu ve zirvelerin keskinliği arasında bir denge bulunması gerekebilir. Kalibrasyon kaynağının spektrumlarını kaydedin ve zirvelerin oluştuğu kamera görüntüsündeki piksel numarasını belirleyin. Kalibrasyon kaynağıyla sağlanan her tepenin bilinen dalga boyuna karşı her tepe için piksel sayısının konumunu çizin ve piksellerin dalga boyuna dönüştürülmesini sağlayacak bir denklem elde etmek için düz bir çizgi sığdırın. Bilinen üç Merkür atomik hattı için bunun bir örneği Şekil7’de gösterilmiştir. Bir sonrakine geçmeden önce kalibrasyonu bu ızgara pozisyonuna uygulayın. Bazı spektrograf sistemlerinde, piksel sayısının dalga boyuna dönüştürülmesi bir kalibrasyon dosyası kullanılarak yazılıma uygulanabilir. Bir sonraki alt aralığı için ızgara konumlandırın ve yukarıdaki adımları tekrarlayın. Burada, ızgara sonraki 550 nm için 550 nm 690 nm bir dizi önceki dalga boyu aralığı ile 40nm bir örtüşme sonuçlanan bir dizi vererek konumlandırılmış oldu.NOT: Çakışan bölgenin genişliği, birinci aralığın sonundaki eğilimlerin tanınmasıve sonraki adım ve yapıştırMa işlemi için ikinci aralığın başlangıcı için yeterli olmalıdır. Tüm ızgara pozisyonları için yukarıdaki adımları tekrarlayın. Bu 890 nm ulaşılınncaya kadar tekrarlandı.NOT: Genellikle spektral tepeli bir lamba olan kalibrasyon kaynakları genellikle spektrograf sistemleriile sağlanır ve üretici kalibrasyonun nasıl sağlanabileceği hakkında daha fazla bilgi verebilir. Oluşturulan yıldırım arkını kaydetmek için spektrograf parametrelerini seçin. Gerekirse yarık daha da ayarlayın. Tüm yıldırım olayının yakalanmasını sağlamak için kameranın pozlama süresini ayarlayın; bu parametreyi ayarlarken tetikleme süresini ve yıldırım jeneratöründeki veya spektrograftaki gecikmeleri göz önünde bulundurun. MBLL’deki yıldırım jeneratörü için 5 s’lik bir pozlama süresi kullanılmıştır.NOT: Daha uzun bir maruz kalma süresi gürültü düzeylerini ve kozmik ışınlar gibi eserlerin olasılığını artıracaktır, bu nedenle bu minimumda tutmak için çaba gösterilmelidir. Ancak, tüm olayın yakalanmasını sağlamak için oluşturulan yıldırım arkı veya spektrograf sisteminin tetiklemesinde herhangi bir belirsizliği hesaba katmak için zaman da yeterli olmalıdır. Şimşek jeneratöründen bir tetikleyici almak için spektrograf sistem modunu değiştirin. Şimşek yayı başlatılmadan önce kamerayı 2,5 s tetiklemek için 5 V TTL sinyali kullanıldı. 4. Deney Çalıştırma Yıldırım jeneratörü hazırlayın. Işıkların kapalı olduğundan ve odaların, ışık geçirmez bir ortam sağlamak için uygun olduğu yerlerde kapalı olduğundan emin olun. Yıldırım jeneratörü açın. Her yıldırım test tesisinin hazırlanması ve değiştirilmesi için kendi protokolü olacaktır. MBLL’de bölge personelden temizlenir ve yıldırım jeneratörü etkinleştirilmeden önce ilgili güvenlik cihazları devreye girer. İlgili yıldırım dalga formunu seçin ve gerekli pik akıma şarj edin. Tipik bir 54 kV, 100 kA tepe kritik sönümlü salınım 100 μs tepe 18/40 μs dalga formu kullanıldı. Birden çok oluşturulan yıldırım olaylarından spektrum elde edin Spektrograf ızgarasını başlangıç konumuna yerleştirin ve yıldırım çarpmasıyla aynı parametreleri kullanarak arka plan görüntüsü alın. Bu, birkaç arka plan görüntüsünün ortalaması olabilir. 450 nm ayarında 100 m yarıklı 5 s pozlama kullanıldı. Spektrograf sisteminin spektrayı doğru ayarlarla kaydetmek için tetiklenmeye hazır olduğundan emin olun. 450 nm ayarında 100 m yarıklı 5 s pozlama kullanıldı. Yıldırım jeneratörü şarj ve spektrograf tetikleyecek yıldırım olay, tetiklemek. Çıktı spektral verilerini kaydedin. Herhangi bir girişim için spektroskopik verileri kontrol edin. Spektrograflar bazen kozmik radyasyonveya yanıt vermeyen veya ölü piksellerin neden olduğu diğer yapıtların neden olduğu veri ani artışlarına yatkındır. Bu tür müdahaleleri ortadan kaldırmak için çaba gösterilmelidir ve bazı spektrograflar bunu yapabilecek yazılımlara sahiptir. Bir alternatif verileri göz ardı etmek ve denemeyi tekrarlamaktır. Şekil 8, kozmik radyasyon sıçraması olan ve olmayan veriler arasındaki farkın bir örneğini göstermektedir. Herhangi bir kontaminasyon elektrotlarını ya alkolle silerek veya kirlenmişse, 2.2 adımını tekrarlayarak temizleyin. 