Name: method for recording broadband high resolution emission spectra of laboratory lightning arcs
Uploaded: 2019-08-27T12:30:00
Duration: 7 min 51 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs at JoVE.com

Forfatterne takknemlig erkjenner den økonomiske støtten som tilbys av Sêr Cymru National Research Network i Advanced engineering og materialer (NRN073) og innovere UK via Aerospace Technology Institute (113037).

1. velge bølgelengdeområde
<ol><li>Bølgelengdeområdet til lynet som skal observeres må først velges. 450 nm til 890 NM ble valgt. Merk: Dette vil begrenses av laboratorie oppsettet, Spectral-området som definert av den lynraske vinkelen på risten og følsomheten til kameraet.</li>
</ol>2. klargjøre elektrodene
<ol><li>Velg et egnet elektrode materiale. Et par 60 mm diameter halvkuleformet wolfram elektroder festet til kobber festene ble valgt, som illustrert i figur 5. Merk: ethvert materiale som lynet Arc samhandler med vil avgi et spektrum, inkludert elektroden, og det er viktig å minimere denne forstyrrelsen. Dette bør imidlertid balanseres mot evnen av elektrode materialet til å tåle gjentatte lynnedslag med minimal skade under eksperimentering. For Tungsten, mange av sine utslipps linjer innenfor den valgte bølgelengdeområdet er bare synlig mellom 450 nm og 590 NM og er i stor grad skilles fra en forventet lyn Spectra. Det er også et svært hardt materiale som vanligvis brukes i høy spenning og høy dagens eksperimentering.</li>
	<li>
Rengjør og polere elektrodene for å fjerne eventuelle forurensninger. Ethvert materiale som lyn Arc samhandler vil avgi et spektrum, inkludert at av eventuelle forurensninger. Det er derfor viktig å sikre at elektrodene er forurensende, for å sikre ingen feilaktige Spectral linjer.
	<ol>
<li>Gni elektroden med grovt sandpapir i 5 min, Legg den i en sonisk vannbad ved romtemperatur i 10 min, tørk med en lofri klut for å løsne og fjerne eventuelle forurensninger. Bruk alltid hansker ved håndtering av elektroden for å unngå recontamination.</li>
		<li>Gjenta ovenfor typisk ti til femten ganger med synkende graderinger av sandpapir, Emery klut, og deretter polering kluter til en god polsk finish er oppnådd. Sandpapir og klut graderinger av 240 til 8 000 ble brukt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Monter elektrodene i lyn riggen som etablerer en passende avstand mellom dem. Her er elektrodene montert i lyn riggen 14 mm fra hverandre som vist i figur 5. Merk: ulike lyn testanlegg har ulike operative spenninger, slik at avstanden mellom elektrodene skal være slik at en luft sammenbrudd vil oppstå når lyn impuls generatoren utløses.</li>
</ol>3. klargjøre Spektrograf
<ol><li>Plasser spektrograf i et uavhengig EMI-vurdert kabinett, som illustrert i figur 2. Ideelt sett bør lyn riggen og spektrograf bli plassert i egne EMI-kabinetter.</li>
	<li>Velg og Installer fiberoptisk. Den valgte fiber var en 8 m lang fiberoptisk og installert mellom de to EMI kamre.
	<ol>
<li>Velg en fiberoptisk med gode overførings egenskaper innenfor den forhåndsdefinerte bølgelengdeområdet som skal observeres, det vil simellom 450 nm til 890 NM.</li>
		<li>Legg merke til Overføringseffektiviteten mot bølgelengde data, da dette vil bli brukt til data etterbehandling. Dette er ofte gitt av produsenten selv, ideelt sett, bør det måles ved hjelp av en kalibrert lampe.</li>
		<li>Koble den ene enden av fiberoptisk til optikk kabinettet i en lett stram ordning.</li>
		<li>Plasser den andre enden av fiberoptikk for å vise lyn buen mellom elektrodene. Lys fra en laser som sendes gjennom spektrometer i revers, kan hjelpe med justering. Den fiberoptiske er plassert i samme høyde som midten av elektrode gapet på 2 m, som vist i figur 6.</li>
		<li>Juster Lysmengden som når kameraet, hvis det er nødvendig for å minimere metning. Det brukes en parallelliseringsoptikk som reduserer fiberoptisk visningsvinkel til 0,12 °, noe som resulterer i en spot størrelse på 4,2 mm i posisjonen til lyn buen for en total buelengde på 14 mm, noe som reduserer lyset med omtrent en fjerdedel. Merk: intensiteten av lys når kameraet kan alternativt justeres ved å endre avstanden mellom lyskilden og fiberoptisk, ved å justere slit, eller ved hjelp av en nøytral tetthet filter.</li>
	</ol></li>
	<li>Slå på spektrograf systemet og start den tilhørende Kontrollprogramvaren. Det digitale kameraet krever rundt 10 min for å nå en temperatur på-70 ° c. Merk: noen digitale kameraer krever kjøling for å redusere støy før de blir fullstendig operative.</li>
	<li>Velg spektrograf rist. En 900 ln/mm 550 Blaze rist ble brukt. Merk: risten definerer bølgelengdeområdet og Spectral oppløsning innenfor det spektrograf systemet som brukes, med en Spectral oppløsning på < 1 NM som kreves for maksimal identifikasjon. Den valgte risten gir et bølgelengdeområde på ca. 140 NM og en oppløsning på 0,6 NM.</li>
	<li>Kalibrer spektrograf mot en kjent kalibrerings kilde, for eksempel en Mercury-Argon-lampe.
	<ol>
<li>Plasser risten i startposisjonen nederst på det forhåndsvalgt bølgelengdeområdet. Her ble risten plassert ved 450 nm, noe som ga en rekkevidde på 450 nm til 590 NM.</li>
		<li>Slå kalibrerings kilden på og plasser den mot den åpne enden av fiberoptikk.</li>
		<li>Juster kamera eksponeringen via Kontrollprogramvaren til et passende tidspunkt for å oppnå et godt umettede signal, for eksempel en eksponering av 0,1 s.</li>
		<li>Juster slit via Kontrollprogramvaren for å skjerpe Spectral toppene hvis nødvendig, eller, i noen tilfeller, kan posisjonen til detektoren også justeres for å optimalisere signalet. Det ble brukt en splitt på 100 μm. Merk: slit bør settes til en minimal verdi for å redusere utvidelse av Atom linjer på grunn av Diffraksjon av lys i slit, med verdier opp til 20 μm ofte brukt. Imidlertid vil en smal slit også redusere signalet og en balanse kan trenge å bli funnet mellom lys intensitet og skarphet av topper.</li>
		<li>Noter Spectra av kalibrerings kilden og Identifiser piksel nummeret på det resulterende kamerabildet der toppene forekommer.</li>
		<li>Plott posisjonen til piksel nummeret for hver topp mot den kjente bølgelengden til hver topp som følger med kalibrerings kilden og passer til en rett linje for å utlede en ligning som tillater konvertering av piksler til bølgelengde. Et eksempel på dette for tre kjente Mercury Atomic linjer er illustrert i figur 7.</li>
		<li>Påfør kalibreringen til denne gitter posisjonen før du går videre til neste. For noen spektrograf systemer kan konverteringen av piksel nummer til bølgelengde brukes på programvaren ved hjelp av en kalibrerings fil.</li>
		<li>Plasser risten for neste Subrange, og Gjenta trinnene over. Her ble risten neste plassert til 550 NM, noe som gir en rekkevidde på 550 NM til 690 NM, noe som resulterte i en overlapping av 40nm med forrige bølgelengdeområde. Merk: bredden på overlappingsområdet må være tilstrekkelig for å tillate gjenkjennelse av trender på slutten av det første området og begynnelsen av det andre området for senere trinn og lim prosessen.</li>
		<li>Gjenta trinnene ovenfor for alle gitter posisjoner. Dette ble gjentatt inntil 890 NM ble nådd. Merk: kalibrerings kilder, vanligvis en lampe med kjente Spectral topper, er vanligvis utstyrt med spektrograf systemer og produsenten vil kunne gi mer informasjon om hvordan kalibrering kan oppnås.</li>
	</ol></li>
	<li>Velg spektrograf parametere for å registrere den genererte lyn buen.
	<ol>
<li>Juster splitten ytterligere om nødvendig.</li>
		<li>Still inn kameraets eksponeringstid for å sikre at hele lyn hendelsen fanges opp. vurdere trigger tiden og eventuelle forsinkelser i noe i enten lyn generatoren eller spektrograf når du angir denne parameteren. For lyn generatoren på MBLL, ble det brukt en eksponeringstid på 5 s. Merk: en lengre eksponeringstid vil øke støynivået og sannsynligheten for artefakter, slik som kosmiske stråler, slik at innsatsen bør gjøres for å holde dette til et minimum. Tiden må imidlertid også være tilstrekkelig til å gjøre rede for eventuell usikkerhet ved utløsing av det genererte lys bue-eller spektrograf systemet for å sikre at hele hendelsen fanges opp.</li>
		<li>Endre spektrograf systemmodus for å motta en utløser fra Lyn generatoren. Et 5 V TTL-signal ble brukt til å utløse kameraet 2,5 s før lyn buen ble igangsatt.</li>
	</ol></li>
</ol>4. kjøre et eksperiment
<ol><li>
Klargjør lyn generatoren.
	<ol>
<li>Forsikre deg om at alle lysene er slukket og at kamrene er lukket der det er relevant for å sikre et lett stramt miljø.</li>
		<li>Slå på lyn generatoren. Hver lyn Testanlegget vil ha sin egen protokoll for å forberede og slå på. Ved MBLL er området ryddet for personell, og de relevante sikkerhetsanordninger er engasjert før lyn generatoren kan aktiveres.</li>
		<li>Velg den aktuelle lyn bølgeformen og lad opp til ønsket topp strøm. En typisk 54 kV, 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon 100 μs peak 18/40 μs bølgeform ble brukt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Skaff Spectra fra flere genererte lyn hendelser
	<ol>
<li>Plasser spektrograf risten på startposisjonen og ta et bakgrunnsbilde med de samme parametrene som for lynnedslag. Dette kan være et gjennomsnitt av flere bakgrunnsbilder. En 5 s eksponering med en 100 μm slit ble brukt på 450 nm innstillingen.</li>
		<li>Sørg for at spektrograf systemet er klart til å utløses for å ta opp Spectra med de riktige innstillingene. En 5 s eksponering med en 100 μm slit ble brukt på 450 nm innstillingen.</li>
		<li>Lad lyn generatoren og utløse lyn hendelsen, som også vil utløse spektrograf.</li>
		<li>Registrere output Spectral data.</li>
		<li>Kontroller spektroskopiske data for eventuelle forstyrrelser. Spektrofotometre er tidvis utsatt for data topper forårsaket av kosmisk stråling eller andre gjenstander forårsaket av ikke-responsive eller døde piksler. Arbeidet bør gjøres for å fjerne slike forstyrrelser og noen spektrofotometre har programvare som kan gjøre dette. Et alternativ er å se bort fra dataene og gjenta eksperimentet. Figur 8 viser et eksempel på forskjellen mellom data med og uten en kosmisk stråle pigg.</li>
