CN110376238A - 一种机载快速冰核活化计数器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载快速冰核活化计数器，包括腔室、制冷装置、进样装置、封闭循环气流装置以及激光离子相态检测计数仪,进样装置设于进样控制箱内，封闭循环气流装置设于气流控制箱内，进样控制箱、气流控制箱、激光离子相态检测计数仪以及腔室设于机架后部左上方，机架前部从下往上依次为制冷装置、供电箱和计算机控制箱，本发明是一种小型化、适合进行机载观测的快速冰核活化计数器，能够模拟实际作业时从冰核发生到活化的过程，具有大流量、测量周期短、可分辨固态冰晶、测量冰晶谱分布、冰晶成像的优点。

Description

一种机载快速冰核活化计数器

技术领域

本发明涉及体冰核活化领域，特别是一种机载快速冰核活化计数器。

背景技术

大气冰核是指大气中可以引发水蒸气的凝华或者促进过冷水滴冻结从而形成冰晶的固体粒子。除同质冻结核化外，异质大气冰核在自然界中通过凝华、凝结-冻结、浸润冻结、接触冻结4种活化方式形成冰晶，在冷云降水中起着激发过冷水向冰晶转化的作用。在中纬度地区，云中负温区存在冰晶，而且这些冰晶有条件进一步增长是形成降水必不可少的条件。因此，对大气冰核的观测分析，是研究自然冷云降水和人工影响冷云降水的基础性工作。1991年在国际气溶胶和云的相互作用会议上，专家们再次强调了冰相过程在大气中的作用和冰核观测的重要性，并认为大气冰核除可能影响降水过程外，还可能通过影响云微物理结构而影响大气的辐射过程。近年有研究指出，大气冰核浓度的增加导致冷云反照率增大，从而可能导致气候变冷，表明冰核浓度的变化在全球气候变化中可能发挥着重要作用。因此，对大气冰核的观测分析一直受到科学家的高度重视。大气冰核的观测时间、地点、观测时云室温度、过饱和度、检验冰晶的方法、冰晶的计数、云室内壁结霜等许多因子会影响大气冰核浓度观测结果，因此大气冰核的观测方法和设备对于研究冰核浓度显得尤为重要。

目前使用的连续测量冰核的代表性装置有：①热力梯度扩散云室+光学粒子计数器检测(代表装置：CFDC、ZINC、PINC、SPIN)；②混合云室+光学粒子相态检测(代表装置：FINCH)；③静力真空水汽扩散云室+CCD图像分析(代表装置：FRIDGE)；④膨胀云室+光学粒子计数器检测(代表装置：AIDA)，大型膨胀云室主要用于实验室研究。在地面监测活动中，如果不需要高时间分辨率，离线监测技术更有优势，如FRIDGE装置；而在高时间分辨率的场合，如机载观测，适合采用连续流测量方案，如CFDC或FINCH装置。2001年，第一次报道了CFDC装置在北冰洋上空对流层冰核的机载观测情况，但CFDC装置存在以下局限性：(1)需要人为干预来使室壁结冰，这充其量是一种半自动化的过程，限制了它们在连续监测应用中的使用；(2)由于冷墙上结霜，它们必须在几个小时后重新结冰；(3)工作需要层流条件，导致样本量相对较小(1～2L/min)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种机载快速冰核活化计数器，以解决上述技术背景中所提出的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种机载快速冰核活化计数器，包括腔室、制冷装置、进样装置、封闭循环气流装置以及激光离子相态检测计数仪，腔室为铜制空心圆柱体结构，进样装置包括第一虚拟冲击器，第一虚拟冲击器的进气端通过管道分别与第一阀门和第一HEPA过滤器的出气端连接；第一HEPA的进气端与第二阀门的出气端连接，第一阀门和第二阀门的进气端与进气管道连接；第一虚拟冲击器的出气端通过干燥管道依次与逆流干燥器和第一制冷器连接，第一制冷器通过制冷管管道与腔室的顶端连接。

