[實用新型]一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀

有效

• 申請號: 201320124249.4
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN203148832U
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 李凌;顏鵬;陳建民
• 申請（專利權）人: 中國氣象科學研究院;復旦大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司 11294
• 代理人: 涂蕭愷

技術領域

本實用新型涉及大氣氣溶膠消光系數的測量領域，更具體的涉及一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀。?

背景技術

大氣氣溶膠消光是指大氣中顆粒物或液滴對光產生散射和吸收損耗，使光在通過時發生衰減的現象。要準確得到大氣氣溶膠的消光系數，通常采用分別測量氣溶膠的散光系數和吸收系數，散光系數與吸收系數的加和就是大氣氣溶膠消光系數。目前，散光系數的測量已經比較成熟，能夠實現準確快速的測量，實驗誤差可以達到10^-1Mm^-1，但是吸收系數的測量還沒有達到這樣的精度。氣溶膠的吸收的測量通常采用濾膜采樣吸收技術和光聲光電光譜技術，這兩種技術由于器件靈敏度限制，或在測量過程中可能改變氣溶膠本身性質，具有誤差大，檢測限高，時間分辨率低等缺點。

濾膜采樣吸收儀通過將大氣氣溶膠截留在濾膜表面，測定一定流量情況下單位時間內截留在濾膜表面的氣溶膠對特定波長光的吸收，扣除濾膜本身的散光效應，得到大氣氣溶膠的吸收系數。大氣氣溶膠的光學性質與其形態有緊密聯系，濾膜技術很難評估堆積在濾膜表面相較于懸浮在空氣中的形態對吸收系數的影響是增加還是減少。另外，在測量過程中引入了濾膜，由于其特殊的纖維結構導致的截面敏感性問題，不同濾膜的空白值一致性較差，造成較大的實驗不確定度。同時，濾膜采樣吸收儀的光源并非采用單色光源，在篩選各特定波長光的過程中波長（或頻率）分布較寬，也會引起測量誤差，測量的不準確性達到30%，無法滿足對實際大氣氣溶膠消光系數準確、快速變化的測量。

為了避免引入濾膜對氣溶膠消光系數測量的影響，上世紀80年代光聲光電光譜儀被實用新型用以實現氣溶膠光學性質的原位測量。氣溶膠吸收特定波長光后會以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使氣溶膠的周圍氣體介質按光的頻率產生周期性壓力波動，由高靈敏微音器檢測放大后得到光聲信號,光聲信號的強度即氣溶膠對特定波長光的吸收。由于光聲光電光譜儀對特定波長光吸收所導致的熱能釋放，可能使氣溶膠所含的硝酸銨等易揮發物質揮發到氣體介質中，或者改變濕度條件進而使氣溶膠含水量和粒徑發生變化，最終影響對消光系數的測量，增大測量誤差。

光腔衰蕩光譜技術由O’?Keefe?在1988年創建，具有檢測限低，時間分辨率高等優點，廣泛應用于氣體消光系數的研究中，其原理是將一束短脈沖激光被耦臺進入到一個光學諧振腔中，諧振腔由一對平行相對、曲率半徑為r，反射率為R的反射鏡組成。在真空時，光學諧振腔中的光強會隨時間變化????????????????????????????????????????????????，L為光腔長度，c為光速，t為激光脈沖在腔體里的時間。當光腔內有氣體時，光強隨時間變化。α_g,?ext是氣體的消光系數，l是樣品的吸收光程長度。當光腔內通入氣溶膠（即氣體中混有氣溶膠）時，上式變為，α_s,?ext是氣溶膠的消光系數。因此通過分別測量背景氣體及氣體和氣溶膠的衰蕩時間，就可以得到氣溶膠的消光系數，即。光腔衰蕩氣溶膠消光儀就是基于這一工作原理來測得大氣氣溶膠的消光系數，但是現有的光腔衰蕩氣溶膠消光儀都是基于單通道的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其在測量大氣氣溶膠時，通常假設背景氣體在一段時間里相穩定，氣體消光的變化在一定時間段內可以忽略不計，因此在一定的時間內測量一次背景氣體的衰蕩時間，然后將這一值輸入到程序中，應用這一背景氣體衰蕩時間計算一段時間的氣溶膠消光系數。由于實際大氣中有些氣體的濃度隨時間變化較快，如果用一個時間點的氣體消光系數來代替一段時間內氣體消光系數，會對氣溶膠消光系數的測量帶來誤差，因此這種現有的光腔衰蕩氣溶膠消光儀在對實際大氣氣溶膠消光系數的測量中仍然存在著誤差，尤其是當背景氣體的濃度變化較快時，這種誤差甚至影響氣溶膠消光系數值的準確值，因此如果要得到實時準確的氣溶膠消光系數，有必要實時監測氣體包括背景氣體的消光系數的變化，而現有的單通道光腔衰蕩氣溶膠消光儀無法做到這種實時監測。?

發明內容

本實用新型為了克服傳統測量技術在測量大氣消光系數過程中改變氣溶膠本身性質、檢測限高、以及誤差大、時間分辨率低等缺點，提出一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀，運用雙通道光腔衰蕩光譜技術對大氣氣溶膠的消光系數進行原位實時測量，采用兩個光腔通道分別測量背景氣體及背景氣體與氣溶膠的消光系數，通過計算程序處理，能夠實時地扣除由于背景氣體變化引起的氣溶膠的消光系數的變化，達到實時、準確地測量大氣氣溶膠消光系數，最終得到非常精確的大氣氣溶膠消光系數值。