		<li>Rengjør elektrodene for eventuell forurensning ved behov ved enten å tørke ned med alkohol eller, hvis det er forurenset, Gjenta trinn 2,2.</li>
		<li>Gjenta trinn 4.2.2 til 4.2.5 inntil det er oppnådd fire sett med spektroskopiske data for 450 nm-serien.</li>
		<li>Plasser spektrograf risten til 550 NM og gjenta trinn 4.2.1 til 4.2.6 inntil det er oppnådd fire sett med spektrograf data for 550 NM-serien. Merk: antall gjentatte trinn må være tilstrekkelig til å gjennomsnittlig ut eventuelle skudd-til-skudd varians sett i den genererte lyn buen.</li>
		<li>Gjenta ovenstående til alle datasett er samlet inn for å nå den maksimale bølgelengde verdien til 890 NM, noe som resulterer i seksten sett med Spectral data.</li>
		<li>Hvis det er betydelig variasjon i Spectra av hver Subrange på samme lyn strømgeneratoren innstillinger, for eksempel i intensiteten av Atom linjer, så forsøkene på hvert trinn må gjentas mer enn fire ganger. Hensikten med dette er å minimere effekten av eventuelle en gangs uregelmessigheter og gjennomsnittlig ut skudd-til-skudd variasjon fra Lyn generator og lyn fri bue.</li>
		<li>Hvis det er en forskjell i Spectra på de samme lyn strømgeneratoren innstillingene, så det eksperimentelle oppsettet må kanskje vurderes for forurensninger.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. post-prosessering data
<ol><li>For post-prosessering og analyse av data, velger du et regnearkprogram som omfatter beregning evner. Slik programvare er allment tilgjengelig.</li>
	<li>
Trekk fra bakgrunnsdataene ervervet i trinn 4.2.1 fra hver relevante genererte lyn Spectra data.
	<ol>
<li>Gjennomsnittet av 450 nm bakgrunnsdata trekkes fra hver 450 nm generert Spectra data, er gjennomsnittet av de 550 NM data trekkes fra hver 550 NM generert lyn Spectra data, og så videre. Et eksempel på dette er vist i figur 9.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Gjennomsnitt hvert enkelt sett med data for hvert bølgelengdeområde. Dette illustreres i Figur 10 hvor de 4 450 nm datasettene er i gjennomsnitt.</li>
	<li>Bruk overlappingsområdet til å justere påfølgende data, og gjennomsnittlig det overlappende området. Dette illustreres i Figur 11 som viser gjennomsnittlig 450 nm og 550 NM data. Merk: justeringen og snitt av overlappende regionen vil introdusere feil, og det kan være nødvendig å utføre en relativ intensitet kalibrering for hele spekteret ved hjelp av for eksempel en wolfram bånd lampe.</li>
	<li>Riktig for fiberoptisk demping og Quantum effektivitet. Dette illustreres i Figur 12. Merk: en mer nøyaktig korreksjon kan oppnås ved hjelp av en kalibrert lampe for å måle overføring av lys for hver Subrange. I dette tilfellet kan korreksjonen brukes før sømmen prosessen.</li>
	<li>Presenter de endelige dataene som enten en grafisk representasjon eller et intensitet plot, som vist i figur 13.</li>
</ol>6. analysere data
<ol><li>
Identifiser de karakteristiske Spectral-toppene.
	<ol>
<li>Noen spektrograf systemer vil inneholde programvare som automatisk vil identifisere element topper. Forsiktighet bør utvises, spesielt med sydd data, at toppen steder er riktige.</li>
		<li>Manuell topp-ID kan gjøres ved hjelp av offentlig tilgjengelige databaser, for eksempel24. Forsiktighet bør utvises for å passe den sterkeste (relative intensitet) topper fra de laveste ionisering nivåer først (dvs.jeg, da II, deretter III) ett element om gangen.</li>
		<li>Problemer i nøyaktig identifisere topper eller samkjøre dem kan skyldes kalibrering problemer eller avvik i optikk. Vurder plasseringen av optikk i optikk kabinettet og gjenta trinn 3. Merk: den høye energien i den genererte lyn buer vil føre til utvidelse av Atom utslipps linjer på grunn av Stark Effect og pålitelig identifisering av alle linjer kan ikke være mulig.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Wallace, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Spectrum+of+Lightning.">The Spectrum of Lightning.</a> Astrophys. J. 139, 994 (1963).</li><li>Orville, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-speed+time-resolved+spectroscopic+study+of+the+lighting+return+stroke.">A high-speed time-resolved spectroscopic study of the lighting return stroke.</a> J. Atmos. Sci. 25, 827-856 (1968).</li><li>Orville, R. E., Salanave, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lightning+spectroscopy-photographic+techniques.">Lightning spectroscopy-photographic techniques.</a> Appl. Opt. 9 (9), 1775-1791 (1970).</li><li>Salanave, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lightning+spectroscopy-photographic+techniques+2.">Lightning spectroscopy-photographic techniques 2.</a> Appl. Opt. 10 (1), 206-207 (1971).</li><li>Krinder, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lightning+spectroscopy.">Lightning spectroscopy.</a> Nucl. Instrum. Methods. 110, 411-419 (1973).</li><li>Orville, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Daylight+spectra+of+individual+lightning+flashes+in+the+370-690+nm+region.">Daylight spectra of individual lightning flashes in the 370-690 nm region.</a> J. App. Meteorol. 19 (4), 470 (1980).</li><li>Orville, R., Henderson, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+spectral+irradiance+measurements+of+lightning+from+375+to+880+nm.">Absolute spectral irradiance measurements of lightning from 375 to 880 nm.</a> J. Atmos. Sci. 41 (21), 3180-3187 (1984).</li><li>Warner, T. A., Orville, R. E., Marsh, J. L., Huggins, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+(600-1050+nm)+time+exposures+(99.6+&#181;s)+of+a+lightning+stepped+leader.">Spectral (600-1050 nm) time exposures (99.6 &#181;s) of a lightning stepped leader.</a> J. Geophys. Res. 116, 12210 (2011).</li><li>Zhao, J., Yuan, P., Cen, J., Liu, J., Wang, J., Zhang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+and+applications+of+near-infrared+emissions+from+lightning.">Characteristics and applications of near-infrared emissions from lightning.</a> J. of Appl. Phys. 114, 163303 (2013).</li><li>Walker, T. D., Christian, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+observations+in+lightning+spectroscopy.">Novel observations in lightning spectroscopy.</a> XV International Conference on Atmospheric Electricity. , (2014).</li><li>Cen, J., Yuan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+characteristics+of+lightning+dart+leader+propagating+in+long+path.">Spectral characteristics of lightning dart leader propagating in long path.</a> Atmos. Res. 164-165, 95-98 (2015).</li><li>Xue, S., Yuan, P., Cen, J., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+observations+of+a+natural+bipolar+cloud-to-ground+lightning.">Spectral observations of a natural bipolar cloud-to-ground lightning.</a> J. Geophys. Res.: Atmos. 120, 1972-1979 (2015).</li><li>Sousa Martins, R., Zaepffel, C., Chemartin, L., Lalande, P. h., Soutiani, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+a+high+current+pulsed+arc+using+optical+emission+spectroscopy.">Characterization of a high current pulsed arc using optical emission spectroscopy.</a> J. of Phys. D: Appl. Phys. 49, 415205 (2016).</li><li>Mitchard, D., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Techniques+for+the+comparison+of+light+spectra+from+natural+and+laboratory+generated+lightning+current+arcs.">Techniques for the comparison of light spectra from natural and laboratory generated lightning current arcs.</a> Appl. Phys. Lett. 109, 093502 (2016).</li><li>Uman, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+lightning+temperature.">Determination of lightning temperature.</a> J. Geophys. Res. 74 (4), 949-957 (1969).</li><li>Prueitt, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+excitation+temperature+of+lightning.">The excitation temperature of lightning.</a> J. Geophys. Res. 68, 803-811 (1963).</li><li>Uman, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+lightning+spectroscopy.">Quantitative lightning spectroscopy.</a> IEEE Spectrum. 3, 102-110 (1966).</li><li>Hill, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+survey+of+lightning+energy+estimates.">A survey of lightning energy estimates.</a> Rev. Geophys. 17 (1), 155-164 (1979).</li><li>Stone, C., Simpson, H., Leichauer, H., Griffiths, A., Haddad, M., Cole, S., Evans, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Establishment+of+a+lightning+test+laboratory+for+direct-effects+research.">Establishment of a lightning test laboratory for direct-effects research.</a> International Conference on Lightning and Static Electricity. , (2013).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> EUROCAE WG-31 and SAE Committee AE4L. , (1997).</li><li>Mitchard, D., Clark, D., Stone, C., Haddad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preliminary+results+for+spectroscopic+lightning+arc+measurements.">Preliminary results for spectroscopic lightning arc measurements.</a> International Conference on Lightning and Static Electricity. , (2015).</li><li>Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Stone, C., Haddad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+lightning+direct+effects+on+aircraft+materials.">Investigation of lightning direct effects on aircraft materials.</a> International Conference on Lightning Protection. , (2016).</li><li>Mitchard, D., Jamoshid, N. S., Clark, D., Carr, D., Haddad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+lightning+direct+effects+on+aircraft+materials.">Investigation of lightning direct effects on aircraft materials.</a> Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion and Road Vehicles &amp; International Transportation Electrification Conference. , (2016).</li><li>Kamira, J., Ralchenko, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Reader and NIST ASD Team, NIST Database. , (2014).</li></ol>