进一步的，制冷装置包括压缩制冷器；压缩制冷器的出口端通过冷凝管连接有第一电磁膨胀阀，所述第一电磁膨胀阀的出口端设有第一压力传感器，冷凝管的中间部分呈螺旋形状并缠绕在腔室的外壁上，压缩制冷器的入口端通过冷凝管连接有第二电磁膨胀阀，第二电磁膨胀阀的左右两端分别设有第三压力传感器和第二压力传感器。

进一步的，封闭循环气流装置包括真空泵；真空泵的出气端通过管道依次连接有第二HEPA过滤器和第一干燥器，干燥器的出口端通过干燥管道分别连接有第一流量控制器、第二质量流量控制器以及第三质量流量控制器；所述第一质量流量控制器的出口端连接有渗透加湿管，第二质量流量控制器的出气端设有温湿传感器并与第一制冷器的制冷管道连接；渗透加湿管的出气端通过管道与第二质量流量控制器和温湿传感器之间的管道连通；第三质量流量控制器的出气端设有第二制冷器，第二制冷器的出口端设有第一温度传感器并通过管道与腔室的顶端连接。

进一步的，腔室底端通过管道连接有第二虚拟冲击器，第二虚拟冲击器的出口端连接有激光离子相态检测计数仪，激光离子相态检测计数仪的出口端通过管道依次连接有第四质量流量控制器、第四压力传感器、第二温度传感器、第二干燥器、第三HEPA过滤器，第三HEPA过滤器的出口端通过管道与真空泵的进气端连接。

进一步的，进样装置设于进样控制箱内，封闭循环气流装置设于气流控制箱内，进样控制箱、气流控制箱、激光离子相态检测计数仪以及腔室设于机架后部左上方，激光离子相态检测计数仪设于进样控制箱和腔室的下方。

进一步的，压缩制冷器设于机架前部。

进一步的，机架前部还设有供电箱和计算机控制箱，机架前部从下往上依次为压缩制冷器、供电箱和计算机控制箱。

进一步的，腔室的长度为1m、直径为9cm、壁厚为1mm。

进一步的，腔室的外壁从上至下设有薄膜铂电阻温度计，所述薄膜铂电阻温度计的数量为六只。

进一步的，腔室外壁套装有一内径为100mm的聚四氟乙烯同心圆筒，圆筒内壁和腔室内壁之间设有冷媒夹层，所述螺旋状冷凝管浸泡在所述冷媒夹层中

本发明的有益效果是：本发明是一种小型化、适合进行机载观测的快速冰核活化计数器，能够模拟实际作业时从冰核发生到活化的过程，具有大流量、测量周期短、可分辨固态冰晶、测量冰晶谱分布、冰晶成像的优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明各部件连接示意图；

图3为本发明各组件在机架上的位置示意图；

图4为本发明实施例六中激光离子相态检测计数仪的结构原理图。

图中，1-波长660nm激光源、2-圆偏振器、3-聚焦透镜、4-冰晶、5-第一准直镜、6-第二聚焦镜、7-第二准直镜、8-带通滤光片、9-四分之一波片、10-偏振分束棱镜、11-P光聚焦透镜、12-P光探测器、13-S光聚焦透镜、14-S光探测器、15-信号放大电路、16-信号采集处理电路、17-腔室、18-制冷装置、19-进样装置、20-封闭气流循环装置，21-激光离子相态计数仪、22-进样控制箱、23-气流控制箱、24-机架、25-供电箱、26-计算机控制箱1701-第二虚拟冲击器、1702-第四质量流量控制器、1801-压缩制冷器、1802-第一电磁膨胀阀、1803-第一压力传感器、1804-第二电磁膨胀阀、1805-第三压力传感器、1806-第二压力传感器、1901-第一虚拟冲击器、1902-第一阀门、1903-第一HEPA过滤器、1904-第二阀门、1905-逆流干燥器、1906-第一制冷器、2001-真空泵、2002-第二HEPA过滤器、2003-第一干燥器、2004-第一质量流量传感器、2005-第二质量流量传感器、2006-第三质量流量传感器、2007-渗透加湿管、2008-温湿传感器、2009-第二制冷器、2010-第一温度传感器、2011-第四压力传感器、2012-第二温度传感器、2013-第二干燥器、2014-第三HEPA过滤器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一：

