空氣污染研究中用于光化學(xué)的太陽(yáng)模擬器

這個(gè)太陽(yáng)模擬器發(fā)出在高層大氣中的太陽(yáng)光譜

Solar simulator for Photochemistry in Air pollution studies

This solar simulator produces solar spectrum found in the upper atmosphere

科學(xué)家與Sciencetech聯(lián)系，需要開(kāi)發(fā)定制的太陽(yáng)能模擬器，以實(shí)現政府的高度優(yōu)先研究計劃。他們對研究高層大氣中的空氣污染效應和光化學(xué)具有*而特殊的光譜要求?？蛻?hù)的樣品室是一個(gè)裝有懸浮氣溶膠的旋轉圓柱鼓，需要均勻和準直的照明。但是，狹窄的實(shí)驗室空間以及連接到樣品桶的其他設備的存在對Sciencetech提出的解決方案施加了多個(gè)限制。

客戶(hù)要求

1）照射1280W/m²；光譜分布以匹配在高層大氣中測得的光譜。

2）太陽(yáng)模擬器的輸出光譜規定為280nm – 750nm。

3）照明區域覆蓋直徑80厘米的目標

4）整個(gè)感光鼓容積的空間不均勻度為+/- 10％（ASTM E927）。

5）高度準直的光在樣品鼓的整個(gè)深度均勻照射。

6）分四步降低輻照度，低至總輻照度的10％

7）客戶(hù)需要將系統安裝在較小的實(shí)驗室空間內，這增加了其他設計和工程約束。

復雜的技術(shù)要求

●由于嚴格的空間限制，容納對于獲得高空間均勻性和高準直性*的光機械組件在技術(shù)上具有挑戰性。

●要根據高空發(fā)現的太陽(yáng)光譜實(shí)現光譜匹配，需要定制設計的硬涂層干涉濾光片。

●要同時(shí)達到空間均勻性，大目標區域和高準直度的矛盾標準，就需要迭代的光學(xué)設計和計算機化的光線(xiàn)追蹤模擬。

●光學(xué)組件需要進(jìn)行耐久性測試，以查看它們是否可以長(cháng)時(shí)間承受高強度的光。

構思和設計系統

在初的概念設計階段，制作了幾種不同的光線(xiàn)跟蹤模型來(lái)評估*有效的光學(xué)設計。找到光學(xué)元件的正確幾何位置還需要對光學(xué)設計進(jìn)行幾處改動(dòng)。進(jìn)行了多次射線(xiàn)追蹤模擬，以評估準直度和輻照度分布。

該系統的核心是6500 W氙氣短弧燈和深橢圓形反射鏡，可產(chǎn)生大的光功率并將其重定向到均質(zhì)系統中。使用定制的高度純化的熔融二氧化硅均質(zhì)棒來(lái)實(shí)現樣品鼓中所需的空間均勻性。均質(zhì)化的光被引導通過(guò)Koehler透鏡配置，被轉向鏡折回，然后再次被折回并被準直鏡導入樣品鼓。其中一個(gè)焦距為3 m的近乎一米直徑的準直鏡是由Sciencetech的一家鏡片供應商專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的，并經(jīng)過(guò)Sciencetech的測試，以確認達到了目標輻照度。

光譜濾光片

定制了特殊的光譜濾光片，可根據客戶(hù)要求模擬太陽(yáng)光譜。Sciencetech的液體過(guò)濾器中的水吸收了數百瓦的不想要的紅外波長(cháng)，并且使用循環(huán)冷卻系統消散了熱能。

太陽(yáng)模擬器系統的光學(xué)組件布局

為太陽(yáng)模擬器的光學(xué)設計執行的光線(xiàn)追蹤路徑模型

在項目的設計評估階段，Sciencetech工程團隊進(jìn)行了基準測試，以將理論計算與實(shí)際光源效率進(jìn)行比較。

進(jìn)行了廣泛的計算，以使用目標平面上預期的光功率對太陽(yáng)模擬器的終光譜輪廓進(jìn)行建模?；鶞蕼y試還有助于選擇光學(xué)裝置所需的合適涂層和材料，例如透鏡，鏡子和均質(zhì)光導管。

該項目中使用的材料要求能夠承受高光功率密度，并具有明顯的紫外線(xiàn)發(fā)射能力。因此，確定所用材料的耐久性和性能是項目評估的重要方面。

系統內部組件的完整3D圖和概念性光路

穿過(guò)均質(zhì)光學(xué)組件的光的照片

測試與安裝

在太陽(yáng)模擬器系統的生產(chǎn)階段，開(kāi)發(fā)了一個(gè)特殊的3軸電動(dòng)測量階段，以測量整個(gè)目標體積的輻照度分布和空間均勻性。Sciencetech的校準光譜儀測量了紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光波長(cháng)的特定波段，以確保符合客戶(hù)的光譜要求。

輸出光學(xué)特性的終測試滿(mǎn)足了客戶(hù)要求的所有標準。該系統能夠在280nm-700nm范圍內達到所需光譜輪廓的近乎的光譜匹配。

客戶(hù)前往Sciencetech進(jìn)行了現場(chǎng)驗收測試，并簽署了所有要求均已滿(mǎn)足的要求。將系統仔細包裝到板條箱中，然后運送到客戶(hù)的工廠(chǎng)，然后科學(xué)技術(shù)工程團隊重新組裝，安裝和測試系統?？蛻?hù)要求Sciencetech工程團隊進(jìn)行后續訪(fǎng)問(wèn)，以幫助將系統從進(jìn)行初步研究的位置移至終安裝位置。

Sciencetech工程師組裝并執行終太陽(yáng)模擬器系統的質(zhì)量控制測試