光腔衰蕩氣溶膠消光儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀，包括光路系統、電路系統及氣路系統。所述光路系統包括光源、光腔、調光系統；所述氣路包括樣氣氣路和保護氣路，安裝在光腔前后，包括電磁三通閥、氣溶膠過濾器及氣泵，所述電磁三通閥、氣溶膠過濾器和繼電器一起構成了自動校零裝置；所述電路系統包括光路控制部分和數據采集部分，由數字延遲發生器、光電倍增管、穩壓電源、計算機及高速數據采集卡。本實用新型具有以下優點：精確度高，可以達到10-1Mm-1；時間分辨率高,可以達到20s；對樣品進行原位測量，對樣品的影響小。
【專利說明】光腔衰蕩氣溶膠消光儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及大氣氣溶膠消光系數的測量領域，更具體的涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀。
【背景技術】[0002]大氣氣溶膠指在空氣中懸浮的顆粒物或液滴，會對光產生散射和吸收，兩者綜合作用下，使光在通過大氣時發生衰減現象。這種大氣氣溶膠對光的衰減作用可以由其消光系數準確表述。從國內外現有技術來看，為了測量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，這兩個系數的加和就是氣溶膠的消光系數。目前，散射系數的測量已經比較成熟，能夠實現準確快速的測量，實驗誤差可以達到但是吸收系數的測量還沒有達到這樣的精度。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。
[0003]濾膜采樣吸收儀通過將大氣氣溶膠截留在濾膜表面，測量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。
[0004]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發明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。
[0005]為了更加準確地測量大氣氣溶膠消光系數，光腔衰蕩光譜吸收技術被應用到氣溶膠的光學測量領域。光腔衰蕩光譜吸收技術由o’ Keefe在1988年創建，具有檢測限低，時間分辨率高等優點，廣泛應用于氣體分子吸收光譜的研究中。由于這一技術將樣品的吸收路徑增加到幾十公里，所以與其它傳統的吸收光譜技術相比有很高的靈敏度，其檢測限達到 10-4 Μπm1。
[0006]光腔衰蕩光譜技術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。耦合進入光腔內的光脈沖會在兩個反射鏡之間發生多次反射，同時通過后腔鏡后會有一小部分光強漏出光腔并被置于其后的光電探測器接收。當光脈沖第n+1次到選后腔鏡時，漏出的光強為久+1 = iM.(耶2)，則相鄰兩次經由后腔鏡漏出的光強差為
【權利要求】
1.一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于包括光路系統、電路系統及其氣路系統，所述光路系統包括光源、光腔和光路調節系統，其中:所述光源為激光器(1);所述光腔(2)由腔體和高反射鏡(12)組成，所述腔體為不銹鋼圓柱體，所述高反射鏡(12)通過法蘭固定在腔體兩端，且腔體兩端保持密閉，兩個高反射鏡(12)平行相對，高反射鏡(12)鏡面朝向光腔(2)內部，高反射鏡(12)裝在可調節鏡架中，用以調節高反射鏡的鏡面與入射光的角度；所述光路調節系統位于光源與光腔(2)之間；所述氣路系統包括繼電器(6)、電磁三通閥(7)、氣溶膠過濾器(15)和氣泵(10)，其中繼電器(6)、電磁三通閥(7)、氣溶膠過濾器(15)位于光腔(2)的前部，氣泵(10)位于光腔(2)的后部，數據采集卡(11)、繼電器(6)、電磁三通閥(7)和氣溶膠過濾器(15)依次連接，構成了自動校零裝置；所述電路系統包括光路控制部分和數據采集部分，數據采集部分由光電倍增管(8)、穩壓電源(9)、計算機(5)及高速數據采集卡(4)組成，光路控制部分由數字延遲發生器(3)構成，用于觸發激光脈沖與高速數據采集卡(4);數字延遲發生器(3)的輸出端連接高速數據采集卡(4)，穩壓電源(9)連接光電倍增管(8)，光電倍增管⑶的輸出端連接高速數據采集卡(4)，高速數據采集卡(4)連接計算機(5)，計算機(5)連接數據采集卡(11);所述光電倍增管(8)作為探測器，用于接收激光信號。
2.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述光路調節系統包括兩個反射鏡(13)以及一組可調節光柵(14)，激光器(1)的出光口對準一個反射鏡(13)的入光口，所述反射鏡(13)的出光口對準光柵(14)的入光口，光柵(14)的出光口對準另一個反射鏡(13)的入光口，另一個反射鏡(13)的出光口對準光腔(2)的中心，即激光器(1)發出的光通過所述兩個反射鏡(13)反射和光柵(14)調節后平行進入光腔(2)的中心。
3.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述激光器(1)為中心波長在綠光波段的半導體泵浦高頻脈沖激光器，激光由外觸發器觸發，并具有金屬散熱支架。`
4.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述高反射鏡(12)為中心反射波段540 nm,反射率99.9985%的高反射鏡，所述腔體為圓柱形不銹鋼管腔體。
5.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述氣路系統還包括背景氣體氣路和氣溶膠氣路，背景氣體氣路和氣溶膠氣路共用同一條管路，樣氣經電磁三通閥(7)后分為兩個進氣路；一進氣路直接進入腔體，構成氣溶膠供應氣路；一路氣路經過氣溶膠過濾器(15)后構成背景氣體氣路。
6.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述氣路系統還包括保護氣路，保護氣路分為兩條支路，保護氣路在光腔(2)的臨近其高反射鏡(12)的位置連通于所述光腔(2)，以將保護氣通入到光腔(2)每個高反射鏡的鏡面前端；其中的保護氣采用高純氮氣且不含氣溶膠顆粒物。
7.根據權利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述電磁三通閥(7)采用L型三通球閥，氣溶膠過濾器(15)采用高效氣溶膠顆粒過濾器，濾除效率99.998% ;氣泵采用可調流量隔膜泵，流量范圍1-10 L/min。
【文檔編號】G01N21/17GK203465189SQ201320565501
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】李凌, 陳建民, 顏鵬, 陳暉
申請人:復旦大學