大氣氣溶膠粒子光吸收系數(shù)的測量

1、 第 15卷 第 6期 強(qiáng)激光與粒子束Vol. 15,No. 6 2003年 6月 HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMSJ un. ,2003文章編號 : 100124322(2003 0620543204大氣氣溶膠粒子光吸收系數(shù)的測量楊小麗 , 羅九強(qiáng) , 王俊波 , 劉炎焱 , 萬德明(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 應(yīng)用物理研究所 , 四川 成都 610054 摘 要 : 采用核孔過濾膜累積氣溶膠粒子的方法設(shè)計(jì)了氣溶膠粒子光吸收系數(shù)的測量系統(tǒng) 。該系統(tǒng)由雙光路組成 , 可以減小光路損耗和電路噪聲帶來的各種測量誤差 。 同時 , 具有體積小 、 光路易于

2、調(diào)節(jié) 、 可進(jìn)行實(shí)時測量 、 定標(biāo)容易等特點(diǎn) 。 用 200和 400nm 孔徑的過濾膜 , 分別測量了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大氣氣溶膠粒子對不同波長激光的吸收系數(shù) 。 隨著累積時間的增加 , 系統(tǒng)的測量精度也不斷的提高 , 在累積時間為 900s 時 , 系統(tǒng)測量誤差為 9. 84910-6/m 。 關(guān)鍵詞 : 氣溶膠 ; 吸收系數(shù) ; 散射系數(shù) ; 核孔過濾膜 中圖分類號 : TN249; O436. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 大氣氣溶膠粒子的存在直接影響了光在大氣中的傳播 , 造成光在大氣中的衰減 1。 大氣中氣溶膠粒子對 光的散射和吸收特性是影響激光束傳播的主要因素 , 特別是分散的氣溶膠粒子對光的吸

3、收可導(dǎo)致高能激光光 束熱暈效應(yīng)的發(fā)生和大氣擊穿 2,3。 此外 , 氣溶膠粒子對光的吸收影響輻射流在大氣中的傳播 , 造成能見度的 下降 , 影響了地區(qū)和全球的輻射平衡 , 是影響全球氣候變化的原因之一 1。 氣溶膠粒子對光的吸收 , 還造成了 大氣中一些氣溶膠粒子間以及氣溶膠粒子和氣體間的光化學(xué)反應(yīng) , 產(chǎn)生了很多尚不可測的影響 。 因此 , 測量氣 溶膠粒子的光吸收系數(shù)對研究光在大氣中的傳輸有著重大的實(shí)際意義 。 氣溶膠粒子對光的吸收系數(shù)很小 , 典型值為 10-310-6/m 1, 它對光吸收的同時總伴有對光的散射 , 測 量時一般不能很好的消除散射的影響 , 導(dǎo)致準(zhǔn)確測量氣溶膠粒子對光

4、的吸收系數(shù)極其困難 。對氣溶膠粒子的 光吸收特性的研究 , 前人已做過許多工作 4,5。 本文用核孔過濾膜累積氣溶膠粒子方法 , 設(shè)計(jì)了氣溶膠粒子光 吸收系數(shù)測量系統(tǒng) , 以本測量系統(tǒng)分別測量 488和 514. 5nm 波長的氬離子激光在不同大氣環(huán)境里的氣溶膠粒 子光吸收系數(shù) , 將它們做了對比實(shí)驗(yàn) 。1測量原理和測量系統(tǒng) Fig. 1 Measurement system of aerosol particles light absorption coefficient圖 1 氣溶膠粒子光吸收系數(shù)測量系統(tǒng)示意圖 測量系統(tǒng)的光路由兩路接近平行的光組成 , 如圖 1所示 , 一路為信號光 ,

