空氣污染研究中用于光化學的太陽模擬器

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和光化學具有*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

4）整個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(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。
• 要同時達到空間均勻性，大目標區(qū)域和高準直度的矛盾標準，就需要迭代的光學設(shè)計和計算機化的光線追蹤模擬。
• 光學組件需要進行耐久性測試，以查看它們是否可以長時間承受高強度的光。

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設(shè)計。找到光學元件的正確幾何位置還需要對光學設(shè)計進行幾處改動。進行了多次射線追蹤模擬，以評估準直度和輻照度分布。

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)化的光被引導通過Koehler透鏡配置，被轉(zhuǎn)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門生產(chǎn)的，并經(jīng)過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(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)的光學組件布局

為太陽模擬器的光學設(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工程團隊進行了基準測試，以將理論計算與實際光源效率進行比較。

進行了廣泛的計算，以使用目標平面上預期的光功率對太陽模擬器的終光譜輪廓進行建模。基準測試還有助于選擇光學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。

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

客戶前往Sciencetech進行了現(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)仔細包裝到板條箱中，然后運送到客戶的工廠，然后科學技術(shù)工程團隊重新組裝，安裝和測試系統(tǒng)。客戶要求Sciencetech工程團隊進行后續(xù)訪問，以幫助將系統(tǒng)從進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