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Engineering

Verfahren zur Aufzeichnung von Breitband-Emissionsspektren von Laborblitzen

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

Summary

Emissionsspektroskopie-Techniken werden traditionell verwendet, um inhärent zufällige Blitzbögen zu analysieren, die in der Natur vorkommen. In diesem Papier wird ein Verfahren beschrieben, das entwickelt wurde, um die Emissionsspektroskopie aus reproduzierbaren Blitzbögen zu erhalten, die in einer Laborumgebung erzeugt werden.

Abstract

Blitz ist eine der häufigsten und zerstörerischsten Kräfte in der Natur und wird seit langem mit spektroskopischen Techniken untersucht, zuerst mit traditionellen Kamerafilmmethoden und dann mit Digitalkamera-Technologie, von der mehrere wichtige Merkmale Abgeleiteten. Allerdings war diese Arbeit aufgrund der inhärent zufälligen und nicht wiederholbaren Natur natürlicher Blitzereignisse auf dem Feld immer begrenzt. Jüngste Entwicklungen in Blitzprüfanlagen ermöglichen nun die reproduzierbare Erzeugung von Blitzlichtbögen in kontrollierten Laborumgebungen und bieten ein Prüfstand für die Entwicklung neuer Sensoren und Diagnosetechniken zum Verständnis von Blitzen. Mechanismen besser. Eine solche Technik ist ein spektroskopisches System mit Digitalkamera-Technologie, das in der Lage ist, die chemischen Elemente zu identifizieren, mit denen der Blitzbogen interagiert, wobei diese Daten dann verwendet werden, um weitere Eigenschaften abzuleiten. In diesem Papier wird das spektroskopische System verwendet, um das Emissionsspektrum von einem 100 kA Peak zu erhalten, 100 s Dauer Blitzlichtbogen über ein Paar von halbkugelförmigen Wolframelektroden durch einen kleinen Luftspalt getrennt erzeugt. Um eine spektrale Auflösung von weniger als 1 nm zu erhalten, wurden mehrere einzelne Spektren über diskrete Wellenlängenbereiche aufgezeichnet, gemittelt, genäht und korrigiert, um ein endgültiges Zusammengesetztsspektrum im Bereich von 450 nm (blaues Licht) bis 890 nm (nahes Infrarotlicht) zu erzeugen. Charakteristische Spitzen innerhalb der Daten wurden dann mit einer etablierten öffentlich zugänglichen Datenbank verglichen, um die Wechselwirkungen mit chemischen Elementen zu identifizieren. Diese Methode ist leicht anwendbar auf eine Vielzahl anderer Lichtemittierungsereignisse, wie schnelle elektrische Entladungen, Teilentladungen und Funkeninn in elektrischen Geräten, Geräten und Systemen.

Introduction

Blitz ist eine der häufigsten und zerstörerischsten Kräfte in der Natur, die durch eine schnelle elektrische Entladung gekennzeichnet ist, die als Lichtblitz und gefolgt von Donner gesehen wird. Ein typischer Blitzlichtbogen kann aus einer Spannung von zig Gigavolt und einem durchschnittlichen Strom von 30 kA über einen Bogen von zehn bis hundert Kilometern Länge bestehen, die alle innerhalb von 100 s passieren. Informationen über ihre Eigenschaften ableiten. Viele Techniken wurden mit traditionellen filmbasierten Kameratechniken für die Untersuchung von natürlichen Blitzeinschlägen in den 1960er bis 1980er Jahren etabliert, zum Beispiel1,2,3,4,5 ,6,7und neuerdings moderne digitale Techniken, z.B.8,9,10,11,12, 13 , 14, wurden verwendet, um einen genaueren Einblick in Blitzmechanismen zu geben. Im Laufe der Zeit hat eine solche Arbeit die Fähigkeit gezeigt, nicht nur chemische Elementwechselwirkungenzuidentifizieren 1,14, sondern auch Messungen der Temperatur15,16, Druck5, Partikel- und Elektronendichte5,17, Energie18, Widerstand und internes elektrisches Feld des Lichtbogens8. Studien über natürliche Blitze wurden jedoch immer durch die inhärent unvorhersehbare zufällige und nicht wiederholbare Natur von Blitzereignissen begrenzt.

