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Engenharia

Metodo per la registrazione dei spettri ad alta risoluzione a banda larga degli arci fulmini di laboratorio

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

Summary

Le tecniche di spettroscopia a emissione sono state tradizionalmente utilizzate per analizzare archi fulmini intrinsecamente casuali che si verificano in natura. In questo articolo, viene descritto un metodo sviluppato per ottenere la spettroscopia delle emissioni da archi fulmini riproducibili generati all’interno di un ambiente di laboratorio.

Abstract

Il fulmine è una delle forze più comuni e distruttive in natura ed è stato a lungo studiato utilizzando tecniche spettroscopiche, prima con i metodi tradizionali della pellicola fotografica e poi con la tecnologia della fotocamera digitale, da cui sono state diverse caratteristiche importanti Derivata. Tuttavia, tale lavoro è sempre stato limitato a causa della natura intrinsecamente casuale e non ripetibile degli eventi di fulmini naturali nel campo. I recenti sviluppi nelle strutture di test dei fulmini consentono ora la generazione riproducibile di archi fulmini all’interno di ambienti di laboratorio controllati, fornendo un banco di prova per lo sviluppo di nuovi sensori e tecniche diagnostiche per comprendere i fulmini meccanismi migliori. Una di queste tecniche è un sistema spettroscopico che utilizza una tecnologia di fotocamera digitale in grado di identificare gli elementi chimici con cui l’arco del fulmine interagisce, con questi dati che vengono poi utilizzati per derivare ulteriori caratteristiche. In questo articolo, il sistema spettroscopico viene utilizzato per ottenere lo spettro di emissione da un picco di 100 kA, un arco fulmine di durata di 100 gradi generato attraverso una coppia di elettrodi di tungsteno emisferico separati da un piccolo spazio d’aria. Per mantenere una risoluzione spettrale inferiore a 1 nm, diversi spettri individuali sono stati registrati in intervalli di lunghezza d’onda discreti, media, cuciti e corretti per produrre uno spettro composito finale nell’intervallo di 450 nm (luce blu) a 890 nm (vicino alla luce infrarossa). I picchi caratteristici all’interno dei dati sono stati poi confrontati con un database pubblico stabilito per identificare le interazioni degli elementi chimici. Questo metodo è facilmente applicabile a una varietà di altri eventi di emissione di luce, come scariche elettriche veloci, scariche parziali e scintille in apparecchiature elettriche, apparecchi e sistemi.

Introduction

Il fulmine è una delle forze più comuni e distruttive in natura caratterizzate da una rapida scarica elettrica vista come un lampo di luce e seguita da tuoni. Un tipico arco fulminante può consistere in una tensione di decine di gigavolt e una corrente media di 30 kA su un arco lungo decine o centinaia di chilometri, tutto avviene entro 100 s. L’osservazione dello spettro di emissione della luce dagli eventi dei fulmini è stata a lungo utilizzata per derivare informazioni sulle relative proprietà. Molte tecniche sono state stabilite utilizzando tecniche di macchina fotografica tradizionali basate su pellicola per lo studio di fulmini naturali durante gli anni ’60-80, ad esempio1,2,3,4,5 ,6,7e, più recentemente, moderne tecniche digitali, ad esempio8,9,10,11,12, 13 del sistema , 14, sono stati utilizzati per dare una visione più accurata dei meccanismi di fulmine. Nel corso del tempo, tale lavoro ha dimostrato la capacità non solo di identificare le interazioni degli elementi chimici1,14, ma anche di ottenere misurazioni della temperatura15,16, pressione 5, densità di particelle ed elettroni5,17, energia18, resistenza e campo elettrico interno dell’arco8. Tuttavia, gli studi sui fulmini naturali sono sempre stati limitati dalla natura intrinsecamente imprevedibile e non ripetibile degli eventi fulmini.