450 nm aralığı için dört spektroskopik veri seti elde edilene kadar 4.2.2 ile 4.2.5 adımlarını tekrarlayın. Spektrograf ızgarasını 550 nm’ye yerleştirin ve 550 nm aralığı için dört spektrograf veriseti elde edilene kadar 4.2.1 ila 4.2.6 adımlarını tekrarlayın.NOT: Yinelenen adım sayısı, oluşturulan yıldırım yasında görülen herhangi bir atış-to-shot varyansını ortalamaya çıkarmak için yeterli olmalıdır. 890 nm’lik maksimum dalga boyu değerine ulaşmak için tüm veri kümeleri toplanana kadar yukarıdaki leri tekrarlayın ve bu da on altı spektral veri kümesiyle sonuçlanır. Her alt aralığın spektrumlarında, örneğin, atomik çizgilerin yoğunluğunda, aynı yıldırım akım jeneratör ayarlarında önemli bir değişiklik varsa, her aşamadaki deneylerin dört defadan fazla tekraredilmesi gerekebilir. Bunun amacı, tek seferlik anomalilerin etkisini en aza indirmek ve yıldırım jeneratörü ve şimşek süzgecinden kaynaklanan shot-to-shot varyasyonunu ortalamaya çıkarmaktır. Aynı yıldırım akım jeneratör ayarlarında spektrumbir fark varsa, o zaman deneysel kurulum kirleticiler için değerlendirilebilir. 5. İşlem Sonrası Veriler Verilerin işlenmesi ve analizi için, hesaplama özelliklerini içeren bir elektronik tablo yazılım uygulaması seçin. Bu tür yazılımyaygın olarak kullanılabilir. 4.2.1 adımında elde edilen arka plan verilerini, ilgili her oluşturulan yıldırım spektrum verilerinden çıkarın. 450 nm arka plan verilerinin ortalaması her 450 nm oluşturulan spektrum verilerinden çıkarılır, 550 nm’lik verilerin ortalaması her 550 nm üretilen yıldırım spektrum verilerinden çıkarılır ve böyle devam edin. Bunun bir örneği Şekil9’da gösterilmiştir. Her dalga boyu aralığı için her bir veri kümesini ortalama. Bu, dört 450 nm veri kümesinin ortalama olduğu Şekil 10’da gösterilmiştir. Ardışık spektrum verilerini hizalamak ve ardından çakışan bölgeyi ortalamaya çıkarmak için çakışan bölgeyi kullanın. Bu, ortalama 450 nm ve 550 nm verileri gösteren Şekil 11’de gösterilmiştir.NOT: Çakışan bölgenin hizalanması ve ortalaması hatalara yol açacaktır ve örneğin tungsten şerit lambası kullanarak tam spektrum için göreceli yoğunluk kalibrasyonu yapmak gerekebilir. Fiber optik zayıflama ve kuantum verimliliği için doğru. Bu Şekil 12’degösterilmiştir.NOT: Her alt aralık için ışığın iletimini ölçmek için kalibre edilmiş bir lamba kullanılarak daha doğru bir düzeltme sağlanabilir. Bu durumda, düzeltme dikiş işleminden önce uygulanabilir. Son verileri Şekil 13’tegösterildiği gibi grafik gösterimi veya yoğunluk çizimi olarak sunun. 6. Verilerin Analizi Karakteristik spektral zirveleri tanımlayın. Bazı spektrograf sistemleri, eleman tepelerini otomatik olarak tanımlayacak yazılımlar içerecektir. Özellikle dikilmiş verilerle, en yüksek noktaların doğru olduğuna dikkat edilmelidir. El ile tepe tanımlama,24gibi genel kullanıma açık veritabanları kullanılarak yapılabilir. En düşük iyonizasyon düzeylerinden en güçlü (göreceli yoğunluk) zirvelere ilkolarak (yani, I, sonra II, sonra III) tek bir elemandan uyacak şekilde dikkatli olunmalıdır. Zirvelerin doğru bir şekilde tanımlanmasıveya hizalanmasındaki sorunlar, optikteki kalibrasyon sorunları veya yanlış hizalamalardan kaynaklanıyor olabilir. Optik şasideki optik lerin konumunu değerlendirin ve adım 3’ü tekrarlayın.NOT: Üretilen yıldırım yaylarının yüksek enerjisi Stark Etkisi nedeniyle atomik emisyon hatlarının genişletilmesine neden olur ve tüm hatların güvenilir bir şekilde tanımlanması mümkün olmayabilir.