In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschung darauf, wie Blitze mit der Umgebung interagieren, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, um Flugzeuge im Flug vor direkten Blitzeinschlägen zu schützen. Mehrere große Blitzprüfanlagen wurden daher so konzipiert und gebaut, dass sie die zerstörerischsten Elemente eines Blitzeinschlags nachbilden, nämlich die Strom- und Lieferzeit, jedoch bei einer begrenzten Spannung. Das Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 der Cardiff University kann vier unterschiedliche Blitzwellenformen bis zu 200 kA nach dem entsprechenden Standard20erzeugen. Mit einer solchen Laboreinrichtung können Blitze leicht reproduziert und mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Wiederholbarkeit gesteuert werden, was ein Prüfstand für die Entwicklung neuer Sensoren und Diagnosetechniken bietet, um Blitzinteraktionen und Mechanismen besser21,22,23. Eine solche Technik ist ein kürzlich entwickeltes und installiertes spektroskopisches System14,21, das, wie die spektroskopischen Systeme, die in natürlichen Blitzstudien verwendet werden, im Bereich Ultraviolett (UV) bis Near-Infrared (NIR) arbeitet. Es ist eine nicht-intrusive Methode, die den Blitzlichtbogen nicht stört und weitgehend unbeeinflusst von dem elektromagnetischen Rauschen ist, das während eines Streiks erzeugt wird, im Gegensatz zu den meisten elektronisch basierten Geräten.

Das Spektrographensystem wurde verwendet, um das Spektrum eines typischen laborgenerierten Blitzlichtbogens zu beobachten, der aus einem 100 kA Peak kritisch gedämpften Oszillator, 100 s Dauer, 18/40 s Wellenform über einen Luftspalt zwischen einem Paar von 60 mm Durchmesser Wolfram Elektroden, die durch einen Luftspalt von 14 mm getrennt sind. Eine typische Spur dieser Blitzbogenwellenform ist in Abbildung 1dargestellt. Die Elektroden wurden in einer lichtdichten Kammer (Electromagnetic Impulse, EMI) so positioniert, dass das einzige aufgezeichnete Licht aus dem Blitzlichtbogen selbst stammte, wobei eine kleine Menge dieses Lichts über eine 100 m Durchmesser Glasfaser transportiert wurde, die 2 m entfernt und auf einen Betrachtungswinkel von 0,12° mit einer Spotgröße von 4,2 mm an der Position des Lichtbogens in einer anderen EMI-Kammer, die das Spektrographensystem enthält, (siehe Abbildung 2). Die EMI-Kammern wurden verwendet, um die durch das Blitzereignis verursachten negativen Auswirkungen zu minimieren. Die Lichtoptik wird am lichtdichten Optikgehäuse auf Basis einer Czerny-Turner-Konfiguration mit einer Brennweite von 30 cm beendet, wobei das Licht durch einen verstellbaren 100-m-Schlitz und auf ein 900 ln/mm 550-Flammen-Drehgitter über drei Spiegel auf eine 1.024 x 1.024 Pixel-Digitalkamera, wie in Abbildung 3dargestellt. In diesem Fall ergibt das optische Setup eine spektrale Auflösung von 0,6 nm über einen subrange von ca. 140 nm innerhalb eines ungefähren Gesamtbereichs von 800 nm über UV- bis NIR-Wellenlängen. Die Spektralauflösung wird als Fähigkeit des Spektrographen gemessen, zwei nahe Spitzen zu unterscheiden, und die Position des Teilbereichs innerhalb des gesamten Bereichs kann durch Drehen des Gitters eingestellt werden. Ein wichtiger Bestandteil des Systems ist die Wahl des Beugungsgitters, das den Wellenlängenbereich und die Spektralauflösung vorgibt, wobei ersteres umgekehrt proportional zu letzterem ist. In der Regel ist ein breiter Wellenlängenbereich erforderlich, um mehrere atomare Linien zu lokalisieren, während eine hohe Spektralauflösung erforderlich ist, um ihre Position genau zu messen; dies kann nicht physisch mit einem einzigen Gitter für diese Art von Spektrographen erreicht werden. Daher werden Daten aus mehreren Teilbereichen mit hoher Auflösung an verschiedenen Positionen im UV-zu-NIR-Bereich aufgenommen. Diese Daten werden gestuft und zu einem zusammengesetzten Spektrum zusammengeklebt.

In der Praxis wurde aufgrund von Einschränkungen in der Lichtlichtdurchlässigkeit ein Spektrum-Wellenlängenbereich von 450 nm bis 890 nm aufgezeichnet. Ab 450 nm wurde Licht aus vier unabhängigen erzeugten Blitzbögen aufgezeichnet, Hintergrundgeräusche subtrahiert und dann gemittelt. Der Wellenlängenbereich wurde dann auf 550 nm verschoben, was eine 40 nm-Datenüberlappung mit Licht von vier weiteren erzeugten Blitzbögen ergibt. Dies wurde wiederholt, bis 890 nm erreicht wurden, und die resultierenden gemittelten Daten wurden zusammengenäht, um ein vollständiges Spektrum über den gesamten vordefinierten Wellenlängenbereich zu erstellen. Dieser Prozess ist in Abbildung 4dargestellt. Charakteristische Spitzen wurden dann verwendet, um chemische Elemente durch Vergleich mit einer etablierten Datenbank zu identifizieren24.

