雷电通道温度测量方法外文翻译资料

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雷电通道温度测量方法

X. Li, J. Zhang, L. Chen, Q. Xue amp; R. Zhu

摘要：本文利用雷电光谱理论和局部热力学平衡模型（LTE）对雷电通道温度进行了论证。利用脉冲电流发生器平台（ICGS）模拟雷电放电通道，计算了模拟雷电的红外光谱（930nm）和可见光谱（648.2nm）的光谱能量。结果表明，在5～50kA范围内，红外光谱和可见光谱的发光强度峰值随雷电电流强度的增大而增大。根据计算结果，得出雷电通道的温度为6140.8～10424K，并且该通道的温度与雷电电流强度近似呈指数关系，与自然雷电情况下的温度基本一致。

雷电通道的内部物理机制对雷电研究具有重要意义。它关系到雷电通道1、2的形成和发展，雷电通道参数测试是探测3、4、预警和保护5、6等的基本问题，温度是最重要的通道参数之一，是引起雷电火灾、电气系统损坏的主要原因。然而，雷电通道的温度难以直接测量。闪电过程中能量的瞬时峰值相当高7,8，在几微秒内释放出约55kw·h的能量。闪电通道中聚集着大量的等离子体，其峰值温度超过10000 K，这是由雷电瞬间放电引起的。自然光的随机性和瞬时性使照明放电通道的温度难以得到。通道等离子体的光谱诊断是获取放电通道温度的有效方法，目前国内外对其进行了大量的研究。

在以往的研究中，雷电光谱只是由常规的频谱仪识别出来的，并用来分析雷电通道中的等离子体。由于原子能级和跃迁参数的不足，对其进行识别是模棱两可的。然后利用无缝谱仪对单回击雷的频谱进行了一般性的观测，通过对雷电谱图12所反映的雷电通道特性和物理过程的分析，已趋于成熟。王杰利用西藏那曲13号区云内闪电通道的光谱计算了通道不同位置的温度。魏德曼等。根据中性原子ni光谱的波长868.0nm和1011.3nm，分析了触发闪电的850-1400 nm光谱的光谱辐射特性，认为通道温度产生约16000 k14。屈海燕讨论了近红外 基于对760～970纳米范围内雷电近红外光谱特征的分析，在山东省测量了雷电放电过程中温度随雷电通道位置变化的光谱学和雷电通道演化特征15。然而，由于雷电发生的随机性，很难接收到各种电流的自然光谱，这使雷电物理研究者感到困惑16。本文利用脉冲电流发生器平台（ICGS）对具有理想电流强度的雷电通道进行了模拟，并通过红外光谱和可见光光谱的测试，计算了通道温度。研究结果与前人的研究结果吻合较好。

理论分析

当绝对温度不为0 K时，气体中存在原子电离现象，这意味着除了中性粒子外，还存在其他带电粒子。只有当这些粒子的密度足以形成空间电荷，限制运动本身时，其他带电粒子才能严重影响气体特性。

随着密度的增加，这种限制往往很重要。在一定体积的气体（气体体积与带电粒子的空间相似）中，正、负电荷粒子之间的相互作用可以保持宏观电中性，其破坏作用会引起电场，从而缩短了恢复时间。空中放电是将气体转化为等离子体的方法之一，但并非所有的气体都能揭示等离子体的特性。只有当电离足够强时，等离子体的性质才会呈现出来。闪电能瞬间感应到几十到几百kA的电流，如此大的电流能将闪电通道加热到数万K。在常温下，大气中的各种分子和原子在如此高的环境温度下瞬间被离解和电离，从而产生不同的电能。离子通道中的原子和各级电离离子。同时，大量电子同时产生，整个通道处于等离子体状态。由于雷电放电的复杂性和瞬变性，很难直接测试雷电道的物理参数。通过对雷电光谱的定量分析，可以得到雷电内部的物理参数。在分析过程中，应满足以下理论假设：

（1）对于所研究的谱线而言，雷电通道是光学薄的；（2）雷电通道处于局部热模平衡（LTE）状态。

LTE模型。等离子体只满足LTE，以保证等离子体的速度满足麦克斯韦分布，每个带电离子和原子符合SAHA分布，每个能级符合玻尔兹曼统计分布。从而建立了等离子体辐射量与不同状态参数17之间具有明确物理意义的定量关系。只有当电子原子与电子离子的碰撞过程在几微秒内完成，并且在等离子体速度方程中起主导作用时，LTE条件才成立。因此，只有当电子密度足够大时，系统才能实现LTE，这意味着等离子体应满足以下LTE的必要条件

(1)

式中：为雷电道等离子体的电子密度，eV/；为所涉及的能态之间的能量差；为电子的温度，K.为保证能级满足上述条件，常将第一激发态与基态之间的差定为测量标准。

NII的低激发态占雷电道等离子体的主导地位，温度范围为2times;K3times;K，Delta;E在10eV30eV。根据方程（1），当电子密度在到之间时，等离子体满足通道中的LTE条件。等离子体密度值约为 ，采用斯塔克加宽法计算。由此可以判断雷电通道中的等离子体满足LTE条件。

根据雷电频谱的相应特性，要求保证回击通道的电子密度为光学薄。只有当通道在辐射和吸收上保持平衡时，才能形成回程通道。奥维尔等人。通过时间积累和分辨率分析了雷电光谱，初步得出了NII粒子的离子通道较薄17。

