大气气溶胶粒子光吸收系数的测量

1、 第 15卷 第 6期 强激光与粒子束Vol. 15,No. 6 2003年 6月 HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMSJ un. ,2003文章编号 : 100124322(2003 0620543204大气气溶胶粒子光吸收系数的测量杨小丽 , 罗九强 , 王俊波 , 刘炎焱 , 万德明(电子科技大学 物理电子学院 应用物理研究所 , 四川 成都 610054 摘 要 : 采用核孔过滤膜累积气溶胶粒子的方法设计了气溶胶粒子光吸收系数的测量系统 。该系统由双光路组成 , 可以减小光路损耗和电路噪声带来的各种测量误差 。 同时 , 具有体积小 、 光路易于

2、调节 、 可进行实时测量 、 定标容易等特点 。 用 200和 400nm 孔径的过滤膜 , 分别测量了实验室内大气气溶胶粒子对不同波长激光的吸收系数 。 随着累积时间的增加 , 系统的测量精度也不断的提高 , 在累积时间为 900s 时 , 系统测量误差为 9. 849×10-6/m 。 关键词 : 气溶胶 ; 吸收系数 ; 散射系数 ; 核孔过滤膜 中图分类号 : TN249; O436. 2 文献标识码 : A 大气气溶胶粒子的存在直接影响了光在大气中的传播 , 造成光在大气中的衰减 1。 大气中气溶胶粒子对 光的散射和吸收特性是影响激光束传播的主要因素 , 特别是分散的气溶胶

3、粒子对光的吸收可导致高能激光光 束热晕效应的发生和大气击穿 2,3。 此外 , 气溶胶粒子对光的吸收影响辐射流在大气中的传播 , 造成能见度的 下降 , 影响了地区和全球的辐射平衡 , 是影响全球气候变化的原因之一 1。 气溶胶粒子对光的吸收 , 还造成了 大气中一些气溶胶粒子间以及气溶胶粒子和气体间的光化学反应 , 产生了很多尚不可测的影响 。 因此 , 测量气 溶胶粒子的光吸收系数对研究光在大气中的传输有着重大的实际意义 。 气溶胶粒子对光的吸收系数很小 , 典型值为 10-310-6/m 1, 它对光吸收的同时总伴有对光的散射 , 测 量时一般不能很好的消除散射的影响 , 导致准确测量气

4、溶胶粒子对光的吸收系数极其困难 。对气溶胶粒子的 光吸收特性的研究 , 前人已做过许多工作 4,5。 本文用核孔过滤膜累积气溶胶粒子方法 , 设计了气溶胶粒子光 吸收系数测量系统 , 以本测量系统分别测量 488和 514. 5nm 波长的氩离子激光在不同大气环境里的气溶胶粒 子光吸收系数 , 将它们做了对比实验 。1测量原理和测量系统 Fig. 1 Measurement system of aerosol particles light absorption coefficient图 1 气溶胶粒子光吸收系数测量系统示意图 测量系统的光路由两路接近平行的光组成 , 如图 1所示 , 一路为

5、信号光 , 通过光管传输 , 另一路为参考光 , 直接通过大气传输 。 引入参考光是为了减小光路和电路所引入的各种测量误差 , 如过滤膜的光损耗 , 光管壁的 吸收和散射损耗 , 光管两端透镜的损耗等 。 用真空泵抽气使气溶胶粒子聚集在过滤膜上 , 过滤膜相当于一个漫 反射基片 , 所以我们又对过滤膜后面的光管镀高反射膜以收集前向散射光 , 这样散射对光吸收测量的影响可 忽略 。 设 光管 (光管设计总长 0. 189m 及过滤膜的光损耗系数分别为 1, 2, 真空泵的抽气速度为 v (单位为 L/s , 收稿日期 :2002212212; 修订日期 :2003202218基金项目 :国家 8

6、63计划项目资助课题 ; 电子科技大学青年基金资助课题作者简介 :杨小丽 (19632 , 女 , 副教授 , 硕士 , 主要从事强激光在大气中的非线性传输和激光技术及应用研究工作 ; E 2mail :lzhanguestc. edu. cn 。光管的半径为 r , x 为时间 t 内的光程 , a 为吸收系数 , k 1为反射镜的反射系数 , k 2为分光镜的分光系数 , I 0为 入射光强 。 设 1, 2分别为两探测器的光电转换系数 , 1, 2分别为两放大器的放大倍数 , U 1, U 2分别为参 考管和信号管的出射光强经光电转换后的电压 。设大气气溶胶粒子吸收为均匀分布 , 满足郎

