JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Methode voor het opnemen van breedband-emissie spectra met hoge resolutie van laboratorium bliksem bogen

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

Summary

Emissie spectroscopie technieken zijn van oudsher gebruikt om inherent willekeurige bliksem bogen in de natuur te analyseren. In deze paper wordt een methode beschreven die is ontwikkeld om de emissie spectroscopie te verkrijgen van reproduceerbare Lightning-bogen die worden gegenereerd in een laboratoriumomgeving.

Abstract

Bliksem is een van de meest voorkomende en destructieve krachten in de natuur en is al lang bestudeerd met behulp van spectroscopische technieken, eerst met traditionele camera film methoden en vervolgens digitale cameratechnologie, waaruit verschillende belangrijke kenmerken zijn Afgeleid. Dit werk is echter altijd beperkt geweest als gevolg van de inherent willekeurige en niet-herhaalbare aard van natuurlijke bliksem gebeurtenissen in het veld. Recente ontwikkelingen in bliksem testfaciliteiten maken nu de reproduceerbare generatie van bliksem bogen in gecontroleerde laboratorium omgevingen mogelijk, en bieden een testbed voor de ontwikkeling van nieuwe sensoren en diagnostische technieken om bliksem mechanismen beter. Een dergelijke techniek is een spectroscopisch systeem met behulp van digitale cameratechnologie die de chemische elementen waarmee de bliksem boog samenwerkt kan identificeren, waarbij deze gegevens vervolgens worden gebruikt om verdere kenmerken af te leiden. In dit document wordt het spectroscopische systeem gebruikt om het emissiespectrum te verkrijgen van een 100 kA piek, 100 μs duur bliksem boog gegenereerd over een paar halfronde wolfraam elektroden gescheiden door een kleine luchtspleet. Om een spectrale resolutie van minder dan 1 nm te behouden, werden verschillende individuele Spectra geregistreerd over afzonderlijke golflengte bereiken, gemiddeld, gestikt en gecorrigeerd om een eind samengesteld spectrum te produceren in het 450 nm (blauw licht) tot 890 nm (near infrared light) bereik. Karakteristieke pieken binnen de gegevens werden vervolgens vergeleken met een gevestigde openbaar beschikbare database om de interacties tussen chemische elementen te identificeren. Deze methode is gemakkelijk toepasbaar op verschillende andere lichtuitstralende gebeurtenissen, zoals snelle elektrische ontladingen, gedeeltelijke ontladingen en vonken in elektrische apparatuur, apparaten en systemen.

Introduction

Bliksem is een van de meest voorkomende en destructieve krachten in de natuur gekenmerkt door een snelle elektrische ontlading gezien als een lichtflits en gevolgd door donder. Een typische bliksem boog kan bestaan uit een spanning van tientallen gigavolt en een gemiddelde stroom van 30 kA over een boog tientallen tot honderden kilometers lang alles gebeurt binnen 100 μs. observatie van het licht emissiespectrum van Lightning Events is al lange tijd gebruikt om informatie over hun eigenschappen afleiden. Veel technieken werden vastgesteld met behulp van traditionele film-gebaseerde cameratechnieken voor de studie van de natuurlijke blikseminslag in de jaren 1960 tot 1980, bijvoorbeeld1,2,3,4,5 ,6,7en, meer recentelijk, moderne digitale technieken, bijvoorbeeld8,9,10,11,12, 13 , 14, zijn gebruikt om een nauwkeuriger inzicht te geven in bliksemschicht mechanismen. In de loop van de tijd heeft dit werk aangetoond dat het niet alleen chemische element interacties1,14identificeert, maar ook metingen van de temperatuur15,16, druk5, deeltjes-en elektronen dichtheid5,17, energie18, weerstand en intern elektrisch veld van de Arc8. Echter, studies van natuurlijke bliksem zijn altijd beperkt door de inherent onvoorspelbare willekeurige en niet-herhaalbare aard van bliksem gebeurtenissen.