Negli ultimi anni, la ricerca si è concentrata sul modo in cui i fulmini interagiscono con l’ambiente circostante, in particolare nell’industria aerospaziale per proteggere gli aerei in volo da fulmini diretti. Diversi grandi impianti di test di illuminazione sono stati quindi progettati e costruiti per replicare gli elementi più distruttivi di un fulmine, vale a dire la corrente e il tempo di consegna, ma ad una tensione limitata. Il Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 presso l’Università di Cardiff può generare quattro forme d’onda fulmine distinte fino a 200 kA in conformità al relativo standard20. Con una tale struttura di laboratorio, i fulmini possono essere facilmente riprodotti e controllati con un alto grado di precisione e ripetibilità, fornendo un banco di prova per lo sviluppo di nuovi sensori e tecniche diagnostiche per comprendere le interazioni con i fulmini e meccanismi migliori21,22,23. Una di queste tecniche è un sistema spettroscopico sviluppato e installato di recente14,21 che, come i sistemi spettroscopici utilizzati negli studi di fulmini naturali, opera nella gamma ultravioletta (UV) a Near-Infrared (NIR). Si tratta di un metodo non intrusivo che non interferisce con l’arco del fulmine ed è in gran parte inalterato dal rumore elettromagnetico prodotto durante un colpo, a differenza della maggior parte dei dispositivi a base elettronica.

Il sistema spettrografo è stato utilizzato per osservare lo spettro di un tipico arco fulmine generato da laboratorio costituito da un picco oscillatorio di 100 kA smorzato criticamente, 100 s durata, 18/40 forma d’onda attraverso un divario d’aria tra una coppia di tungsteno di 60 mm di diametro elettrodi separati da un vuoto d’aria di 14 mm. Una traccia tipica di questa forma d’onda arco fulmine è mostrato Figura 1. Gli elettrodi sono stati posizionati in una camera a tenuta di luce Electromagnetic Impulse (EMI) in modo che l’unica luce registrata fosse dall’arco del fulmine stesso, con una piccola quantità di questa luce trasportata attraverso una fibra ottica di 100 m di diametro, posizionata a 2 m di distanza e collimato a un angolo di visualizzazione di 0,12 gradi che dà una dimensione spot di 4,2 mm nella posizione dell’arco, a un’altra camera EMI contenente il sistema spettrografo, come mostrato nella Figura 2. Le camere EMI sono state utilizzate per ridurre al minimo gli effetti negativi causati dall’evento fulmine. La fibra ottica viene terminata al telaio ottico a tenuta di luce sulla base di una configurazione Czerny-Turner di lunghezza focale 30 cm, con la luce che passa attraverso una scivoli era regolabile di 100 m e su una griglia rotante a 900 ln/mm 550 blaze tramite tre specchi, su una griglia 1.024 x 1.024 fotocamera digitale pixel, come mostrato nella Figura 3. In questo caso, la configurazione ottica fornisce una risoluzione spettrale di 0,6 nm in un sottointervallo di circa 140 nm all’interno di un intervallo approssimativo completo di 800 nm tra le lunghezze d’onda DA UV a NIR. La risoluzione spettrale viene misurata come la capacità dello spettrografo di distinguere due picchi vicini e la posizione dell’intervallo secondario all’interno dell’intervallo completo può essere regolata ruotando la griglia. Una componente chiave del sistema è la scelta della grata di diffrazione che determina la portata della lunghezza d’onda e la risoluzione spettrale, con il primo essendo inversamente proporzionale a quest’ultimo. In genere, è necessario un ampio intervallo di lunghezza d’onda per individuare più linee atomiche, mentre è necessaria un’alta risoluzione spettrale per misurare la loro posizione con precisione; questo non può essere ottenuto fisicamente con una singola grata per questo tipo di spettrografo. Pertanto, i dati provenienti da diversi sottogruppi, ad alta risoluzione, vengono presi in varie posizioni attraverso la gamma UV a NIR. Questi dati sono fatti un passo e incollati insieme per formare uno spettro composito.

In pratica, a causa delle limitazioni nella trasmissione della luce ottica, è stata registrata una gamma di lunghezze d’onda dello spettro da 450 a 890 nm. A partire da 450 nm, è stata registrata la luce proveniente da quattro archi fulmini generati in modo indipendente, il rumore di fondo è stato sottratto e sono stati poi mediati. L’intervallo di lunghezze d’onda è stato poi spostato a 550 nm, dando una sovrapposizione di dati di 40 nm, con la luce di altri quattro arci fulmini generati registrati e mediati. Questo è stato ripetuto fino a raggiungere 890 nm e i dati medi risultanti sono stati uniti per creare uno spettro completo in tutta la gamma di lunghezze d’onda predefinita. Questo processo è illustrato nella Figura 4. I picchi caratteristici sono stati poi utilizzati per identificare gli elementi chimici attraverso il confronto con un database stabilito24.