In diesem Papier wird das Verfahren der optischen Emissionsspektroskopie beschrieben. Diese Methode ist leicht auf eine Vielzahl anderer Licht emittierender Ereignisse mit minimaler Änderung der Einstellungen des Versuchsaufbaus oder des Spektrographensystems anwendbar. Solche Anwendungen umfassen schnelle elektrische Entladungen, Teilentladungen, Funkenflug und andere verwandte Phänomene in elektrischen Systemen und Geräten.

Protocol

1. Auswahl des Wellenlängenbereichs Der Wellenlängenbereich des zu beobachtenden Blitzes muss zuerst ausgewählt werden. 450 nm bis 890 nm ausgewählt.HINWEIS: Dies wird durch den Laboraufbau, den Spektralbereich, wie er durch den Gleitwinkel des Gitters definiert wird, und die Empfindlichkeit der Kamera eingeschränkt. 2. Vorbereitung der Elektroden Wählen Sie ein geeignetes Elektrodenmaterial. Ein Paar von 60 mm Durchmesser halbkugelförmige Wolframelektroden an Kupfer-Befestigungen befestigt wurde gewählt, wie in Abbildung 5dargestellt.HINWEIS: Jedes Material, mit dem der Blitzbogen interagiert, gibt ein Spektrum aus, einschließlich der Elektrode, und es ist wichtig, diese Interferenzen zu minimieren. Dies sollte jedoch gegen die Fähigkeit des Elektrodenmaterials abgewoneben sein, wiederholten Blitzeinschlägen mit minimalen Schäden während des Experimentierens standzuhalten. Für Wolfram sind viele seiner Emissionslinien innerhalb des gewählten Wellenlängenbereichs nur zwischen 450 nm und 590 nm sichtbar und unterscheiden sich weitgehend von einem erwarteten Blitzspektren. Es ist auch ein sehr hartes Material, das häufig in Hochspannungs- und Hochstromexperimenten verwendet wird. Reinigen und polieren Sie die Elektroden, um Verunreinigungen zu entfernen. Jedes Material, mit dem der Blitzbogen interagiert, wird ein Spektrum aussenden, einschließlich des Spektrums von Verunreinigungen. Es ist daher wichtig, sicherzustellen, dass die Elektroden unbedenklich frei sind, um keine fehlerhaften Spektrallinien zu gewährleisten. Reiben Sie die Elektrode mit grobem Schleifpapier für 5 min, legen Sie es in ein Schallwasserbad bei Raumtemperatur für 10 min, dann wischen Sie mit einem fusselfreien Tuch zu lösen und entfernen Sie alle Verunreinigungen. Verwenden Sie beim Umgang mit der Elektrode immer Handschuhe, um eine Rekontamination zu vermeiden. Wiederholen Sie die oben genannten in der Regel zehn bis fünfzehn Mal mit abnehmenden Qualitäten von Schleifpapier, Schlacke tuch, und dann polieren Tücher, bis eine gute polnische Oberfläche erreicht ist. Es wurden Schleifpapier- und Stoffsorten von 240 bis 8.000 verwendet. Montieren Sie die Elektroden innerhalb des Blitzgeräts und stellen Sie einen geeigneten Abstand zwischen ihnen her. Hier sind die Elektroden im Abstand von 14 mm im Abstand von 14 mm montiert, wie in Abbildung 5dargestellt.HINWEIS: Verschiedene Blitzprüfeinrichtungen haben unterschiedliche Betriebsspannungen, daher sollte der Abstand zwischen den Elektroden so sein, dass ein Luftausfall auftritt, wenn der Blitzimpulsgenerator ausgelöst wird. 3. Vorbereitung des Spektrographen Platzieren Sie den Spektrographen in einem unabhängigen EMI-Gehäuse, wie in Abbildung 2dargestellt. Idealerweise sollten das Blitzgerät und der Spektrograph in separaten EMI-Gehäusen untergebracht werden. Wählen Sie die Glasfaser aus und installieren Sie sie. Die gewählte Faser war eine 8 m lange Glasfaser, die zwischen den beiden EMI-Kammern installiert wurde. Wählen Sie eine Faseroptik mit guten Übertragungseigenschaften innerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs, d.h.zwischen 450 nm und 890 nm. Beachten Sie die Übertragungseffizienz gegenüber Wellenlängendaten, da diese für die Datennachbearbeitung verwendet werden. Dies wird oft vom Hersteller zur Verfügung gestellt, obwohl es idealerweise mit einer kalibrierten Lampe gemessen werden sollte. Verbinden Sie ein Ende der Glasfaser in einer lichtdichten Anordnung mit dem optischen Gehäuse. Positionieren