记录实验室闪电弧宽带高分辨率发射光谱的方法

1. 选择波长范围 必须首先选择要观测到的闪电的波长范围。选择了 450 nm 到 890 nm。注：这将受到实验室设置、光栅炽热角度定义的光谱范围和摄像机灵敏度的限制。 2. 准备电极 选择合适的电极材料。选了一对直径60毫米的半球钨电极固定在铜制支架上，如图5所示。注：任何与闪电弧相互作用的材料都会发出光谱，包括电极，因此尽量减少这种干扰非常重要。然而，这应该与电极材料在实验期间承受重复的雷击的能力相平衡，而且伤害最小。对于钨，其许多在所选波长范围内的排放线仅在 450 nm 和 590 nm 之间可见，并且与预期的雷电光谱基本不同。它还是一种非常坚硬的材料，通常用于高电压和高电流实验。 清洁和抛光电极以去除任何污染物。与闪电弧相互作用的任何材料都会发出光谱，包括任何污染物的光谱。因此，确保电极无污染以确保没有错误的光谱线非常重要。 用粗糙的沙纸擦电极 5 分钟，将其放入室温下声波水浴 10 分钟，然后用无绒布擦拭以松开并清除任何污染物。处理电极时务必使用手套，以避免再污染。 重复上述通常十到十五次与减少等级砂纸，砂布，然后抛光布，直到达到良好的抛光完成。使用了240至8，000的沙纸和布牌。 将电极安装在闪电装置内，在它们之间建立适当的距离。此处，电极安装在相距14毫米的闪电装置内，如图5所示。注：不同的闪电测试设施具有不同的工作电压，因此电极之间的距离应为触发闪电脉冲发生器时发生空气故障。 3. 准备光谱仪 如图所示，将光谱仪放置在独立的 EMI 额定外壳中。理想情况下，闪电钻机和光谱仪应安装在单独的 EMI 外壳中。 选择并安装光纤。所选光纤为 8 米长的光纤，安装在两个 EMI 腔室之间。 选择在预定义波长范围内具有良好的传输性能的光纤，即450 nm 到 890 nm 之间。 注意与波长数据的传输效率，因为这将用于数据后处理。这通常由制造商提供，但理想情况下，应该使用校准的灯进行测量。 以轻密排列的方式将光纤的一端连接到光纤机箱。 放置光纤的另一端，查看电极之间的闪电弧。反向通过光谱仪发送的激光发出的光有助于对齐。光纤位于与电极间隙中心2米相同的高度，如图6所示。 如有必要，调整到达摄像机的光量，以尽量减少任何饱和度。使用准直器将光纤视角降低至 0.12°，使闪电弧位置的点尺寸为 4.2 mm，总弧长为 14 mm，使光线减少约四分之一。注：通过改变光源和光纤之间的距离、调整狭缝或使用中性密度滤镜，可以调整到达摄像机的光线强度。 打开光谱仪系统并启动相关的控制软件。数码相机需要大约 10 分钟才能达到 -70°C 的温度。注：某些数码相机在完全投入运行之前需要冷却以降低噪音。 选择光谱光栅。使用了 900 ln/mm 550 火焰光栅。注：光栅定义了光谱仪系统内的波长范围和光谱分辨率，峰值识别所需的光谱分辨率为 <1 nm。所选光栅的波长范围约为 140 nm，分辨率为 0.6 nm。 根据已知的校准源（如汞-阿贡灯）校准光谱仪。 将光栅置于预先选择的波长范围的底部。在这里，光栅定位在 450 nm，范围为 450 nm 到 590 nm。 打开校准源并将其放在光纤的开端。 通过控制软件将摄像机曝光调整到适当的时间，以实现良好的不饱和信号，例如 0.1 s 的曝光。 通过控制软件调整狭缝以根据需要锐化光谱峰值，或者在某些情况下，还可以调整探测器的位置以优化信号。使用了100μm的狭缝。注： 狭缝应设置为最小值，以减少由于狭缝处的光的衍射而扩大原子线的扩展，通常使用的值高达 20 μm。然而，一个狭窄的狭缝也会降低信号，可能需要在光强和峰值的锐度之间找到平衡。 记录校准源的光谱，并识别产生峰值的摄像机图像上的像素数。 根据校准源提供的每个峰值的已知波长绘制每个峰值的像素数位置，并拟合一条直线以推导出一个方程，该方程将允许像素转换为波长。图7说明了三个已知的水星原子线的例子。 在移动到下一个光栅位置之前，将校准应用到此光栅位置。对于某些光谱仪系统，可以使用校准文件将像素数转换为波长应用于软件。 为下一个子范围放置光栅，然后重复上述步骤。在这里，光栅下一个定位为 550 nm，范围为 550 nm 至 690 nm，因此与前一个波长范围重叠 40nm。注： 重叠区域的宽度需要足够，以便在第一个范围的末尾和第二个范围的开始识别趋势，以便稍后步骤和粘合过程。 对所有光栅位置重复上述步骤。