CN103308482A - 气溶胶散射和消光测量装置 - Google Patents

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赵卫雄
高晓明
黄伟
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Abstract

本发明公开了一种气溶胶散射和消光测量装置。它包括相互连接的光源部件(1)、谐振部件(2)、气源部件(3)和探测部件(4)，其中，谐振部件(2)的谐振腔前腔镜(201)与光学积分球(207)之间密闭串接有管内径为10～25mm的、其上连通有进样口(204)的前向截止减弱管(205)，光学积分球(207)与谐振腔后腔镜(214)之间密闭串接有管内径为10～25mm的、其上连通有出气口(211)的后向截止减弱管(210)；谐振腔前腔镜(201)和谐振腔后腔镜(214)的反射率为99～99.9999％、透过率为10-3～10-6，两者的曲率半径相同，且形成的光学谐振腔为稳定腔；光学积分球(207)内的挡光板(208)与光路(11)平行设置。它的截止角≤1度，可广泛地用于探测气溶胶的反照率。

Description

气溶胶散射和消光测量装置
技术领域
本发明涉及一种散射和消光测量装置，尤其是一种气溶胶散射和消光测量装置。
背景技术
气溶胶对气候影响的重要性已越来越受到人们的广泛关注，由于其时空的多变性、化学成分的复杂性，其辐射强迫作用是全球气候变化数值模拟和预测中最不确定的因子，已成为继臭氧亏损、温室效应之后又一个重要的大气科学研究领域，迫切地需要对其作进一步地研究。气溶胶单次散射反照率(散射系数与消光系数之比)是直接用于计算辐射强迫的重要光学参数，决定着气溶胶粒子吸收和散射所占的比例，其偏差将直接影响气溶胶对全球气候变暖的加强或削弱作用。近期，人们为了更加准确地探测气溶胶的反照率，作了一些尝试和努力，如J.E.Thompson et al.，“A fixed frequency aerosolalbedometer”，Opt.Express 16，2191-2205(2008)(Thompson等发表的题为“一个固定频率的气溶胶反照率测量仪”，光学快讯，2008年16期2191～2205页)的文章。该文公开的测量仪包括Nd:YAG532nm激光器、谐振部件、探测部件和与上述部件连接的气源部件，其中，谐振部件由位于光路上的前腔衰荡光谱镜、内置挡光板的光学积分球、后腔衰荡光谱镜组成，光学积分球的上下端分别连通有进样口和出气口，进样口和出气口分别与气源部件和抽气泵连通，探测部件包括分别设置于光学积分球上的散射PMT和在后腔衰荡光谱镜后的光路上的腔衰荡光谱PMT；测量时，待测气溶胶由进样口进入谐振部件，与Nd:YAG532nm激光器发出的激光相作用后，分别由置于挡光板背面的光学积分球上的散射PMT和在后腔衰荡光谱镜后的光路上的腔衰荡光谱PMT测得气溶胶的散射和消光系数。这种气溶胶反照率测量仪虽能同时测量气溶胶的散射和消光系数，以减小不同仪器分别测量散射和消光时的误差影响，却因前、后腔衰荡光谱镜均直接固定于积分球侧壁上的结构而产生了难以克服的缺陷，首先，散射测量的截至角误差较大，平均截止角高达2.4度；对于较大的气溶胶粒子，其散射造成的误差将会更大。其次，须使用较大直径的积分球，如积分球的直径为46cm，体积为50L左右，来增加其吸收光程，以达到所需要的灵敏度，而大体积的积分球必然使得系统的时间响应过慢。
发明内容
本发明要解决的技术问题旨在克服现有技术中的欠缺之处，提供一种截止角误差较小的气溶胶散射和消光测量装置。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：气溶胶散射和消光测量装置包括光源部件、谐振部件、气源部件和探测部件，其中，谐振部件含有位于光源部件的光路上的谐振腔前腔镜、内置挡光板的光学积分球和谐振腔后腔镜，谐振部件的进样口和出气口分别与气源部件连通，探测部件的散光探测器和消光探测器分别置于挡光板背面的光学积分球的侧壁上和谐振腔后腔镜后的光路上，特别是，
所述谐振腔前腔镜与光学积分球之间密闭串接有管内径为10～25mm的前向截止减弱管，所述前向截止减弱管上连通有进样口，所述光学积分球与谐振腔后腔镜之间密闭串接有管内径为10～25mm的后向截止减弱管，所述后向截止减弱管上连通有出气口；