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Spektroskopi er et nyttig verktøy for å identifisere kjemiske element reaksjoner under både naturlige og genererte lynnedslag. Gitt en tilstrekkelig nøyaktig og reproduserbar eksperimentell oppsett, ytterligere analyse på dataene kan avdekke en rekke andre lyn egenskaper. Det har for eksempel blitt brukt til å verifisere at Spectra av laboratoriet generert lyn buer er Spectrally ligner naturlig lyn og at tillegg av andre materialer i lyn buen kan endre dette spekteret betydelig14. Metoden kan også brukes til andre lys Emitting hendelser som raske elektriske utslipp, delvis utslipp, gnister, og andre relaterte fenomener i høyspennings systemer, der samtidig identifisering av flere Atomic linjer eller elementer over en bredt spekter er viktig.
Det mest kritiske trinnet er å sikre at de riktige parametrene brukes når du setter opp spektrograf, for eksempel slit, rist, og kamerainnstillinger, for å skaffe de beste dataene mulig som resulterer i sterke, skarpe Spectral topper. Det bør gjøres en innsats for også å sikre at detektoren ikke er mettet når du optimaliserer signalet. Plasseringen av fiber kan også justeres og/eller collimated å forbedre lysstyrken, samt sikre at eventuelle bortkommen lys ikke en del av lyn hendelsen er enten eliminert eller fjernes som en del av bakgrunnen bildebehandling prosessen. Dette kan ta noen prøving og feiling. Evnen til lyn generatoren som brukes til å reprodusere den samme lynnedslag nøyaktig med minimal variasjon, eller for å forstå hvor noen variasjoner kan komme fra, slik at de kan styres, er viktig for å oppnå pålitelig og repeterbar spektroskopiske Resultater.
Det kan gjøres endringer i dette oppsettet for å vurdere ulike deler av det elektromagnetiske spekteret lenger inn i UV-og IR-båndene der bildeteknologi tillater og avhengig av hvilken type hendelse som blir avbildet. For eksempel kan utvide bølgelengdeområdet under 450 nm avdekke ytterligere Atom-og molekylære linjer, for eksempel utslipp fra NO og OH radikaler. Justering av spektrograf rist for å gi en lavere oppløsning over et bredere område kan bidra til å identifisere interessante funksjoner, som deretter kan analyseres ved hjelp av en høyere oppløsning smalere rekkevidde rist.
Den største fordelen med denne teknikken er at det er helt ikke-påtrengende, så det ikke krever noen endring til lyn generator. Ved å transportere lyset via en fiberoptisk, reduseres mengden elektrisk interferens fra det tøffe elektromagnetiske miljøet, som andre systemer, for eksempel kameraer, kan oppleve hvis de ikke er tilstrekkelig skjermet. Dette betyr at data fra en spektrograf potensielt har mye lavere støy og mindre interferens enn andre instrumenter. Denne spesifikke teknikken er begrenset av sin mangel på tid oppløsning og påfølgende mangel på ytterligere karakterisering av lyn buen. For eksempel, høyhastighets spektrofotometre finnes som kan produsere tid løst Spectral data som fører til temperatur og elektron tetthet målinger.
Det er forventet at spektroskopi vil bli et viktig verktøy, sammen med andre diagnostiske instrumentering, i å forstå laboratoriet generert lyn buer. Det vil bidra med gratis informasjon om karakteristiske lyn hendelses signaturer og brukes til å identifisere de reaktive kjemiske elementene innenfor buen. Videre utvikling av denne teknikken kan også føre til avledning av ytterligere egenskaper.