Sie das andere Ende der Glasfaser, um den Blitzlichtbogen zwischen den Elektroden anzuzeigen. Licht von einem Laser, der rückwärts durch das Spektrometer gesendet wird, kann bei der Ausrichtung helfen. Die Faseroptik befindet sich auf der gleichen Höhe wie die Mitte des Elektrodenspalts bei 2 m, wie in Abbildung 6dargestellt. Passen Sie bei Bedarf die Lichtmenge an, die die Kamera erreicht, um die Sättigung zu minimieren. Es wird ein Kollimator verwendet, der den Sichtwinkel der Glasfaser auf 0,12° reduziert, was zu einer Spotgröße von 4,2 mm an der Position des Blitzlichtbogens bei einer Gesamtlichtbogenlänge von 14 mm führt, wodurch das Licht um etwa ein Viertel reduziert wird.HINWEIS: Die Lichtintensität, die die Kamera erreicht, kann alternativ durch Änderung des Abstands zwischen Lichtquelle und Glasfaser, durch Einstellung des Schlitzes oder durch Verwendung eines neutralen Dichtefilters eingestellt werden. Schalten Sie das Spektrographensystem ein und starten Sie die zugehörige Steuerungssoftware. Die Digitalkamera benötigt ca. 10 min, um eine Temperatur von -70 °C zu erreichen.HINWEIS: Einige Digitalkameras müssen gekühlt werden, um Geräusche zu reduzieren, bevor sie voll einsatzfähig sind. Wählen Sie das Spektrographengitter aus. Ein 900 ln/mm 550 Flammengitter wurde verwendet.HINWEIS: Das Gitter definiert den Wellenlängenbereich und die Spektralauflösung innerhalb des verwendeten Spektrographensystems mit einer Spektralauflösung von <1 nm, die für die Spitzenidentifikation erforderlich ist. Das ausgewählte Gitter ergibt einen Wellenlängenbereich von ca. 140 nm und eine Auflösung von 0,6 nm. Kalibrieren Sie den Spektrographen an einer bekannten Kalibrierquelle, z. B. einer Mercury-Argon-Lampe. Positionieren Sie das Gitter in seiner Ausgangsposition am unteren Rand des vorgewählten Wellenlängenbereichs. Hier wurde das Gitter bei 450 nm positioniert, was eine Reichweite von 450 nm bis 590 nm ergibt. Schalten Sie die Kalibrierquelle ein und platzieren Sie sie gegen das offene Ende der Glasfaser. Stellen Sie die Kamerabelichtung über die Steuerungssoftware auf eine geeignete Zeit ein, um ein gutes ungesättigtes Signal zu erreichen, z. B. eine Belichtung von 0,1 s. Passen Sie den Schlitz über die Steuerungssoftware an, um bei Bedarf die Spektralspitzen zu schärfen, oder in einigen Fällen kann auch die Position des Detektors eingestellt werden, um das Signal zu optimieren. Es wurde ein Schlitz von 100 m verwendet.ANMERKUNG: Der Schlitz sollte auf einen minimalen Wert gesetzt werden, um die Verbreiterung der atomaren Linien aufgrund der Beugung des Lichts am Schlitz zu verringern, wobei häufig Werte bis zu 20 m verwendet werden. Ein schmaler Schlitz wird jedoch auch das Signal reduzieren und es muss möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen Lichtintensität und Schärfe der Spitzen gefunden werden. Zeichnen Sie die Spektren der Kalibrierquelle auf und identifizieren Sie die Pixelnummer auf dem resultierenden Kamerabild, bei dem die Spitzen auftreten. Zeichnen Sie die Position der Pixelzahl für jeden Peak mit der bekannten Wellenlänge jedes Peaks, der mit der Kalibrierquelle versehen ist, und passen Sie eine gerade Linie an, um eine Gleichung abzuleiten, die die Umwandlung von Pixeln in Wellenlänge ermöglicht. Ein Beispiel dafür für drei bekannte Merkur-Atomlinien ist in Abbildung 7dargestellt. Tragen Sie die Kalibrierung auf diese Gitterposition auf, bevor Sie in die nächste Position wechseln. Bei einigen Spektrographensystemen kann die Konvertierung der Pixelzahl in die Wellenlänge mithilfe einer Kalibrierdatei auf die Software angewendet werden. Positionieren Sie das Gitter für den nächsten Teilbereich, und wiederholen Sie die obigen Schritte. Hier wurde das Gitter neben 550 nm positioniert, was einen Bereich von 550 nm bis 690 nm ergibt, was zu einer Überlappung von 40nm mit dem vorherigen Wellenlängenbereich führt.HINWEIS: Die Breite des