In de afgelopen jaren is het onderzoek gericht op hoe bliksem omgaat met de omgeving, met name in de lucht-en ruimtevaartindustrie om vliegtuigen te beschermen tijdens de vlucht van directe blikseminslag. Verschillende grote bliksem testfaciliteiten zijn daarom ontworpen en gebouwd om de meest destructieve elementen van een blikseminslag te repliceren, namelijk de huidige en levertijd, maar met een beperkte spanning. Het Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 aan de Universiteit van Cardiff kan vier verschillende bliksem golfvormen genereren tot een 200 ka in overeenstemming met de relevante standaard20. Met een dergelijke laboratorium faciliteit kan Lightning eenvoudig worden gereproduceerd en bestuurd met een hoge mate van nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid, waardoor een testbed wordt gegeven voor de ontwikkeling van nieuwe sensoren en diagnostische technieken om bliksem interacties te begrijpen en mechanismen beter21,22,23. Een van deze technieken is een recent ontwikkeld en geïnstalleerd spectroscopisch systeem14,21 dat, net als de spectroscopische systemen die worden gebruikt in Natural Lightning studies, werkt in het ultraviolet (UV) tot Near-Infrared (NIR) bereik. Het is een niet-opdringerige methode die niet interfereert met de bliksem boog en wordt grotendeels niet beïnvloed door het elektromagnetische geluid dat tijdens een staking wordt geproduceerd, in tegenstelling tot de meeste elektronisch gebaseerde apparaten.

Het spectrograaf systeem werd gebruikt om het spectrum van een typische door het laboratorium gegenereerde bliksem boog te observeren, bestaande uit een 100 kA piek kritisch gededampte oscillatory, 100 μs duur, 18/40 μs golfvorm over een luchtspleet tussen een paar 60 mm diameter wolfraam elektroden gescheiden door een 14 mm luchtspleet. Een typisch spoor van deze Lightning Arc-golfvorm wordt weergegeven in Figuur 1. De elektroden werden gepositioneerd in een elektromagnetische impuls (EMI) licht-strakke kamer, zodat de enige opgenomen licht was van de bliksem boog zelf, met een kleine hoeveelheid van dit licht wordt getransporteerd via een 100 μm diameter Fiber Optic, gepositioneerd 2 m afstand en collimated tot een kijkhoek van 0,12 ° met een spotgrootte van 4,2 mm op de positie van de boog, naar een andere EMI-kamer met het spectrograaf systeem, zoals weergegeven in Figuur 2. De EMI-kamers werden gebruikt om de nadelige effecten van het bliksem voorval te minimaliseren. De Fiber Optic wordt beëindigd op het licht-strakke optiek chassis op basis van een Czerny-Turner configuratie van brandpuntsafstand 30 cm, waarbij het licht door een verstelbare spleet van 100 μm loopt en op een 900 LN/mm 550 Blaze draaibaar rooster via drie spiegels, op een 1.024 x 1.024 pixel digitale camera, zoals weergegeven in afbeelding 3. In dit geval geeft de optische opstelling een spectrale resolutie van 0,6 nm over een ongeveer 140 nm subbereik binnen een geschatte volledige range van 800 nm over UV naar NIR golflengten. De spectrale resolutie wordt gemeten als het vermogen van de spectrograaf om twee close pieken te onderscheiden, en de positie van de subbereik binnen het volledige bereik kan worden aangepast door het rooster te roteren. Een belangrijk onderdeel van het systeem is de keuze van diffractie-roosters, die het golflengtebereik en de spectrale resolutie dicleert, waarbij de eerstgenoemde omgekeerd evenredig is aan de laatste. Meestal is een breed golflengtebereik nodig om meerdere atomische lijnen te vinden, terwijl een hoge spectrale resolutie nodig is om hun positie nauwkeurig te meten; Dit kan niet fysiek worden bereikt met één rooster voor dit type spectrograaf. Daarom worden gegevens van verschillende subranges, met een hoge resolutie, op verschillende posities in het UV-naar NIR-bereik genomen. Deze gegevens worden getrapte en aan elkaar gelijmd om een samengesteld spectrum te vormen.

In de praktijk werd een spectrum golflengtebereik van 450 nm tot 890 nm als gevolg van beperkingen in de lichttransmissie van het glasvezel glas geregistreerd. Vanaf 450 nm werd het licht van vier onafhankelijke gegenereerde bliksem bogen opgenomen, werd achtergrondruis afgetrokken en werden ze vervolgens gemiddeld. Het golflengtebereik werd vervolgens verschoven naar 550 nm, wat een overlapping van 40 nm gaf, met licht van nog vier gegenereerde bliksem bogen die zijn opgenomen en gemiddeld. Dit werd herhaald tot 890 nm werd bereikt, en de resulterende gemiddelde gegevens werden samen gestikt om een compleet spectrum te creëren over het volledige vooraf gedefinieerde golflengtebereik. Dit proces wordt geïllustreerd in Figuur 4. Karakteristieke pieken werden vervolgens gebruikt om chemische elementen te identificeren door vergelijking met een gevestigde database24.