5、通過光管傳輸 , 另一路為參考光 , 直接通過大氣傳輸 。 引入?yún)⒖脊馐菫榱藴p小光路和電路所引入的各種測量誤差 , 如過濾膜的光損耗 , 光管壁的 吸收和散射損耗 , 光管兩端透鏡的損耗等 。 用真空泵抽氣使氣溶膠粒子聚集在過濾膜上 , 過濾膜相當(dāng)于一個漫 反射基片 , 所以我們又對過濾膜后面的光管鍍高反射膜以收集前向散射光 , 這樣散射對光吸收測量的影響可 忽略 。 設(shè) 光管 (光管設(shè)計(jì)總長 0. 189m 及過濾膜的光損耗系數(shù)分別為 1, 2, 真空泵的抽氣速度為 v (單位為 L/s , 收稿日期 :2002212212; 修訂日期 :2003202218基金項(xiàng)目 :國家 863計(jì)劃項(xiàng)目

6、資助課題 ; 電子科技大學(xué)青年基金資助課題作者簡介 :楊小麗 (19632 , 女 , 副教授 , 碩士 , 主要從事強(qiáng)激光在大氣中的非線性傳輸和激光技術(shù)及應(yīng)用研究工作 ; E 2mail :lzhanguestc. edu. cn 。光管的半徑為 r , x 為時間 t 內(nèi)的光程 , a 為吸收系數(shù) , k 1為反射鏡的反射系數(shù) , k 2為分光鏡的分光系數(shù) , I 0為 入射光強(qiáng) 。 設(shè) 1, 2分別為兩探測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù) , 1, 2分別為兩放大器的放大倍數(shù) , U 1, U 2分別為參 考管和信號管的出射光強(qiáng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓 。設(shè)大氣氣溶膠粒子吸收為均勻分布 , 滿足郎伯定律 6:

7、I = I 0e -x , 其中 為消光系數(shù) , =s +a , s 為散射系數(shù) 。由于我們在過濾膜后面的光管壁上鍍了高反射膜以 收集前向散射光 , 因此氣溶膠粒子對光散射所造成的能量損失相對于氣溶膠對光吸收所造成的能量損失就小 得多 , 這樣散射對光吸收測量的影響可忽略 , 即郎伯定律改寫為 :I =I 0e -a x 。由此可分析得采集到的電信號 分別為U 1=k 1k 211I 0(1 U 2=(1-k 2 2212I 0e -a x (2 其中光程 x =vt /r 2, (1 , (2 兩式相比可得吸收系數(shù)a =2vt(ln(1-k k 1k 211+lnUU 2(3 當(dāng)真空泵沒有開

8、啟的時候 , 信號管的過濾膜上沒有粒子聚集 , 由于光管設(shè)計(jì)總長只有 0. 189m , 光束在傳輸 0. 189m 后的光強(qiáng)幾乎不衰減 , 可認(rèn)為此時的吸收系數(shù)為 0, 此時參考管和信號管的出射光強(qiáng)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的 電壓分別為 U 10, U 20, 則2vt ln( k 1k 211+lnU 20=0(4由 (4 式可得系數(shù)K =(1-k 2 1222/k 1k 211=U 20/U 10(5 此時對信號光和參考光同時進(jìn)行采集 , 即可求出系數(shù) K 。 將 (5 式代入 (3 式最后得吸收系數(shù)a =(r 2/vt ln (KU 1/U 2 (6 由于光束在傳輸 0. 189m 后 , 大氣分

9、子對測量系統(tǒng)的光的吸收系數(shù)為 0, 這樣 (6 式中的吸收系數(shù)可視為大 氣中氣溶膠粒子對光的吸收系數(shù) 。 對 (6 式微分可得測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差a=(r 2/vt (v/v -2r/r ln (U 1/U 2 +ln K -(U 1/U 1-U 2/U 2 (7 從 (7 式可以看出 :在系統(tǒng)其它參數(shù)不變的情況下 , 系統(tǒng)的精度和累積時間成反比 , 累積時間越長 , 即真空泵從 開啟到采集第一個數(shù)據(jù)的時間越長 , 系統(tǒng)的精度越高 。在信號輸入端為零輸入的情況下 (即激光輸出光強(qiáng)為 0 , 經(jīng) A/D 采集卡測得兩通道的零噪聲電壓值 U 1=6. 249mV , U 2=5. 824mV , 用

