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

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.