In questo documento viene descritto il metodo di spettroscopia ottica delle emissioni. Questo metodo è facilmente applicabile a una vasta gamma di altri eventi di emissione di luce con un’alterazione minima alle impostazioni di sistema di configurazione sperimentale o spettrografi. Tali applicazioni includono scariche elettriche veloci, scariche parziali, scintille e altri fenomeni correlati negli impianti elettrici e nelle apparecchiature.

Protocol

1. Selezione dell’intervallo di lunghezza d’onda L’intervallo di lunghezza d’onda del fulmine da osservare deve prima essere selezionato. È stato selezionato da 450 nm a 890 nm.NOTA: Questo sarà limitato dalla configurazione del laboratorio, dalla gamma spettrale come definita dall’angolo ardente della griglia e dalla sensibilità della fotocamera. 2. Preparazione degli elettrodi Scegliere un materiale per elettrodi adatto. È stata scelta una coppia di elettrodi di tungsteno emisferico di 60 mm di diametro fissati ai montaggi in rame, come illustrato nella Figura 5.NOTA: qualsiasi materiale con cui interagisce l’arco di fulmini emetterà uno spettro, incluso l’elettrodo, ed è importante ridurre al minimo questa interferenza. Tuttavia, questo dovrebbe essere bilanciato con la capacità del materiale dell’elettrodo di resistere a fulmini ripetuti con danni minimi durante la sperimentazione. Per il tungsteno, molte delle sue linee di emissione all’interno della gamma di lunghezze d’onda scelta sono visibili solo tra 450 nm e 590 nm e sono in gran parte distinguibili da uno spettrale di fulmine previsto. È anche un materiale molto duro che viene comunemente utilizzato in alta tensione e sperimentazione ad alta corrente. Pulire e lucidare gli elettrodi per rimuovere eventuali contaminanti. Qualsiasi materiale con cui l’arco fulmine interagisce emetterà uno spettro, compreso quello di eventuali contaminanti. È quindi importante garantire che gli elettrodi siano esenti da contaminanti per non garantire linee spettrali errate. Strofinare l’elettrodo con carta vetrata grossolana per 5 min, metterlo in un bagno d’acqua sonico a temperatura ambiente per 10 min, quindi pulire con un panno libero di lamina per allentare e rimuovere eventuali contaminanti. Utilizzare sempre i guanti durante la maneggevolezza dell’elettrodo per evitare la ricontaminazione. Ripetere quanto sopra tipicamente dieci-quindici volte con gradi decrescenti di carta vetrata, panno emery, e poi lucidare i panni fino a quando non si ottiene una buona finitura polacco. Sono stati utilizzati gradi di carta vetrata e stoffa da 240 a 8.000. Montare gli elettrodi all’interno del banco fulmine stabilendo una distanza adeguata tra di loro. Qui, gli elettrodi sono montati all’interno del banco fulmine 14 mm di distanza, come mostrato nella Figura 5.NOTA: Diversi impianti di prova fulminea hanno tensioni operative diverse, quindi la distanza tra gli elettrodi dovrebbe essere tale che si verifichi un guasto dell’aria quando viene attivato il generatore di impulsi fulmini. 3. Preparazione dello spettrografo Posizionare lo spettrografo in un recinto indipendente con classificazione EMI, come illustrato nella Figura 2. Idealmente, il banco di fulmini e lo spettrografo dovrebbero essere alloggiati in involucri EMI separati. Selezionare e installare la fibra ottica. La fibra prescelta era una fibra ottica lunga 8 m e installata tra le due camere EMI. Ha scelto una fibra ottica con buone proprietà di trasmissione all’interno della gamma di lunghezze d’onda predefinita da osservare, cioè tra 450 nm e 890 nm. Si noti l’efficienza di trasmissione rispetto ai dati di lunghezza d’onda, in quanto verranno utilizzati per la post-elaborazione dei dati. Questo è spesso fornito dal produttore anche se, idealmente, dovrebbe essere misurato utilizzando una lampada calibrata. Collegare un’estremità della fibra ottica al telaio