10、精度為 0. 02mm 的游標(biāo) 卡尺測得過濾膜的有效半徑為 10. 31mm , 所用的流量計(jì)的最大量程為 0. 4m 3/h , 流量計(jì)的精度等級為 2. 5, 即 相對精度可達(dá) 0. 025,12位 A/D 采集卡的最大量程為 10V , 累積時間為 900s , 將以上數(shù)據(jù)代入 (7 式可得系統(tǒng) 精度 a =9. 84910-6/m 。 即系統(tǒng)的測量精度可達(dá) 10-6量級 。 由于用的是第一次采集時的時間 , 以后的采集隨著時間的增加 (相當(dāng) 于激光在所測大氣中的傳輸光程增加 , 系統(tǒng)的精度也不斷的提高 。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析2. 1 大氣氣溶膠光吸收系數(shù)測量實(shí)驗(yàn) 分別用 0. 2,0.

11、4m 的核孔過濾膜對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大氣氣溶膠粒子的光吸收系數(shù)進(jìn)行了測量 , 實(shí)驗(yàn)所用真空 泵的抽氣速率用流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測 , 過濾膜的半徑為 10mm , 所測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下 :用孔徑為 0. 2m 的過濾 膜 (即直徑大于 0. 2m 的氣溶膠粒子積累在過濾膜上 對不同波長激光所測得的氣溶膠粒子光吸收系數(shù)結(jié)果 如圖 2所示 。 實(shí)驗(yàn)時光波長分別為 488. 0,514. 5和 632. 8nm , 且從真空泵開啟到第一次采集的時間積累分別 為 900,307和 307s , 每兩次采集間隔時間為 28. 27s ?？梢钥闯?:波長越長 , 氣溶膠粒子的光吸收系數(shù)越大 , 488. 0nm 波長

12、的光吸收系數(shù)的平均值為 2. 848210-5/m ,514. 5nm 波長的平均吸收系數(shù)為 4. 876110-5/ m ,632. 8nm 波長的平均吸收系數(shù)為 7. 248110-5/m , 這和普遍認(rèn)為氣溶膠粒子對不同波長激光的吸收是一 個和波長相關(guān)的函數(shù) , 它隨波長的增加而增加相一致 。 用孔徑為 0. 2和 0. 4m 核孔過濾膜所測光吸收系數(shù)如圖 3所示 , 實(shí)驗(yàn)時光波長 =632. 8nm , 真空泵開啟 到第一次采集的時間間隔分別為 900,307s , 每兩次采集間隔時間為 46s 。 Fig. 2 Absorption coefficient varies with l

13、ight wave 圖 2不同波長光吸收系數(shù)對比圖 Fig. 3 Absorption coefficient varies with pore size of filters圖 3 0. 2,0. 4核孔過濾膜所測光吸收系數(shù) 從圖 3可以看出 , 在用 0. 2m 核孔濾膜時所測吸收系數(shù)明顯大于 0. 4m 核孔濾膜所測吸收系數(shù) ,0. 2m 濾膜所測數(shù)值約是 0. 4m 濾膜所測數(shù)值的 3倍 。 隨著所用濾膜孔徑的減小 , 氣溶膠粒子的吸收系數(shù)增加得較 快 。 從粒子尺度分布我們知道大氣氣溶膠粒子的粒子數(shù)濃度隨粒子直徑的減小而增加得很快 , 即直徑大于 012m 的粒子數(shù)濃度比直徑在 0.