7、伯定律 6:I = I 0e -x , 其中 为消光系数 , =s +a , s 为散射系数 。由于我们在过滤膜后面的光管壁上镀了高反射膜以 收集前向散射光 , 因此气溶胶粒子对光散射所造成的能量损失相对于气溶胶对光吸收所造成的能量损失就小 得多 , 这样散射对光吸收测量的影响可忽略 , 即郎伯定律改写为 :I =I 0e -a x 。由此可分析得采集到的电信号 分别为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 两式相比可得吸收系数a =2vt(ln(1-k k 1k 211+lnUU 2(3 当

8、真空泵没有开启的时候 , 信号管的过滤膜上没有粒子聚集 , 由于光管设计总长只有 0. 189m , 光束在传输 0. 189m 后的光强几乎不衰减 , 可认为此时的吸收系数为 0, 此时参考管和信号管的出射光强经光电转换后的 电压分别为 U 10, U 20, 则2vt ln( k 1k 211+lnU 20=0(4由 (4 式可得系数K =(1-k 2 1222/k 1k 211=U 20/U 10(5 此时对信号光和参考光同时进行采集 , 即可求出系数 K 。 将 (5 式代入 (3 式最后得吸收系数a =(r 2/vt ln (KU 1/U 2 (6 由于光束在传输 0. 189m 后

9、 , 大气分子对测量系统的光的吸收系数为 0, 这样 (6 式中的吸收系数可视为大 气中气溶胶粒子对光的吸收系数 。 对 (6 式微分可得测量系统的系统误差a=(r 2/vt (v/v -2r/r ln (U 1/U 2 +ln K -(U 1/U 1-U 2/U 2 (7 从 (7 式可以看出 :在系统其它参数不变的情况下 , 系统的精度和累积时间成反比 , 累积时间越长 , 即真空泵从 开启到采集第一个数据的时间越长 , 系统的精度越高 。在信号输入端为零输入的情况下 (即激光输出光强为 0 , 经 A/D 采集卡测得两通道的零噪声电压值 U 1=6. 249mV , U 2=5. 824

10、mV , 用精度为 0. 02mm 的游标 卡尺测得过滤膜的有效半径为 10. 31mm , 所用的流量计的最大量程为 0. 4m 3/h , 流量计的精度等级为 2. 5, 即 相对精度可达 0. 025,12位 A/D 采集卡的最大量程为 10V , 累积时间为 900s , 将以上数据代入 (7 式可得系统 精度 a =9. 849×10-6/m 。 即系统的测量精度可达 10-6量级 。 由于用的是第一次采集时的时间 , 以后的采集随着时间的增加 (相当 于激光在所测大气中的传输光程增加 , 系统的精度也不断的提高 。2 实验结果和分析2. 1 大气气溶胶光吸收系数测量实验

11、分别用 0. 2,0. 4m 的核孔过滤膜对实验室内的大气气溶胶粒子的光吸收系数进行了测量 , 实验所用真空 泵的抽气速率用流量计进行实时监测 , 过滤膜的半径为 10mm , 所测的实验结果如下 :用孔径为 0. 2m 的过滤 膜 (即直径大于 0. 2m 的气溶胶粒子积累在过滤膜上 对不同波长激光所测得的气溶胶粒子光吸收系数结果 如图 2所示 。 实验时光波长分别为 488. 0,514. 5和 632. 8nm , 且从真空泵开启到第一次采集的时间积累分别 为 900,307和 307s , 每两次采集间隔时间为 28. 27s 。可以看出 :波长越长 , 气溶胶粒子的光吸收系数越大 ,

12、 488. 0nm 波长的光吸收系数的平均值为 2. 8482×10-5/m ,514. 5nm 波长的平均吸收系数为 4. 8761×10-5/ m ,632. 8nm 波长的平均吸收系数为 7. 2481×10-5/m , 这和普遍认为气溶胶粒子对不同波长激光的吸收是一 个和波长相关的函数 , 它随波长的增加而增加相一致 。 用孔径为 0. 2和 0. 4m 核孔过滤膜所测光吸收系数如图 3所示 , 实验时光波长 =632. 8nm , 真空泵开启 到第一次采集的时间间隔分别为 900,307s , 每两次采集间隔时间为 46s 。 Fig. 2 Absorp