所述谐振腔前腔镜和谐振腔后腔镜的反射率为99～99.9999％、透过率为10-3～10-6，两者的曲率半径相同，且形成的光学谐振腔为稳定腔；
所述光学积分球内的挡光板与光路平行设置。
作为气溶胶散射和消光测量装置的进一步改进，所述的进样口和出气口与前向截止减弱管和后向截止减弱管连接处的夹角均为45度；所述的进样口与气源部件的样气源连通，出气口与气源部件的抽气泵连通；所述的样气源为待测大气气溶胶，或滤除气溶胶的大气；所述的光学积分球的内径为10～25cm，其内壁由聚四氟乙烯压制而成；所述的谐振腔前腔镜与进样口之间的前向截止减弱管上连通有第一氮气进口，出气口与谐振腔后腔镜之间的后向截止减弱管上连通有第二氮气进口；所述的第一氮气进口和第二氮气进口均与氮气源连通；所述的进样口与光学积分球之间的前向截止减弱管上连通有压力计；所述的光学积分球与出气口之间的后向截止减弱管上连通有温湿度计；所述的光源部件为单波长激光器，或发光二极管，或卤素灯，或惰性气体灯，或超连续光源；所述的散光探测器经第一前置放大器与第一模数转换器电连接；所述的消光探测器经第二前置放大器与第二模数转换器电连接；所述的第一氮气进口与进样口之间的前向截止减弱管中串接有第一波纹管，出气口与第二氮气进口之间的后向截止减弱管中串接有第二波纹管。
相对于现有技术的有益效果是，在现有技术的基础上，再采用于谐振腔前腔镜与光学积分球之间密闭串接管内径为10～25mm的、其上连通有进样口的前向截止减弱管，光学积分球与谐振腔后腔镜之间密闭串接管内径为10～25mm的、其上连通有出气口的后向截止减弱管，并使谐振腔前腔镜和谐振腔后腔镜的反射率为99～99.9999％、透过率为10-3～10-6，两者的曲率半径相同，且形成的光学谐振腔为稳定腔，光学积分球内的挡光板与光路平行设置的技术方案，使得本装置既能同时测量气溶胶的散射和消光系数；又大大地降低了散射测量的截止角，使前向和后向的截止角分别≤1度和≥179度，极大地提高了散射测量的精确度；还在大大地减小光学积分球直径的同时，极大地增加了气溶胶有效吸收光程，如光学积分球的直径仅为10～25cm、采样体积减至0.5～8L，而吸收池的基长却增加至1m左右，使吸收光程增加了1倍，从而使消光测量的灵敏度得到了极大的提高；更由于光学积分球较小的直径而使系统的时间响应得到了极大的提升。
作为有益效果的进一步体现，一是进样口和出气口与前向截止减弱管和后向截止减弱管连接处的夹角均优选为45度，不仅便于气溶胶顺畅地进出前向截止减弱管和后向截止减弱管，也利于前向截止减弱管、光学积分球和后向截止减弱管中的气溶胶呈均匀的混合状。二是优选进样口与气源部件的样气源连通，出气口与气源部件的抽气泵连通，样气源优选为待测大气气溶胶，或滤除气溶胶的大气，确保了测量的精确度和结果的稳定性。三是光学积分球的内径优选为10～25cm，其内壁由聚四氟乙烯压制而成，既保证了测量的灵敏度，又价廉物美。四是优选谐振腔前腔镜与进样口之间的前向截止减弱管上连通有第一氮气进口，出气口与谐振腔后腔镜之间的后向截止减弱管上连通有第二氮气进口，第一氮气进口和第二氮气进口均与氮气源连通，利于始终保持谐振腔前腔镜和谐振腔后腔镜表面的洁净。五是优选进样口与光学积分球之间的前向截止减弱管上连通有压力计，光学积分球与出气口之间的后向截止减弱管上连通有温湿度计，不仅便于测量的有效进行，同时也获得了相应的数据。六是光源部件优选为单波长激光器，或发光二极管，或卤素灯，或惰性气体灯，或超连续光源，除使得光源部件的来源较为丰富之外，还大大地拓展了测量的范围。七是优选散光探测器经第一前置放大器与第一模数转换器电连接，消光探测器经第二前置放大器与第二模数转换器电连接，利于获得较精确和较高品质的测量信息。八是优选第一氮气进口与进样口之间的前向截止减弱管中串接有第一波纹管，出气口与第二氮气进口之间的后向截止减弱管中串接有第二波纹管，便于谐振腔前腔镜和谐振腔后腔镜的调整。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的一种基本结构示意图。
具体实施方式
参见图1，气溶胶散射和消光测量装置由相互连接的光源部件1、谐振部件2、气源部件3和探测部件4组成，其中：