In dit document wordt de methode van optische emissie spectroscopie beschreven. Deze methode is gemakkelijk toepasbaar op een breed scala van andere lichtuitstralende gebeurtenissen met minimale verandering in de experimentele Setup of spectrograaf systeeminstellingen. Dergelijke toepassingen omvatten snelle elektrische lozingen, gedeeltelijke lozingen, vonken en andere verwante verschijnselen in elektrische systemen en apparatuur.

Protocol

1. het selecteren van golflengtebereik Het golflengtebereik van de bliksem moet eerst worden geselecteerd. 450 nm tot 890 nm werd geselecteerd.Opmerking: dit wordt beperkt door de laboratoriumopstelling, het spectrale bereik zoals gedefinieerd door de brandende hoek van het rooster en de gevoeligheid van de camera. 2. voorbereiding van de elektroden Kies een geschikt elektrode materiaal. Een paar van 60 mm diameter halfronde wolfraam elektroden bevestigd aan koperen bevestigingen werd gekozen, zoals geïllustreerd in Figuur 5.Opmerking: elk materiaal waarmee de Lightning Arc samenwerkt, zal een spectrum uitzenden, inclusief de elektrode, en het is belangrijk om deze storing te minimaliseren. Dit moet echter worden afgewogen tegen het vermogen van het elektrode materiaal om herhaalde blikseminslag te weerstaan met minimale schade tijdens experimenten. Voor wolfraam zijn veel van de emissie lijnen binnen het gekozen golflengtebereik alleen zichtbaar tussen 450 nm en 590 nm en zijn grotendeels te onderscheiden van een verwachte bliksem spectra. Het is ook een zeer hard materiaal dat vaak wordt gebruikt in hoge spanning en hoge huidige experimenten. Reinig en poets de elektroden om eventuele verontreinigingen te verwijderen. Elk materiaal waarmee de bliksem boog samenwerkt, zal een spectrum uitzenden, inclusief die van eventuele verontreinigingen. Het is daarom belangrijk om ervoor te zorgen dat de elektroden verontreiniging vrij zijn om geen foutieve spectrale lijnen te waarborgen. Wrijf de elektrode met grof schuurpapier gedurende 5 minuten, plaats het in een sonisch waterbad bij kamertemperatuur gedurende 10 minuten en veeg vervolgens met een pluisvrije doek om eventuele verontreinigingen los te maken en te verwijderen. Gebruik altijd handschoenen bij het hanteren van de elektrode om herbesmetting te voorkomen. Herhaal de bovenstaande meestal tien tot vijftien keer met afnemende kwaliteiten schuurpapier, Emery doek, en vervolgens polijsten doeken tot een goede Poolse afwerking wordt bereikt. Schuurpapier en doek kwaliteiten van 240 tot 8.000 werden gebruikt. Monteer de elektroden in de bliksemschicht en tot een geschikte afstand tussen hen. Hier worden de elektroden gemonteerd binnen de Lightning rig 14 mm uit elkaar zoals weergegeven in Figuur 5.Opmerking: verschillende bliksem testfaciliteiten hebben verschillende operationele spanningen, dus de afstand tussen de elektroden moet zodanig zijn dat er een lucht storing optreedt wanneer de Lightning Impulse generator wordt geactiveerd. 3. de spectrograaf voorbereiden Plaats de spectrograaf in een onafhankelijke EMI-nominale behuizing, zoals afgebeeld in Figuur 2. Idealiter moeten de Lightning Rig en spectrograaf worden ondergebracht in afzonderlijke EMI-behuizingen. Selecteer en installeer de Fiber Optic. De gekozen glasvezel was een 8 m lange Fiber Optic en geïnstalleerd tussen de twee EMI Chambers. Koos voor een glasvezel optiek met goede transmissie eigenschappen binnen het vooraf gedefinieerde golflengtebereik, d.w.z.tussen 450 nm en 890 nm. Noteer de transmissie efficiëntie tegen golflengte gegevens, aangezien deze wordt gebruikt voor de nabewerking van gegevens. Dit wordt vaak door de fabrikant geleverd, hoewel het idealiter met een gekalibreerde lamp moet worden gemeten. Sluit het ene uiteinde van de Fiber Optic aan op het optische