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

Résumé

Les techniques de spectroscopie d'émission ont traditionnellement été employées pour analyser les arcs de foudre intrinsèquement aléatoires se produisant dans la nature. Dans cet article, une méthode développée pour obtenir la spectroscopie d'émission à partir d'arcs de foudre reproductibles générés dans un environnement de laboratoire est décrite.

Résumé

La foudre est l'une des forces les plus courantes et destructrices dans la nature et a longtemps été étudiée en utilisant des techniques spectroscopiques, d'abord avec les méthodes traditionnelles de film de caméra, puis la technologie numérique d'appareil-photo, à partir de laquelle plusieurs caractéristiques importantes ont été été Dérivé. Cependant, ce travail a toujours été limité en raison de la nature intrinsèquement aléatoire et non répétable des événements naturels de foudre dans le domaine. Les développements récents dans les installations d'essai de foudre permettent maintenant la génération reproductible des arcs de foudre dans les environnements contrôlés de laboratoire, fournissant un lit d'essai pour le développement de nouveaux capteurs et techniques diagnostiques pour comprendre la foudre mécanismes mieux. Une telle technique est un système spectroscopique utilisant la technologie numérique de caméra capable d'identifier les éléments chimiques avec lesquels l'arc de foudre interagit, avec ces données alors employées pour dériver d'autres caractéristiques. Dans cet article, le système spectroscopique est utilisé pour obtenir le spectre d'émission à partir d'un pic de 100 kA, 100 arc s de la durée de la foudre générée à travers une paire d'électrodes de tungstène hémisphériques séparées par un petit trou d'air. Pour maintenir une résolution spectrale inférieure à 1 nm, plusieurs spectres individuels ont été enregistrés sur des plages de longueur d'onde discrètes, en moyenne, cousues et corrigées pour produire un spectre composite final de l'ordre de 450 nm (lumière bleue) à 890 nm (lumière infrarouge proche). Les pics caractéristiques dans les données ont ensuite été comparés à une base de données publique établie pour identifier les interactions entre les éléments chimiques. Cette méthode s'applique facilement à une variété d'autres événements émettant de la lumière, tels que des décharges électriques rapides, des décharges partielles et des étincelles dans l'équipement électrique, l'appareil et les systèmes.

Introduction

La foudre est l'une des forces les plus courantes et destructrices dans la nature caractérisée par une décharge électrique rapide considérée comme un éclair de lumière et suivie par le tonnerre. Un arc de foudre typique peut consister en une tension de dizaines de gigavolts et un courant moyen de 30 kA à travers un arc de dizaines à des centaines de kilomètres de long tout ce qui se passe dans les 100 's. L'observation du spectre d'émission de lumière des événements de foudre ont longtemps été utilisés pour obtenir des informations sur leurs propriétés. De nombreuses techniques ont été établies en utilisant des techniques traditionnelles de caméra à base de film pour l'étude des impacts naturels de foudre au cours des années 1960 à 1980, par exemple^1,2,3,4^{,5 ,6,7}et, plus récemment, les techniques numériques modernes, par exemple^{8,9,10,11,12, 13 (en) , 14}, ont été utilisés pour donner un aperçu plus précis des mécanismes de foudre. Au fil du temps, ces travaux ont démontré la capacité non seulement d'identifier les interactions des éléments chimiques^1,14, mais aussi d'obtenir des mesures de la température^15,16, pression⁵, densité de particules et d'électrons^5,17, énergie¹⁸, résistance, et champ électrique interne de l'arc⁸. Cependant, les études sur la foudre naturelle ont toujours été limitées par la nature aléatoire et non répétable des événements de foudre.

Au cours des dernières années, la recherche s'est concentrée sur la façon dont la foudre interagit avec l'environnement environnant, notamment dans l'industrie aérospatiale, afin de protéger les aéronefs en vol contre les éclairs directs. Plusieurs grandes installations d'essai de foudre ont donc été conçues et construites pour reproduire les éléments les plus destructeurs d'un coup de foudre, à savoir le temps de livraison et le courant, mais à une tension limitée. Le Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)¹⁹ de l'Université de Cardiff peut générer quatre formes d'onde de foudre distinctes jusqu'à un 200 kA conformément à la norme pertinente²⁰. Avec une telle installation de laboratoire, la foudre peut être facilement reproduite et contrôlée avec un haut degré de précision et de répétabilité, fournissant un banc d'essai pour le développement de nouveaux capteurs et techniques de diagnostic pour comprendre les interactions de foudre et mécanismes mieux^21,22,23. Une telle technique est un système spectroscopique récemment développé et installé^14,21 qui, comme les systèmes spectroscopiques utilisés dans les études de foudre naturelle, fonctionne dans l'ultraviolet (UV) au proche infrarouge (NIR) gamme. Il s'agit d'une méthode non intrusive qui n'interfère pas avec l'arc de foudre et qui n'est en grande partie pas affectée par le bruit électromagnétique produit lors d'une grève, contrairement à la plupart des appareils à base électronique.