雷电通道温度测量理论。根据原子光谱理论，低能量态的带电粒子将被激发到高能量态。然后，被激发的带电粒子是非常不稳定的，在被激发秒后会从较高的能级返回到较低的能级。当被激发的带电粒子从较高的能级过渡到较低的能级时，以光的形式辐射的能量被表示为

-=h (2)

式中：为高能粒子的能量；为低能粒子的能量；m，n为能级；h为普朗克常数；为粒子跃迁产生的辐射光谱的频率。在LTE条件下，当雷电通道处于一定温度时，假设通道中的中性原子处于激发状态。根据玻尔兹曼公式，每个激发态的粒子数为

=exp{-} (3)

式中：为单位体积雷电道中激发态i的粒子数；为基态粒子数； 和为激发态和基态的统计权重；为激发电位，代表激发态i的能级eV；k为玻尔兹曼常数。T是闪电通道的温度，K.从方程（3）可以看出，当闪电通道中等离子体的激发温度足够高时，中性原子容易被激发到较高的能级，更多的原子处于激发状态。同时，激发等离子体在通道中不稳定，很容易快速返回基态，从而辐射光子。假设一个粒子被激发到i能级，当它从较高的能级恢复到较低的能级时，各种能级之间的跃迁有各种可能性。将i和m能级之间的跃迁概率设为目标，则i和m之间的差为

表1。不同波长谱线的特征。

=h (4)

其中是i和m能级之间跃迁谱线的频率。过渡谱线强度为：

h (5)

式中：是谱线强度，在i和m能级之间转换，J/（·s）；是两个能级之间的转换概率。

根据上述方程，谱线强度为

=exp{-}h (6)

同一种颗粒的两条带的强度比应满足

exp{-} (7)

式中：和是波长为和的谱线强度；和是不同谱线的跃迁概率；和是激发态的统计权重；和是不同谱线的激发态能量。

从式（7）可以看出

T=. (8)

对于波长为和的两条线，、、、、、和k是预先确定的常数，因此只有通过测量两条谱线强度和，才能用方程（8）求出闪电通道的温度T。

方程（8）给出了雷电通道闪电强度与温度之间的直接关系，可作为原子发射光谱法测温的基本理论，并以此作为雷电通道相对强度谱测量温度的基础。

实验模型及数据分析

实验模型的建立。选取可见光谱范围内波长为648.2nm，红外光谱范围内波长为930nm的观测对象为谱线。由于分子散射比可见光带弱，在可见光区闪电的光辐射较强，而在红外光谱中闪电的连续辐射较弱。因此，红外光谱波段是研究光学薄闪电信道的最佳选择。此外，上述两条波长谱线中的所有粒子均为NII。参数、谱线激发能和跃迁概率如表1所示，满足光学薄雷电道18。

冲击电流发生器系统（ICGS）用于模拟雷电电流，如图1（a）所示。闪电通道形成在球体间隙G之间，而C是并联串联电容器的总电容，L是测试产品上电容器、回路连接线、分流器、整流器、球体间隙和火花的总电感，总电阻R.G是球体间隙，D是硅堆，R.是保护电阻，T是充电变压器，O是测试产品，S是分流器，C1和C2是分流器的电容，CRO是示波器。球形间隙中雷电通道的电流值由电容C的充电电压值调节，据统计，雷电电流振幅的分布具有叠加特性，这意味着大多数雷电电流振幅都在10 kA-50 kA之间，但其振幅约为总CA的5%。振幅大于96。因此，在模拟雷电放电实验的基础上，可以诊断出雷电通道的温度，并估算出雷电大电流与通道温度的关系。

如图1（b）所示，闪电频谱接收器位于距离球体间隙1 m的位置。当缝隙被破坏时形成雷电通道，930nm和648.2nm的雷电光线分别通过凸透镜1和凸透镜2聚焦，并通过光学滤波器进行过滤。然后光线照射到

凸透镜1 930nm滤光片

凸透镜2 648.2nm滤光片

图1（a）全球导航卫星系统示意图。（b）频谱接收电路的原理图。

表2。模拟雷电通道的实验数据。

分别是光电管1和2。光电管连接到示波器Tektronix TDS 2022B上，将光信号传输到电信号，并选择频谱电压图，同时它用于获得不同电流值的闪电通道，从而改变ICG的脉冲电流。最后，对波长分别为930nm和648.2nm的谱电压图、光强比值和谱线强度进行了仿真分析。

对数据的分析。根据谱线参数7，由方程（8）得到雷电通道温度，如表2所示。第二列和第三列分别表示具有不同通道电流的两条光谱线的光强度峰值，第四列分别表示两条光谱线强度和之比的对数取数。由表2可知，所选两条谱线的光强峰值分别为380～760 mV和220～540 mV，温度范围为6140.8～10424 K，谱线光强与雷电道电流的关系图如图2所示。红外波段的光强高于可见光波段，并且随着雷电通道电流值的增大而增大。在红外波段和不可见波段，光强逐渐增大，这意味着谱线光强与雷电道电流之间存在正相关。垂直轴通过电压值表示相应的发光强度值。光强和谱线电压图

图2 （a）波长为930 nm。（b）波长为650 nm。

T=1782.8In(I) 3347

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