请参阅附图1-附图3所示，一种机载快速冰核活化计数器，包括腔室17、制冷装置18、进样装置19、封闭循环气流装置20以及激光离子相态检测计数仪21，腔室(17)为铜制空心圆柱体结构，进样装置19包括第一虚拟冲击器1901，第一虚拟冲击器1901的进气端通过管道分别与第一阀门1902和第一HEPA过滤器1903的出气端连接；第一HEPA过滤器1903的进气端与第二阀门1904的出气端连接，第一阀门1902和第二阀门1904的进气端与进气管道连接；第一虚拟冲击器1901的出气端通过干燥管道依次与逆流干燥器1905和第一制冷器1906连接，第一制冷器1906通过制冷管管道与腔室17的顶端连接；制冷装置18包括压缩制冷器1801；压缩制冷器1801的出口端通过冷凝管连接有第一电磁膨胀阀1802，第一电磁膨胀阀1802的出口端设有第一压力传感器1803，冷凝管的中间部分呈螺旋形状并缠绕在腔室17的外壁上，压缩制冷器1801的入口端通过冷凝管连接有第二电磁膨胀阀1804，第二电磁膨胀阀1804的左右两端分别设有第三压力传感器1805和第二压力传感器1806，封闭循环气流装置20包括真空泵2001；真空泵2001的出气端通过管道依次连接有第二HEPA过滤器2002和第一干燥器2003，第一干燥器2003的出口端通过干燥管道分别连接有第一流量控制器2004、第二质量流量控制器2005以及第三质量流量控制器2006；第一质量流量控制器2004的出口端连接有渗透加湿管2007，第二质量流量控制器2005的出气端设有温湿传感器2008并与第一制冷器1906的制冷管道连接；渗透加湿管2007的出气端通过管道与第二质量流量控制器2005和温湿传感器2008之间的管道连通；第三质量流量控制器2006的出气端设有第二制冷器2009，第二制冷器2009的出口端设有第一温度传感器2010并通过管道与腔室17的顶端连接。

进一步的，腔室17底端通过管道连接有第二虚拟冲击器1701，第二虚拟冲击器1701的出口端连接有激光离子相态检测计数仪21，激光离子相态检测计数仪21的出口端通过管道依次连接有第四质量流量控制器1702、第四压力传感器2011、第二温度传感器2012、第二干燥器2013、第三HEPA过滤器2014，第三HEPA过滤器2014的出口端通过管道与真空泵2001的进气端连接。

进一步的，进样装置19设于进样控制箱22内，封闭循环气流装置20设于气流控制箱23内。进样控制箱22、气流控制箱23、激光离子相态检测计数仪21以及腔室17设于机架24后部左上方，激光离子相态检测计数仪21设于进样控制箱22和腔室17的下方。

进一步的，压缩制冷器1801设于机架24前部，机架24前部还设有供电箱25和计算机控制箱26，机架24前部从下往上依次为压缩制冷器1801、计算机控制箱26和计供电箱25。

进一步的，腔室17的长度为1m、直径为9cm、壁厚为1mm。

进一步的，腔室17的外壁从上至下设有薄膜铂电阻温度计(图中为示出)，薄膜铂电阻温度计的数量为六只，薄膜铂电阻温度计用于测量腔室17的温度。

进一步的，腔室17外壁套装有一内径为100mm的聚四氟乙烯同心圆筒(图中为示出)，圆筒内壁和腔室内壁之间设有冷媒夹层，螺旋状冷凝管浸泡在所述冷媒夹层中，使得腔室17能够受冷均匀，并且降低腔室与外部的热交换。