Überlappungsbereichs muss ausreichen, um die Erkennung von Trends am Ende des ersten Bereichs und am Anfang des zweiten Bereichs für den späteren Schritt- und Klebeprozess zu ermöglichen. Wiederholen Sie die obigen Schritte für alle Gitterpositionen. Dies wurde wiederholt, bis 890 nm erreicht wurde.HINWEIS: Kalibrierquellen, in der Regel eine Lampe mit bekannten Spektralspitzen, werden in der Regel mit Spektrographensystemen geliefert, und der Hersteller wird in der Lage sein, weitere Details darüber zu liefern, wie die Kalibrierung erreicht werden kann. Wählen Sie Spektrographenparameter aus, um den generierten Blitzlichtbogen aufzuzeichnen. Passen Sie den Schlitz bei Bedarf weiter an. Stellen Sie die Belichtungszeit der Kamera ein, um sicherzustellen, dass das gesamte Blitzereignis erfasst wird. berücksichtigen Sie die Auslösezeit und etwaige Verzögerungen in einem Blitzgenerator oder Spektrographen, wenn Sie diesen Parameter festlegen. Für den Blitzgenerator bei MBLL wurde eine Belichtungszeit von 5 s verwendet.HINWEIS: Eine längere Belichtungszeit erhöht den Geräuschpegel und die Wahrscheinlichkeit von Artefakten, wie z. B. kosmischen Strahlen, daher sollten Anstrengungen unternommen werden, um dies auf ein Minimum zu beschränken. Die Zeit muss jedoch auch ausreichen, um Unsicherheiten bei der Auslösung des erzeugten Blitzlichtbogens oder Spektrographensystems zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das gesamte Ereignis erfasst wird. Ändern Sie den Spektrographen-Systemmodus, um einen Trigger vom Blitzgenerator zu empfangen. Ein 5 V TTL-Signal wurde verwendet, um die Kamera 2,5 s auszulösen, bevor der Blitzbogen ausgelöst wurde. 4. Ausführen eines Experiments Bereiten Sie den Blitzgenerator vor. Stellen Sie sicher, dass alle Lichter ausgeschaltet sind und die Kammern geschlossen sind, wenn dies relevant ist, um eine lichtdichte Umgebung zu gewährleisten. Schalten Sie den Blitzgenerator ein. Jede Blitztestanlage verfügt über ein eigenes Protokoll zum Vorbereiten und Einschalten. Bei MBLL wird der Bereich von Personal befreit und die entsprechenden Sicherheitseinrichtungen eingeschaltet, bevor der Blitzgenerator aktiviert werden kann. Wählen Sie die entsprechende Blitzwellenform aus und laden Sie den gewünschten Spitzenstrom auf. Es wurde eine typische Wellenform von 54 kV, 100 kA kritisch gedämpften oszillatoren den 100er-Spitzen18/40 s-Wellenform verwendet. Erfassen von Spektren aus mehreren generierten Blitzereignissen Positionieren Sie das Spektrographengitter an seiner Startposition und nehmen Sie ein Hintergrundbild mit den gleichen Parametern wie für den Blitzeinschlag. Dies kann ein Durchschnitt von mehreren Hintergrundbildern sein. Bei der 450 nm-Einstellung wurde eine 5-s-Belichtung mit einem Schlitz von 100 m verwendet. Stellen Sie sicher, dass das Spektrographensystem zum Auslösen bereit ist, um die Spektren mit den richtigen Einstellungen aufzuzeichnen. Bei der 450 nm-Einstellung wurde eine 5-s-Belichtung mit einem Schlitz von 100 m verwendet. Laden Sie den Blitzgenerator auf und lösen Sie das Blitzereignis aus, das auch den Spektrographen auslöst. Zeichnen Sie die Ausgabespektraldaten auf. Überprüfen Sie die spektroskopischen Daten auf Störungen. Spektrographen sind gelegentlich anfällig für Datenspitzen, die durch kosmische Strahlung oder andere Artefakte verursacht werden, die durch nicht reagierende oder tote Pixel verursacht werden. Es sollten Anstrengungen unternommen werden, um solche Interferenzen zu beseitigen, und einige Spektrographen verfügen über Software, die dies tun kann. Eine Alternative besteht darin, die Daten zu ignorieren und das Experiment zu wiederholen. Abbildung 8 zeigt ein Beispiel für den Unterschied zwischen Daten mit und ohne kosmische Strahlungsspitze. Reinigen Sie die Elektroden von Verunreinigungen, falls erforderlich, indem Sie entweder mit Alkohol abwischen oder, falls kontaminiert, Schritt 2.2 wiederholen. Wiederholen