Method Article
Le tecniche di spettroscopia a emissione sono state tradizionalmente utilizzate per analizzare archi fulmini intrinsecamente casuali che si verificano in natura. In questo articolo, viene descritto un metodo sviluppato per ottenere la spettroscopia delle emissioni da archi fulmini riproducibili generati all'interno di un ambiente di laboratorio.
Il fulmine è una delle forze più comuni e distruttive in natura ed è stato a lungo studiato utilizzando tecniche spettroscopiche, prima con i metodi tradizionali della pellicola fotografica e poi con la tecnologia della fotocamera digitale, da cui sono state diverse caratteristiche importanti Derivata. Tuttavia, tale lavoro è sempre stato limitato a causa della natura intrinsecamente casuale e non ripetibile degli eventi di fulmini naturali nel campo. I recenti sviluppi nelle strutture di test dei fulmini consentono ora la generazione riproducibile di archi fulmini all'interno di ambienti di laboratorio controllati, fornendo un banco di prova per lo sviluppo di nuovi sensori e tecniche diagnostiche per comprendere i fulmini meccanismi migliori. Una di queste tecniche è un sistema spettroscopico che utilizza una tecnologia di fotocamera digitale in grado di identificare gli elementi chimici con cui l'arco del fulmine interagisce, con questi dati che vengono poi utilizzati per derivare ulteriori caratteristiche. In questo articolo, il sistema spettroscopico viene utilizzato per ottenere lo spettro di emissione da un picco di 100 kA, un arco fulmine di durata di 100 gradi generato attraverso una coppia di elettrodi di tungsteno emisferico separati da un piccolo spazio d'aria. Per mantenere una risoluzione spettrale inferiore a 1 nm, diversi spettri individuali sono stati registrati in intervalli di lunghezza d'onda discreti, media, cuciti e corretti per produrre uno spettro composito finale nell'intervallo di 450 nm (luce blu) a 890 nm (vicino alla luce infrarossa). I picchi caratteristici all'interno dei dati sono stati poi confrontati con un database pubblico stabilito per identificare le interazioni degli elementi chimici. Questo metodo è facilmente applicabile a una varietà di altri eventi di emissione di luce, come scariche elettriche veloci, scariche parziali e scintille in apparecchiature elettriche, apparecchi e sistemi.
Il fulmine è una delle forze più comuni e distruttive in natura caratterizzate da una rapida scarica elettrica vista come un lampo di luce e seguita da tuoni. Un tipico arco fulminante può consistere in una tensione di decine di gigavolt e una corrente media di 30 kA su un arco lungo decine o centinaia di chilometri, tutto avviene entro 100 s. L'osservazione dello spettro di emissione della luce dagli eventi dei fulmini è stata a lungo utilizzata per derivare informazioni sulle relative proprietà. Molte tecniche sono state stabilite utilizzando tecniche di macchina fotografica tradizionali basate su pellicola per lo studio di fulmini naturali durante gli anni '60-80, ad esempio1,2,3,4,5 ,6,7e, più recentemente, moderne tecniche digitali, ad esempio8,9,10,11,12, 13 del sistema , 14, sono stati utilizzati per dare una visione più accurata dei meccanismi di fulmine. Nel corso del tempo, tale lavoro ha dimostrato la capacità non solo di identificare le interazioni degli elementi chimici1,14, ma anche di ottenere misurazioni della temperatura15,16, pressione 5, densità di particelle ed elettroni5,17, energia18, resistenza e campo elettrico interno dell'arco8. Tuttavia, gli studi sui fulmini naturali sono sempre stati limitati dalla natura intrinsecamente imprevedibile e non ripetibile degli eventi fulmini.
Negli ultimi anni, la ricerca si è concentrata sul modo in cui i fulmini interagiscono con l'ambiente circostante, in particolare nell'industria aerospaziale per proteggere gli aerei in volo da fulmini diretti. Diversi grandi impianti di test di illuminazione sono stati quindi progettati e costruiti per replicare gli elementi più distruttivi di un fulmine, vale a dire la corrente e il tempo di consegna, ma ad una tensione limitata. Il Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 presso l'Università di Cardiff può generare quattro forme d'onda fulmine distinte fino a 200 kA in conformità al relativo standard20. Con una tale struttura di laboratorio, i fulmini possono essere facilmente riprodotti e controllati con un alto grado di precisione e ripetibilità, fornendo un banco di prova per lo sviluppo di nuovi sensori e tecniche diagnostiche per comprendere le interazioni con i fulmini e meccanismi migliori21,22,23. Una di queste tecniche è un sistema spettroscopico sviluppato e installato di recente14,21 che, come i sistemi spettroscopici utilizzati negli studi di fulmini naturali, opera nella gamma ultravioletta (UV) a Near-Infrared (NIR). Si tratta di un metodo non intrusivo che non interferisce con l'arco del fulmine ed è in gran parte inalterato dal rumore elettromagnetico prodotto durante un colpo, a differenza della maggior parte dei dispositivi a base elettronica.