请参阅附图1-附图2所示，腔室17上端有三路气流入口，分别为干冷气流入口、暖湿气流入口、采样气流入口。腔室17下端为气流出口，注入到腔室17中的气体有三路：干冷空气、暖湿空气、环境样气，通过第三质量流量控制器2006将干冷空气流量设置为20L/min、通过第一质量流量控制器2004和第二质量流量控制器2005将暖湿空气的流量设置为10L/min、通过第一阀门1902和第二阀门1904将采用空气的流量设置为10L/min，样气经第一制冷器1906制冷后注入；暖湿空气经渗透加湿器2007加湿和过滤后注入；干冷空气经过滤和第二制冷器2009制冷后注入，干冷空气同时充当鞘气。

整个气流系统在采样入口关闭后为一个封闭循环系统，开启采样后，可通过第四质量流量控制器1702从云室下端释放多余气体，以保持系统的质量流量不变。

进样装置19采用第一虚拟冲击器1901除去大粒子，逆流干燥器1905滤除水汽避免入口结霜，第一制冷器1906在采样气流进入腔室17之前将其预先冷却到实验所需设定的温度。

制冷装置18制冷最低温度设计为-28℃，采用压缩制冷器1801制冷，制冷的管路螺旋状布设并浸泡在浸入传热流体(冷媒)中，达到高效的热传导效率，保持云室温度稳定，同时腔室17的外壁从上至下设有六只薄膜铂电阻温度计(图中为示出)，用于测量腔室17的温度。

观测时，首先预设各气流流量及温度，待温湿度传感器监测各气流及腔室17内温度达到设定值，开启注入采样气流。在腔室17的入口处，首先用第一虚拟冲击器1901去除样品气溶胶中的所有直径大于2μm的颗粒。从上端将样本气流注入到腔室内筒的过饱和空间中，过饱和是由暖湿的空气和干冷的空气混合产生的。在样本气流沿着腔室17内筒向下部移动的过程中，冰核和凝结核被激活并长成宏观的冰晶或大小为5-10μm的过冷水滴。在腔室17底部，设置第二虚拟冲击器1701，将样本气流中大于3μm的大粒子和总气流分离，减少90％的气流，再将含有大粒子的气流通过激光粒子相态检测计数仪21，进行液滴和冰晶的相态判断，得到相应的粒子谱分布。

实施例二：

请参阅附图-1和附图-2所示，封闭循环气流装置20将待进入腔室17的气体分成两路，一路经过滤、干燥形成干冷空气，另一路经过滤、加湿形成暖湿空气，分别通过温湿传感器2008和第一温度传感器2010监控干冷空气和暖湿空气的湿度，依据所需的腔室17内气体温湿度，控制两者的比例。

封闭循环气流装置20组成包括第一质量流量控制器2004、第二质量流量传感器2005、第三质量流量传感器2006、第一干燥/2003、第二干燥器2013、第二HEPA过滤器2002、第三HEPA过滤器2014、第四压力传感器2011、渗透加湿管2007、第一温度传感器2010、第二温度传感器2012、第一制冷器2009以及真空泵2001，装置由计算机控制。

真空泵2001输出的气体经过滤和干燥后获得干净空气，然后分为三股，每股气体均由质量流量控制器控制流量并测量温度。第一股气体经过制冷成为冷干气流，第一温度传感器2010监控冷却后气体温度，冷干气流同时作为采样气流的鞘气注入腔室。第二股气体经过渗透加湿管2007进行渗透加湿，成为暖湿气流，气体通过管内，管外通水。第三股气体通过第二质量流量控制器2005后成为暖干气流，然后与第二股气体合流。第三股气体的作用是用来调节暖湿气流的湿度，通过控制暖湿气流和暖干气流的流量比例，可以实现暖湿气流的湿度变化，暖湿气流通过温湿传感器2008测量温度和湿度，计算机根据获得的冷干空气和暖湿空气的温度和湿度数据，依据设定的的湿度，结合分析处理，获得干湿气流流量比例，通过质量流量控制器调节流量，使得冷干空气和暖湿空气按照比例进入混合，获得预定设定值的湿度的空气流。这种结构采用干湿空气混合，获得预设气体温度和湿度的方法，其中湿气体是通过半透膜渗透加湿管2007加湿气体，避免了液态水的形成，从而减少了液态水对后续冰核测量的准确性影响。精确控制进入腔室17气体的湿度，腔室17通过制冷装置18改变气体温度至设定温度值，从而准确得到预设实验需要的准确的冰面过饱和度，在气流系统中，干燥管采用硅胶填充干燥管，HEPA过滤管采用TSI公司产品，HEPA过滤器对于0.3μm以上颗粒的滤除效率为99.97％。渗透加湿管采用博纯METM系列水分交换管，湿度探头采用芬兰VAISALA公司的Humidity Module HMM100，温度探头采用铂电阻PT1000，质量流量控制器可选美国美国Siargo公司产品。用于加湿的水源装载于一个恒温控制的不锈钢体中。