Representative Results

100 kA tepe için dalga boyu çizimkarşı temsili bir yıldırım yoğunluğu kritik sönümlü salınım 100 μs tepe 18/40 μs dalga formu, 60 mm çapında tungsten elektrotlar arasında bir hava boşluğu boyunca 14 mm ayrı konumlandırılmış, Şekil 14verilir . Bu veriler, arka plan gürültüsü, fiber optik zayıflama ve dijital kamera kuantum verimliliği için biraraya getirilmiş ve düzeltilmiş dört adet 140 nm ortalama veri segmentinden oluşan dört kümeden oluşur. Bu veriler Şekil 15’te gösterildiği gibi bir yoğunluk çizimine dönüştürülmüştür. Belirgin zirveler, Şekil 16’da gösterildiği gibi, kurulan bir veritabanıyla karşılaştırılmak üzere el ile tanımlanmışlardır. Şekil 1 : Oluşturulan yıldırım ark profili. Tipik bir 100 kA tepe kritik sönümlü salınım, 100 μs süresi, 18/40 μs yıldırım dalga formu oluşturulan kaydedilen iz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2 : Deneysel kurulum. İki elektrot arasında oluşturulan bir şimşek yayı ışık spektroskopik sisteme bir fiber optik yoluyla taşınır deneysel kurulum (ölçek için değil), bir şeması, bir optik şasi ve dijital kamera oluşan. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3 : Spektrograf kurulumu. Spektrograf sisteminin şeması (ölçeklendirmek için değil), fiber optikten gelen ışığın bir spektruma dönüştürüldüğü, bir ızgara ile, daha sonra bir dijital kamera tarafından kaydedilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4 : Spektral verilerin harmanlanması, işlenmesi ve sunulması. Geniş bir yüksek çözünürlüklü spektrum elde etmek için harmanlama, ortalama, dikiş ve doğru veri için kullanılan adımların bir örneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5 : Elektrot konfigürasyonu. Yıldırım donanımı içinde 14 mm’ye yerleştirilmiş bakır montajlara sabitlenmiş iki 6 mm çapındaki hemisfatik tungsten elektrotların görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 6 : Fiber optik konfigürasyon. Aynı yükseklikte ve monte elektrotlardan 2 m mesafede konumlandırılmış fiber optik bir görüntü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 7 : Dalga boyu kalibrasyonu. (a) Bilinen üç Merkür çizgisinin ölçüldüğü piksel sayısına karşı bir tablo ve (b) her noktanın bir çizimi (haçlar) ve piksellerin dalga boyuna dönüştürülmesine olanak tanıyan bir denklem (inset) veren düz çizgi uyumu (kesik çizgi). Bu, tüm dalga boyu aralığında bilinen birden fazla atomik hat için yapılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 8 : Kozmik ışın paraziti. 100 kA laboratuvarından elde edilen spektral veriler 550 nm ile 690 nm aralığında şimşek yayı oluşturdu: (a) kozmik ışın paraziti olmayan veriler ve (b) ve (c) karakteristik kozmik ışın anilik verileri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 9 : Arka planın çıkarTIsi. 100 kA laboratuvarından alınan spektral veriler 550 nm ile 690 nm aralığında şimşek yayı oluşturdu: (a) ortalama arka plan verileri, (b) ham veri ve (c) ortalama arka plan çıkarılmış veriler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 10 : Verilerin ortalaması. 100 kA laboratuvarından elde edilen spektral veriler 550 nm ile 690 nm aralığında şimşek yayı oluşturdu: (a-d) tek tek veri ve (e) ortalama veri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 11 : Dikiş verileri. 