光腔衰荡气溶胶消光仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统及气路系统。所述光路系统包括光源、光腔、调光系统；所述气路包括样气气路和保护气路，安装在光腔前后，包括电磁三通阀、气溶胶过滤器及气泵，所述电磁三通阀、气溶胶过滤器和继电器一起构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，由数字延迟发生器、光电倍增管、稳压电源、计算机及高速数据采集卡。本实用新型具有以下优点：精确度高，可以达到10-1Mm-1；时间分辨率高,可以达到20s；对样品进行原位测量，对样品的影响小。
【专利说明】光腔衰荡气溶胶消光仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪。
【背景技术】[0002]大气气溶胶指在空气中悬浮的颗粒物或液滴，会对光产生散射和吸收，两者综合作用下，使光在通过大气时发生衰减现象。这种大气气溶胶对光的衰减作用可以由其消光系数准确表述。从国内外现有技术来看，为了测量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，这两个系数的加和就是气溶胶的消光系数。目前，散射系数的测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。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。
[0003]滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测量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。
[0004]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。
[0005]为了更加准确地测量大气气溶胶消光系数，光腔衰荡光谱吸收技术被应用到气溶胶的光学测量领域。光腔衰荡光谱吸收技术由o’ Keefe在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体分子吸收光谱的研究中。由于这一技术将样品的吸收路径增加到几十公里，所以与其它传统的吸收光谱技术相比有很高的灵敏度，其检测限达到 10-4 Μπm1。
[0006]光腔衰荡光谱技术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。耦合进入光腔内的光脉冲会在两个反射镜之间发生多次反射，同时通过后腔镜后会有一小部分光强漏出光腔并被置于其后的光电探测器接收。当光脉冲第n+1次到选后腔镜时，漏出的光强为久+1 = iM.(耶2)，则相邻两次经由后腔镜漏出的光强差为
【权利要求】
1.一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中:所述光源为激光器(1);所述光腔(2)由腔体和高反射镜(12)组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜(12)通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜(12)平行相对，高反射镜(12)镜面朝向光腔(2)内部，高反射镜(12)装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔(2)之间；所述气路系统包括继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)和气泵(10)，其中继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)位于光腔(2)的前部，气泵(10)位于光腔(2)的后部，数据采集卡(11)、继电器(6)、电磁三通阀(7)和气溶胶过滤器(15)依次连接，构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管(8)、稳压电源(9)、计算机(5)及高速数据采集卡(4)组成，光路控制部分由数字延迟发生器(3)构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡(4);数字延迟发生器(3)的输出端连接高速数据采集卡(4)，稳压电源(9)连接光电倍增管(8)，光电倍增管⑶的输出端连接高速数据采集卡(4)，高速数据采集卡(4)连接计算机(5)，计算机(5)连接数据采集卡(11);所述光电倍增管(8)作为探测器，用于接收激光信号。
2.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述光路调节系统包括两个反射镜(13)以及一组可调节光栅(14)，激光器(1)的出光口对准一个反射镜(13)的入光口，所述反射镜(13)的出光口对准光栅(14)的入光口，光栅(14)的出光口对准另一个反射镜(13)的入光口，另一个反射镜(13)的出光口对准光腔(2)的中心，即激光器(1)发出的光通过所述两个反射镜(13)反射和光栅(14)调节后平行进入光腔(2)的中心。
3.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述激光器(1)为中心波长在绿光波段的半导体泵浦高频脉冲激光器，激光由外触发器触发，并具有金属散热支架。`
4.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述高反射镜(12)为中心反射波段540 nm,反射率99.9985%的高反射镜，所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体。
5.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述气路系统还包括背景气体气路和气溶胶气路，背景气体气路和气溶胶气路共用同一条管路，样气经电磁三通阀(7)后分为两个进气路；一进气路直接进入腔体，构成气溶胶供应气路；一路气路经过气溶胶过滤器(15)后构成背景气体气路。
6.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述气路系统还包括保护气路，保护气路分为两条支路，保护气路在光腔(2)的临近其高反射镜(12)的位置连通于所述光腔(2)，以将保护气通入到光腔(2)每个高反射镜的镜面前端；其中的保护气采用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物。
7.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述电磁三通阀(7)采用L型三通球阀，气溶胶过滤器(15)采用高效气溶胶颗粒过滤器，滤除效率99.998% ;气泵采用可调流量隔膜泵，流量范围1-10 L/min。
【文档编号】G01N21/17GK203465189SQ201320565501
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】李凌, 陈建民, 颜鹏, 陈晖
申请人:复旦大学