实施例三：

请参阅附图1和附图-2所示，进样装置由第一虚拟冲击器1901、逆流干燥器1905、第一HEPA过滤器1903、第一阀门1902、第二阀门1904、第一制冷器1906构成，第一虚拟冲击器1901切割粒径为1.3μm，逆流干燥器1905滤除水汽避免入口结霜，第一制冷器1906在采样气流进入腔室17之前将其预先冷却到实验所需设定的温度，此温度与干冷气流的温度相同。切换阀门可以使气流从第一HEPA过滤器1903通过，得到洁净气流，用于正式工作前的系统检测。第一HEPA过滤器1903采用TSI公司产品，逆流干燥器1905采用美国Permapure公司Nafion材质的PD-100T干燥器。此种材质的干燥器，特别耐腐蚀且对水有选择性渗透，因此Nafion干燥器特别适用于样气的干燥或加湿。它可以将水加入样气里或将样气里的水除去，而对样气的成分不会有任何影响。样气进入Nafion干燥器，由于湿度梯度，水分子从高湿向低湿端移动。干燥过程需样气在管内停留一定的时间，因此应根据流量的要求，选择适当长度的Nafion干燥器。

第一虚拟冲击器1901是传统惯性冲击器的重要分支，基于惯性原理实现粒子浓缩，能显著提高气体中所需粒径范围内气溶胶粒子的浓度。由于大气生物气溶胶粒子浓度较低，为提高检测灵敏度，一般采用先富集采样后检测的方式。利用第一虚拟冲击器1901先对气溶胶粒子进行浓缩然后再进行检测，从而实现对气溶胶的在线监测，实时性好，而且有效地避免了传统撞击式采样器存在的粒子反弹、采集面污染等诸多问题。在进样装置中，可采用高精度气溶胶粒子计数器测量样气中气溶胶分布，可用美国TSI公司的凝结核计数器3025A，其最小测量粒径为30nm。

实施例四：

请参阅附图1和附图-2所示，腔室17由一个铜质空心圆柱体构成，内径90mm，壁厚1mm。腔室17采用压缩制冷器1801制冷。温度监控使用一组六个薄膜铂电阻温度计，从上到下依次紧贴铜管外壁。通过温度监控和调节制冷器保证云室内温度的均匀性。薄膜铂电阻温度计型号为：PRTs,class A,4-wire PT-100,±0.15℃。云室下部连第二接虚拟冲击器1701，将样本气流中大于3μm的大粒子和总气流分离，减少90％的气流，只对含有大粒子的气流进行下一步的冰晶检测。腔室17封装在一个金属框架盒内，整体固定到机架上，保证稳定性。

腔室17必须考虑两个主要的设计问题：壁面效应和瞬态过饱和。壁面效应(气溶胶对室壁的损失)可以通过保持样气流远离墙壁和使用大的展弦比(圆柱体的长度：空间面积)来最小化。如果进样空气饱和且比鞘状空气冷，则在腔室17顶部可发生瞬态过饱和。需要避免瞬时过饱和度，因为它们会瞬间增加局部过饱和度，潜在地激活一些本来会一直处于失活状态的气溶胶粒子，从而给出错误的读数。本发明采用了循环利用干冷护套空气和干燥进样空气两种方法将使这些问题的影响最小化。