100 kA’lık bir laboratuvardan elde edilen spektral veriler şimşek arkını gösterdi: (a) 550 nm ile 690 nm aralığı, (b) 650 ila 790 nm aralığında ve (c) 650 nm ile 690 nm örtüşme ile iki üst üste veri seti. Çakışma bölgesi daha sonra ortalamaya göre yapılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 12 : Verilerin düzeltilmesi. 450 nm ile 890 nm dalga boyu aralığındaki çizimler (a) lif zayıflaması ve (b) ilgili üreticiler tarafından sağlanan spektrograf kamera kuantum verimliliği. Bunlar dikişli spektral verileri buna göre düzeltmek için kullanılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 13 : Veri sunma. Örnekler (a) bir grafik veri çizimi ve (b) 100 kA laboratuvarın spektrumu temsil eden bir yoğunluk çizimi 550 nm ile 790 nm dalga boyu aralığında yıldırım arkı üretti. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 14 : Tipik grafik verileri. Tipik bir ortalama, dikişli ve 100 kA laboratuvar için 450 nm 890 nm dalga boyu aralığında grafik çizim düzeltilmiş yıldırım ark ı oluşturdu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 15 : Tipik yoğunluk çizimi. Tipik bir ortalama, dikişli ve düzeltilmiş yoğunluk çizim450 nm için 890 nm dalga boyu aralığında 100 kA laboratuvar için yıldırım ark ı oluşturdu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 16 : Kimyasal element tanımlama. Genel olarak kullanılabilen bir veritabanı24kullanarak birinci dereceden iyonizasyon düzeyleri için spektral hat kimyasal element tanımlama bir örnek . Havadaki elementler (azot, oksijen, argon, helyum) ve elektrot (tungsten) tespit edilmiştir. Bu spektrum, referans14’te aynı tür yıldırım arkını analiz etmek için aynı cihazı kullandığı için neredeyse aynıdır. Bu rakam referans14’tenuyarlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Spektroskopi, hem doğal hem de üretilen yıldırım lar sırasında kimyasal element reaksiyonlarını belirlemek için yararlı bir araçtır. Yeterince doğru ve tekrarlanabilir deneysel kurulum göz önüne alındığında, veriler üzerinde daha fazla analiz diğer yıldırım özellikleri çeşitli ortaya çıkarabilir. Bu, örneğin, laboratuvar oluşturulan yıldırım arkları spektrumları doğal yıldırım benzer spectrally olduğunu doğrulamak için kullanılmıştır ve yıldırım ark içine diğer malzemelerin eklenmesi önemli ölçüde bu spektrumu değiştirebilirsiniz14. Bu yöntem aynı zamanda hızlı elektrik deşarjları, kısmi deşarjlar, kıvılcımlar ve yüksek gerilim sistemlerinde diğer ilgili fenomenler gibi diğer ışık yayan olaylar için de kullanılabilir. geniş spektrum önemlidir.

En kritik adım, spektrografı kurarken, yarık, ızgara ve kamera ayarları gibi doğru parametrelerin kullanıldığından emin olmak ve güçlü, keskin spektral zirvelerle sonuçlanan mümkün olan en iyi veriyi elde etmektir. Sinyal optimize edilirken dedektörün doygun olmamasını sağlamak için de çaba gösterilmelidir. Lifin konumu, ışık yoğunluğunu artırmak için ayarlanabilir ve/veya harmanlanabilir, ayrıca yıldırım olayının bir parçası olmayan herhangi bir sokak ışığının arka plan görüntüleme sürecinin bir parçası olarak ortadan kaldırılmasını veya kaldırılmasını sağlar. Bu bazı deneme yanılma alabilir. Aynı yıldırım olayını en az varyasyonla doğru bir şekilde çoğaltmak veya herhangi bir varyasyonun nereden gelebileceğini anlamak için kullanılan yıldırım jeneratörünün, güvenilir ve tekrarlanabilir spektroskopik elde etmede önemli olan Sonuç -ları.