Sie die Schritte 4.2.2 bis 4.2.5, bis vier Sätze spektroskopischer Daten für den 450 nm Bereich erreicht wurden. Positionieren Sie das Spektrographengitter gitterauf 550 nm und wiederholen Sie die Schritte 4.2.1 bis 4.2.6, bis vier Sätze von Spektrographendaten für den 550 nm Bereich erreicht wurden.HINWEIS: Die Anzahl der wiederholten Schritte muss ausreichen, um jede Schuss-zu-Schuss-Varianz im erzeugten Blitzbogen zu durchschnittlichen. Wiederholen Sie dies, bis alle Datensätze gesammelt wurden, um den maximalen Wellenlängenwert von 890 nm zu erreichen, was zu sechzehn Sätzen von Spektraldaten führt. Wenn es signifikante Unterschiede in den Spektren jedes Teilbereichs bei den gleichen Blitzstromgeneratoreinstellungen gibt, z. B. in der Intensität der atomaren Linien, müssen die Experimente in jeder Phase möglicherweise mehr als viermal wiederholt werden. Der Zweck ist es, die Auswirkungen von einmaligen Anomalien zu minimieren und die Schuss-zu-Schuss-Variation vom Blitzgenerator und dem blitzfreien Lichtbogen zu durchschnittlich. Wenn es einen Unterschied in spektren bei den gleichen Blitzstromgenerator-Einstellungen gibt, muss der Versuchsaufbau möglicherweise auf Verunreinigungen untersucht werden. 5. Nachbearbeitungsdaten Wählen Sie für die Nachbearbeitung und Analyse von Daten eine Tabellenkalkulationssoftwaremitnamit mit Berechnungsfunktionen aus. Solche Software ist weit verbreitet. Subtrahieren Sie die in Schritt 4.2.1 erfassten Hintergrunddaten von den relevanten generierten Blitzspektrendaten. Der Durchschnitt der 450 nm Hintergrunddaten wird von jeder 450 nm generierten Spektrendaten subtrahiert, der Durchschnitt der 550 nm Daten wird von jeder 550 nm generierten Blitzspektrendaten subtrahiert usw. Ein Beispiel hierfür ist Abbildung 9dargestellt. Durchschnittlich jeden einzelnen Datensatz für jeden Wellenlängenbereich. Dies wird in Abbildung 10 veranschaulicht, in der die vier 450 nm-Datasets gemittelt werden. Verwenden Sie den überlappenden Bereich, um aufeinander folgende Spektrendaten auszurichten und dann den überlappenden Bereich zu durchschnittlich. Dies ist in Abbildung 11 dargestellt, die die durchschnittlichen Daten von 450 nm und 550 nm zeigt.ANMERKUNG: Die Ausrichtung und Mittelung des überlappenden Bereichs führt zu Fehlern, und es kann notwendig sein, eine relative Intensitätskalibrierung für das gesamte Spektrum durchzuführen, z. B. mit einer Wolframbandlampe. Korrekt für Faseroptikdämpfung und Quanteneffizienz. Dies ist in Abbildung 12dargestellt.HINWEIS: Eine genauere Korrektur kann erreicht werden, indem eine kalibrierte Lampe verwendet wird, um die Lichtübertragung für jeden Teilbereich zu messen. In diesem Fall kann die Korrektur vor dem Nähvorgang angewendet werden. Präsentieren Sie die endgültigen Daten entweder als grafische Darstellung oder als Intensitätsdiagramm, wie in Abbildung 13dargestellt. 6. Analysieren von Daten Identifizieren Sie die charakteristischen Spektralspitzen. Einige Spektrographensysteme werden Software enthalten, die automatisch Elementspitzen identifiziert. Insbesondere bei genähten Daten ist darauf zu achten, dass die Spitzenpositionen korrekt sind. Die manuelle Spitzenidentifikation kann mit öffentlich verfügbaren Datenbanken erfolgen, z. B.24. Es sollte darauf geachtet werden, dass die stärksten (relativen Intensitäts)spitzen von den niedrigsten Ionisationsstufen zuerst(d. h.I, dann II, dann III) ein Element nach dem anderen passen. Probleme bei der genauen Identifizierung von Spitzen oder deren Ausrichtung können auf Kalibrierungsprobleme oder Fehlausrichtungen in der Optik zurückzuführen sein. Bewerten Sie die Position der Optik im Optikgehäuse und wiederholen Sie Schritt 3.HINWEIS: Die hohe Energie der erzeugten Blitzbögen wird aufgrund des Starkeffekts zu einer Verbreiterung der Atomemissionslinien führen, und eine zuverlässige Identifizierung aller Leitungen ist möglicherweise nicht möglich.