光源部件1为单波长激光器，或发光二极管，或卤素灯，或惰性气体灯，或超连续光源，现为发光二极管。
谐振部件2由位于光源部件1的光路11上的依次密闭串接的谐振腔前腔镜201、管内径为15(可为10～25)mm的前向截止减弱管205、内置有与光路11平行设置的挡光板208的光学积分球207、管内径为15(可为10～25)mm的后向截止减弱管210和谐振腔后腔镜214构成。其中，谐振腔前腔镜201和谐振腔后腔镜214的反射率为99～99.9999％、透过率为10-3～10-6，两者的曲率半径相同，且形成的光学谐振腔为稳定腔。前向截止减弱管205上连通有连接处的夹角为45度的进样口204。光学积分球207的内径为15(可为10～25)cm，其内壁由聚四氟乙烯压制而成。后向截止减弱管210上连通有连接处的夹角为45度的出气口211。谐振腔前腔镜201与进样口204之间的前向截止减弱管205上连通有第一氮气进口202，第一氮气进口202与进样口204之间的前向截止减弱管205中串接有第一波纹管203；出气口211与谐振腔后腔镜214之间的后向截止减弱管210上连通有第二氮气进口213，出气口211与第二氮气进口213之间的后向截止减弱管210中串接有第二波纹管212。第一氮气进口202和第二氮气进口213均与氮气源31连通。进样口204与光学积分球207之间的前向截止减弱管205上连通有压力计206，光学积分球207与出气口211之间的后向截止减弱管210上连通有温湿度计209。
气源部件3的样气源与进样口204连通，样气源为待测大气气溶胶32，或滤除气溶胶的大气33；抽气泵34与出气口211连通。
探测部件4的散光探测器41位于挡光板208背面的光学积分球207的侧壁上，其输出端经第一前置放大器43与第一模数转换器44电连接。探测部件4的消光探测器42位于谐振腔后腔镜214后的光路11上，其输出端经第二前置放大器45与第二模数转换器46电连接。
测量时，通过其输出端分别与光源部件1和气源部件3的控制端电连接的计算机发出相应的指令，使光源部件1发出的光进入谐振部件2，分别与经气源部件3控制进入谐振部件2中的两类气体--待测大气气溶胶32(样品)和滤除气溶胶的大气33(无吸收介质)发生作用，其光波的变化分别由散光探测器41和消光探测器42获得，并分别经第一前置放大器43、第一模数转换器44和第二前置放大器45、第二模数转换器46送往计算机处理，以分别得到气溶胶的散射系数和消光系数。再由散射系数与消光系数之比得到气溶胶单次散射反照率。
若本装置采用腔增强吸收光谱方法测量气溶胶的单次散射反照率，则其过程如下：
(一)消光系数包含吸收和散射系数两个部分：α＝αscat+αabs。在波长λ处气溶胶的消光(散射和吸收)可以写为：
Figure BSA00000689122600051
Figure BSA00000689122600052
其中x＝πDp/λ，α的单位为cm-1。是波长λ处，复折射系数为n(λ)，粒径为Dp的粒子的消光截面。N(lnDp)为粒径分布。散射/吸收的效率Q为折射率、粒子的形状以及x的复合函数，对于均相球形粒子，Q可以通过Mie理论计算得到。
腔增强吸收光谱技术利用谐振部件2来增加其有效吸收光程(入射光耦合到腔内后，在腔内发生多次反射)，消光系数为：
Figure BSA00000689122600061
其中：R为透镜反射率，d为腔长，I为有样品时透过腔的光强，I0为无吸收介质时透过腔的光强。利用石英纤维膜来有效地滤除气溶胶，并保证气相物质(如NO2)的损耗较小，通过两次测量无气溶胶及有气溶胶情况可以获得气溶胶的消光，从而消除气体吸收对气溶胶测量的影响：
α消光，气溶胶＝α样品(含气溶胶)-α过滤后样品(不含气溶胶)
(二)散射系数与散光探测器41接收到的散射光I散射及消光探测器42接收到的透射光I散射之比呈线性关系：
Figure BSA00000689122600062
其中K为考虑到散射光的收集效率及探测器的响应函数等的不同，实验推得的校准常数，反映散射测量系统的响应。反射率R及透镜之间的距离d均是常数，因此，散射截面与Iscat/Iout呈线性关系，通过测量已知散射系数的不同样品(N2，CO2，SF6以及已知折射率的标准气溶胶粒子等)的散射光强与透射光强之比，便可得到常数因子K′，从而实现对气溶胶散射系数的测量。