14、 4m 以上的粒子數(shù)濃度要大得多 。 本文用 0. 2和 0. 4m 濾膜所測出的吸收 系數(shù)和大氣氣溶膠粒子尺度分布理論相一致 4,5。2. 2 對比實(shí)驗(yàn) 為了比較不同大氣環(huán)境中氣溶膠粒子吸收系數(shù)的變化 , 做了兩組對比實(shí)驗(yàn) 。 一組在實(shí)驗(yàn)室中點(diǎn)燃 5支香煙 , 讓它們?nèi)紵欢螘r間后熄滅 , 然后用 0. 2m 的濾膜測量實(shí)驗(yàn)室中氣溶膠粒子對 488. 0nm 波長光的吸收系 數(shù) , 結(jié)果如圖 4所示 。 另一組在實(shí)驗(yàn)室中一直點(diǎn)燃 1只香煙 , 用 0. 2m 的濾膜測量實(shí)驗(yàn)室中氣溶膠粒子對 514. 5nm 波長光的吸收系數(shù) , 結(jié)果如圖 5所示。 Fig. 4 Light absorpti

15、on coefficient for aerosol of burned cigarrettes measured by 0. 2m filter 圖 4 5支香煙熄滅后的吸收系數(shù)隨時間的變化 Fig. 5 Light absorption coefficient for aerosol ofa burning cigarrette measured by 0. 2m filter 圖 5 1支香煙點(diǎn)燃時吸收系數(shù)隨時間的變化 由圖 4可以看到 , 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燃燒了香煙后的氣溶膠粒子的吸收系數(shù)增大很厲害 , 數(shù)量級達(dá)到了 10-3, 在香 煙剛熄滅時吸收系數(shù)很大 , 隨后下降很快 , 然后趨向于相

16、對平穩(wěn) , 這是由于燃燒后的煙塵粒子迅速向周圍擴(kuò)散 , 隨著時間的增加 , 環(huán)境中煙塵粒子的濃度也漸漸趨于平衡所造成的 。 由圖 5可以看到 , 吸收系數(shù)也有明顯的增大 , 由于點(diǎn)燃的香煙的數(shù)量少 , 本次實(shí)驗(yàn)所測吸收系數(shù)比圖 4實(shí) 驗(yàn)中測得的吸收系數(shù)有明顯減小 。 香煙一直在燃燒 , 空氣中的煙塵濃度也比圖 4穩(wěn)定 , 所測出的吸收系數(shù)比圖 4的吸收系數(shù)穩(wěn)定的多 。 以上兩組實(shí)驗(yàn)所測的吸收系數(shù)分別比無煙塵時成數(shù)量級增加 , 可以看出煙塵對光吸收的影響較大 , 是造成 大氣能見度降低的主要因素之一 。3 結(jié) 論 本文所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng) , 很好地減小了光路損耗和電路噪聲所引入的各種誤差對光吸收系

17、數(shù)測量的影響 , 在累積時間為 900s 時 , 系統(tǒng)測量誤差 9. 84910-6/m 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :用本測量系統(tǒng)測量的光吸收系數(shù)和國外其它方法所測得的吸收系數(shù)數(shù)量級完全一致 , 數(shù)值也比較接近 ; 用同一孔徑濾膜測得的不同波長吸收系數(shù)的 對比結(jié)果以及用不同孔徑濾膜測同一波長光吸收系數(shù)的對比結(jié)果均和現(xiàn)有的理論相一致 。我們用 012m 的 濾膜分別做了 488. 0和 514. 5nm 的煙塵吸收系數(shù)對比實(shí)驗(yàn) , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 :煙塵對光吸收有很大的影響 , 是造 成大氣能見度降低的主要因素之一 。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) , 對測量大氣氣溶膠粒子對光的吸收系數(shù)以及測量和控制煙 塵污染有著一定的應(yīng)

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22、titute of A pplied Physics , School of Physical Elect ronics ,U niversity of Elect ronic Science and Technology of China , Chengdu 610054, China Abstract : A measurement system was made with nuclear pore filter which were used to collect atmos pheric aerosol particles. We measured the absorption coefficient of light with different pore size filters in 488. 0, 514.