chassis in een lichtdichte opstelling. Plaats het andere uiteinde van de Fiber Optic om de bliksem boog tussen de elektroden te bekijken. Licht van een laser verzonden via de spectrometer in omgekeerde kan helpen met de uitlijning. De glasvezel bevindt zich op dezelfde hoogte als het midden van de elektrode kloof op 2 m, zoals weergegeven in Figuur 6. Pas zo nodig de hoeveelheid licht aan die de camera bereikt om verzadiging te minimaliseren. Een collimator wordt gebruikt die de kijkhoek van glasvezel reduceert tot 0,12 °, wat resulteert in een spotgrootte van 4,2 mm op de positie van de bliksem boog voor een totale booglengte van 14 mm, waardoor het licht met ongeveer een kwart wordt teruggebracht.Opmerking: de intensiteit van het licht dat de camera bereikt, kan ook worden aangepast door de afstand tussen de lichtbron en glasvezel te wijzigen, door de gleuf aan te passen of door een neutraal dichtheids filter te gebruiken. Schakel het spectrograaf systeem in en start de bijbehorende besturingssoftware. De digitale camera vereist ongeveer 10 minuten om een temperatuur van-70 °C te bereiken.Opmerking: sommige digitale camera’s vereisen koeling om ruis te verminderen voordat ze volledig operationeel worden. Selecteer de spectrograaf roosters. Een 900 LN/mm 550 Blaze rooster werd gebruikt.Opmerking: het rooster definieert het golflengtebereik en de spectrale resolutie binnen het gebruikte spectrograaf systeem, met een spectrale resolutie van < 1 nm die nodig is voor piek identificatie. De geselecteerde roosters geven een golflengtebereik van ongeveer 140 nm en een resolutie van 0,6 nm. Kalibreer de spectrograaf tegen een bekende kalibratie bron, zoals een kwik-argon-lamp. Plaats het rooster in de uitgangspositie onderaan het vooraf geselecteerde golflengtebereik. Hier werd het rooster gepositioneerd op 450 nm en gaf een bereik van 450 nm tot 590 nm. Schakel de kalibratie bron in en plaats deze tegen het open uiteinde van de glasvezelkabel. Pas de belichting van de camera via de besturingssoftware aan op een geschikte tijd om een goed onverzadigd signaal te bereiken, zoals een blootstelling van 0,1 s. Pas de gleuf via de besturingssoftware aan om de spectrale pieken te verscherpen indien nodig of, in sommige gevallen, kan de positie van de detector ook worden aangepast om het signaal te optimaliseren. Er werd een spleet van 100 μm gebruikt.Opmerking: de spleet moet worden ingesteld op een minimale waarde om de verbreding van de atomische lijnen te verminderen als gevolg van diffractie van licht bij de spleet, met waarden tot 20 μm vaak gebruikt. Een smalle spleet zal echter ook het signaal verminderen en er kan een evenwicht gevonden worden tussen lichtintensiteit en scherpte van pieken. Noteer de spectra van de kalibratie bron en Identificeer het pixel nummer op het resulterende camerabeeld waarop de pieken zich bevinden. Plot de positie van het pixel nummer voor elke piek tegen de bekende golflengte van elke piek die wordt geleverd met de kalibratie bron en pas een rechte lijn aan om een vergelijking te afleiden die de conversie van pixels naar golflengte mogelijk maakt. Een voorbeeld hiervan voor drie bekende Mercury-atoom lijnen wordt geïllustreerd in Figuur 7. Pas de kalibratie toe op deze rooster positie voordat u naar de volgende beweegt. Voor sommige spectrograaf systemen kan de conversie van het pixel nummer naar de golflengte op de software worden toegepast met behulp van een kalibratie bestand. Plaats het rooster voor de volgende subbereik en herhaal de bovenstaande stappen. Hier werd de rooster volgende gepositioneerd tot 550 nm, waardoor een bereik van 550 nm tot 690 nm resulteerde, resulterend in een overlapping van 40nm met het vorige golflengtebereik.Opmerking: de breedte van het overlappings gebied moet voldoende