ottico in una disposizione a tenuta libera. Posizionare l’altra estremità della fibra ottica per visualizzare l’arco fulmine tra gli elettrodi. La luce proveniente da un laser inviato attraverso lo spettrometro in senso inverso può aiutare con l’allineamento. La fibra ottica è posizionata alla stessa altezza del centro dello spazio dell’elettrodo a 2 m, come illustrato nella Figura 6. Regolare la quantità di luce che raggiunge la fotocamera se necessario per ridurre al minimo la saturazione. Viene utilizzato un collimatore che riduce l’angolo di visualizzazione in fibra ottica a 0,12 gradi, con una dimensione spot di 4,2 mm nella posizione dell’arco fulmine per una lunghezza totale dell’arco di 14 mm, riducendo la luce di circa un quarto.NOTA: l’intensità della luce che raggiunge la fotocamera può essere regolata in alternativa modificando la distanza tra la sorgente luminosa e la fibra ottica, regolando la vela o utilizzando un filtro a densità neutra. Accendere il sistema spettrografo e avviare il software di controllo associato. La fotocamera digitale richiede circa 10 min per raggiungere una temperatura di -70 gradi centigradi.NOTA: alcune fotocamere digitali richiedono il raffreddamento per ridurre il rumore prima che diventino pienamente operative. Selezionare la griglia spettrografa. È stata utilizzata una griglia a 150 di fiamma da 900 ln/mm 550.NOTA: la griglia definisce l’intervallo di lunghezza d’onda e la risoluzione spettrale all’interno del sistema spettrografo utilizzato, con una risoluzione spettrale di <1 nm necessaria per l'identificazione del picco. La griglia selezionata fornisce un intervallo di lunghezza d'onda di circa 140 nm e una risoluzione di 0,6 nm. Calibrare lo spettrografo su una fonte di calibrazione nota, come una lampada Mercury-Argon. Posizionare la griglia nella sua posizione iniziale nella parte inferiore dell’intervallo di lunghezza d’onda preselezionato. In questo caso, la griglia è stata posizionata a 450 nm dando un intervallo di 450 nm a 590 nm. Accendere la sorgente di calibrazione e posizionarla contro l’estremità aperta della fibra ottica. Regolare l’esposizione della fotocamera tramite il software di controllo in un momento adatto per ottenere un buon segnale insaturi, ad esempio un’esposizione di 0,1 s. Regolare la linea di taglio tramite il software di controllo per affinare i picchi spettrali se necessario o, in alcuni casi, la posizione del rilevatore può anche essere regolata per ottimizzare il segnale. È stata utilizzata una screpolature di 100 m.NOTA: La fessura deve essere impostata su un valore minimo per diminuire l’ampliamento delle linee atomiche a causa della diffrazione della luce nella fessura, con valori fino a 20 m spesso utilizzati. Tuttavia, una fessura stretta ridurrà anche il segnale e potrebbe essere necessario trovare un equilibrio tra intensità della luce e nitidezza dei picchi. Registrare gli spettri della sorgente di calibrazione e identificare il numero di pixel sull’immagine della fotocamera risultante in cui si verificano i picchi. Tracciare la posizione del numero di pixel per ogni picco rispetto alla lunghezza d’onda nota di ogni picco fornito con la sorgente di calibrazione e adattare una linea retta per derivare un’equazione che consentirà la conversione dei pixel in lunghezza d’onda. Un esempio di questo per tre linee atomiche di Mercurio note è illustrato nella Figura 7. Applicare la calibrazione a questa posizione di griglia prima di passare alla successiva. Per alcuni sistemi spettrografi, la conversione del numero di pixel in lunghezza d’onda può essere applicata al software utilizzando un file di calibrazione. Posizionare la griglia per l’intervallo secondario successivo e ripetere i passaggi precedenti. In questo caso, la griglia è stata successivamente posizionata a 550 nm, dando un intervallo da 550 nm a 690 nm, con una