大型太陽光模擬器

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(xue)家與Sciencetech聯(lian)系，需要開發定制(zhi)的太陽光(guang)(guang)模擬器(qi)，以實現政府的高度優(you)先研(yan)究計劃(hua)。他(ta)們對研(yan)究高層大(da)氣中(zhong)的空(kong)氣污染效應和(he)光(guang)(guang)化學(xue)具有*而(er)特殊的光(guang)(guang)譜要求。客戶的樣品室(shi)是一個裝有懸(xuan)浮氣溶膠(jiao)的旋轉圓(yuan)柱鼓，需要均勻和(he)準直的照(zhao)明。但是，狹窄(zhai)的實驗室(shi)空(kong)間以及(ji)連接到(dao)樣品桶的其他(ta)設備的存在對Sciencetech提出的解決(jue)方案施加了多個限制(zhi)。

客(ke)戶要求

1）照射1280W/m²；光譜分(fen)布以匹配在高(gao)層大氣中測(ce)得的(de)光譜。

2）太(tai)陽(yang)模擬器的輸出光譜規定(ding)為280nm – 750nm。

3）照明區域(yu)覆(fu)蓋直徑(jing)80厘米的(de)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(zhun)直的光(guang)在樣品鼓的整個深度均勻照射。

6）分四步降(jiang)低輻(fu)照度，低至(zhi)總輻(fu)照度的10％

7）客戶需要將(jiang)系(xi)統安裝在較小(xiao)的(de)實驗室(shi)空間內(nei)，這增加了其他設計和工程約束。

8）大型太陽光模擬器照射懸浮氣溶膠

復雜的技術要(yao)求

●由于嚴(yan)格(ge)的空間限制，容納對于獲得高(gao)空間均勻性(xing)(xing)和高(gao)準直性(xing)(xing)*的光機械組件在技術上具有挑戰性(xing)(xing)。

●要根據高空(kong)發現的(de)太陽光(guang)譜實(shi)現光(guang)譜匹(pi)配，需要定(ding)制設計(ji)的(de)硬涂層干涉濾光(guang)片(pian)。

●要同時達到空間均(jun)勻性，大目(mu)標區(qu)域和(he)高準(zhun)直度的(de)矛盾標準(zhun)，就(jiu)需要迭代的(de)光(guang)(guang)學(xue)設(she)計和(he)計算機化的(de)光(guang)(guang)線追蹤模擬。

●光(guang)學組件需要進行耐久性測試，以查(cha)看它們是否可以長(chang)時(shi)間承受(shou)高強(qiang)度的光(guang)。

構思和設(she)計系統(tong)

在初的(de)概念(nian)設(she)(she)計(ji)階(jie)段(duan)，制作了(le)幾(ji)種不(bu)同的(de)光(guang)線跟蹤(zong)模型(xing)來評估(gu)(gu)*有效的(de)光(guang)學設(she)(she)計(ji)。找(zhao)到光(guang)學元件的(de)正(zheng)確(que)幾(ji)何位置還(huan)需要(yao)對(dui)光(guang)學設(she)(she)計(ji)進(jin)行幾(ji)處改動。進(jin)行了(le)多次(ci)射線追(zhui)蹤(zong)模擬，以評估(gu)(gu)準直度和輻照度分布。

該系(xi)統的(de)(de)核心是6500 W氙氣短弧燈和深橢圓形(xing)反射鏡，可(ke)產(chan)(chan)生大的(de)(de)光(guang)功率并將(jiang)其(qi)重定向(xiang)(xiang)到(dao)均質系(xi)統中(zhong)。使用定制(zhi)的(de)(de)高度(du)純化的(de)(de)熔融(rong)二氧化硅(gui)均質棒來實(shi)現樣品鼓中(zhong)所需的(de)(de)空間均勻性。均質化的(de)(de)光(guang)被(bei)引(yin)導通過Koehler透鏡配(pei)置(zhi)，被(bei)轉(zhuan)向(xiang)(xiang)鏡折回，然后再次(ci)被(bei)折回并被(bei)準直鏡導入樣品鼓。其(qi)中(zhong)一個焦距為3 m的(de)(de)近(jin)乎一米直徑(jing)的(de)(de)準直鏡是由Sciencetech的(de)(de)一家鏡片供應商專(zhuan)門生產(chan)(chan)的(de)(de)，并經過Sciencetech的(de)(de)測試，以確認達到(dao)了目標輻(fu)照度(du)。

光譜濾光片

定(ding)制了特殊的(de)(de)(de)光(guang)譜濾光(guang)片，可根據客戶要求模擬太(tai)陽光(guang)譜。Sciencetech的(de)(de)(de)液體(ti)過濾器中的(de)(de)(de)水吸收了數百瓦的(de)(de)(de)不想(xiang)要的(de)(de)(de)紅外波長，并且使用循環冷卻系統消散了熱能。

太陽模擬器系統的(de)光學組件(jian)布局(ju)

為太(tai)陽模擬器的光(guang)學設計(ji)執行的光(guang)線追蹤路徑模型(xing)

在項目(mu)的設(she)計評(ping)估階段，Sciencetech工(gong)程團隊進行了基準測試，以(yi)將理論計算(suan)與實際光源效率進行比(bi)較。

進行了廣泛的(de)(de)計算，以使用(yong)目標平面上(shang)預(yu)期的(de)(de)光功率對太陽模擬器的(de)(de)終(zhong)光譜(pu)輪廓進行建模。基準測試還有助于選擇光學裝置所需的(de)(de)合適涂層和材料，例如透鏡(jing)，鏡(jing)子和均質(zhi)光導管(guan)。

該項(xiang)目(mu)中使用的材料要(yao)求能夠承受高光功率密度(du)，并具有明顯的紫外(wai)線發射能力。因此，確定所用材料的耐久性和性能是項(xiang)目(mu)評估的重要(yao)方面。

系統內(nei)部組件的完整3D圖和概念性光路

穿(chuan)過(guo)均質光學組件的光

測試與安裝

在太陽模(mo)擬(ni)器(qi)系統的(de)生(sheng)產階(jie)段(duan)，開發了(le)一(yi)個特殊(shu)的(de)3軸電(dian)動測量(liang)階(jie)段(duan)，以(yi)測量(liang)整個目標體積的(de)輻照度分(fen)布(bu)和(he)空間均(jun)勻(yun)性。Sciencetech的(de)校準光譜(pu)儀測量(liang)了(le)紫外(wai)線和(he)可見(jian)光波(bo)長的(de)特定(ding)波(bo)段(duan)，以(yi)確(que)保符合客(ke)戶的(de)光譜(pu)要求。

輸出(chu)光學特性的(de)終測試滿(man)足了(le)客戶要求的(de)所(suo)有標準。該(gai)系統(tong)能(neng)夠在280nm-700nm范圍內達到所(suo)需光譜(pu)輪廓的(de)近乎的(de)光譜(pu)匹配。

客戶(hu)前往Sciencetech進行(xing)了現場驗收測試，并簽署了所(suo)有要求均已滿(man)足的(de)(de)要求。將(jiang)系(xi)統仔細包裝(zhuang)到板條箱(xiang)中，然后(hou)運(yun)送(song)到客戶(hu)的(de)(de)工廠，然后(hou)科(ke)學技(ji)術工程團隊重新組裝(zhuang)，安裝(zhuang)和測試系(xi)統。客戶(hu)要求Sciencetech工程團隊進行(xing)后(hou)續(xu)訪問(wen)，以幫助將(jiang)系(xi)統從進行(xing)初(chu)步研究的(de)(de)位置(zhi)移至終安裝(zhuang)位置(zhi)。