Representative Results

Eine repräsentative Blitzintensität gegen Wellenlängendiagramm für eine 100 kA Spitze kritisch gedämpften oszillatonigen 100 s Spitze 18/40 s Wellenform, über einen Luftspalt zwischen einem Paar von 60 mm Durchmesser Wolframelektroden positioniert 14 mm auseinander, ist in Abbildung 14angegeben. Diese Daten bestehen aus vier Sätzen von vier 140 nm gemittelten Datensegmenten, die zusammengenäht und korrigiert werden, um Hintergrundgeräusche, Glasfaserdämpfung und die Quanteneffizienz der Digitalkamera zu erhalten. Diese Daten wurden in ein Intensitätsdiagramm umgewandelt, wie in Abbildung 15dargestellt. Prominente Spitzen wurden manuell durch Vergleich mit einer etablierten Datenbank identifiziert, wie in Abbildung 16dargestellt. Abbildung 1 : Generiertes Blitzlichtbogenprofil. Die aufgezeichnete Spur einer typischen 100 kA Peak kritisch gedämpften oszillatoren, 100 s Dauer, 18/40 erzeugt E-Blitz-Wellenform. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2 : Experimentelle Einrichtung. Ein Schaltplan des Versuchsaufbaus (nicht zu skalieren), bei dem Licht aus einem erzeugten Blitzlichtbogen zwischen zwei Elektroden über eine Glasfaser zum spektroskopischen System transportiert wird, bestehend aus einem Optikgehäuse und einer Digitalkamera. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3 : Spectrograph-Setup. Ein Schaltplan des Spektrographensystems (nicht zu skalieren), bei dem Licht aus der Faseroptik über ein Gitter in ein Spektrum umgewandelt wird, das dann von einer Digitalkamera aufgezeichnet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 4 : Sammeln, Verarbeiten und Präsentieren von Spektraldaten. Eine Abbildung der Schritte zum Sammeln, Desatoreichen, Nähen und Korrigieren von Daten zur Erreichung eines breiten Spektrums mit hoher Auflösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 5 : Elektrodenkonfiguration. Ein Bild der beiden sechs mm Durchmesser sechs mm hämischen Wolframelektroden, die an Kupferbefestigungen befestigt sind, die 14 mm voneinander entfernt innerhalb des Blitzgeräts positioniert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 6 : Glasfaserkonfiguration. Ein Bild der Faseroptik, die in der gleichen Höhe und in einem Abstand von 2 m von den montierten Elektroden positioniert ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 7 : Wellenlängenkalibrierung. (a) Eine Tabelle mit drei bekannten Merkurlinien gegen die Pixelzahl, an der sie gemessen wurden, und (b) ein Diagramm jedes Punktes (Kreuze) und eine geradlinige Passung (gestrichelte Linie), die eine Gleichung (Einset) enthält, die die Umwandlung von Pixeln in Wellenlänge ermöglicht. Dies geschieht für mehrere bekannte atomare Linien über den gesamten Wellenlängenbereich. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 8 : Kosmische Strahlungsinterferenzen. Spektrale Daten aus einem 100 kA Labor erzeugten Blitzlichtbogen im Bereich von 550 nm bis 690 nm, der folgende Daten anzeigte: (a) Daten ohne kosmische Strahlungsstörungen und (b) und (c) Daten mit charakteristischen kosmischen Strahlungsspitzen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 9 : Subtraktion des Hintergrunds. Spektrale Daten aus einem 100 kA Labor erzeugten Blitzlichtbogen im Bereich von 550 nm bis 690 nm, der folgende Werte anzeigte: (a) gemittelte Hintergrunddaten, (b) Rohdaten und (c) Daten mit durchschnittlichsubtrasolen Hintergrunddaten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 10 : Mittelungsdaten. Spektrale Daten aus einem 100 kA Labor erzeugten Blitzlichtbogen im Bereich von 550 nm bis 690 nm, der folgende Daten anzeigte: (a-d) einzeldaten und (e) gemittelte Daten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 11 : Stitching-Daten. Spektrale Daten aus einem 100 kA Labor erzeugten Blitzlichtbogen, der anzeigte: (a) der Bereich von 550 nm bis 690 nm, (b) der 650 bis 790 nm Bereich und (c) die beiden überlagerten Datensätze mit einer Überlappung von 650 nm bis 690 nm. Der Überlappungsbereich wird dann gemittelt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 12 : Korrigieren von Daten. Plots im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 890 nm für (a) Faserdämpfung und (b) Spektrographenkamera Quanteneffizienz, die von den jeweiligen Herstellern bereitgestellt wird. Diese werden verwendet, um die genähten Spektraldaten entsprechend zu korrigieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 13 : Darstellung von Daten. Beispiele für (a) ein grafisches Datendiagramm und (b) ein Intensitätsdiagramm, das das Spektrum eines 100 kA Laborerzeugten Blitzlichtbogens im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 790 nm darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 14 : Typische grafische Daten. Ein typisches gemitteltes, genähtes und korrigiertes grafisches Diagramm im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 890 nm für einen im Labor erzeugten Blitzbogen von 100 kA. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 15 : Typische Intensitätsdarstellung. Ein typisches gemitteltes, genähtes und korrigiertes Intensitätsdiagramm im Wellenlängenbereich von 450 nm bis 890 nm für einen im Labor erzeugten Blitzlichtbogen von 100 kA. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 16 : Identifizierung chemischer Elemente. Eine Illustration der Identifizierung chemischer Spektrinlinien für Ionisationsstufen erster Ordnung mithilfe einer öffentlich zugänglichen Datenbank24. Elemente in der Luft (Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium) und in der Elektrode (Wolfram) wurden identifiziert. Dieses Spektrum ist nahezu identisch mit dem in Bezug14, da es dasselbe Gerät verwendet, um den gleichen Typ von Blitzlichtbogen zu analysieren. Diese Zahl wurde von Bezug14angepasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Die Spektroskopie ist ein nützliches Werkzeug zur Identifizierung chemischer Elementreaktionen sowohl bei natürlichen als auch bei erzeugten Blitzeinschlägen. Bei einem ausreichend genauen und reproduzierbaren Versuchsaufbau können weitere Analysen der Daten eine Vielzahl anderer Blitzeigenschaften aufdecken. Es wurde zum Beispiel verwendet, um zu überprüfen, ob die Spektren von im Labor erzeugten Blitzbögen spektral dem natürlichen Blitz ähneln und dass die Zugabe anderer Materialien in den Blitzbogen dieses Spektrum erheblich verändern kann14. Das Verfahren kann auch für andere Lichtemittierungsereignisse wie schnelle elektrische Entladungen, Teilentladungen, Funkenflug und andere verwandte Phänomene in Hochspannungssystemen verwendet werden, bei denen die gleichzeitige Identifizierung mehrerer atomarer Leitungen oder Elemente über ein breites Spektrum ist wichtig.

