双角度光学粒子计数器标定研究

　　0　引　言

　　双角度光学粒子计数器[1,2]是测量大气气溶胶谱分布的重要仪器。双角度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密度谱和浓 度的。同时利用折射率对两个角度的敏感性[3]差异来反演大气气溶胶的折射率。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),用电脉冲的幅度来确定粒子的大小,用电脉冲的计数来确定粒子的浓度。与其它方法相比,其优点是测量过程中不改变粒子的悬浮态,操作简 单,使用方便,所测粒子谱直观可靠,因此得到了广泛的应用。但由于光源的不稳定性,仪器需要经常标定,仪器有很多种标定的方法,如直接标定法(标准例子) 和对比标定法(和其它仪器对比)等,标定的准确程度决定了光学粒子计数器的测量误差。本文根据球形粒子的Mie散射理论,对双角度光学粒子计数器的标定进 行了研究,从理论上对标定过程中的一些现象进行了分析,从实验上对理论分析进行了验证。

　　1　光学粒子计数器的标定

　　光学粒子计数器绝对标定使用直径为0.71±0.05μm的聚苯乙烯小球(其折射率m=1.59-i0,美国Huke公司生产)作为标准粒子。 对于双角度光学粒子计数器的60°散射角而言,粒子半径为0.355μm(m=1.59-i0.0)的响应量理论计算值R0为13.73,把它的脉冲电压 定为0.108V,则标定系数K0=0.108/R0。这样脉冲电压V就与气溶胶粒子的响应量R对应起来了,V=RK0,也就是说与粒子半径对应起来了。 标定时调节光电倍增管高压(信号的放大倍数),使计数的峰值(图1)恰好落在第四道(V=0.085~0.12mV)。标准粒子源产生方法是将标准粒子乳 状液用二次蒸馏水稀释后,经过过滤的压缩空气喷雾,然后通过过滤过的干燥空气使雾滴中水份蒸发,从而得到标准粒子气源,也可以使用粒子发生器进行标定。软 件编程中将0.3~12μm的粒子按粒子半径和对应电压分成17道,分道的门限电压和名义粒子半径如表1所示[4]。

　　2 理论分析

　　图2是双散射角粒子计数器的光路示意图。折射率为m、半径为r的粒子的散射响应量[5]R(r, m)为

　　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是照明透镜与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LED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[6]。

　　式中c1和c2分别为第一和第二辐射常数,c1=2πhc2=3.7415×108W·m-2·μm4,c2= hc/k =1.43879×104μm·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。