Bu kurulumda, elektromanyetik spektrumun farklı bölümlerini görüntüleme teknolojisinin izin verdiği UV ve IR bantlarına daha fazla değerlendirmek ve görüntülenecek olayın türüne bağlı olarak değişiklik yapılabilir. Örneğin, dalga boyu aralığının 450 nm’nin altına genişletilmesi, NO ve OH radikallerinden kaynaklanan emisyonlar gibi daha fazla atomik ve moleküler çizgileri ortaya çıkarabilir. Daha geniş bir aralıkta daha düşük bir çözünürlük verecek şekilde spektrograf ızgarasını ayarlamak, daha yüksek çözünürlüklü dar aralık ızgarası kullanılarak analiz edilebilen ilginç özelliklerin belirlenmesine yardımcı olabilir.

Bu tekniğin ana avantajı tamamen müdahaleci olmayan olmasıdır, bu yüzden yıldırım jeneratörü için herhangi bir değişiklik gerektirmez. Işığı fiber optik üzerinden taşıyarak, sert elektromanyetik ortamdan gelen elektriksel parazit miktarı azalır, kameralar gibi diğer sistemler yeterince korunmuyorsa karşılaşabilirler. Bu, bir spektrograftan elde edilen verilerin potansiyel olarak diğer araçlara göre çok daha düşük gürültüye ve daha az parazite sahip olduğu anlamına gelir. Bu özel teknik, zaman çözünürlüğü eksikliği ve yıldırım arkı daha fazla karakterizasyonu sonraki eksikliği ile sınırlıdır. Örneğin, sıcaklık ve elektron yoğunluğu ölçümlerine yol açan zaman çözümlenmiş spektral verileri üretebilen yüksek hızlı spektrograflar vardır.

Spektroskopinin, diğer tanısal aletlerin yanı sıra, laboratuvarda oluşturulan yıldırım yaylarının anlaşılmasında önemli bir araç haline gelmesi beklenmektedir. Bu karakteristik yıldırım olay imzaları hakkında ücretsiz bilgi katkıda bulunacak ve yay içinde reaktif kimyasal elementleri tanımlamak için kullanılacak. Bu tekniğin daha da geliştirilmesi de ek özelliklerin türev neden olabilir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar minnetle Sêr Cymru Ulusal Araştırma Ağı tarafından Sağlanan mali destek Kabul İleri Mühendislik ve Malzemeler (NRN073) ve Innovate İngiltere Havacılık Teknolojisi Enstitüsü (113037) aracılığıyla.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wallace, L. The Spectrum of Lightning. Astrophys. J. 139, 994 (1963).
  2. Orville, R. E. A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke. J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).
  3. Orville, R. E., Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques. Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).
  4. Salanave, L. E. Lightning spectroscopy-photographic techniques 2. Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).
  5. Krinder, E. P. Lightning spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).
  6. Orville, R. E. Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region. J. App. Meteorol. 19 (4), 470 (1980).
  7. Orville, R., Henderson, R. Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm. J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Walker, T. D., Christian, H. J. Novel observations in lightning spectroscopy. XV International Conference on Atmospheric Electricity. , (2014).
  11. Cen, J., Yuan, P. Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path. Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Uman, M. A. Determination of lightning temperature. J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).
  16. Prueitt, L. M. The excitation temperature of lightning. J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).
  17. Uman, M. A. Quantitative lightning spectroscopy. IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).
  18. Hill, R. D. A survey of lightning energy estimates. Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).
  19. 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).
  20. . . EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , (1997).
  21. Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements. International Conference on Lightning and Static Electricity. , (2015).
  22. Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. Investigation of lightning direct effects on aircraft materials. International Conference on Lightning Protection. , (2016).
  23. 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).
  24. Kamira, J., Ralchenko, J. . Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , (2014).

Tags

Lightning ArcEmission SpectrumNon-intrusiveLightning GeneratorElectromagnetic Impulse-shielded ChamberFiber OpticSpectrograph SystemCzerny-Turner ConfigurationDigital CameraTungsten HemispheresElectrode PreparationSandpaperPolishing ClothSonic BathLint-free Cloths

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image