双散射角光学粒子计数器的研制

　　1　引　言

　　气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素,大气科学的很多领域都与气溶胶有关。大气气溶胶对气候变化有重要的直接和间接的影响。气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射,可直接改变地、气系统的能量收支;其作为云的凝结核(CCN)还可改变云的光学特性和生命期,从而间接地影响气候。卫星对地遥感数据处理中,气溶胶的修正会直接影响遥感结果的精度;而颗粒物污染造成低能见度,细粒子进入肺部损害健康,气溶胶微物理参数的测量又是认识其污染变化特点,制定治理措施的基础。在球形粒子假定下,当已知气溶胶粒子的大小谱分布N(r)和它的复折射率m时,原则上可以计算出气溶胶的任何光学参数,如散射系数、吸收系数、单次反照率、相函数和角散射系数等。谱分布和复折射率是气溶胶基本物理参数,气溶胶谱分布已有许多直接或间接测量方法[1],而气溶胶折射率的测量则复杂得多。滤膜取样方法[2]和元素碳浓度法[3]只能测量折射率虚部,误差也较大;光声方法[4]测量灵敏度高,但要求的设备和技术都较复杂,还不能广泛地用于测量;遥感反演方法[5]也有其局限性。文献[6]提出的反演气溶胶折射指数的综合法,其广泛应用也受到限制。因此,探索可以同时测量气溶胶折射率和谱分布的方法仍然受到普遍关注。

　　本文从理论上对双散射角光学粒子计数器(D-OPC)最佳散射角的选取进行了分析,研制了双角度光学粒子计数器,利用新研制的D-OPC对气溶胶的折射率和谱分布进行测量。与其它独立测量方法的结果对比表明,此仪器测量气溶胶折射率和谱分布的结果是合理的。

　　2　折射率和散射角对响应量的影响

　　旁轴接收光学系统D-OPC对于半径为r、复折射率为m的粒子的响应量R (r,m)为[7]:

　　式中λ1和λ2是光源发光波长的上下限,γ和β分别是照明透镜和接收透镜张角的一半,ψ是照明和接受透镜光轴的交角,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变量,E(λ)是白炽灯光源的能量谱分布(由普朗克黑体辐射公式给出),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[8]。

　　式中c1和c2分别为第一、第二辐射常数,c1=,c2=hc/k=,其中h为普朗克常数,k为玻耳兹曼常数,c为真空中的光速。

　　D-OPC的基本原理是单粒子的角散射测量。D-OPC测量单个粒子渡越其散射腔内聚焦光照区的角散射强度,光电探测元件将它转变为一定高度的电压脉冲。电压脉冲强度与粒子大小的对应关系即D-OPC的响应曲线,对于粒子的复折射率m(m=nr-jni,nr和ni是折射率的实部和虚部)是敏感的[9-10]。为了能够更有效地计算折射率,要求最佳的两个散射角满足3个条件:(1)两个散射角度上的响应量对折射率都很敏感;(2)两个散射角度上的响应量对折射率的敏感函数值不能相同。即两个散射角系统的响应量的比值要随着折射率的变化而变化,这也是反演折射率的物理基础;(3)对散射角的选择,还要考虑响应曲线的多值性。