zijn om de herkenning van trends aan het einde van het eerste bereik en het begin van het tweede bereik voor de latere stap en het lijmproces mogelijk te maken. Herhaal de bovenstaande stappen voor alle rooster posities. Dit werd herhaald tot 890 nm werd bereikt.Opmerking: kalibratie bronnen, meestal een lamp met bekende spectrale pieken, worden meestal voorzien van spectrograaf systemen en de fabrikant zal meer details kunnen geven over hoe kalibratie kan worden gerealiseerd. Selecteer spectrograaf parameters om de gegenereerde bliksem boog op te nemen. Pas indien nodig de gleuf aan. Stel de belichtingstijd van de camera in om ervoor te zorgen dat de hele Lightning-gebeurtenis wordt vastgelegd. Houd rekening met de trigger tijd en eventuele vertragingen in een in de Lightning-generator of spectrograaf bij het instellen van deze parameter. Voor de bliksem generator bij MBLL werd een belichtingstijd van 5 s gebruikt.Opmerking: een langere belichtingstijd verhoogt de geluidsniveaus en de waarschijnlijkheid van artefacten, zoals kosmische stralen, dus er moeten inspanningen worden gedaan om dit tot een minimum te beperken. De tijd moet echter ook voldoende zijn om rekening te kunnen worden gehouden met enige onzekerheid in de activering van het gegenereerde bliksem boog-of spectrograaf systeem om ervoor te zorgen dat de hele gebeurtenis wordt vastgelegd. Verander de spectrograaf systeemmodus om een trigger van de bliksem generator te ontvangen. Er werd een 5 V TTL-signaal gebruikt om de camera 2,5 s te activeren voordat de bliksem boog werd geïnitieerd. 4. een experiment uitvoeren Bereid de bliksem generator. Zorg ervoor dat alle lichten uit zijn en dat de kamers, waar relevant, gesloten zijn om een lichte omgeving te garanderen. Schakel de Lightning-generator in. Elke bliksem testfaciliteit zal een eigen protocol hebben voor de voorbereiding en inschakeling. Bij MBLL wordt het gebied gewist van het personeel en zijn de relevante veiligheidsinrichtingen ingeschakeld voordat de bliksem generator kan worden geactiveerd. Selecteer de relevante bliksem golfvorm en laad de gewenste piekstroom op. Een typische 54 KV, 100 ka piek kritisch gedempt oscillerende 100 μs piek 18/40 μs golfvorm werd gebruikt. Verkrijg spectra van meerdere gegenereerde Lightning-gebeurtenissen Plaats het spectrograaf rooster op de startpositie en neem een achtergrondafbeelding met dezelfde parameters als voor de blikseminslag. Dit kan een gemiddelde zijn van verschillende achtergrondafbeeldingen. Bij de instelling van 450 nm werd een blootstelling van 5 s met een spleet van 100 μm gebruikt. Zorg ervoor dat het spectrograaf systeem klaar is om te worden geactiveerd om de spectra met de juiste instellingen op te nemen. Bij de instelling van 450 nm werd een blootstelling van 5 s met een spleet van 100 μm gebruikt. Laad de bliksem generator op en activeer het bliksem evenement, dat ook de spectrograaf activeert. Noteer de output spectrale gegevens. Controleer de spectroscopische gegevens op eventuele interferentie. Spectrografen zijn af en toe gevoelig voor gegevens pieken veroorzaakt door kosmische straling of andere artefacten veroorzaakt door niet-responsieve of dode pixels. Er moeten inspanningen worden gedaan om dergelijke interferentie te verwijderen en sommige spectrografen hebben software die dit kan doen. Een alternatief is om de gegevens te negeren en het experiment te herhalen. Figuur 8 toont een voorbeeld van het verschil tussen gegevens met en zonder kosmische stralings piek. Reinig de elektroden van eventuele verontreiniging indien nodig door afvegen met alcohol of, indien verontreinigd, door stap 2,2 te herhalen. Herhaal stap 4.2.2 tot en met 4.2.5 totdat er vier sets spectroscopische gegevens voor het bereik van 450 nm zijn bereikt. Plaats het