Le système spectrographe a été utilisé pour observer le spectre d'un arc de foudre généré par un laboratoire typique composé d'un pic de 100 kA considérablement amorti oscillatoire, 100 's durée, 18/40 forme d'onde à travers un trou d'air entre une paire de 60 mm de diamètre de tungstène électrodes séparées par un trou d'air de 14 mm. Une trace typique de cette forme d'onde d'arc de foudre est montrée dans la figure1. Les électrodes ont été placées dans une chambre étanche à la lumière de l'impulsion électromagnétique (EMI) de sorte que la seule lumière enregistrée provenait de l'arc de foudre lui-même, avec une petite quantité de cette lumière transportée par une fibre optique de 100 m de diamètre, positionnée à 2 m et collimated à un angle de vision de 0,12 degrés donnant une taille de tache de 4,2 mm à la position de l'arc, à une autre chambre EMI contenant le système spectrographe, comme le montre la figure 2. Les chambres EMI ont été utilisées pour minimiser les effets indésirables causés par l'événement de foudre. La fibre optique est terminée au châssis optique étanche à la lumière basé sur une configuration Czerny-Turner de la longueur focale 30 cm, avec la lumière passant par une éboulement réglable de 100 m et sur un 900 ln/mm 550 flamboyant râpage par l'intermédiaire de trois miroirs, sur un 1 024 x 1 024 pixel appareil photo numérique, comme indiqué dans la figure 3. Dans ce cas, la configuration optique donne une résolution spectrale de 0,6 nm à travers une sous-range d'environ 140 nm dans une gamme approximative complète de 800 nm à travers uv à NIR longueurs d'onde. La résolution spectrale est mesurée comme la capacité du spectrographe à distinguer deux pics proches, et la position de la sous-range dans toute la plage peut être ajustée en tournant la grille. Un élément clé du système est le choix de la grille de diffraction qui dicte la plage de longueur d'onde et la résolution spectrale, la première étant inversement proportionnelle à la seconde. En règle générale, une large plage de longueur d'onde est nécessaire pour localiser plusieurs lignes atomiques alors qu'une résolution spectrale élevée est nécessaire pour mesurer leur position avec précision; cela ne peut pas être réalisé physiquement avec une seule grille pour ce type de spectrographe. Par conséquent, les données de plusieurs sous-gammes, avec haute résolution, sont prises à diverses positions à travers la gamme UV à NIR. Ces données sont intensifiées et collées ensemble pour former un spectre composite.

Dans la pratique, en raison des limitations dans la transmission de la lumière de fibre optique, une gamme de longueur d'onde de spectre de 450 nm à 890 nm a été enregistrée. À partir de 450 nm, la lumière de quatre arcs de foudre générés indépendants a été enregistrée, le bruit de fond a été soustrait, et ils ont ensuite été en moyenne. La plage de longueur d'onde a ensuite été décalée à 550 nm, ce qui donne un chevauchement de données de 40 nm, avec la lumière des quatre autres arcs de foudre générés enregistrés et moyens. Ceci a été répété jusqu'à ce que 890 nm aient été atteints, et les données moyennes résultantes ont été cousues ensemble pour créer un spectre complet à travers la gamme de longueur d'onde prédéfinie complète. Ce processus est illustré à la figure 4. Des pics caractéristiques ont ensuite été utilisés pour identifier les éléments chimiques par comparaison avec une base de données établie²⁴.

Dans cet article, la méthode de spectroscopie optique d'émission est décrite. Cette méthode s'applique facilement à un large éventail d'autres événements émettant de la lumière avec une modification minimale des paramètres de configuration expérimentale ou du système spectrographe. Ces applications comprennent des décharges électriques rapides, des décharges partielles, des étincelles et d'autres phénomènes connexes dans les systèmes et l'équipement électriques.

Protocole

1. Sélection de la plage de longueur d'onde

1. 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

1. 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.
2. 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.
   1. 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.
   2. 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.
3. 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

1. 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.
2. 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.
   1. 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.
   2. 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.
   3. Connectez une extrémité de la fibre optique au châssis optique dans un arrangement étanche à la lumière.
   4. 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.
   5. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Calibrer le spectrographe contre une source d'étalonnage connue, comme une lampe Mercury-Argon.
   1. 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.
   2. Allumez la source d'étalonnage et placez-la contre l'extrémité ouverte de la fibre optique.
   3. 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.
   4. 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.
   5. 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.
   6. 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.
   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.
   8. 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.
   9. 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.
6. Sélectionnez les paramètres spectrographes pour enregistrer l'arc de foudre généré.
   1. Ajustez la fendue plus loin si nécessaire.
   2. 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.
   3. 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

