专利名称：双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪及消光系数测量方法
技术领域：
本发明涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪以及大气气溶胶消光系数的测量方法。
背景技术：
大气气溶胶消光是指大气中颗粒物或液滴对光产生散射和吸收损耗，使光在通过时发生衰减的现象。要准确得到大气气溶胶的消光系数，通常采用分别测量气溶胶的散光系数和吸收系数，散光系数与吸收系数的加和就是大气气溶胶消光系数。目前，散光系数的测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到KT1Mm1,但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。气溶胶的吸收的测量通常采用滤膜采样吸收技术和光声光电光谱技术，这两种技术由于器件灵敏度限制，或在测量过程中可能改变气溶胶本身性质，具有误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点。滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测定一定流量情况下单位时间内截留在滤膜表面的气溶胶对特定波长光的吸收，扣除滤膜本身的散光效应，得到大气气溶胶的吸收系数。大气气溶胶的光学性质与其形态有紧密联系，滤膜技术很难评估堆积在滤膜表面相较于悬浮在空气中的形态对吸收系数的影响是增加还是减少。另外，在测量过程中引入了滤膜，由于其特殊的纤维结构导致的截面敏感性问题，不同滤膜的空白值一致性较差，造成较大的实验不确定度。同时，滤膜采样吸收仪的光源并非采用单色光源，在筛选各特定波长光的过程中波长(或频率)分布较宽，也会引起测量误差，测量的不准确性达到30%，无法满足对实际大气气溶胶消光系数准确、快速变化的测量。为了避免引入滤膜对气溶胶消光系数测量的影响，上世纪80年代光声光电光谱仪被发明用以实现气溶胶光学性质的原位测量。气溶胶吸收特定波长光后会以释放热能的方式退激，释放的热能使气溶胶的周围气体介质按光的频率产生周期性压力波动，由高灵敏微音器检测放大后得到光声信号，光声信号的强度即气溶胶对特定波长光的吸收。由于光声光电光谱仪对特定波长光吸收所导致的热能释放，可能使气溶胶所含的硝酸铵等易挥发物质挥发到气体介质中，或者改变湿度条件进而使气溶胶含水量和粒径发生变化，最终影响对消光系数的测量，增大测量误差。光腔衰荡光谱技术由O’ Keefe在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体消光系数的研究中，其原理是将一束短脉冲激光被耦台进入到一个光学谐振腔中，谐振腔由一对平行相对、曲率半径为r，反射率为R的反射镜组成。在真空时，光学谐振腔中的光强会随时间变化
i(i) = i0 exp - (1-1f) I , L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间。当光腔内有气体时，光强随时间变化1XO = 1O cxP — 0 - jS * —。s art是气体的消光系数，7是样品的吸收光程长度。当光腔内通入气溶胶(即气体中混有气溶胶)时，上式变为
权利要求
1.一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统和气路系统，其特征在于:所述光路系统包括第一光腔(I)、第二光腔(2)和光源,所述光源输出的光分别导入所述第一光腔(I)和第二光腔(2);所述气路系统包括保护气路和样气气路，所述保护气路向每个光腔提供保护气，所述样气气路向所述第一光腔(I)提供含有气溶胶的大气气体，向所述第二光腔(2)提供背景大气气体；所述电路系统包括第一光电倍增管(8)、第二光电倍增管(9)和计算处理单元，所述第一光电倍增管(8)用于接收第一光腔(I)输出的衰荡光信号并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述第二光电倍增管(9)用于接收第二光腔(2)输出的衰减光信号并将其转换为电信号后输出至计算处理单元，所述计算处理单元经分析处理分别得到两个光腔的衰荡曲线和衰荡时间，并基于此计算出大气气溶胶的消光系数。
2.根据权利要求1所述的消光仪，其特征在于，所述光路系统还包括调光单元，设置于所述光源和光腔之间，用于将光源发出的光分束导入平行设置的所述第一光腔(I)和第二光腔(2)，并调整光束在其中形成衰减振荡。
3.根据权利要求2所述的消光仪，其特征在于，所述调光单元包括一个分光镜(4)、三个反射镜(5)以及两组可调节光栅(6)，所述光源发出的光通过所述分光镜(4)的反射和透射后分为两束光，其中一束光经第一个反射镜反射和第一组光栅调节后进入第一光腔(I )，另一束光经垂直设置的另两个反射镜(5 )反射和第二组光栅调节后进入第二光腔(2 )。
