空氣污染研究中用于光化學(xué)的太陽模擬器

這個太陽模擬器發(fā)出在高層大氣中的太陽光譜

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，需要開發(fā)定制的太陽能模擬器，以實現(xiàn)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(yīng)和光化學(xué)具有*而特殊的光譜要求。客戶的樣品室是一個裝有懸浮氣溶膠的旋轉(zhuǎn)圓柱鼓，需要均勻和準(zhǔn)直的照明。但是，狹窄的實驗室空間以及連接到樣品桶的其他設(shè)備的存在對Sciencetech提出的解決方案施加了多個限制。

客戶要求

1）照射1280W/m²；光譜分布以匹配在高層大氣中測得的光譜。

2）太陽模擬器的輸出光譜規(guī)定為280nm – 750nm。

3）照明區(qū)域覆蓋直徑80厘米的目標(biāo)

4）整個感光鼓容積的空間不均勻度為+/- 10％（ASTM E927）。

5）高度準(zhǔn)直的光在樣品鼓的整個深度均勻照射。

6）分四步降低輻照度，低至總輻照度的10％

7）客戶需要將系統(tǒng)安裝在較小的實驗室空間內(nèi)，這增加了其他設(shè)計和工程約束。

復(fù)雜的技術(shù)要求

• 由于嚴(yán)格的空間限制，容納對于獲得高空間均勻性和高準(zhǔn)直性*的光機(jī)械組件在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。
• 要根據(jù)高空發(fā)現(xiàn)的太陽光譜實現(xiàn)光譜匹配，需要定制設(shè)計的硬涂層干涉濾光片。
• 要同時達(dá)到空間均勻性，大目標(biāo)區(qū)域和高準(zhǔn)直度的矛盾標(biāo)準(zhǔn)，就需要迭代的光學(xué)設(shè)計和計算機(jī)化的光線追蹤模擬。
• 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時間承受高強(qiáng)度的光。

構(gòu)思和設(shè)計系統(tǒng)

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

該系統(tǒng)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(tǒng)中。使用定制的高度純化的熔融二氧化硅均質(zhì)棒來實現(xiàn)樣品鼓中所需的空間均勻性。均質(zhì)化的光被引導(dǎo)通過Koehler透鏡配置，被轉(zhuǎn)向鏡折回，然后再次被折回并被準(zhǔn)直鏡導(dǎo)入樣品鼓。其中一個焦距為3 m的近乎一米直徑的準(zhǔn)直鏡是由Sciencetech的一家鏡片供應(yīng)商專門生產(chǎn)的，并經(jīng)過Sciencetech的測試，以確認(rèn)達(dá)到了目標(biāo)輻照度。

光譜濾光片

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

太陽模擬器系統(tǒng)的光學(xué)組件布局

為太陽模擬器的光學(xué)設(shè)計執(zhí)行的光線追蹤路徑模型

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

進(jìn)行了廣泛的計算，以使用目標(biāo)平面上預(yù)期的光功率對太陽模擬器的終光譜輪廓進(jìn)行建模?；鶞?zhǔn)測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(dǎo)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(tǒng)內(nèi)部組件的完整3D圖和概念性光路

穿過均質(zhì)光學(xué)組件的光的照片

測試與安裝

在太陽模擬器系統(tǒng)的生產(chǎn)階段，開發(fā)了一個特殊的3軸電動測量階段，以測量整個目標(biāo)體積的輻照度分布和空間均勻性。Sciencetech的校準(zhǔn)光譜儀測量了紫外線和可見光波長的特定波段，以確保符合客戶的光譜要求。

輸出光學(xué)特性的終測試滿足了客戶要求的所有標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)能夠在280nm-700nm范圍內(nèi)達(dá)到所需光譜輪廓的近乎的光譜匹配。

客戶前往Sciencetech進(jìn)行了現(xiàn)場驗收測試，并簽署了所有要求均已滿足的要求。將系統(tǒng)仔細(xì)包裝到板條箱中，然后運送到客戶的工廠，然后科學(xué)技術(shù)工程團(tuán)隊重新組裝，安裝和測試系統(tǒng)?？蛻粢骃ciencetech工程團(tuán)隊進(jìn)行后續(xù)訪問，以幫助將系統(tǒng)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(zhí)行終太陽模擬器系統(tǒng)的質(zhì)量控制測試