Méthode d'enregistrement des spectres d'émission à haute résolution à large bande des arcs de foudre de laboratoire

1. Sélection de la plage de longueur d’onde La plage de longueur d’onde de la foudre à observer doit d’abord être sélectionnée. 450 nm à 890 nm ont été sélectionnés.REMARQUE: Cela sera limité par la configuration du laboratoire, la plage spectrale telle que définie par l’angle flamboyant de la grille, et la sensibilité de la caméra. 2. Préparation des électrodes Choisissez un matériau d’électrode approprié. Une paire d’électrodes hémisphériques de tungstène de 60 mm de diamètre fixées aux montages en cuivre a été choisie, comme l’illustre la figure 5.REMARQUE : Tout matériau avec lequel l’arc de foudre interagit émettra un spectre, y compris l’électrode, et il est important de minimiser cette interférence. Cependant, cela doit être équilibré par rapport à la capacité du matériau de l’électrode à résister à des éclairs répétés avec un minimum de dommages pendant l’expérimentation. Pour le tungstène, bon nombre de ses lignes d’émission dans la plage de longueur d’onde choisie ne sont visibles qu’entre 450 nm et 590 nm et se distinguent largement d’un spectre de foudre attendu. C’est également un matériau très dur qui est couramment utilisé dans l’expérimentation à haute tension et à haut courant. Nettoyez et polissez les électrodes pour éliminer les contaminants. Tout matériau avec lequel l’arc de foudre interagit émettra un spectre, y compris celui de tous les contaminants. Il est donc important de s’assurer que les électrodes sont exemptes de contaminants afin de s’assurer qu’il n’y a pas de lignes spectrales erronées. Frotter l’électrode avec du papier de verre grossier pendant 5 min, le placer dans un bain d’eau sonore à température ambiante pendant 10 min, puis essuyer avec un chiffon sans papier pour desserrer et enlever les contaminants. Utilisez toujours des gants lors de la manipulation de l’électrode pour éviter la recontamination. Répétez ce qui précède généralement dix à quinze fois avec des grades décroissants de papier de verre, tissu d’émeri, puis polir les chiffons jusqu’à ce qu’une bonne finition de vernis est atteint. Des grades de papier de verre et de tissu de 240 à 8 000 ont été utilisés. Montez les électrodes à l’intérieur de la plate-forme de foudre en établissant une distance appropriée entre eux. Ici, les électrodes sont montées dans la plate-forme de foudre à 14 mm l’une de l’autre, comme le montre la figure 5.REMARQUE : Différentes installations d’essai de foudre ont différentes tensions opérationnelles, ainsi la distance entre les électrodes devrait être telle qu’une panne d’air se produira quand le générateur d’impulsion de foudre est déclenché. 3. Préparation du spectrographe Placez le spectrographe dans un boîtier indépendant classé EMI, tel qu’illustré à la figure 2. Idéalement, la plate-forme de foudre et le spectrographe devraient être logés dans des enceintes EMI séparées. Sélectionnez et installez la fibre optique. La fibre choisie était une fibre optique de 8 m de long et installée entre les deux chambres EMI. Choisissez une fibre optique avec de bonnes propriétés de transmission dans la plage de longueur d’onde prédéfinie à observer, c’est-à-dire entre 450 nm et 890 nm. Notez l’efficacité de transmission par rapport aux données de longueur d’onde car elles seront utilisées pour le post-traitement des données. Ceci est souvent fourni par le fabricant bien que, idéalement, il devrait être mesuré à l’aide d’une lampe calibrée. Connectez une extrémité de la fibre optique au châssis optique dans un arrangement étanche à la lumière. Placez l’autre extrémité de la fibre optique pour voir l’arc de foudre entre les électrodes. La lumière d’un laser envoyé à travers le spectromètre en marche arrière peut aider à l’alignement. La fibre optique est positionnée à la même hauteur que le centre de l’écart d’électrode à 2 m, comme le montre la figure 6. Ajustez la quantité de lumière atteignant la caméra si nécessaire pour minimiser toute saturation. Un collimateur est utilisé, ce qui réduit l’angle de vision de la fibre optique à 0,12 degrés, ce qui donne une taille ponctuelle de 4,2 mm à la position de l’arc de foudre pour une longueur totale de l’arc de 14 mm, réduisant la lumière d’environ un quart.REMARQUE : L’intensité de la lumière atteignant la caméra peut alternativement être ajustée en modifiant la distance entre la source lumineuse et la fibre optique, en ajustant la coupe, ou en utilisant un filtre de densité neutre. Allumez le système spectrographe et démarrez le logiciel de contrôle associé. L’appareil photo numérique nécessite environ 10 min pour atteindre une température de -70 oC.REMARQUE : Certains appareils photo numériques nécessitent un refroidissement pour réduire le bruit avant qu’ils ne deviennent pleinement opérationnels. Sélectionnez le grille spectrographe. Une grille de feu 900 ln/mm 550 a été utilisée.REMARQUE : La grille définit la plage de longueur d’onde et la résolution spectrale dans le système spectrographe