Lyn er en av de mest vanlige og destruktive krefter i naturen preget av en rask elektrisk utladning sett på som et glimt av lys og etterfulgt av torden. En typisk lyn bue kan bestå av en spenning på titalls gigavolt og en gjennomsnittlig strøm på 30 kA over en bue titalls til hundrevis av kilometer lang alt skjer innen 100 μs. observasjon av lys utslipps spekteret fra Lyn hendelser har lenge vært brukt til å utlede informasjon om sine egenskaper. Mange teknikker ble etablert ved hjelp av tradisjonelle film-baserte kamera teknikker for studiet av naturlige lyn streiker i løpet av 1960 til 1980, for eksempel1,2,3,4,5 ,6,7og, mer nylig, moderne digitale teknikker, for eksempel8,9,10,11,12, 13 på alle , 14, har blitt brukt til å gi en mer nøyaktig innsikt i lyn mekanismer. Over tid har slikt arbeid vist evnen til å ikke bare identifisere kjemiske element interaksjoner1,14, men også få målinger av temperatur15,16, trykk5, partikkel-og elektron tetthet5,17, energi18, motstand og innvendig elektrisk felt av Arc8. Men studier av naturlig lyn har alltid vært begrenset av den iboende uforutsigbare tilfeldig og ikke-repeterbar natur lyn hendelser.
I de senere årene har forskning fokusert på hvordan lyn samhandler med omgivelsene, spesielt i luftfartsindustrien for å beskytte fly i flukt fra direkte lynnedslag. Flere store lyn testanlegg har følgelig blitt designet og bygget for å gjenskape de mest destruktive elementene i et lynnedslag, nemlig gjeldende og leveringstid, men med en begrenset spenning. Den Morgan-Botti Lightning Laboratory (MBLL)19 ved Cardiff University kan generere fire distinkte lyn bølgeformer opp til en 200 kA i henhold til den aktuelle standard20. Med et slikt laboratorie anlegg, kan lyn enkelt reproduseres og styres med en høy grad av nøyaktighet og repeterbarhet, og gir en test seng for utvikling av nye sensorer og diagnostiske teknikker for å forstå lyn interaksjoner og mekanismer bedre21,22,23. En slik teknikk er en nylig utviklet og installert spektroskopiske system14,21 som i likhet med spektroskopiske systemer som brukes i naturlige lyn studier, opererer i ultrafiolett (UV) til nær-infrarød (NIR) rekkevidde. Det er en ikke-påtrengende metode som ikke forstyrrer lyn buen og er i stor grad upåvirket av elektromagnetisk støy produsert under en streik, i motsetning til de fleste elektronisk baserte enheter.
Den spektrograf systemet ble brukt til å observere spekteret av en typisk laboratorium generert lyn bue bestående av en 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon, 100 μs varighet, 18/40 μs bølgeform over en luftspalte mellom et par 60 mm diameter tungsten som er separert av en 14 mm luftspalte. En typisk spor av denne lyn lys bue bølgeformen er vist i figur 1. Elektrodene ble plassert i en elektromagnetisk impuls (EMI) lys tette kammer slik at det eneste innspilte lyset var fra Lyn buen selv, med en liten mengde av dette lyset blir transportert via en 100 μm diameter fiberoptisk, plassert 2 m unna og collimated til en 0,12 ° visningsvinkel som gir en spot størrelse på 4,2 mm i posisjonen til buen, til et annet EMI-kammer som inneholder spektrograf systemet, som vist i figur 2. EMI kamre ble brukt for å minimere bivirkninger forårsaket av lyn hendelsen. Fiberoptisk er avsluttet ved lys-stramt optikk chassis basert på en Czerny-Turner konfigurasjon av brennvidde 30 cm, med lyset som går gjennom en justerbar 100 μm slit og på en 900 ln/mm 550 Bliss Roterbar rist via tre speil, på en 1 024 x 1 024 piksel digitalt kamera, som vist i Figur 3. I dette tilfellet gir det optiske oppsettet en Spectral oppløsning på 0,6 NM over en ca. 140 NM-Subrange innenfor et omtrentlig område på 800 NM på tvers av UV til NIR bølgelengder. Spectral oppløsning måles som spektrograf evne til å skille to nære topper, og plasseringen av Subrange innenfor hele spekteret kan justeres ved å rotere risten. En viktig komponent i systemet er valget av Diffraksjon rist som dikterer bølgelengdeområdet og Spectral oppløsning, med den tidligere blir omvendt proporsjonal med sistnevnte. Vanligvis er en bred bølgelengdeområde nødvendig for å lokalisere flere Atom linjer, mens en høy Spectral oppløsning er nødvendig for å måle deres posisjon nøyaktig; Dette kan ikke fysisk oppnås med en enkelt rist for denne typen spektrograf. Derfor er data fra flere subranges, med høy oppløsning, tatt med ulike posisjoner på tvers av UV-til NIR-serien. Disse dataene blir trappet og limt sammen for å danne et sammensatt spektrum.
I praksis, på grunn av begrensninger i fiberoptisk lystransmisjon, ble et spektrum bølgelengdeområde på 450 nm til 890 NM registrert. Starter på 450 nm, lys fra fire uavhengige genererte lyn buer ble registrert, bakgrunnsstøy ble trukket, og de var da gjennomsnitt. Bølgelengdeområdet ble deretter flyttet til 550 NM, noe som gir en 40 nm data overlapping, med lys fra en annen fire genererte lyn buer registrert og gjennomsnitt. Dette ble gjentatt inntil 890 NM ble nådd, og de resulterende gjennomsnitts dataene ble sydd sammen for å skape et komplett spektrum på tvers av hele forhåndsdefinerte bølgelengdeområdet. Denne prosessen er illustrert i Figur 4. Karakteristiske topper ble deretter brukt til å identifisere kjemiske elementer gjennom sammenligning med en etablert database24.
I denne utredningen beskrives metoden for optiske utslipps spektroskopi. Denne metoden er lett anvendelig å en rikt utvalg av annet lyset utsendt begivenheter med minimal omleggingen å det eksperimentelle Setup eller spektrograf system innfatningene. Slike søknader inkluderer raske elektriske utslipp, delvis utslipp, gnister og andre relaterte fenomener i elektriske systemer og utstyr.