实施例五：

腔室17铜管外套一层聚四氟乙烯同心圆筒，内径为100mm。两圆筒间有冷媒夹层，还将压缩制冷器1801制冷的管路螺旋状布设并浸泡在浸入传热流体(冷媒)中，冷媒采用道康宁二甲基硅油，这种冷媒溶液在高于-65℃时不出现结晶，不致影响其热传导效率，解决了腔室温度波动问题。最低制冷温度设计为-28℃。

制冷装置18所有外露的制冷管均用Armaflex(福乐斯)管保温，以避免降低制冷系统的效率，并尽量减少结霜。压缩制冷器采用伊莱克斯公司的CML90FB3，制冷剂为R404A。

压缩制冷器1801出入口连接有第一电子膨胀阀1802和第二电磁膨胀阀1804，第一电子膨胀阀1802和第二电磁膨胀阀1804开度由脉冲信号控制，保证适量的供液量和合适过热度。在管路前后采用第一压力传感器1803、第二压力传感器1806以及第三压力传感器1805测量制冷剂压力，以保持整个盘管的压力。因为均衡的压力导致沿壁面均匀冷却，保障壁面温度稳定。电子膨胀阀采用美国斯波兰(SPORLAN)的SEI-0.5-11-S，压力传感器采用德国sensortechnics公司的CTE9020GY4，为了解云室温度分布以较准确的确定冰核活化温度，设计安装多个高灵敏度温度传感器，分别测量环境温度、冷媒温度、腔室内筒各位置温度。

实施例六：

请参阅附图-4所示，激光粒子相态检测计数仪由激光发射模块、后向散射光探测模块、以及信号探测处理模块组成，激光发射模块包括660nm波长激光光源1、圆偏振器2以及聚焦透镜3。激光光源所发射的激光光束通过所述圆偏振器2改变为圆偏振光，经由聚焦透镜3汇聚至待测区内；后向散射光探测模块包括第一准直镜5、第二聚光透镜6、第二准直镜7、带通滤光片8、四分之一波片9、偏振分束棱镜10、S光聚焦透镜11以及P光聚焦透镜12。待测区内微粒所产生的后向散射光通过第一准直镜5、第二聚光透镜6、第二准直镜7以及带通滤光片8改变为平行光，经由四分之一波片9分解为两束偏振方向相互垂直的线偏振光S光以及线偏振光P光后，通过偏振分束棱镜10分束为出射方向相互垂直的S光和P光后，被各自对应的S光聚焦透镜13、P光聚焦透镜11汇聚至信号探测处理模块；信号探测处理模块包括S光探测器14、P光探测器12、信号放大电路15、信号采集处理电路16，其中，S光探测器14、P光探测器12分别将各自对应的S光探测信号、P光探测信号发送至信号放大电路15放大后由信号采集处理电路16进行采样分析，以确定出穿过光束粒子的相态以及尺寸。

激光源发射的660nm激光通过圆偏振器2变成左旋圆偏振光，四分之一波片9的快轴与x轴方向成+45°放置；如果待测区内微粒为液滴，则后向散射光为右旋圆偏振光；对应的公式如下述各式所述

左旋圆偏振光的琼斯矢量为

右旋圆偏振光的琼斯矢量为

四分之一波片9的琼斯矩阵为其中i表示虚数单位；

右旋圆偏振光通过四分之一波片9后，则其透射光的琼斯矢量等于

透射光变成偏振方向沿x轴的线偏振光，该线偏振光成为P光，通过偏振分束棱镜10直射进入P光探测器12，无光则进入S光探测器14，此时即可判断出后向散射光为右旋圆偏振光，对应的微粒为液滴；如果微粒为冰晶，则后向散射光仍然为左旋圆偏振光，通过相同角度放置的四分之一波片9后，变成偏振方向沿y轴的线偏振光，即S光，被偏振分束棱镜10进行45°反射后进入S光探测器14，无光则进入P光探测器12，此时即可判断出后向散射光为左旋圆偏振光，对应的微粒为冰晶。在实际实验中发现所发射的左旋圆偏振光在散射时可能出现退偏，后向散射光为椭圆偏振光，但是即使在这种情况下，如果散射体为液滴，则后向散射光中圆偏振分量为右旋圆偏振，最终进入P光探测器12的光功率占优；如果散射体为杂质，则后向散射光中圆偏振分量仍然为左旋圆偏振，最终进入S光探测器14的光功率占优。因此即使发射的激光发生退偏，采用上述方法同样可以准确判断微粒相态。

