激光光源粒子计数器响应曲线对粒子折射率敏感度及多值性的分析

　　1　引　言

　　光学粒子计数器(OPC)是测量大气气溶胶谱分布的重要仪器。光学粒子计数器是利用粒子的光散射特性来测量气溶胶粒子的数密度尺度谱和浓度的。大气气溶胶粒子通过光照区时所散射的光信号被光电倍增管接收,并转换为电脉冲(称为响应量R)。电脉冲的幅度用来确定粒子的大小,电脉冲的计数用来确定粒子的浓度。与其它方法相比,其优点是在测量过程中不改变粒子的悬浮态,操作简单,使用方便,所测量的粒子谱直观可靠,因此得到了广泛的应用。

　　采用白炽灯作光源的粒子计数器,其技术成熟,曾得到过广泛的应用。白炽灯作光源有很多不足:使用寿命短;发光强度变化大,需要经常标定;发光强度弱,使能够测量的粒子的最小半径较大等。所以,用激光光源代替白炽灯是很有必要的。但激光光源的单一波长使响应曲线的多值性加剧,响应曲线对粒子折射率的敏感度随散射角的变化也显示出与白炽灯作光源时的不同。一般情况下,气溶胶粒子的折射率对光散射粒子计数器的测量结果影响很大[1~3]。目前一些以激光为光源的粒子计数器产品由于没有考虑粒子折射率对其响应曲线的影响,它的分档计数不能够直接表示气溶胶粒子的实际尺度谱;当其分档遇到响应曲线多值性的情况时,会出现重复计数,从而使它的计数结果也会有很大的误差。实际上,大气中粒子的折射率是随天气和地区而变化的。因此,需要确定激光光源粒子计数器(L_OPC)光学系统的最佳设计参数,即选择最佳的散射角和接收张角,合理分档,减小气溶胶粒子折射率的影响,避免多值性。另外,对有些散射系统的测量结果来说,在折射率的影响不能忽略时,为了能利用折射率来修正以使L_OPC的测量数据能得到真实的气溶胶粒子尺度谱,对L_OPC响应曲线的折射率敏感度及多值性进行系统地分析是十分必要的。

　　本文根据球形粒子的Mie散射理论计算了L_OPC的响应量,定义了敏感函数,通过数值实验,分析了折射率对L_OPC响应量的影响以及这些影响随散射角的变化。在此基础上,确定了L_OPC光学系统的最佳设计参数,为L_OPC的设计提供了理论依据。

　　2　折射率和散射角对响应量的影响

　　旁轴接收光学系统L_OPC对半径为r、复折射率为m(它的实部和虚部分别为nr和ni)的粒子响应量R(r,m)来说,有[4, 5]

　　式中:λ是光源的发光波长;γ和β分别是照明透镜和接收透镜的半张角;Ψ是照明光轴与接收透镜光轴的交角;θ是散射角变量;φ是会聚入射光线与接收透镜光轴的夹角;i1和i2分别是入射光电矢量垂直于和平行于观测平面的强度分布函数,是粒子尺度参数α(α=2πr/λ)、复折射率m(m = nr- ni,nr和ni分别是复折射率m的实部和虚部)、散射角θ和波长λ的复杂函数;S(λ)是接收散射光的光电倍增管的光谱灵敏度;F(θ,φ)是几何因子,它与散射腔光学结构有关。由于激光光源的方向性很好,不需要会聚透镜,只需要接收透镜,所以γ=0。所对应的F(θ,φ)为