<table style="border-collapse:collapse;width:753pt" width="1004">
	<colgroup>
		<col style="width:261pt" width="348" />
		<col style="width:125pt" width="166" />
		<col style="width:130pt" width="173" />
		<col style="width:238pt" width="317" />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63" style="height:47.25pt">
			<td class="xl63" height="63" style="width:261pt;height:47.25pt" width="348">Lightning Generator, including EMI shielded chambers, lightning rig and associated control and safety systems</td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166">Cardiff University</td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">N/A</td>
			<td class="xl66" style="width:238pt" width="317">Designed, developed and constructed by Cardiff University</td>
		</tr>
		<tr height="42" style="height:31.5pt">
			<td class="xl63" height="42" style="width:261pt;height:31.5pt" width="348">60mm diameter tungsten electrodes with copper mountings</td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166">Unknown</td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">N/A</td>
			<td class="xl66">Available from any specialist electrode / high voltage equipment manufacturer</td>
		</tr>
		<tr height="42" style="height:31.5pt">
			<td class="xl63" height="42" style="width:261pt;height:31.5pt" width="348">Spectrograph, including chassis, camera, optic fibre and control software</td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166">Andor</td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">Chassis: SR-303i-B-SIL</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:261pt;height:15.75pt" width="348"></td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166"></td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">Camera: DU420A-BU2</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
		<tr height="42" style="height:31.5pt">
			<td class="xl63" height="42" style="width:261pt;height:31.5pt" width="348"></td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166"></td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">Optic Fibre: 249309 SR-OPT-8018-9RX</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:261pt;height:15.75pt" width="348"></td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166"></td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">Software: Solis v4.25</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:261pt;height:15.75pt" width="348">Mercury argon calibration source</td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166">Ocean Optics</td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">HG-1</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:261pt;height:15.75pt" width="348">Anaylsis software</td>
			<td class="xl63" style="width:125pt" width="166">Microsoft</td>
			<td class="xl63" style="width:130pt" width="173">Excel 2016</td>
			<td class="xl66"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