圆偏振光散射的相关理论为：

对于随机取向的粒子，由米氏散射理论计算斯托克斯矢量在入射光束{I₀,Q₀,U₀,V₀}和后向散射光线{I,Q,U,V}单一散射特性是：

对于传统的线性偏振测量装置，入射光束是线性偏振的。入射光束斯托克斯矢量是I₀{1,1,0,0}。对于直接后向散射(散射角度180°)，P12＝0，从式(2)可知，直接后向散射到探测器中的光的斯托克斯矢量是I{1,P₂₂/P₁₁,0,0}，对于球形粒子的后向散射，P₂₂＝P₁₁，因此I＝Q，单次散射回波并不是去极化的。对于非球形颗粒，P₂₂≠P₁₁，I≠Q，单散射回波被去极化。因此，对于单散射回波，可以使用垂直极化后向散射装置车辆I和Q之间的差值来确定散射粒子是球形还是非球形。

同样的，我们假设入射到散射体上的光束是圆偏振的，对应斯托克斯矢量I₀{1,0,0,1}，)。从式(2)可知，直接后向散射到探测器中的光的斯托克斯矢量是I{1,0,P₃₄/P₁₁,P₄₄/P₁₁}

对于球形粒子，由米氏散射理论计算可知在散射角为180°时P₄₄/P₁₁＝-1，(后向散射)。然而，非球形颗粒的P₄₄项随颗粒大小、纵横比、颗粒表面粗糙度而变化。通过米氏单散射计算可知，非球面微粒的P₄₄项与球体有很大的不同。由于圆偏振分量的正负符号分别表示右旋方向和左旋方向，因此通过测量后向散射光圆偏振分量的大小和旋转方向，我们可以区分球形和非球面粒子。

激光粒子相态检测仪21的标定采用仪器对比测量的方式，即在冰核测量时在云室下部同时安装一台粒子计数器，同时测量粒子粒径谱，对激光粒子相态检测仪进行校准，可采用美国CLiMET 3100系列激光粒子计数器。

需要对以上实施例说明的是，本发明的系统控制采用工业控制计算机，带扩充数据接口并负责采集以下工作；

1、腔室温度控制。首先根据测试要求，预设腔室温度，计算机控制压缩制冷器1801工作，使腔室17达到预设温度，同时采集相应温度传感器和压力传感器数据。

2、气流控制。根据预设的温湿度要求，控制干冷、暖干、暖湿、过滤后的样气的气流流量，使腔室17内达到预设温湿度要求，然后切换第一阀门1902和第二阀门1904控制含有冰核的采样气流进入腔室17。