sovrapposizione di 40nm con l’intervallo di lunghezza d’onda precedente.NOTA: la larghezza dell’area di sovrapposizione deve essere sufficiente per consentire il riconoscimento delle tendenze alla fine del primo intervallo e all’inizio del secondo intervallo per il processo di fase e colla successivo. Ripetere i passaggi precedenti per tutte le posizioni di grata. Questo è stato ripetuto fino a raggiungere 890 nm.NOTA: le sorgenti di calibrazione, in genere una lampada con picchi spettrali noti, sono solitamente dotate di sistemi spettrografi e il produttore sarà in grado di fornire maggiori dettagli su come ottenere la calibrazione. Selezionare i parametri spettrografi per registrare l’arco fulmine generato. Regolare ulteriormente la vediera, se necessario. Impostare il tempo di esposizione della telecamera per garantire che l’intero evento fulmine venga catturato; prendere in considerazione il tempo di innesco e gli eventuali ritardi in qualsiasi generatore di fulmini o spettrografo quando si imposta questo parametro. Per il generatore di fulmini a MBLL, è stato utilizzato un tempo di esposizione di 5 s.NOTA: Un tempo di esposizione più lungo aumenterà i livelli di rumore e la probabilità di artefatti, come i raggi cosmici, quindi dovrebbero essere fatti sforzi per ridurre al minimo questo livello. Tuttavia, il tempo deve anche essere sufficiente per tenere conto di qualsiasi incertezza nell’attivazione dell’arco fulmine generato o del sistema spettrografo per garantire che l’intero evento venga catturato. Modificare la modalità di sistema spettrografo per ricevere un trigger dal generatore di fulmini. Un segnale TTL 5 V è stato utilizzato per attivare la telecamera 2,5 s prima che l’arco del fulmine fosse avviato. 4. Esecuzione di un esperimento Preparare il generatore di fulmini. Assicurarsi che tutte le luci siano spente e che le camere siano chiuse ove pertinenti per garantire un ambiente a tenuta di luce. Accendere il generatore di fulmini. Ogni impianto di test del fulmine avrà il proprio protocollo per la preparazione e l’accensione. In MBLL, l’area viene sgomberata dal personale e i relativi dispositivi di sicurezza vengono attivati prima che il generatore di fulmini possa essere attivato. Selezionare la forma d’onda del fulmine pertinente e caricare alla corrente di picco richiesta. È stata utilizzata una tipica forma d’onda oscillatoria da 54 kV, 100 kA, che ha smorzato criticamente, di 100 gradi di picco, 18/40. Acquisire spettri da più eventi fulmini generati Posizionare la griglia spettrografa nella sua posizione iniziale e prendere un’immagine di sfondo utilizzando gli stessi parametri del fulmine. Questo può essere una media di diverse immagini di sfondo. Nell’impostazione 450 nm è stata utilizzata un’esposizione a 5 s con una slitzia di 100 m. Assicurarsi che il sistema spettrografico sia pronto per essere attivato per registrare gli spettri con le impostazioni corrette. Nell’impostazione 450 nm è stata utilizzata un’esposizione a 5 s con una slitzia di 100 m. Caricare il generatore di fulmini e attivare l’evento fulmine, che attiverà anche lo spettrografo. Registrare i dati spettrali di output. Verificare la presenza di eventuali interferenze nei dati spettroscopici. Gli spettrografi sono occasionalmente soggetti a picchi di dati causati da radiazioni cosmiche o altri artefatti causati da pixel non reattivi o morti. Si dovrebbe fare sforzi per rimuovere tale interferenza e alcuni spettrografi hanno un software che può fare questo. Un’alternativa consiste nel ignorare i dati e ripetere l’esperimento. Figura 8 mostra un esempio della differenza tra i dati con e senza un picco di radiazione cosmica. Pulire gli elettrodi da qualsiasi contaminazione se necessario asciugando con alcol o, se contaminato, ripetendo il passaggio 2.2. Ripetere i passaggi da 4.2.2 a 4.2.5 fino a ottenere quattro