method for recording broadband high resolution emission spectra of laboratory lightning arcs

Lyn er en av de mest vanlige og destruktive kreftene i naturen og har lenge vært studert ved hjelp av spektroskopiske teknikker, først med tradisjonelle kamera film metoder og deretter digitalkamera teknologi, som flere viktige egenskaper har blitt Avledet. Imidlertid har slikt arbeid alltid vært begrenset på grunn av den iboende tilfeldig og ikke-repeterbar natur lyn hendelser i feltet. Den siste utviklingen i lyn testanlegg nå tillate reproduserbar generering av lyn buer innen kontrollerte laboratoriemiljøer, og gir en test seng for utvikling av nye sensorer og diagnostiske teknikker for å forstå lyn mekanismer bedre. En slik teknikk er en spektroskopiske system som bruker digitalkamera teknologi i stand til å identifisere de kjemiske elementene som lynet buen samhandler med, med disse dataene deretter brukes til å utlede ytterligere egenskaper. I denne utredningen er spektroskopiske systemet brukes til å oppnå utslipps spekteret fra en 100 kA peak, 100 μs varighet lyn bue generert over et par halvkuleformet tungsten elektroder atskilt med en liten luftspalte. For å opprettholde en Spectral oppløsning på mindre enn 1 NM, ble flere individuelle Spectra spilt inn på tvers av diskrete bølgelengde områder, gjennomsnitt, sydd og korrigert for å produsere et endelig sammensatt spektrum i 450 nm (blått lys) til 890 NM (nær infrarødt lys) rekkevidde. Karakteristiske topper i dataene ble deretter sammenlignet med en etablert offentlig tilgjengelig database for å identifisere den kjemiske element interaksjoner. Denne metoden er lett tilgjengelig for en rekke andre lys utsending hendelser, for eksempel raske elektriske utslipp, delvis utslipp, og gnister i elektrisk utstyr, apparater og systemer.