1. Préparer le générateur de foudre.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
2. Acquérir des spectres à partir d'événements éclairmultiples générés
   1. 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.
   2. 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.
   3. Chargez le générateur de foudre et déclenchez l'événement de foudre, qui déclenchera également le spectrographe.
   4. Enregistrez les données spectrales de sortie.
   5. 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.
   6. 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.
   7. 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.
   8. 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.
   9. 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.
   10. 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.
   11. 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

1. 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.
2. Soustrayez les données de fond acquises à l'étape 4.2.1 de chaque données de spectre s'enliqua générées.
   1. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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

1. Identifiez les pics spectrals caractéristiques.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.

Résultats

Une intensité de foudre représentative contre la parcelle de longueur d'onde pour un pic de 100 kA amorti de façon critique oscillatoire de 100 degrés de pointe 18/40, à travers un trou d'air entre une paire d'électrodes de tungstène de 60 mm de diamètre placées à 14 mm l'une de l'autre, est donnée à la figure 14. Ces données se composent de quatre ensembles de quatre segments de données moyens de 140 nm cousus ensemble et corrigés pour le bruit de fond, l'atténuation de la fibre optique, et l'efficacité quantique de l'appareil photo numérique. Ces données ont été converties en parcelle d'intensité, comme le montre la figure 15. Des pics importants ont été identifiés manuellement par comparaison avec une base de données établie, comme le montre la figure 16.

Figure 1 : Profil d'arc de foudre généré. La trace enregistrée d'un pic typique de 100 kA amorti de façon critique amorti oscillatoire, 100 's durée, 18/40 's généré forme d'onde de foudre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Configuration expérimentale. Un schéma de la configuration expérimentale (pas à l'échelle), où la lumière d'un arc de foudre généré entre deux électrodes est transportée par une fibre optique au système spectroscopique, composé d'un châssis optique et d'un appareil photo numérique. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Configuration spectrographe. Un schéma du système spectrographe (pas à l'échelle), où la lumière de la fibre optique est transformée en spectre, via une grille, qui est ensuite enregistrée par un appareil photo numérique. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Collating, processing, and presenting spectral data. Illustration des étapes utilisées pour rassembler, moyenner, coudre et corriger les données vers la réalisation d'un large spectre à haute résolution. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Configuration électrode. Une image des deux électrodes hémisphériques de tungstène de 6 mm de diamètre fixées à des montages en cuivre placés à 14 mm l'une de l'autre à l'intérieur de la plate-forme de foudre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6 : Configuration optique de fibre. Une image de la fibre optique positionnée à la même hauteur et à une distance de 2 m des électrodes montées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7 : Calibrage de longueur d'onde. (a) Un tableau de trois lignes Mercury connues par rapport au nombre de pixels auquel elles ont été mesurées, et (b) une parcelle de chaque point (croisements) et un ajustement en ligne droite (ligne pointillée) donnant une équation (enset) permettant de convertir les pixels en longueur d'onde. Ceci est fait pour plusieurs lignes atomiques connues sur toute la plage de longueur d'onde. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8 : Interférence des rayons cosmiques. Les données spectrales d'un laboratoire de 100 kA ont généré un arc de foudre dans la gamme de 550 nm à 690 nm montrant : (a) des données sans interférence de rayon cosmique, et (b) et (c) données avec des pointes de rayons cosmiques caractéristiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9 : Soustraction de fond. Les données spectrales d'un laboratoire de 100 kA ont généré un arc de foudre de l'ordre de 550 nm à 690 nm montrant : (a) des données de fond moyennes, (b) des données brutes, et (c) des données avec un arrière-plan moyen soustrait. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10 : Moyenne des données. Les données spectrales d'un laboratoire de 100 kA ont généré un arc de foudre de l'ordre de 550 nm à 690 nm montrant : (a-d) des données individuelles et (e) des données moyennes. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 11 : Stitching données. Les données spectrales d'un laboratoire de 100 kA ont généré un arc de foudre montrant :( a) la gamme de 550 nm à 690 nm, (b) la plage de 650 à 790 nm, et (c) les deux ensembles de données superposés avec un chevauchement de 650 nm à 690 nm. La région de chevauchement est alors moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 12 : Correction des données. Terrain dans la gamme de longueur d'onde de 450 nm à 890 nm pour (une) atténuation de fibre, et (b) l'efficacité quantique de caméra spectrographe fournie par les fabricants respectifs. Ceux-ci sont utilisés pour corriger les données spectrales cousues en conséquence. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 13 : Présentation des données. Des exemples de (a) une parcelle de données graphique et (b) une parcelle d'intensité représentant le spectre d'un laboratoire de 100 kA ont généré un arc de foudre dans la plage de longueur d'onde de 550 nm à 790 nm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 14 : Données graphiques typiques. Une parcelle graphique moyenne, cousue et corrigée typique dans la plage de longueur d'onde de 450 nm à 890 nm pour un laboratoire de 100 kA a généré un arc de foudre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 15 : Intrigue d'intensité typique. Une parcelle d'intensité moyenne, cousue et corrigée typique dans la plage de longueur d'onde de 450 nm à 890 nm pour un laboratoire de 100 kA a généré un arc de foudre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 16 : Identification des éléments chimiques. Une illustration de l'identification spectrale d'élément chimique de ligne pour des niveaux d'ionisation de premier ordre utilisant une base de données accessible au public²⁴. Des éléments dans l'air (azote, oxygène, argon, hélium) et dans l'électrode (tungstène) ont été identifiés. Ce spectre est presque identique à celui de la référence¹⁴ car il utilise le même appareil pour analyser le même type d'arc de foudre. Ce chiffre a été adapté de la référence¹⁴. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

