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空气污染研究中用于光化学的太阳模拟器

发布时间:2020-04-24 点击次数:255

空气污染研究中用于光化学的太阳模拟器

这个太阳模拟器发出在高层大气中的太阳光谱

Solar simulator for Photochemistry in Air pollution studies

This solar simulator produces solar spectrum found in the upper atmosphere

科学家与Sciencetech联系,需要开发定制的太阳能模拟器,以实现政府的高度优先研究计划。他们对研究高层大气中的空气污染效应和光化学具有独特而特殊的光谱要求。客户的样品室是一个装有悬浮气溶胶的旋转圆柱鼓,需要均匀和准直的照明。但是,狭窄的实验室空间以及连接到样品桶的其他设备的存在对Sciencetech提出的解决方案施加了多个限制。

客户要求

1)照射1280W/m2;光谱分布以匹配在高层大气中测得的光谱。

2)太阳模拟器的输出光谱规定为280nm – 750nm。

3)照明区域覆盖直径80厘米的目标

4)整个感光鼓容积的空间不均匀度为+/- 10%(ASTM E927)。

5)高度准直的光在样品鼓的整个深度均匀照射。

6)分四步降低辐照度,低至总辐照度的10%

7)客户需要将系统安装在较小的实验室空间内,这增加了其他设计和工程约束。

复杂的技术要求

●由于严格的空间限制,容纳对于获得高空间均匀性和高准直性必不可少的光机械组件在技术上具有挑战性。

●要根据高空发现的太阳光谱实现光谱匹配,需要定制设计的硬涂层干涉滤光片。

●要同时达到空间均匀性,大目标区域和高准直度的矛盾标准,就需要迭代的光学设计和计算机化的光线追踪模拟。

●光学组件需要进行耐久性测试,以查看它们是否可以长时间承受高强度的光。

构思和设计系统

在最初的概念设计阶段,制作了几种不同的光线跟踪模型来评估*有效的光学设计。找到光学元件的正确几何位置还需要对光学设计进行几处改动。进行了多次射线追踪模拟,以评估准直度和辐照度分布。

该系统的核心是6500 W氙气短弧灯和深椭圆形反射镜,可产生最大的光功率并将其重定向到均质系统中。使用定制的高度纯化的熔融二氧化硅均质棒来实现样品鼓中所需的空间均匀性。均质化的光被引导通过Koehler透镜配置,被转向镜折回,然后再次被折回并被准直镜导入样品鼓。其中一个焦距为3 m的近乎一米直径的准直镜是由Sciencetech的一家镜片供应商专门生产的,并经过Sciencetech的测试,以确认达到了目标辐照度。

光谱滤光片

定制了特殊的光谱滤光片,可根据客户要求模拟太阳光谱。Sciencetech的液体过滤器中的水吸收了数百瓦的不想要的红外波长,并且使用循环冷却系统消散了热能。

太阳模拟器系统的光学组件布局

为太阳模拟器的光学设计执行的光线追踪路径模型

在项目的设计评估阶段,Sciencetech工程团队进行了基准测试,以将理论计算与实际光源效率进行比较。

进行了广泛的计算,以使用目标平面上预期的光功率对太阳模拟器的最终光谱轮廓进行建模。基准测试还有助于选择光学装置所需的合适涂层和材料,例如透镜,镜子和均质光导管。

该项目中使用的材料要求能够承受高光功率密度,并具有明显的紫外线发射能力。因此,确定所用材料的耐久性和性能是项目评估的重要方面。

系统内部组件的完整3D图和概念性光路

穿过均质光学组件的光的照片

测试与安装

在太阳模拟器系统的生产阶段,开发了一个特殊的3轴电动测量阶段,以测量整个目标体积的辐照度分布和空间均匀性。Sciencetech的校准光谱仪测量了紫外线和可见光波长的特定波段,以确保符合客户的光谱要求。

输出光学特性的最终测试满足了客户要求的所有标准。该系统能够在280nm-700nm范围内达到所需光谱轮廓的近乎完美的光谱匹配。

客户前往Sciencetech进行了现场验收测试,并签署了所有要求均已满足的要求。将系统仔细包装到板条箱中,然后运送到客户的工厂,然后科学技术工程团队重新组装,安装和测试系统。客户要求Sciencetech工程团队进行后续访问,以帮助将系统从进行初步研究的位置移至最终安装位置。

Sciencetech工程师组装并执行最终太阳模拟器系统的质量控制测试

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