set di dati spettroscopici per l’intervallo di 450 nm. Posizionare la griglia spettrografica a 550 nm e ripetere i passaggi da 4.2.1 a 4.2.6 fino a raggiungere quattro set di dati spettrografi per l’intervallo di 550 nm.NOTA: il numero di passaggi ripetuti deve essere sufficiente per calcolare la media di qualsiasi varianza colpo-colpo visibile nell’arco fulmine generato. Ripetere quanto sopra fino a quando tutti i set di dati sono stati raccolti per raggiungere il valore massimo della lunghezza d’onda di 890 nm, ottenendo sedici set di dati spettrali. Se c’è una variazione significativa negli spettri di ogni sottogamma alle stesse impostazioni del generatore di corrente di fulmine, ad esempio, nell’intensità delle linee atomiche, allora gli esperimenti in ogni fase potrebbero dover essere ripetuti più di quattro volte. Lo scopo di questo è quello di ridurre al minimo l’effetto di eventuali anomalie una tantum e di mediare la variazione colpo-a-colpo dal generatore di fulmini e l’arco senza fulmini. Se c’è una differenza di spettri alle stesse impostazioni del generatore di corrente di fulmine, potrebbe essere necessario valutare la configurazione sperimentale per i contaminanti. 5. Dati post-elaborazione Per la post-elaborazione e l’analisi dei dati, selezionare un’applicazione software per fogli di calcolo che includa le funzionalità di calcolo. Tale software è ampiamente disponibile. Sottrarre i dati di base acquisiti nel passaggio 4.2.1 da ogni dati di spettri di fulmini generati rilevanti. La media dei dati di sfondo di 450 nm viene sottratta da ogni dato spettrale generato da 450 nm, la media dei 550 dati nm viene sottratta da ogni dati di spettri di fulmini generati da 550 nm e così via. Un esempio di questo è mostrato nella Figura 9. Media di ogni singolo set di dati per ogni intervallo di lunghezze d’onda. Ciò è illustrato nella Figura 10 in cui viene mediala noto il numero di quattro set di dati da 450 nm. Utilizzare l’area sovrapposta per allineare i dati degli spettri consecutivi, quindi calcolare la media dell’area sovrapposta. Ciò è illustrato nella Figura 11 che mostra la media di 450 nm e 550 nm di dati.NOTA: L’allineamento e la media della regione sovrapposta introdurranno errori e potrebbe essere necessario eseguire una calibrazione relativa dell’intensità per l’intero spettro utilizzando, ad esempio, una lampada a nastro di tungsteno. Corretto per l’attenuazione della fibra ottica e l’efficienza quantistica. Ciò è illustrato nella figura 12.NOTA: È possibile ottenere una correzione più accurata utilizzando una lampada calibrata per misurare la trasmissione della luce per ogni sottogamma. In questo caso, la correzione può essere applicata prima del processo di cucitura. Presentare i dati finali come rappresentazione grafica o grafico di intensità, come illustrato nella figura 13. 6. Analisi dei dati Identificare i picchi spettrali caratteristici. Alcuni sistemi spettrografici includeranno software che identificherà automaticamente i picchi degli elementi. Occorre prestare attenzione, soprattutto con i dati cuciti, che le posizioni di picco siano corrette. L’identificazione manuale dei picchi può essere eseguita utilizzando database disponibili pubblicamente, ad esempio24. Occorre prestare attenzione per adattarsi ai picchi più forti (intensitàrelativa) dai livelli di ionizzazione più bassi prima (cioè io , poi II, poi III) un elemento alla volta. I problemi nell’identificare con precisione i picchi o nell’allinearli possono essere dovuti a problemi di calibrazione o disallineamenti nell’ottica. Valutare la posizione dell’ottica nel telaio dell’ottica e ripetere il passaggio 3.NOTA: l’alta energia degli archi fulmini generati causerà l’ampliamento delle linee di emissione atomica a causa dell’Effetto Stark e l’identificazione affidabile di tutte le linee potrebbe non essere possibile.