utilisé, avec une résolution spectrale de 1 nm requis pour l’identification de pointe. La grille sélectionnée donne une plage de longueur d’onde d’environ 140 nm et une résolution de 0,6 nm. Calibrer le spectrographe contre une source d’étalonnage connue, comme une lampe Mercury-Argon. Placez la grille dans sa position de départ au bas de la plage de longueur d’onde présélectionnée. Ici, la grille a été positionnée à 450 nm donnant une portée de 450 nm à 590 nm. Allumez la source d’étalonnage et placez-la contre l’extrémité ouverte de la fibre optique. Ajustez l’exposition de la caméra via le logiciel de contrôle à un moment approprié pour obtenir un bon signal insaturé, comme une exposition de 0,1 s. Ajuster la fendu via le logiciel de contrôle pour aiguiser les pics spectraux si nécessaire ou, dans certains cas, la position du détecteur peut également être ajustée pour optimiser le signal. Une élitde de 100 m a été utilisée.REMARQUE : La fendu doit être réglé à une valeur minimale pour diminuer l’élargissement des lignes atomiques en raison de la diffraction de la lumière à la fendu, avec des valeurs allant jusqu’à 20 m souvent utilisés. Cependant, une élitage étroit réduira également le signal et un équilibre peut être nécessaire entre l’intensité lumineuse et la netteté des pics. Enregistrez les spectres de la source d’étalonnage et identifiez le nombre de pixels sur l’image de la caméra qui en résulte et où les pics se produisent. Tracer la position du nombre de pixels pour chaque pic par rapport à la longueur d’onde connue de chaque pic fourni avec la source d’étalonnage et s’adapter à une ligne droite pour dériver une équation qui permettra la conversion des pixels en longueur d’onde. Un exemple de ceci pour trois lignes atomiques connues de Mercure est illustré dans la figure 7. Appliquer l’étalonnage à cette position de grille avant de passer à la suivante. Pour certains systèmes spectrographiques, la conversion du nombre de pixels en longueur d’onde peut être appliquée au logiciel à l’aide d’un fichier d’étalonnage. Placez la grille pour la prochaine sous-gamme et répétez les étapes ci-dessus. Ici, la grille a été ensuite positionné à 550 nm donnant une portée de 550 nm à 690 nm résultant en un chevauchement de 40nm avec la plage de longueur d’onde précédente.REMARQUE : La largeur de la région de chevauchement doit être suffisante pour permettre la reconnaissance des tendances à la fin de la première plage et au début de la deuxième plage pour l’étape ultérieure et le processus de colle. Répétez les étapes ci-dessus pour toutes les positions de râpage. Cela a été répété jusqu’à ce que 890 nm a été atteint.REMARQUE : Les sources de calibration, généralement une lampe avec des pics spectraux connus, sont habituellement fournies avec des systèmes de spectrographe et le fabricant sera en mesure de fournir plus de détails sur la façon dont l’étalonnage peut être réalisé. Sélectionnez les paramètres spectrographes pour enregistrer l’arc de foudre généré. Ajustez la fendue plus loin si nécessaire. Définir le temps d’exposition de la caméra pour s’assurer que l’ensemble de l’événement de foudre est capturé; tenir compte du temps de déclenchement et des retards dans le générateur de foudre ou le spectrographe lors de la définition de ce paramètre. Pour le générateur de foudre à MBLL, un temps d’exposition de 5 s a été utilisé.REMARQUE : Un temps d’exposition plus long augmentera les niveaux de bruit et la probabilité d’artefacts, tels que les rayons cosmiques, de sorte que des efforts devraient être faits pour garder ceci à un minimum. Cependant, le temps doit également être suffisant pour tenir compte de toute incertitude dans le déclenchement de l’arc de foudre généré ou du système spectrographe pour s’assurer que l’événement entier est capturé. Changer le mode système spectrographe pour recevoir un déclencheur du générateur de foudre. Un signal TTL de 5 V a été utilisé pour déclencher la caméra 2.5 s avant que l’arc de foudre a été lancé. 4. Exécution d’une expérience Préparer le générateur de foudre. Assurez-vous que toutes les lumières sont éteintes et que les chambres sont fermées le cas échéant afin d’assurer un environnement étanche à la lumière. Allumez le générateur de foudre. Chaque installation d’essai de foudre aura son propre protocole pour la préparation et l’allumage. À MBLL, la zone est dégagée du personnel et les dispositifs de sécurité pertinents sont engagés avant que le générateur de foudre puisse être activé. Sélectionnez la forme d’onde de foudre pertinente et chargez au courant de pointe requis. Un pic oscillatoire typique de 54 kV et 100 kA a été amorti de façon critique 100 degrés de pointe 18/40. Acquérir des spectres à partir d’événements éclairmultiples générés Placez le spectrographe à la grille à sa position de départ et prenez une image de fond en utilisant les mêmes paramètres que pour la foudre. Il peut s’agit d’une moyenne de plusieurs images de fond. Une exposition de 5 s avec une pari de 100 m a été utilisée au réglage de 450 nm. Assurez-vous que