La spectroscopie est un outil utile pour identifier les réactions des éléments chimiques lors des éclairs naturels et générés. Compte tenu d'une configuration expérimentale suffisamment précise et reproductible, une analyse plus approfondie des données peut révéler une variété d'autres propriétés de la foudre. Il a, par exemple, été utilisé pour vérifier que les spectres des arcs de foudre générés en laboratoire sont spectralement similaires à la foudre naturelle et que l'ajout d'autres matériaux dans l'arc de foudre peut modifier ce spectre de manière significative¹⁴. La méthode peut également être utilisée pour d'autres événements émettant de la lumière tels que des décharges électriques rapides, des décharges partielles, des étincelles et d'autres phénomènes connexes dans les systèmes à haute tension, où l'identification simultanée de plusieurs lignes ou éléments atomiques à travers un large spectre est important.

L'étape la plus critique consiste à s'assurer que les paramètres corrects sont utilisés lors de la mise en place du spectrographe, tels que la pare-couche, le râpage et les paramètres de la caméra, afin d'acquérir les meilleures données possibles, ce qui donne des pics spectrals forts et pointus. Des efforts doivent également être faits pour s'assurer que le détecteur n'est pas saturé lors de l'optimisation du signal. La position de la fibre peut également être ajustée et/ou collimated pour améliorer l'intensité lumineuse, ainsi que pour s'assurer que toute lumière parasite ne faisant pas partie de l'événement de foudre est éliminée ou enlevée dans le cadre du processus d'imagerie de fond. Cela peut prendre des essais et des erreurs. La capacité du générateur de foudre utilisé pour reproduire le même événement de foudre avec précision avec une variation minimale, ou de comprendre d'où les variations peuvent provenir de sorte qu'ils peuvent être contrôlés, est important pour obtenir fiable et répétable spectroscopique Résultats.

Des modifications peuvent être apportées à cette configuration afin d'évaluer différentes parties du spectre électromagnétique plus loin dans les bandes UV et IR où la technologie d'imagerie permet et en fonction du type d'événement étant photographié. Par exemple, l'extension de la plage de longueur d'onde en dessous de 450 nm peut révéler d'autres lignes atomiques et moléculaires, telles que les émissions de NO et de radicaux OH. L'ajustement de la grille spectrographique pour donner une résolution plus faible sur une plage plus large peut aider à identifier les caractéristiques intéressantes, qui peuvent ensuite être analysées à l'aide d'une résolution plus élevée grille de portée plus étroite.

Le principal avantage de cette technique est qu'elle est entièrement non intrusive, de sorte qu'elle ne nécessite aucune modification du générateur de foudre. En transportant la lumière via une fibre optique, la quantité d'interférence électrique de l'environnement électromagnétique dur est réduite, que d'autres systèmes, tels que les caméras, peuvent éprouver si elle n'est pas suffisamment protégée. Cela signifie que les données d'un spectrographe ont potentiellement un bruit beaucoup plus faible et moins d'interférences que les autres instruments. Cette technique spécifique est limitée par son manque de résolution de temps et l'absence subséquente de caractérisation supplémentaire de l'arc de foudre. Par exemple, des spectrographes à grande vitesse existent qui peuvent produire des données spectrales résolues dans le temps menant à des mesures de la température et de la densité des électrons.

On s'attend à ce que la spectroscopie devienne un outil important, aux côtés d'autres instruments diagnostiques, pour comprendre les arcs de foudre générés en laboratoire. Il fournira des informations complémentaires sur les signatures d'événements de foudre caractéristiques et sera utilisé pour identifier les éléments chimiques réactifs dans l'arc. Le développement ultérieur de cette technique peut également entraîner la dérivation de caractéristiques supplémentaires.

matériels

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