[实用新型]一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪。 

背景技术

大气气溶胶消光是指大气中颗粒物或液滴对光产生散射和吸收损耗，使光在通过时发生衰减的现象。要准确得到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，散光系数与吸收系数的加和就是大气气溶胶消光系数。目前，散光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10^-1Mm^-1，但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。气溶胶的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。

滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测定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。

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实用新型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。

光腔衰荡光谱技术由O’ Keefe 在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体消光系数的研究中，其原理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。在真空时，光学谐振腔中的光强会随时间变化                                                ，L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间。当光腔内有气体时，光强随时间变化。α_g, ext是气体的消光系数，l是样品的吸收光程长度。当光腔内通入气溶胶（即气体中混有气溶胶）时，上式变为，α_s, ext是气溶胶的消光系数。因此通过分别测量背景气体及气体和气溶胶的衰荡时间，就可以得到气溶胶的消光系数，即。光腔衰荡气溶胶消光仪就是基于这一工作原理来测得大气气溶胶的消光系数，但是现有的光腔衰荡气溶胶消光仪都是基于单通道的光腔衰荡气溶胶消光仪，其在测量大气气溶胶时，通常假设背景气体在一段时间里相稳定，气体消光的变化在一定时间段内可以忽略不计，因此在一定的时间内测量一次背景气体的衰荡时间，然后将这一值输入到程序中，应用这一背景气体衰荡时间计算一段时间的气溶胶消光系数。由于实际大气中有些气体的浓度随时间变化较快，如果用一个时间点的气体消光系数来代替一段时间内气体消光系数，会对气溶胶消光系数的测量带来误差，因此这种现有的光腔衰荡气溶胶消光仪在对实际大气气溶胶消光系数的测量中仍然存在着误差，尤其是当背景气体的浓度变化较快时，这种误差甚至影响气溶胶消光系数值的准确值，因此如果要得到实时准确的气溶胶消光系数，有必要实时监测气体包括背景气体的消光系数的变化，而现有的单通道光腔衰荡气溶胶消光仪无法做到这种实时监测。 

发明内容

本实用新型为了克服传统测量技术在测量大气消光系数过程中改变气溶胶本身性质、检测限高、以及误差大、时间分辨率低等缺点，提出一种双通道光腔衰荡大气气溶胶消光仪，运用双通道光腔衰荡光谱技术对大气气溶胶的消光系数进行原位实时测量，采用两个光腔通道分别测量背景气体及背景气体与气溶胶的消光系数，通过计算程序处理，能够实时地扣除由于背景气体变化引起的气溶胶的消光系数的变化，达到实时、准确地测量大气气溶胶消光系数，最终得到非常精确的大气气溶胶消光系数值。