Representative Results

Un’intensità di fulmine rappresentativa contro la trama della lunghezza d’onda per un picco di 100 kA che si smorza criticamente a 100 s raggiunge il picco di 18/40 s forma d’onda, attraverso un vuoto d’aria tra una coppia di elettrodi di tungsteno di 60 mm di diametro posizionati a 14 mm di distanza l’uno dall’altro, è data nella Figura 14. Questi dati consistono in quattro serie di quattro segmenti di dati medi da 140 nm uniti e corretti per il rumore di fondo, l’attenuazione della fibra ottica e l’efficienza quantistica della fotocamera digitale. Questi dati sono stati convertiti in un grafico di intensità, come illustrato nella Figura 15. Picchi prominenti sono stati identificati manualmente attraverso il confronto a un database stabilito, come mostrato Figura 16. Figura 1 : profilo dell’arco fulmine generato. La traccia registrata di un picco di 100 kA oscillatorio smorzato criticamente, una durata di 100 gradi, la forma d’onda del fulmine generata da 18/40. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2 : Configurazione sperimentale. Uno schema della configurazione sperimentale (da non scalare), dove la luce proveniente da un arco fulminante generato tra due elettrodi viene trasportata attraverso una fibra ottica al sistema spettroscopico, costituito da un telaio ottico e una fotocamera digitale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3 : impostazione spettrografica. Uno schema del sistema spettrografo (da non scalare), dove la luce proveniente dalla fibra ottica viene trasformata in uno spettro, attraverso una griglia, che viene poi registrata da una fotocamera digitale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4 : raccolta, elaborazione e presentazione di dati spettrali. Un’illustrazione dei passaggi utilizzati per raccogliere, calcolare la media, cucire e correggere i dati verso il raggiungimento di un ampio spettro ad alta risoluzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5 : configurazione dell’elettrodo. Un’immagine dei due elettrodi di tungsteno emisferici di 6 mm di diametro fissati ai montaggi in rame posizionati a 14 mm di distanza l’uno dall’altro all’interno del carro di fulmini. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6 : configurazione in fibra ottica. Un’immagine della fibra ottica posizionata alla stessa altezza e ad una distanza di 2 m dagli elettrodi montati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 7 : calibrazione della lunghezza d’onda. (a) Una tabella di tre linee di Mercurio note rispetto al numero di pixel in cui sono state misurate e (b) una trama di ogni punto (croci) e un adattamento in linea retta (linea tratteggiata) che dà un’equazione (inset) che consente di convertire i pixel in lunghezza d’onda. Questa operazione viene eseguita per più linee atomiche note nell’intero intervallo di lunghezza d’onda. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 8 : Interferenza dei raggi cosmici. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano unarco fulmine compreso nell’intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a ) i dati senza interferenze radiocosmiche e (b) e (c) i dati con i caratteristici picchi di raggi cosmici. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 9 : sottrazione dello sfondo. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano unarco fulmine compreso nell’intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a ) i dati di sfondo mediati, (b) i dati non elaborati e i dati (c) con lo sfondo medio sottratto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 10 : media dei dati. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano un arco fulmine compreso nell’intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a-d) i singoli dati e i dati medi di (e). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 11 : dati di cucitura. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano un arco fulmine che mostrava: (a) l’intervallo da 550 nm a 690 nm, (b ) l’intervallo da 650 a 790 nm e (c) i due set di dati sovrapposti con una sovrapposizione da 650 nm a 690 nm. Viene quindi media l’area di sovrapposizione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 12 : correzione dei dati. Traccia nell’intervallo di lunghezza d’onda da450 nm a 890 nm per l’attenuazione della fibra (a) e l’efficienza quantistica della telecamera spettrografica (b) fornita dai rispettivi produttori. Questi vengono utilizzati per correggere i dati spettrali cuciti di conseguenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 13 : presentazione dei dati. Esempi di (a) un grafico di dati e (b) un grafico di intensità che rappresenta lo spettro di un arco di analisi di 100 kA generato nell’intervallo da 550 nm a 790 nm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 14 : dati grafici tipici. Un tipico grafico mediato, cucito e corretto nell’intervallo di lunghezza d’onda da 450 nm a 890 nm per un arco fulmine generato da 100 kA. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 15 : grafico di intensità tipico. Un tipico grafico di intensità media, cucito e corretto nell’intervallo di lunghezza d’onda da 450 nm a 890 nm per un laboratorio da 100 kA generato arco fulmineo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 16 : identificazione degli elementi chimici. Un’illustrazione dell’identificazione degli elementi chimici di linea spettrale per i livelli di ionizzazione di primo ordine utilizzando un database pubblicamente disponibile24. Sono stati identificati elementi nell’aria (azoto, ossigeno, argon, elio) e nell’elettrodo (tungsteno). Questo spettro è quasi identico a quello del riferimento14 in quanto utilizza lo stesso apparato per analizzare lo stesso tipo di arco fulmineo. Questa cifra è stata adattata dal riferimento14. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La spettroscopia è uno strumento utile per identificare le reazioni degli elementi chimici durante i fulmini naturali e generati. Data una configurazione sperimentale sufficientemente accurata e riproducibile, un’ulteriore analisi dei dati può rivelare una varietà di altre proprietà dei fulmini. È stato, ad esempio, utilizzato per verificare che gli spettri degli archi fulmini generati in laboratorio siano spettrali simili ai fulmini naturali e che l’aggiunta di altri materiali nell’arco del fulmine possa alterare significativamente questo spettro14. Il metodo può essere utilizzato anche per altri eventi di emissione di luce come scariche elettriche veloci, scariche parziali, scintille e altri fenomeni correlati nei sistemi ad alta tensione, dove l’identificazione simultanea di più linee atomiche o elementi attraverso un ampio spettro è importante.