Der wichtigste Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass die richtigen Parameter beim Einrichten des Spektrographen verwendet werden, z. B. die Schlitz-, Gitter- und Kameraeinstellungen, um die bestmöglichen Daten zu erfassen, die zu starken, scharfen Spektralspitzen führen. Es sollten Anstrengungen unternommen werden, um auch sicherzustellen, dass der Detektor bei der Optimierung des Signals nicht gesättigt ist. Die Position der Faser kann auch angepasst und/oder kollimiert werden, um die Lichtintensität zu verbessern, sowie sicherzustellen, dass jedes Streulicht, das nicht Teil des Blitzereignisses ist, entweder eliminiert oder im Rahmen des Hintergrundbildprozesses entfernt wird. Dies kann einige Versuch und Fehler dauern. Die Fähigkeit des Blitzgenerators, das verwendet wird, um dasselbe Blitzereignis mit minimalen Variationen genau zu reproduzieren oder zu verstehen, woher Variationen kommen können, so dass sie gesteuert werden können, ist wichtig, um zuverlässige und wiederholbare spektroskopische Ergebnisse.

Änderungen an diesem Setup können vorgenommen werden, um verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums weiter in die UV- und IR-Bänder einzuschätzen, wo die Bildgebungstechnologie es zulässt und je nach Art des abgebildeten Ereignisses. Beispielsweise kann die Verlängerung des Wellenlängenbereichs unter 450 nm weitere atomare und molekulare Linien aufdecken, wie z. B. Emissionen von NO- und OH-Radikalen. Das Anpassen des Spektrographengitters, um eine niedrigere Auflösung über einen breiteren Bereich zu ermöglichen, kann helfen, interessante Merkmale zu identifizieren, die dann mit einem engeren Abstandsgitter mit höherer Auflösung analysiert werden können.

Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie völlig nicht aufdringlich ist, so dass es keine Änderung am Blitzgenerator erfordert. Durch den Transport des Lichts über eine Glasfaser wird die Menge an elektrischen Störungen aus der rauen elektromagnetischen Umgebung reduziert, die andere Systeme, wie Kameras, auftreten können, wenn sie nicht ausreichend abgeschirmt sind. Dies bedeutet, dass die Daten eines Spektrographen möglicherweise viel weniger Rauschen und weniger Interferenzen haben als andere Instrumente. Diese spezifische Technik wird durch ihren Mangel an Zeitauflösung und den anschließenden Mangel an weiterer Charakterisierung des Blitzbogens begrenzt. So gibt es beispielsweise Hochgeschwindigkeitsspektrographen, die zeitaufgelöste Spektraldaten erzeugen können, die zu Temperatur- und Elektronendichtemessungen führen.

Es wird erwartet, dass die Spektroskopie neben anderen diagnostischen Instrumenten ein wichtiges Werkzeug wird, um im Labor erzeugte Blitzbögen zu verstehen. Es wird ergänzende Informationen über charakteristische Blitzereignissignaturen bereitstellen und verwendet werden, um die reaktiven chemischen Elemente innerhalb des Lichtbogens zu identifizieren. Die Weiterentwicklung dieser Technik kann auch zur Ableitung zusätzlicher Merkmale führen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung, die das National Research Network in Advanced Engineering and Materials (NRN073) und Innovate UK über das Aerospace Technology Institute (113037) geleistet haben.

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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References

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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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