Il sistema spettrografo è stato utilizzato per osservare lo spettro di un tipico arco fulmine generato da laboratorio costituito da un picco oscillatorio di 100 kA smorzato criticamente, 100 s durata, 18/40 forma d'onda attraverso un divario d'aria tra una coppia di tungsteno di 60 mm di diametro elettrodi separati da un vuoto d'aria di 14 mm. Una traccia tipica di questa forma d'onda arco fulmine è mostrato Figura 1. Gli elettrodi sono stati posizionati in una camera a tenuta di luce Electromagnetic Impulse (EMI) in modo che l'unica luce registrata fosse dall'arco del fulmine stesso, con una piccola quantità di questa luce trasportata attraverso una fibra ottica di 100 m di diametro, posizionata a 2 m di distanza e collimato a un angolo di visualizzazione di 0,12 gradi che dà una dimensione spot di 4,2 mm nella posizione dell'arco, a un'altra camera EMI contenente il sistema spettrografo, come mostrato nella Figura 2. Le camere EMI sono state utilizzate per ridurre al minimo gli effetti negativi causati dall'evento fulmine. La fibra ottica viene terminata al telaio ottico a tenuta di luce sulla base di una configurazione Czerny-Turner di lunghezza focale 30 cm, con la luce che passa attraverso una scivoli era regolabile di 100 m e su una griglia rotante a 900 ln/mm 550 blaze tramite tre specchi, su una griglia 1.024 x 1.024 fotocamera digitale pixel, come mostrato nella Figura 3. In questo caso, la configurazione ottica fornisce una risoluzione spettrale di 0,6 nm in un sottointervallo di circa 140 nm all'interno di un intervallo approssimativo completo di 800 nm tra le lunghezze d'onda DA UV a NIR. La risoluzione spettrale viene misurata come la capacità dello spettrografo di distinguere due picchi vicini e la posizione dell'intervallo secondario all'interno dell'intervallo completo può essere regolata ruotando la griglia. Una componente chiave del sistema è la scelta della grata di diffrazione che determina la portata della lunghezza d'onda e la risoluzione spettrale, con il primo essendo inversamente proporzionale a quest'ultimo. In genere, è necessario un ampio intervallo di lunghezza d'onda per individuare più linee atomiche, mentre è necessaria un'alta risoluzione spettrale per misurare la loro posizione con precisione; questo non può essere ottenuto fisicamente con una singola grata per questo tipo di spettrografo. Pertanto, i dati provenienti da diversi sottogruppi, ad alta risoluzione, vengono presi in varie posizioni attraverso la gamma UV a NIR. Questi dati sono fatti un passo e incollati insieme per formare uno spettro composito.
In pratica, a causa delle limitazioni nella trasmissione della luce ottica, è stata registrata una gamma di lunghezze d'onda dello spettro da 450 a 890 nm. A partire da 450 nm, è stata registrata la luce proveniente da quattro archi fulmini generati in modo indipendente, il rumore di fondo è stato sottratto e sono stati poi mediati. L'intervallo di lunghezze d'onda è stato poi spostato a 550 nm, dando una sovrapposizione di dati di 40 nm, con la luce di altri quattro arci fulmini generati registrati e mediati. Questo è stato ripetuto fino a raggiungere 890 nm e i dati medi risultanti sono stati uniti per creare uno spettro completo in tutta la gamma di lunghezze d'onda predefinita. Questo processo è illustrato nella Figura 4. I picchi caratteristici sono stati poi utilizzati per identificare gli elementi chimici attraverso il confronto con un database stabilito24.
In questo documento viene descritto il metodo di spettroscopia ottica delle emissioni. Questo metodo è facilmente applicabile a una vasta gamma di altri eventi di emissione di luce con un'alterazione minima alle impostazioni di sistema di configurazione sperimentale o spettrografi. Tali applicazioni includono scariche elettriche veloci, scariche parziali, scintille e altri fenomeni correlati negli impianti elettrici e nelle apparecchiature.