spectrograaf rooster tot 550 nm en herhaal de stappen 4.2.1 tot en met 4.2.6 tot er vier sets spectrograaf gegevens voor het bereik van 550 nm zijn bereikt.Opmerking: het aantal herhaalde stappen moet voldoende zijn om een afwijking van de shot-naar-shot te berekenen die wordt gezien in de gegenereerde bliksem boog. Herhaal het bovenstaande totdat alle gegevenssets zijn verzameld om de maximale golflengte waarde van 890 nm te bereiken, wat resulteert in zestien sets met spectrale gegevens. Als er significante variatie is in de spectra van elke subbereik bij dezelfde bliksem stroomgenerator instellingen, bijvoorbeeld in de intensiteit van de atomaire lijnen, dan kunnen de experimenten in elke fase meer dan vier keer worden herhaald. Het doel hiervan is om het effect van enige eenmalige anomalieën te minimaliseren en de shot-naar-shot variatie van de bliksem generator en de Lightning Free Arc te gemiddelde. Als er een verschil in Spectra bij dezelfde bliksem stroomgenerator instellingen, dan is de experimentele Setup moet mogelijk worden beoordeeld op verontreinigingen. 5. nabewerkings gegevens Voor de nabewerking en analyse van gegevens, selecteert u een spreadsheet softwaretoepassing met berekenings mogelijkheden. Dergelijke software is op grote schaal beschikbaar. Verwijder de achtergrondgegevens die in stap 4.2.1 zijn verkregen uit elke relevante gegenereerde Lightning Spectra-gegevens. Het gemiddelde van de 450 nm achtergrondgegevens wordt afgetrokken van iedere 450 nm gegenereerde Spectra Data, het gemiddelde van de 550 nm gegevens wordt afgetrokken van elke 550 nm gegenereerde Lightning Spectra Data, enzovoort. Een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 9. Gemiddeld elke afzonderlijke set gegevens voor elk golflengtebereik. Dit wordt geïllustreerd in afbeelding 10 , waar de 4 450 nm-gegevenssets gemiddeld zijn. Gebruik het overlappende gebied om opeenvolgende Spectra gegevens uit te lijnen en vervolgens het overlappende gebied te gemiddelde. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 11 , die de gemiddelde 450 nm-en 550 nm-gegevens weergeeft.Opmerking: de uitlijning en het gemiddelde van het overlappende gebied zal fouten introduceren en het kan nodig zijn om een relatieve intensiteit-kalibratie uit te voeren voor het volledige spectrum met bijvoorbeeld een Tungsten Ribbon-lamp. Correct voor glasvezel demping en kwantum efficiëntie. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 12.Opmerking: een nauwkeurigere correctie kan worden bereikt door een gekalibreerde lamp te gebruiken om de lichttransmissie voor elke subrange te meten. In dit geval kan de correctie vóór het BIND proces worden toegepast. De definitieve gegevens presenteren als een grafische weergave of een intensiteits plot, zoals weergegeven in Figuur 13. 6. gegevens analyseren Identificeer de karakteristieke spectrale pieken. Sommige spectrograaf systemen zullen software bevatten die automatisch element pieken zal identificeren. Zorg moet worden genomen, vooral met gestikte gegevens, dat de piek locaties correct zijn. Handmatige piek-identificatie kan worden gedaan met behulp van openbaar beschikbare databases, zoals24. Zorg moet worden genomen om de sterkste (relatieve intensiteit) pieken van de laagste ionisatie niveaus eerst (dat wil zeggen, i, dan II, dan III) één element tegelijk. Problemen bij het nauwkeurig identificeren van pieken of het uitlijnen ervan kunnen het gevolg zijn van kalibratie problemen of verkeerde uitlijningen in de optiek. Evalueer de positie van de optiek in het optiek chassis en herhaal stap 3.Opmerking: de hoge energie van de gegenereerde bliksemschichten zal leiden tot verbreding van de atoom emissie lijnen door het grimmige effect en de betrouwbare identificatie van alle lijnen is mogelijk niet mogelijk.