En representativ lyn intensitet mot bølgelengde tomten for en 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon 100 μs peak 18/40 μs bølgeform, over en luftspalte mellom et par 60 mm diameter tungsten elektroder plassert 14 mm fra hverandre, er gitt i figur 14. Disse dataene består av fire sett med 4 140 NM gjennomsnitt datasegmenter sydd sammen og korrigert for bakgrunnsstøy, fiberoptisk demping, og det digitale kameraet Quantum effektivitet. Disse dataene er omgjort til et intensitet plot, som vist i Figur 15. Prominente topper har blitt manuelt identifisert gjennom sammenligning med en etablert database, som vist i Figur 16.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig1.jpg"> Figur 1 : Generert lyn bue profil. Den innspilte spor av en typisk 100 kA peak kritisk dempet oscillasjon, 100 μs varighet, 18/40 μs generert lyn bølgeform. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig2.jpg"> Figur 2 : Eksperimentell oppsett. En skjematisk av det eksperimentelle Setup (ikke for å skalere), hvor lyset fra en generert lyn bue mellom to elektroder transporteres via en fiberoptisk til spektroskopiske systemet, bestående av en optikk chassis og digitalkamera. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig3.jpg"> Figur 3 : Spektrograf oppsett. En skjematisk av spektrograf system (ikke for å skalere), der lyset fra fiberoptisk er omgjort til et spektrum, via en rist, som deretter registreres av et digitalt kamera. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig4.jpg"> Figur 4 : Sorterings, bearbeiding og presentasjon av Spectral data. En illustrasjon av trinnene som brukes til å sortere, gjennomsnittlig, sy og korrigere data mot å oppnå et bredt spektrum med høy oppløsning. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig5.jpg"> Figur 5 : Elektrode konfigurasjon. Et bilde av de to 6 mm diameter halvkuleformet wolfram elektroder festet til kobber festene plassert 14 mm fra hverandre innenfor lyn riggen. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig6.jpg"> Figur 6 : Fiberoptisk konfigurasjon. Et bilde av fiberoptisk plassert i samme høyde og i en avstand på 2 m fra de monterte elektrodene. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig6large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig7.jpg"> Figur 7 : Bølgelengde kalibrering. (a) en tabell med tre kjente Mercury linjer mot piksel nummeret der de ble målt, og (b) en tomt på hvert punkt (krysser) og en rett linje Fit (stiplet linje) som gir en ligning (innfelt) slik at piksler skal konverteres til bølgelengde. Dette gjøres for flere kjente Atom linjer over hele bølgelengdeområdet. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig7large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig8.jpg"> Figur 8 : Kosmisk stråling. Spectral data fra en 100 kA laboratorium genererte lyn bue i 550 NM til 690 NM rekkevidde som viser: (a) data uten kosmisk stråling forstyrrelser, og (b) og (c) data med karakteristiske kosmiske ray pigger. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig8large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig9.jpg"> Figur 9 : Subtraksjon av bakgrunnen. Spectral data fra et 100 kA laboratorium genererte lyn bue i 550 NM til 690 NM rekkevidde som viser: (a) gjennomsnitt bakgrunnsdata, (b) rådata, og (c) data med gjennomsnittlig bakgrunn trekkes. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig9large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig10.jpg"> Figur 10 : Beregne gjennomsnitt av data. Spectral data fra et 100 kA laboratorium genererte lyn Arc i 550 NM til 690 NM utvalg viser: (a-d) individuelle data, og (e) gjennomsnitt data. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig10large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig11.jpg"> Figur 11 : Sy data. Spectral data fra en 100 kA laboratorium genererte lyn Arc viser: (a) 550 nm til 690 NM rekkevidde, (b) den 650 til 790 NM rekkevidde, og (c) de to kledde datasett med en 650 NM til 690 NM overlapping. Deretter gjennomsnitt i overlappingsområdet. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig11large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig12.jpg"> Figur 12 : Rette data. Tomter i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for (a) fiber demping, og (b) spektrograf kamera Quantum effektivitet levert av respektive produsenter. Disse brukes til å korrigere sydd Spectral data tilsvarende. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig12large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig13.jpg"> Figur 13 : Presentere data. Eksempler på (a) et grafisk data plott og (b) en intensitet tomten representerer spekteret av en 100 kA laboratorium generert lyn bue i 550 NM til 790 NM bølgelengde rekkevidde. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig13large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 14" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig14.jpg"> Figur 14 : Typiske grafiske data. En typisk gjennomsnitt, sydd, og korrigert grafisk plott i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for en 100 kA laboratorium generert lyn bue. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig14large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 15" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig15.jpg"> Figur 15 : Typisk intensitet plot. En typisk gjennomsnitt, sydd, og korrigert intensitet tomten i 450 nm til 890 NM bølgelengdeområde for en 100 kA laboratorium generert lyn bue. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig15large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 16" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56336/56336fig16.jpg"> Figur 16 : Identifikasjon av kjemikalie element. En illustrasjon av Spectral linje kjemisk element identifikasjon for første ordre ionisering nivåer ved hjelp av en offentlig tilgjengelig database24. Elementer i luften (nitrogen, oksygen, Argon, helium) og i elektroden (tungsten) har blitt identifisert. Dette spekteret er nesten identisk med det i referanse14 som den bruker samme apparat til å analysere samme type lyn bue. Dette tallet er tilpasset fra referanse14. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56336/56336fig16large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs at JoVE.com

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Utslipp spektroskopi teknikker har tradisjonelt blitt brukt til å analysere iboende tilfeldig lyn buer som forekommer i naturen. I dette dokumentet beskrives en metode som er utviklet for å oppnå utslipps spektroskopi fra reproduserbar lyn buer som genereres i et laboratoriemiljø.