3、粒子探测仪控制。接收激光粒子相态检测仪21的测量数据，在计算机中进行粒径谱和粒子相态的显示。还可以设定激光离子相态检测计数仪21的激光功率和采样时间等参数。

用户每隔一秒监视和记录来自MINC的数据，通过数据采集模块对墙体温度、制冷压力、气流温度、气压、气流速率和激光离子相态检测计数仪数据进行持续监控。

优选的，整个装置外形结构拟设计为机架式，整机尺寸≤590mm×730mm×1670mm，具体尺寸根据我国现有的几种人影飞机的内部空间和安装导轨尺寸进行详细设计，腔室17位于机架24后部右上位置。机架24后部左上位置为气流控制箱23，激光粒子相态探测仪21位于腔室17下方，同时留有粒子计数器的位置。机架24前部从下往上依次为压缩制冷器1801、计算机控制箱26和供电箱25。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机载快速冰核活化计数器，包括腔室(17)、制冷装置(18)、进样装置(19)、封闭循环气流装置(20)以及激光离子相态检测计数仪(21)，其特征在于，所述腔室(17)为铜制空心圆柱体结构，所述进样装置(19)包括第一虚拟冲击器(1901)，所述第一虚拟冲击器(1901)的进气端通过管道分别与第一阀门(1902)和第一HEPA过滤器(1903)的出气端连接；所述第一HEPA过滤器(1903)的进气端与第二阀门(1904)的出气端连接，第一阀门(1902)和第二阀门(1904)的进气端与进气管道连接；第一虚拟冲击器(1901)的出气端通过干燥管道依次与逆流干燥器(1905)和第一制冷器(1906)连接，所述第一制冷器(1906)通过制冷管管道与腔室(17)的顶端连接。

2.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述制冷装置(18)包括压缩制冷器(1801)；所述压缩制冷器(1801)的出口端通过冷凝管连接有第一电磁膨胀阀(1802)，所述第一电磁膨胀阀(1802)的出口端设有第一压力传感器(1803)，冷凝管的中间部分呈螺旋形状并缠绕在腔室(17)的外壁上，压缩制冷器(1801)的入口端通过冷凝管连接有第二电磁膨胀阀(1804)，所述第二电磁膨胀阀(1804)的左右两端分别设有第三压力传感器(1805)和第二压力传感器(1806)。

3.根据权利要求1所述的一种机载快速冰活活化计数器，其特征在于，所述封闭循环气流装置(20)包括真空泵(2001)；所述真空泵(2001)的出气端通过管道依次连接有第二HEPA过滤器(2002)和第一干燥器(2003)，所述第一干燥器(2003)的出口端通过干燥管道分别连接有第一流量控制器(2004)、第二质量流量控制器(2005)以及第三质量流量控制器(2006)；所述第一质量流量控制器(2004)的出口端连接有渗透加湿管(2007)，所述第二质量流量控制器(2005)的出气端设有温湿传感器(2008)并与第一制冷器(2006)的制冷管道连接；所述渗透加湿管(2007)的出气端通过管道与第二质量流量控制器(2005)和温湿传感器(2008)之间的管道连通；所述第三质量流量控制器(2006)的出气端设有第二制冷器(2009)，所述第二制冷器(2009)的出口端设有第一温度传感器(2010)并通过管道与腔室(17)的顶端连接。

4.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述腔室(17)底端通过管道连接有第二虚拟冲击器(1701)，所述第二虚拟冲击器(1701)的出口端连接有激光离子相态检测计数仪(21)，所述激光离子相态检测计数仪(21)的出口端通过管道依次连接有第四质量流量控制器(1702)、第四压力传感器(2011)、第二温度传感器(2012)、第二干燥器(2013)、第三HEPA过滤器(2014)，所述第三HEPA过滤器(2014)的出口端通过管道与真空泵(2001)的进气端连接。

5.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述进样装置(19)设于进样控制箱(22)内，所述封闭循环气流装置(20)设于气流控制箱(23)内。所述进样控制箱(22)、气流控制箱(23)、激光离子相态检测计数仪(21)以及腔室(17)设于机架(24)后部左上方，激光离子相态检测计数仪(21)设于进样控制箱(22)和腔室(17)的下方。

6.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述压缩制冷器(1801)设于机架(24)前部。

7.根据权利要求6所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述机架(24)前部还设有供电箱(25)和计算机控制箱(26)，机架(24)前部从下往上依次为压缩制冷器(1801)、计算机控制箱(26)和计供电箱(25)。

8.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述腔室(17)的长度为1m、直径为9cm、壁厚为1mm。

9.根据权利要求1所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述腔室(17)的外壁从上至下设有薄膜铂电阻温度计，所述薄膜铂电阻温度计的数量为六只。

10.根据权利要求1和2所述的一种机载快速冰核活化计数器，其特征在于，所述腔室(17)外壁套装有一内径为100mm的聚四氟乙烯同心圆筒，圆筒内壁和腔室内壁之间设有冷媒夹层，所述螺旋状冷凝管浸泡在所述冷媒夹层中。