(三)通过同时分别测量散射系数和消光系数，便可以得到气溶胶的单次散射反照率。气溶胶吸收系数通过消光与散射系数之差获得：α吸收＝α消光-α散射，单次反照率通过散射与消光系数之比获得：ω＝α散射/α消光。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的气溶胶散射和消光测量装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种气溶胶散射和消光测量装置，包括光源部件(1)、谐振部件(2)、气源部件(3)和探测部件(4)，其中，谐振部件(2)含有位于光源部件(1)的光路(11)上的谐振腔前腔镜(201)、内置挡光板(208)的光学积分球(207)和谐振腔后腔镜(214)，谐振部件(2)的进样口(204)和出气口(211)分别与气源部件(3)连通，探测部件(4)的散光探测器(41)和消光探测器(42)分别置于挡光板(208)背面的光学积分球(207)的侧壁上和谐振腔后腔镜(214)后的光路(11)上，其特征在于：
所述谐振腔前腔镜(201)与光学积分球(207)之间密闭串接有管内径为10～25mm的前向截止减弱管(205)，所述前向截止减弱管(205)上连通有进样口(204)，所述光学积分球(207)与谐振腔后腔镜(214)之间密闭串接有管内径为10～25mm的后向截止减弱管(210)，所述后向截止减弱管(210)上连通有出气口(211)；
所述谐振腔前腔镜(201)和谐振腔后腔镜(214)的反射率为99～99.9999％、透过率为10-3～10-6，两者的曲率半径相同，且形成的光学谐振腔为稳定腔；
所述光学积分球(207)内的挡光板(208)与光路(11)平行设置。
2.根据权利要求1所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是进样口(204)和出气口(211)与前向截止减弱管(205)和后向截止减弱管(210)连接处的夹角均为45度。
3.根据权利要求2所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是进样口(204)与气源部件(3)的样气源连通，出气口(211)与气源部件(3)的抽气泵(34)连通。
4.根据权利要求3所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是样气源为待测大气气溶胶(32)，或滤除气溶胶的大气(33)。
5.根据权利要求4所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是光学积分球(207)的内径为10～25cm，其内壁由聚四氟乙烯压制而成。
6.根据权利要求5所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是谐振腔前腔镜(201)与进样口(204)之间的前向截止减弱管(205)上连通有第一氮气进(202)，出气口(211)与谐振腔后腔镜(214)之间的后向截止减弱管(210)上连通有第二氮气进(213)。
7.根据权利要求6所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是第一氮气进口(202)和第二氮气进口(213)均与氮气源(31)连通。
8.根据权利要求7所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是进样口(204)与光学积分球(207)之间的前向截止减弱管(205)上连通有压力计(206)。
9.根据权利要求8所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是光学积分球(207)与出气口(211)之间的后向截止减弱管(210)上连通有温湿度计(209)。
10.根据权利要求9所述的气溶胶散射和消光测量装置，其特征是光源部件(1)为单波长激光器，或发光二极管，或卤素灯，或惰性气体灯，或超连续光源。
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