Metode for innspilling bredbånd høyoppløselig utslipp Spectra av Laboratory Lightning Arcs

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

Det overordnede målet med dette eksperimentet er å skaffe seg utslippsspekteret til en generert lynbue. Denne metoden kan bidra til å forstå underliggende lynmekanismer, dens interaksjon med luften, og dens interaksjon med andre elementer i omgivelsene. Den største fordelen med denne teknikken er at den ikke er påtrengende og ikke forstyrrer lynbuen.Å hjelpe meg med å demonstrere prosedyren vil være Chris Stone, Lightning Laboratory manager. Dette eksperimentet bruker lyngeneratoren i Morgan-Botti Lightning Lab ved Cardiff University. Lynet genereres i et elektromagnetisk impulsskjermet kammer.Inne i kammeret er det en lynrigg. Riggen har støtte for buegenererende elektroder. To meter fra riggen er et stativ som støtter en liten fiberoptisk.Fiberen er kollidert og rettet mot utslippsregionen. Den fiberoptiske utfører lys til et andre kammer på toppen av den første;inne i kammeret er et datastyrt spektrografsystem. Den fiberoptiske avsluttes på systemets lystette chassis.De to kamrene, apparatet forbundet med hver av dem, og tilkoblingsfiberen er avbildet i denne skjematiske. Spektrografsystemet er basert på en Czerny-Turner-konfigurasjon med en brennvidde på 30 centimeter. Lys fra fiberen passerer gjennom en justerbar 100-mikrometerspalte.Tre speil og en roterbar rist reflekterer lys inn i et digitalt kamera som opererer på minus 70 grader Celsius. Spektral oppløsning er 0,6 nanometer i en 140-nanometer undertone. Forbered elektroder laget av et passende materiale.Dette eksperimentet bruker et par wolfram halvkuler med en diameter på 60 millimeter. Klargjøring av elektrodene krever lofrie kluter, et sonisk vannbad og en rekke sandpapir- og poleringsklutkvaliteter. Rengjør en elektrode om gangen;begynn med grovt sandpapir og gni elektroden i fem minutter.Når du er ferdig, plasser halvkule i et romtemperatur sonisk bad. Etter 10 minutter, bruk rene hansker og fjern halvkule. Tørk den av med en lofri klut.Gjenta gni-og-ren prosessen med finere karakterer av sandpapir. Målet er å fjerne forurensninger og oppnå en god polish for eksperimentet. Når begge elektrodene er rene, ta dem til kammeret for montering.I dette eksperimentet, når de er montert, er elektrodene skilt med 14 millimeter. I elektrodekammeret, plasser fiberoptisk for å se midten av elektrodegapet. Via en kontrolldatamaskin, start spektrografsystemet og flytt risten til startposisjonen på 450 nanometer, og plasser deretter en kalibreringskilde i den åpne enden av fiberoptisk og slå den på.Optimaliser signalet på kontrolldatamaskinen og ta opp spektraen. Slå av og fjern kalibreringskilden. Finn bølgelengdene for kildens kjente topper for kalibrering, i dette tilfellet på baksiden av enheten.Skriv inn disse verdiene i spektrografkontrollprogramvaren for automatisk kalibrering. Fortsett med å plassere risten for sin neste undertone, som skal overlappe den første, og sett deretter kalibreringskilden tilbake til forsiden av fiberoptisk for å kalibrere dette området. Gjenta kalibreringstrinnene over ønsket bølgelengdeområde.For eksperimentet, lukk elektrodekammerdøren og sørg for at den er lett stram. Deretter går du til kontrollrommet for lyngeneratoren. Kontroller at døren er festet.På innsiden slår du på lyngeneratoren, og deretter går du til datamaskinene for å kontrollere og overvåke eksperimentet. Bruk programvare på kontrolldatamaskinen til å flytte spektrografien til startposisjonen på 450 nanometer, og bruk deretter kameraet til å ta et bakgrunnsbilde. Velg deretter bølgeformen, i dette tilfellet en med en 100-kilo-amp topp.Etter å ha sikret spektrografen vil bli utløst av lynet hendelsen, begynne å lade systemet og overvåke ladenivået. Når ladingen er fullført, er systemet klart. Ta på deg hørselsvern før du starter en nedtelling.Trykk på knappen for å utløse lynet. Kort tid etter lysbuen vises lynbølgeformen i lyngeneratorkontrollprogramvaren. I tillegg vil spektra vises i spektrografprogramvaren.Fortsett med å ta tre målinger til med risten på 450 nanometer, og flytt deretter risten til neste posisjon, 550 nanometer. Gjenta målinger i denne posisjonen og på hver av de andre i ønsket bølgelengder. Disse dataene er fra en 100 kilo-amp laboratoriegenerert lynbue.Det er et resultat av å snitte den målte spektra av hver undertone og sy undergruppene sammen. Her er de samme dataene som vises som et intensitetsplott med de fremtredende toppene identifisert gjennom sammenligning med en database. Nitrogen, oksygen, argon og helium linjer vises på grunn av deres tilstedeværelse i atmosfæren.Wolfram vises på grunn av elektroden. Selv om denne metoden kan gi innsikt i genererte lysbuer, kan den også brukes på andre raske elektriske utladninger som høyspenning delvis utladning og gnist. Etter å ha sett denne videoen, bør du ha en god forståelse av hvordan du registrerer lynspektra fra genererte lynbuer eller fra andre raske elektriske utladninger.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Engineering

Unit 1

Electromagnetic Waves

SCIENTISTS IN ACTION

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Bygging av en høyoppløselig mikroskop med konvensjonelle og Holografisk Optiske overlapping Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High Resolution Phonon-assistert Quasi-resonans flourescensspektroskopi

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Emission Spectroscopic Boundary Layer Investigation during Ablative Material Testing in Plasmatron

Utslipps Spektroskopiske Boundary Layer Investigation under ablativ Material Testing i Plasma

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Høyoppløselig termisk Micro-imaging Bruke Europium chelat Lysende Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Electrochemical Etching and Characterization of Sharp Field Emission Points for Electron Impact Ionization

Elektrokjemisk Etsing og karakterisering av Sharp Feltet utslippspunkter for Electron Impact ionisering

A new variation of the drop-off method for fabricating field emission points by electrochemically etching tungsten rods in a NaOH solution is described. ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Fiberoptiske distribuerte sensorer med høy oppløsning Temperatur felttilordning

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

Fabrikasjon av White Light-Emitting elektrokjemiske celler med Stabil Emission fra Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

En ny metode for<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering av nanoskalaeksempler

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

Oppdage vannløselige klorid fordelingen av sement lim på høypresisjons måte

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...