Representative Results

Een representatieve bliksem intensiteit tegen golflengte plot voor een 100 ka piek kritisch gedempt oscillerende 100 μs piek 18/40 μs golfvorm, over een luchtspleet tussen een paar 60 mm diameter wolfraam elektroden gepositioneerd 14 mm uit elkaar, wordt gegeven in Figuur 14. Deze gegevens bestaan uit vier sets van 4 140 nm middelverouderde gegevenssegmenten samen gestikt en gecorrigeerd voor achtergrondgeluid, Fiber Optic demping, en de digitale camera quantum efficiency. Deze gegevens zijn omgezet in een intensiteits plot, zoals weergegeven in afbeelding 15. Prominente pieken zijn handmatig geïdentificeerd door vergelijking met een gevestigde database, zoals weergegeven in afbeelding 16. Figuur 1 : Gegenereerde Lightning Arc-profiel. De opgenomen spoor van een typische 100 kA piek kritisch gedempt oscillatory, 100 μs duur, 18/40 μs gegenereerde bliksem golfvorm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2 : Experimentele Setup. Een schematische voorstelling van de experimentele opstelling (niet op schaal), waarbij licht van een gegenereerde bliksem boog tussen twee elektroden wordt getransporteerd via een glasvezel optiek naar het spectroscopische systeem, bestaande uit een optiek chassis en een digitale camera. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3 : Spectrograph-instelling. Een schematische weergave van het spectrograaf systeem (niet op schaal), waarbij licht van de glasvezel wordt omgezet in een spectrum, via een rooster, dat vervolgens wordt opgenomen door een digitale camera. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 4 : Spectrale gegevens sorteren, verwerken en presenteren. Een illustratie van de stappen die worden gebruikt om gegevens te verzamelen, te gemiddelde, te steken en te corrigeren om een breed spectrum van hoge resolutie te bereiken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5 : Elektrode configuratie. Een afbeelding van de twee halfronde wolfraam elektroden met een diameter van 6 mm, bevestigd aan koperen bevestigingen, gepositioneerd op 14 mm van elkaar binnen de Lightning rig. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 6 : Fiber Optic configuratie. Een afbeelding van de vezel optiek die op dezelfde hoogte en op een afstand van 2 m van de gemonteerde elektroden is geplaatst. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 7 : Kalibratie met golflengte. a) eentabel van drie bekende kwik lijnen tegen het pixel nummer waarop ze zijn gemeten, en (b) een plot van elk punt (kruisen) en een rechte lijn (onderbroken lijn) met een vergelijking (inzet) waardoor pixels kunnen worden omgezet in golflengte. Dit wordt gedaan voor meerdere bekende atomische lijnen over het gehele golflengtebereik. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 8 : Kosmische straal interferentie. Spectrale gegevens van een 100 kA-laboratorium gegenereerde bliksem boog in het bereik van 550 nm tot 690 nm met: (a) gegevens zonder kosmische straal interferentie, en (b) en (c) gegevens met karakteristieke kosmische straal pieken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 9 : Aftrekken van achtergrond. Spectrale gegevens van een 100 kA-laboratorium gegenereerde blikseminslag in het bereik van 550 nm tot 690 nm met: (a) gemiddelde achtergrondgegevens, (b) onbewerkte gegevens, en (c) gegevens met een gemiddelde achtergrond die wordt afgetrokken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 10 : Middelings gegevens. Spectrale gegevens van een 100 ka-laboratorium gegenereerde blikseminslag in het bereik van 550 nm tot 690 nm met: (a-d) individuele gegevens en (e) gemiddelde gegevens. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 11 : Stik gegevens. Spectrale gegevens van een 100 kA-laboratorium gegenereerde blikseminslag met: (a) het bereik van 550 nm tot 690 nm, (b) het bereik van 650 tot 790 nm, en (c) de twee overlegde gegevenssets met een overlap van 650 nm tot 690 nm. Het overlappings gebied wordt dan gemiddeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 12 : Gegevens corrigeren. Percelen in de 450 nm tot 890 nm golflengtebereik voor (a) vezel demping, en (b) spectrograaf camera kwantum efficiëntie geleverd door de respectieve fabrikanten. Deze worden gebruikt om de gestikte spectrale gegevens dienovereenkomstig te corrigeren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 13 : Presenteren van gegevens. Voorbeelden van (a) een grafisch gegevens plot en (b) een intensiteits plot dat het spectrum weergeeft van een 100 ka-laboratorium dat bliksem boog heeft gegenereerd in het golflengte bereik van 550 nm tot 790 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 14 : Typische grafische gegevens. Een typische gemiddelde, gestikte en gecorrigeerde grafische plot in de 450 nm tot 890 nm golflengte bereik voor een 100 kA laboratorium gegenereerde bliksem boog. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 15 : Typische intensiteits plot. Een typische gemiddelde, gestikt en gecorrigeerde intensiteit plot in de 450 nm tot 890 nm golflengtebereik voor een 100 kA laboratorium gegenereerde bliksem boog. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 16 : Identificatie van het chemische element. Een illustratie van de identificatie van de spectrale lijn van chemische elementen voor de eerste orde ionisatie niveaus met behulp van een openbaar beschikbare database24. Elementen in de lucht (stikstof, zuurstof, argon, helium) en in de elektrode (wolfraam) zijn geïdentificeerd. Dit spectrum is bijna identiek aan die in verwijzing14 omdat het dezelfde apparatuur gebruikt om hetzelfde type bliksem boog te analyseren. Dit cijfer is aangepast uit verwijzing14. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