4.根据权利要求1-3任一项所述的消光仪，其特征在于，所述的光源为中心波长在绿光波段的半导体泵浦高频脉冲激光器(3)，激光由外触发器触发，并具有金属散热支架。
5.根据权利要求1-4任一项所述的消光仪，其特征在于，所述的光腔由腔体和高反射镜组成，高反射镜平行相对地固定在腔体两端并保持密闭，且所述高反射镜装在可调节的镜架中，用以调节其镜面与入射光的角度。
6.根据权利要求5所述的消光仪，其特征在于，所述光源为中心波长在532nm、单束脉冲能量为 ο μ J的半导体泵浦调Q激光器；所述高反射镜采用中心反射波段在540nm、反射率为99.9985%、 曲率半径lm、直径0.8英尺的高反射镜；所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体，腔体直径为42mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的消光仪，其特征在于，所述计算处理单元包括数字延迟发生器(11)、计算机(10)以及数据采集卡(12)，其中所述数字延迟发生器(11)的输出端同时连接光源和数据采集卡(12)，构成光路控制部分，用于触发光源脉冲与计算机运行程序，所述光电倍增管的输出端连接于所述数据采集卡(12)，所述数据采集卡(12)和计算机(10)相连。
8.根据权利要求7所述的消光仪，其特征在于，所述光电倍增管采用稳压电源提供的高压电，并与所述数据采集卡构成数据采集部分；所述数据采集卡为采集数24、采集速率IOOMHz的双通道高速数据采集卡；所述数字延迟发生器(11)的精确度达到纳秒级。
9.根据权利要求1-8任一项所述的消光仪，其特征在于，所述保护气路在每个光腔的临近其高反射镜的位置连通于所述光腔，以将保护气通入到光腔每个高反射镜的镜面前端，所述的样气气路包括背景气体供应气路和气溶胶气体供应气路，两个供应气路共用同一样气进气管路和抽气泵。
10.根据权利要求9所述的消光仪，其特征在于，所述保护气路包括四条支路，在第一光腔(I)的靠近两端高反射镜的位置处连接两条支路，在第二光腔(2)的靠近两端高反射镜的位置处连接另两条支路；其中的保护气采用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物。
11.根据权利要求9或10所述的消光仪，其特征在于，所述样气气路的具体构成为:样气进气管路经一个三通后分为两个进气路；第一进气路又分成两个支路分别从第一光腔(I)的前后部连通腔体，构成气溶胶气体供应气路；第二进气路也分成两个支路分别从第二光腔(2)的前后部连通腔体，构成背景气体供应气路，且在所述第二进气路上加有过滤器；所述第一光腔(I)上设置的排气管路与所述第二光腔(2)上设置的排气管路连接于同一抽气泵。
12.根据权利要求11所述的消光仪，其特征在于，所述过滤器为气溶胶颗粒过滤器，所述抽气泵为可调流量的隔膜泵，流量范围在l-10L/min。
13.根据权利要求1-12任一项所述的消光仪，其特征在于，所述计算处理单元中的计算机(10)通过拟合第一光腔中的衰荡曲线得到其中气溶胶大气气体的衰荡时间，通过拟合第二光腔中的衰荡曲线得到其中背景大气气体的衰荡时间，代入公式
14.一种使用权利要求1-13任一项所述消光仪进行大气气溶胶消光系数监测的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)、打开光源，调整调光单元，将光源发出的光引导入第一光腔(I)和第二光腔(2)，打开计算处理单元中的数字延迟发生器，触发光源及计算机运行程序，调高其光电倍增管电压，在两个光腔中形成振荡； 2)、接通气路系统的保护气路向每个光腔提供保护气，将气路系统的样气气路接通大气，打开抽气泵，在第一光腔(I)前或样气进路口临时加入过滤器，对两个光腔同时校零，将获得的校零时第一光腔(I)和第二光腔(2)的衰荡时间T1、13输入到计算机中，利用公式
全文摘要
本发明提出一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪以及大气气溶胶消光系数的监测方法，所述的消光仪运用双通道光腔衰荡光谱技术对大气气溶胶的消光系数进行原位实时测量，包括光路系统、电路系统和气路系统，在所述光路系统中设置有作为双通道的第一光腔和第二光腔，所述气路系统分别向所述第一光腔和第二光腔提供含有气溶胶的大气气体和背景大气气体，并通过电路系统实时消除由于气体变化引起的气溶胶的消光系数的变化，达到实时、准确地测量大气气溶胶消光系数值。
文档编号G01N21/17GK103149156SQ20131008715
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者李凌, 颜鹏, 陈建民 申请人:中国气象科学研究院, 复旦大学