le système spectrographe est prêt à être déclenché pour enregistrer les spectres avec les réglages corrects. Une exposition de 5 s avec une pari de 100 m a été utilisée au réglage de 450 nm. Chargez le générateur de foudre et déclenchez l’événement de foudre, qui déclenchera également le spectrographe. Enregistrez les données spectrales de sortie. Vérifiez les données spectroscopiques pour toute interférence. Les spectrographes sont parfois sujets à des pics de données causés par le rayonnement cosmique ou d’autres artefacts causés par des pixels non réactifs ou morts. Des efforts devraient être faits pour supprimer ces interférences et certains spectrographes ont un logiciel qui peut le faire. Une alternative consiste à ignorer les données et à répéter l’expérience. La figure 8 montre un exemple de la différence entre les données avec et sans pic de rayonnement cosmique. Nettoyez les électrodes de toute contamination si nécessaire en essuyant avec de l’alcool ou, si elle est contaminée, en répétant l’étape 2.2. Répéter les étapes 4.2.2 à 4.2.5 jusqu’à ce que quatre séries de données spectroscopiques pour la gamme de 450 nm aient été réalisées. Positionnez le spectrographe à 550 nm et répétez les étapes 4.2.1 à 4.2.6 jusqu’à ce que quatre séries de données spectrographiques pour la plage de 550 nm aient été réalisées.REMARQUE : Le nombre d’étapes répétées doit être suffisant pour faire la moyenne de toute variance de tir à tir observée dans l’arc de foudre généré. Répétez ce qui précède jusqu’à ce que tous les ensembles de données ont été collectés pour atteindre la valeur de longueur d’onde maximale de 890 nm, résultant en seize ensembles de données spectrales. S’il y a une variation significative des spectres de chaque sous-gamme aux mêmes paramètres de générateur de courant de foudre, par exemple, dans l’intensité des lignes atomiques, alors les expériences à chaque étape peuvent devoir être répétées plus de quatre fois. Le but de ceci est de minimiser l’effet de toutes les anomalies ponctuelles et de faire la moyenne de la variation de tir à tir du générateur de foudre et de l’arc sans éclair. S’il y a une différence dans les spectres aux mêmes paramètres de générateur de courant de foudre, alors la configuration expérimentale peut devoir être évaluée pour des contaminants. 5. Données post-traitement Pour le post-traitement et l’analyse des données, sélectionnez une application logicielle de tableur intégrant des capacités de calcul. Un tel logiciel est largement disponible. Soustrayez les données de fond acquises à l’étape 4.2.1 de chaque données de spectre s’enliqua générées. La moyenne des données de fond de 450 nm est soustraite de chaque données spectrales générées par 450 nm, la moyenne des données de 550 nm est soustraite de chaque données de spectre s’éclairant générée s’agit de 550 nm, et ainsi de suite. Un exemple de cela est montré dans la figure 9. Moyenne de chaque ensemble de données pour chaque plage de longueur d’onde. Ceci est illustré à la figure 10 où les quatre ensembles de données de 450 nm sont en moyenne. Utilisez la région qui se chevauche pour aligner les données spectrales consécutives, puis faites la moyenne de la région qui se chevauche. Ceci est illustré à la figure 11 qui montre les données moyennes de 450 nm et 550 nm.REMARQUE : L’alignement et la moyenne de la région qui se chevauchent entraîneront des erreurs et il peut être nécessaire d’effectuer un étalonnage de l’intensité relative pour le spectre complet à l’aide, par exemple, d’une lampe à ruban de tungstène. Corriger pour l’atténuation de la fibre optique et l’efficacité quantique. Ceci est illustré à la figure 12.REMARQUE : Une correction plus précise peut être obtenue en utilisant une lampe calibrée pour mesurer la transmission de la lumière pour chaque sous-gamme. Dans ce cas, la correction peut être appliquée avant le processus de couture. Présenter les données finales sous la forme d’une représentation graphique ou d’une parcelle d’intensité, comme le montre la figure 13. 6. Analyse des données Identifiez les pics spectrals caractéristiques. Certains systèmes spectrographiques incluront un logiciel qui identifiera automatiquement les pics d’éléments. Il faut prendre soin, en particulier avec les données cousues, que les emplacements de pointe sont corrects. L’identification de pointe manuelle peut être faite à l’aide de bases de données accessibles au public, telles que24. Il faut prendre soin de s’adapter aux pics les plusforts (intensité relative) des niveaux d’ionisation les plus bas d’abord (c.-à-d., I, puis II, puis III) un élément à la fois. Les problèmes d’identification précise des pics ou de les aligner peuvent être dus à des problèmes d’étalonnage ou à des désalignements dans l’optique. Évaluer la position de l’optique dans le châssis optique et répéter l’étape 3.REMARQUE : L’énergie élevée des arcs de foudre générés entraînera l’élargissement des lignes d’émission atomique en raison de l’effet Stark et l’identification fiable de toutes les lignes peut ne pas être possible.