Spectroscopie is een handig hulpmiddel voor het identificeren van reacties van chemische elementen tijdens zowel natuurlijke als gegenereerde blikseminslag. Gezien een voldoende nauwkeurige en reproduceerbare experimentele opstelling, kan verdere analyse van de gegevens een verscheidenheid aan andere bliksem eigenschappen onthullen. Het is bijvoorbeeld gebruikt om te controleren of de spectra van door het laboratorium gegenereerde bliksem bogen spectraaal lijken op natuurlijke bliksem en dat de toevoeging van andere materialen in de bliksem boog dit spectrum aanzienlijk kan veranderen14. De methode kan ook worden gebruikt voor andere lichtuitstralende gebeurtenissen zoals snelle elektrische ontladingen, gedeeltelijke lozingen, vonken en andere gerelateerde verschijnselen in hoogspannings systemen, waarbij de gelijktijdige identificatie van meerdere atomaire lijnen of elementen in een breed spectrum is belangrijk.

De meest kritieke stap is om ervoor te zorgen dat de juiste parameters worden gebruikt bij het instellen van de spectrograaf, zoals de spleet-, roosters-en camera-instellingen, om de best mogelijke gegevens te verkrijgen, resulterend in sterke, scherpe spectrale pieken. Er moeten inspanningen worden geleverd om er ook voor te zorgen dat de detector niet verzadigd is bij het optimaliseren van het signaal. De positie van de vezel kan ook worden aangepast en/of collimated om de lichtintensiteit te verbeteren, en ervoor te zorgen dat elk strooilicht dat geen deel uitmaakt van het Lightning-evenement, wordt geëlimineerd of verwijderd als onderdeel van het achtergrond beeldvormings proces. Dit kan enige trial and error duren. Het vermogen van de bliksem generator gebruikt om dezelfde bliksem gebeurtenis nauwkeurig te reproduceren met minimale variatie, of om te begrijpen waar eventuele variaties vandaan kunnen komen, zodat ze kunnen worden gecontroleerd, is belangrijk bij het verkrijgen van betrouwbare en herhaalbare spectroscopische Resultaten.

Er kunnen wijzigingen worden aangebracht in deze opstelling om verschillende delen van het elektromagnetische spectrum verder in de UV-en IR-banden te beoordelen, waar de beeldvormingstechnologie dit toelaat en afhankelijk van het type gebeurtenis dat wordt afgebeeld. Het uitbreiden van het golflengtebereik onder 450 nm kan bijvoorbeeld verdere atoom-en moleculaire lijnen onthullen, zoals emissies van NO en OH radicalen. Het aanpassen van de spectrograaf roosters om een lagere resolutie te geven over een breder bereik kan helpen om interessante functies te identificeren, die vervolgens kunnen worden geanalyseerd met behulp van een hogere resolutie smaller bereik rooster.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het volledig niet-opdringerig is, dus het vereist geen wijziging van de bliksem generator. Door het licht te transporteren via een glasvezel, wordt de hoeveelheid elektrische interferentie uit de harde elektromagnetische omgeving gereduceerd, welke andere systemen, zoals camera’s, kunnen ondervinden als ze niet voldoende afgeschermd zijn. Dit betekent dat de gegevens van een spectrograaf mogelijk veel lager geluid en minder interferentie dan andere instrumenten hebben. Deze specifieke techniek wordt beperkt door het gebrek aan tijdresolutie en het daaropvolgende gebrek aan verdere karakterisering van de bliksem boog. Bijvoorbeeld, High-Speed spectrografen bestaan die kunnen produceren tijd opgeloste spectrale gegevens die leiden tot temperatuur en elektronen dichtheidsmetingen.

Er wordt verwacht dat spectroscopie een belangrijk instrument zal worden, naast andere diagnostische instrumentatie, in het begrijpen van laboratorium gegenereerde bliksem bogen. Het zal gratis informatie over kenmerkende Lightning-gebeurtenis handtekeningen bijdragen en worden gebruikt om de reactieve chemische elementen in de boog te identificeren. Verdere ontwikkeling van deze techniek kan ook leiden tot het afleiden van aanvullende kenmerken.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs erkennen dankbaar de financiële steun van het Sêr Cymru National Research Network in Advanced Engineering en Materials (NRN073) en innoveren UK via het Aerospace Technology Institute (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
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