1. Selezione dell'intervallo di lunghezza d'onda
2. Preparazione degli elettrodi
3. Preparazione dello spettrografo
4. Esecuzione di un esperimento
5. Dati post-elaborazione
6. Analisi dei dati
Un'intensità di fulmine rappresentativa contro la trama della lunghezza d'onda per un picco di 100 kA che si smorza criticamente a 100 s raggiunge il picco di 18/40 s forma d'onda, attraverso un vuoto d'aria tra una coppia di elettrodi di tungsteno di 60 mm di diametro posizionati a 14 mm di distanza l'uno dall'altro, è data nella Figura 14. Questi dati consistono in quattro serie di quattro segmenti di dati medi da 140 nm uniti e corretti per il rumore di fondo, l'attenuazione della fibra ottica e l'efficienza quantistica della fotocamera digitale. Questi dati sono stati convertiti in un grafico di intensità, come illustrato nella Figura 15. Picchi prominenti sono stati identificati manualmente attraverso il confronto a un database stabilito, come mostrato Figura 16.
Figura 1 : profilo dell'arco fulmine generato. La traccia registrata di un picco di 100 kA oscillatorio smorzato criticamente, una durata di 100 gradi, la forma d'onda del fulmine generata da 18/40. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Configurazione sperimentale. Uno schema della configurazione sperimentale (da non scalare), dove la luce proveniente da un arco fulminante generato tra due elettrodi viene trasportata attraverso una fibra ottica al sistema spettroscopico, costituito da un telaio ottico e una fotocamera digitale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : impostazione spettrografica. Uno schema del sistema spettrografo (da non scalare), dove la luce proveniente dalla fibra ottica viene trasformata in uno spettro, attraverso una griglia, che viene poi registrata da una fotocamera digitale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : raccolta, elaborazione e presentazione di dati spettrali. Un'illustrazione dei passaggi utilizzati per raccogliere, calcolare la media, cucire e correggere i dati verso il raggiungimento di un ampio spettro ad alta risoluzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : configurazione dell'elettrodo. Un'immagine dei due elettrodi di tungsteno emisferici di 6 mm di diametro fissati ai montaggi in rame posizionati a 14 mm di distanza l'uno dall'altro all'interno del carro di fulmini. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : configurazione in fibra ottica. Un'immagine della fibra ottica posizionata alla stessa altezza e ad una distanza di 2 m dagli elettrodi montati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 : calibrazione della lunghezza d'onda. (a) Una tabella di tre linee di Mercurio note rispetto al numero di pixel in cui sono state misurate e (b) una trama di ogni punto (croci) e un adattamento in linea retta (linea tratteggiata) che dà un'equazione (inset) che consente di convertire i pixel in lunghezza d'onda. Questa operazione viene eseguita per più linee atomiche note nell'intero intervallo di lunghezza d'onda. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 : Interferenza dei raggi cosmici. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano unarco fulmine compreso nell'intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a ) i dati senza interferenze radiocosmiche e (b) e (c) i dati con i caratteristici picchi di raggi cosmici. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9 : sottrazione dello sfondo. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano unarco fulmine compreso nell'intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a ) i dati di sfondo mediati, (b) i dati non elaborati e i dati (c) con lo sfondo medio sottratto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10 : media dei dati. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano un arco fulmine compreso nell'intervallo da 550 nm a 690 nm mostrando: (a-d) i singoli dati e i dati medi di (e). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11 : dati di cucitura. I dati spettrali di un laboratorio da 100 kA generavano un arco fulmine che mostrava: (a) l'intervallo da 550 nm a 690 nm, (b ) l'intervallo da 650 a 790 nm e (c) i due set di dati sovrapposti con una sovrapposizione da 650 nm a 690 nm. Viene quindi media l'area di sovrapposizione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12 : correzione dei dati. Traccia nell'intervallo di lunghezza d'onda da450 nm a 890 nm per l'attenuazione della fibra (a) e l'efficienza quantistica della telecamera spettrografica (b) fornita dai rispettivi produttori. Questi vengono utilizzati per correggere i dati spettrali cuciti di conseguenza. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13 : presentazione dei dati. Esempi di (a) un grafico di dati e (b) un grafico di intensità che rappresenta lo spettro di un arco di analisi di 100 kA generato nell'intervallo da 550 nm a 790 nm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 14 : dati grafici tipici. Un tipico grafico mediato, cucito e corretto nell'intervallo di lunghezza d'onda da 450 nm a 890 nm per un arco fulmine generato da 100 kA. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 15 : grafico di intensità tipico. Un tipico grafico di intensità media, cucito e corretto nell'intervallo di lunghezza d'onda da 450 nm a 890 nm per un laboratorio da 100 kA generato arco fulmineo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 16 : identificazione degli elementi chimici. Un'illustrazione dell'identificazione degli elementi chimici di linea spettrale per i livelli di ionizzazione di primo ordine utilizzando un database pubblicamente disponibile24. Sono stati identificati elementi nell'aria (azoto, ossigeno, argon, elio) e nell'elettrodo (tungsteno). Questo spettro è quasi identico a quello del riferimento14 in quanto utilizza lo stesso apparato per analizzare lo stesso tipo di arco fulmineo. Questa cifra è stata adattata dal riferimento14. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La spettroscopia è uno strumento utile per identificare le reazioni degli elementi chimici durante i fulmini naturali e generati. Data una configurazione sperimentale sufficientemente accurata e riproducibile, un'ulteriore analisi dei dati può rivelare una varietà di altre proprietà dei fulmini. È stato, ad esempio, utilizzato per verificare che gli spettri degli archi fulmini generati in laboratorio siano spettrali simili ai fulmini naturali e che l'aggiunta di altri materiali nell'arco del fulmine possa alterare significativamente questo spettro14. Il metodo può essere utilizzato anche per altri eventi di emissione di luce come scariche elettriche veloci, scariche parziali, scintille e altri fenomeni correlati nei sistemi ad alta tensione, dove l'identificazione simultanea di più linee atomiche o elementi attraverso un ampio spettro è importante.
Il passo più critico è quello di garantire che vengano utilizzati i parametri corretti durante la configurazione dello spettrografo, come le impostazioni di taglio, grata e fotocamera, per acquisire i migliori dati possibili, con conseguente picchi spettrali forti e nitidi. Si dovrebbe anche fare degli sforzi per garantire che il rivelatore non sia saturo quando si ottimizza il segnale. La posizione della fibra può anche essere regolata e/o collimata per migliorare l'intensità della luce, oltre a garantire che qualsiasi luce vagante che non fa parte dell'evento fulmine sia eliminata o rimossa come parte del processo di imaging di sfondo. Questa operazione potrebbe richiedere alcuni tentativi ed errori. La capacità del generatore di fulmini utilizzato per riprodurre con precisione lo stesso evento di fulmine con variazione minima, o per capire da dove possono provenire eventuali variazioni in modo che possano essere controllate, è importante per ottenere spettroscopici affidabili e ripetibili Risultati.
È possibile modificare questa configurazione per valutare le diverse parti dello spettro elettromagnetico ulteriormente nelle bande UV e IR dove la tecnologia di imaging consente e a seconda del tipo di evento che si sta immaginando. Ad esempio, estendere l'intervallo di lunghezza d'onda al di sotto di 450 nm può rivelare ulteriori linee atomiche e molecolari, come le emissioni dei radicali NO e OH. Regolare la griglia spettrografica per dare una risoluzione più bassa su una gamma più ampia può aiutare a identificare caratteristiche interessanti, che possono quindi essere analizzate utilizzando una grata più stretta di risoluzione più ampia.
Il vantaggio principale di questa tecnica è che è completamente non intrusivo, quindi non richiede alcuna alterazione al generatore di fulmini. Trasportando la luce attraverso una fibra ottica, si riduce la quantità di interferenze elettriche dall'ambiente elettromagnetico rigido, che altri sistemi, come le telecamere, possono sperimentare se non sufficientemente schermati. Ciò significa che i dati di uno spettrografo hanno potenzialmente un rumore molto inferiore e meno interferenze rispetto ad altri strumenti. Questa tecnica specifica è limitata dalla sua mancanza di risoluzione del tempo e dalla conseguente mancanza di ulteriore caratterizzazione dell'arco fulmineo. Ad esempio, esistono spettrografi ad alta velocità che possono produrre dati spettrali risolti nel tempo che portano alle misurazioni della temperatura e della densità degli elettroni.
Si prevede che la spettroscopia diventerà uno strumento importante, insieme ad altre strumentazioni diagnostiche, nella comprensione degli archi fulmini generati dal laboratorio. Contribuirà a informazioni gratuite sulle firme degli eventi fulmini caratteristici e sarà utilizzato per identificare gli elementi chimici reattivi all'interno dell'arco. Un ulteriore sviluppo di questa tecnica può anche comportare la derivazione di caratteristiche aggiuntive.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario fornito dalla rete nazionale di ricerca in ingegneria e materiali avanzati (NRN073) e Innovate UK tramite l'Istituto di tecnologia aerospaziale (113037).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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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