这一重复，直到达到890nm。注： 校准源（通常是具有已知光谱峰值的灯）通常配备光谱仪系统，制造商将能够提供有关如何实现校准的更多详细信息。 选择光谱仪参数以记录生成的闪电弧。 如有必要，进一步调整狭缝。 设置摄像机曝光时间以确保捕获整个闪电事件;设置此参数时，请考虑闪电发生器或光谱仪中的任何触发时间和任何延迟。对于 MBLL 处的闪电发生器，使用 5 s 的曝光时间。注：较长的曝光时间会增加噪声水平和伪影（如宇宙射线）的可能性，因此应努力将噪声级别降至最低。但是，时间也必须足以考虑触发的闪电弧或光谱仪系统的任何不确定性，以确保捕获整个事件。 更改光谱系统模式以接收来自闪电发生器的触发器。在闪电弧启动之前，使用 5 V TTL 信号触发摄像机 2.5 s。 4. 运行实验 准备闪电发电机。 确保所有灯都熄灭，在相关位置关闭腔室，以确保光线紧闭的环境。 打开闪电发电机。每个闪电测试设施将有自己的准备和打开的协议。在 MBLL，在启动闪电发生器之前，区域已清除人员，并接合相关安全装置。 选择相关的闪电波形并充电到所需的峰值电流。使用了典型的 54 kV、100 kA 峰值严重阻尼振荡 100 μs 峰值 18/40 μs 波形。 从多个生成的闪电事件获取光谱 将光谱光栅置于起始位置，并使用与雷击相同的参数拍摄背景图像。这可能是多个背景图像的平均值。在 450 nm 设置下，使用带 100 μm 狭缝的 5 s 曝光。 确保光谱系统已准备好触发，以使用正确的设置记录光谱。在 450 nm 设置下，使用带 100 μm 狭缝的 5 s 曝光。 为闪电发生器充电并触发闪电事件，这也将触发光谱仪。 记录输出光谱数据。 检查光谱数据是否有任何干扰。光谱仪偶尔会出现由宇宙辐射引起的数据尖峰或由无响应或死像素引起的其他伪影。应努力消除这种干扰，一些光谱仪有软件可以做到这一点。另一种方法是忽略数据并重复实验。图 8显示了具有或没有宇宙辐射尖峰的数据之间的差异示例。 如果用酒精擦拭或受污染，请清除任何污染电极，如果受到污染，则重复步骤 2.2。 重复步骤 4.2.2 到 4.2.5，直到达到 450 nm 范围的四组光谱数据。 将光谱光栅定位到 550 nm，并重复步骤 4.2.1 到 4.2.6，直到达到 550 nm 范围的四组光谱仪数据。注： 重复步骤的数量需要足够平均生成闪电弧中出现的任何射向方差。 重复上述操作，直到收集了所有数据集，达到 890 nm 的最长值，从而生成 16 组光谱数据。 如果同一雷电电流发生器设置下每个子范围的光谱有显著差异，例如原子线的强度，则每个阶段的实验可能必须重复四次以上。其目的是将任何一次性异常的影响降至最低，并平均出来自闪电发生器和无雷弧的射口变化。 如果相同雷电电流发生器设置的光谱存在差异，则可能需要评估实验设置中的污染物。 5. 后处理数据 对于数据的后处理和分析，请选择包含计算功能的电子表格软件应用程序。此类软件随处可见。 从每个相关的生成的雷电光谱数据中减去步骤 4.2.1 中获取的背景数据。 从每 450 nm 生成的光谱数据中减去 450 nm 背景数据的平均值，从每生成 550 nm 生成的雷电光谱数据中减去 550 nm 数据的平均值，等等。这个例子如图9所示。 为每个波长范围的单独数据集平均。如图 10所示，其中四个 450 nm 数据集是平均的。 使用重叠区域对齐连续光谱数据，然后对重叠区域进行平均。图 11显示了平均 450 nm 和 550 nm 的数据。注： 重叠区域的对齐和平均将引入误差，可能需要使用钨带灯等对整个频谱进行相对强度校准。 正确处理光纤衰减和量子效率。如图12所示。注： 通过使用校准的灯测量每个子范围的光的传输，可以实现更准确的校正。在这种情况下，可以在缝合过程之前应用修正。 将最终数据显示为图形表示或强度图，如图13所示。 6. 分析数据 识别特征光谱峰。 某些光谱仪系统将包括自动识别元件峰值的软件。应注意，特别是缝合的数据，峰值位置是正确的。 手动峰值标识可以使用公开可用的数据库（如24。应注意首先从最低电离水平（即I，然后是II，然后III）一个元素中拟合最强（相对强度）峰值。 准确识别峰值或对齐峰值时出现问题可能是由于光学器件的校准问题或失调造成的。评估光学元件在光学机箱中的位置，并重复步骤 3。注：由于斯塔克效应，生成的闪电弧的高能量将导致原子发射线变宽，并且可能无法可靠地识别所有线。