Il passo più critico è quello di garantire che vengano utilizzati i parametri corretti durante la configurazione dello spettrografo, come le impostazioni di taglio, grata e fotocamera, per acquisire i migliori dati possibili, con conseguente picchi spettrali forti e nitidi. Si dovrebbe anche fare degli sforzi per garantire che il rivelatore non sia saturo quando si ottimizza il segnale. La posizione della fibra può anche essere regolata e/o collimata per migliorare l’intensità della luce, oltre a garantire che qualsiasi luce vagante che non fa parte dell’evento fulmine sia eliminata o rimossa come parte del processo di imaging di sfondo. Questa operazione potrebbe richiedere alcuni tentativi ed errori. La capacità del generatore di fulmini utilizzato per riprodurre con precisione lo stesso evento di fulmine con variazione minima, o per capire da dove possono provenire eventuali variazioni in modo che possano essere controllate, è importante per ottenere spettroscopici affidabili e ripetibili Risultati.

È possibile modificare questa configurazione per valutare le diverse parti dello spettro elettromagnetico ulteriormente nelle bande UV e IR dove la tecnologia di imaging consente e a seconda del tipo di evento che si sta immaginando. Ad esempio, estendere l’intervallo di lunghezza d’onda al di sotto di 450 nm può rivelare ulteriori linee atomiche e molecolari, come le emissioni dei radicali NO e OH. Regolare la griglia spettrografica per dare una risoluzione più bassa su una gamma più ampia può aiutare a identificare caratteristiche interessanti, che possono quindi essere analizzate utilizzando una grata più stretta di risoluzione più ampia.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che è completamente non intrusivo, quindi non richiede alcuna alterazione al generatore di fulmini. Trasportando la luce attraverso una fibra ottica, si riduce la quantità di interferenze elettriche dall’ambiente elettromagnetico rigido, che altri sistemi, come le telecamere, possono sperimentare se non sufficientemente schermati. Ciò significa che i dati di uno spettrografo hanno potenzialmente un rumore molto inferiore e meno interferenze rispetto ad altri strumenti. Questa tecnica specifica è limitata dalla sua mancanza di risoluzione del tempo e dalla conseguente mancanza di ulteriore caratterizzazione dell’arco fulmineo. Ad esempio, esistono spettrografi ad alta velocità che possono produrre dati spettrali risolti nel tempo che portano alle misurazioni della temperatura e della densità degli elettroni.

Si prevede che la spettroscopia diventerà uno strumento importante, insieme ad altre strumentazioni diagnostiche, nella comprensione degli archi fulmini generati dal laboratorio. Contribuirà a informazioni gratuite sulle firme degli eventi fulmini caratteristici e sarà utilizzato per identificare gli elementi chimici reattivi all’interno dell’arco. Un ulteriore sviluppo di questa tecnica può anche comportare la derivazione di caratteristiche aggiuntive.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario fornito dalla rete nazionale di ricerca in ingegneria e materiali avanzati (NRN073) e Innovate UK tramite l’Istituto di tecnologia aerospaziale (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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Referências

  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).

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

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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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