13、tion coefficient varies with light wave 图 2不同波长光吸收系数对比图 Fig. 3 Absorption coefficient varies with pore size of filters图 3 0. 2,0. 4核孔过滤膜所测光吸收系数 从图 3可以看出 , 在用 0. 2m 核孔滤膜时所测吸收系数明显大于 0. 4m 核孔滤膜所测吸收系数 ,0. 2m 滤膜所测数值约是 0. 4m 滤膜所测数值的 3倍 。 随着所用滤膜孔径的减小 , 气溶胶粒子的吸收系数增加得较 快 。 从粒子尺度分布我们知道大气气溶胶粒子的粒子数浓度随粒子直径的减小而增加

14、得很快 , 即直径大于 012m 的粒子数浓度比直径在 0. 4m 以上的粒子数浓度要大得多 。 本文用 0. 2和 0. 4m 滤膜所测出的吸收 系数和大气气溶胶粒子尺度分布理论相一致 4,5。2. 2 对比实验 为了比较不同大气环境中气溶胶粒子吸收系数的变化 , 做了两组对比实验 。 一组在实验室中点燃 5支香烟 , 让它们燃烧一段时间后熄灭 , 然后用 0. 2m 的滤膜测量实验室中气溶胶粒子对 488. 0nm 波长光的吸收系 数 , 结果如图 4所示 。 另一组在实验室中一直点燃 1只香烟 , 用 0. 2m 的滤膜测量实验室中气溶胶粒子对 514. 5nm 波长光的吸收系数 , 结

15、果如图 5所示。 Fig. 4 Light absorption coefficient for aerosol of burned cigarrettes measured by 0. 2m filter 图 4 5支香烟熄灭后的吸收系数随时间的变化 Fig. 5 Light absorption coefficient for aerosol ofa burning cigarrette measured by 0. 2m filter 图 5 1支香烟点燃时吸收系数随时间的变化 由图 4可以看到 , 实验室内燃烧了香烟后的气溶胶粒子的吸收系数增大很厉害 , 数量级达到了 10-3, 在香

16、 烟刚熄灭时吸收系数很大 , 随后下降很快 , 然后趋向于相对平稳 , 这是由于燃烧后的烟尘粒子迅速向周围扩散 , 随着时间的增加 , 环境中烟尘粒子的浓度也渐渐趋于平衡所造成的 。 由图 5可以看到 , 吸收系数也有明显的增大 , 由于点燃的香烟的数量少 , 本次实验所测吸收系数比图 4实 验中测得的吸收系数有明显减小 。 香烟一直在燃烧 , 空气中的烟尘浓度也比图 4稳定 , 所测出的吸收系数比图 4的吸收系数稳定的多 。 以上两组实验所测的吸收系数分别比无烟尘时成数量级增加 , 可以看出烟尘对光吸收的影响较大 , 是造成 大气能见度降低的主要因素之一 。3 结 论 本文所设计的测量系统

17、, 很好地减小了光路损耗和电路噪声所引入的各种误差对光吸收系数测量的影响 , 在累积时间为 900s 时 , 系统测量误差 9. 849×10-6/m 。 实验结果表明 :用本测量系统测量的光吸收系数和国外其它方法所测得的吸收系数数量级完全一致 , 数值也比较接近 ; 用同一孔径滤膜测得的不同波长吸收系数的 对比结果以及用不同孔径滤膜测同一波长光吸收系数的对比结果均和现有的理论相一致 。我们用 012m 的 滤膜分别做了 488. 0和 514. 5nm 的烟尘吸收系数对比实验 , 实验结果表明 :烟尘对光吸收有很大的影响 , 是造 成大气能见度降低的主要因素之一 。 本实验系统 ,

18、 对测量大气气溶胶粒子对光的吸收系数以及测量和控制烟 尘污染有着一定的应用价值 。参考文献 :1 Hansen A D A , Rosen H , Novakov T. Real 2time measurement of the absorption coefficient of aerosol particlesJ.A pplied Optics , 1982, 21 (17 :3060 3062.2 Liu Y Y , Wang J B , Liu C Y , et al. Thermal blooming induced by artificial aerosol with CW las

19、erA .SPIEC.1998, 3433:118 126. 3 杨小丽 , 王俊波 , 刘炎焱 , 等 . 脉冲激光作用下气溶胶导致大气击穿研究 J.强激光与粒子束 , 1997, 9(1 :157 160. (Y ang X L , Wang J B , Liu Y Y , et al. Aerosol 2induced air breakdown with Nd :YA G pulsed laser radiation. High Power L aser and Particle Beams , 1997, 9(1 : 157 1604 Bond T C , Theodore L A

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22、 , L IU Y an 2yan , WAN De 2ming(Institute 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. 5a