LED光源光学粒子计数器的研制

　　1　引　言

　　大气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、大气环境和居民健康有重要的影响,其谱分布是研究气溶胶特性的一个重要参数。目前,测量气溶胶谱分布的方法很多,最有效的是测量气溶胶的光学谱分布、动力学谱分布和质量谱分布。在球形粒子假定下,当已知气溶胶粒子的谱分布N(r)和它的复折射率n时,原则上可以计算出气溶胶的任何光学参数[1],如散射系数、吸收系数、单次反照率、相函数和角散射系数等。若要计算气溶胶的光学特性,使用气溶胶的光学等效谱分布计算结果最合理。目前测量气溶胶光学谱分布最有效的方法是光散射法[2],光学粒子计数器就是基于光散射原理来测量粒子谱分布。国内一些厂家生产的粒子计数器只能测量很少的粒径分道,仅适合净化使用,不适用于研究气溶胶谱分布。

　　DLJ-92多道光学粒子计数器(中国科学院安徽光机所研制)由于使用白炽灯作光源,其使用寿命很短,因而广泛使用受到限制。利用动力学原理[3]测量的谱分布虽然不受折射率的影响,但它很难反映气溶胶的光学特性。所以研制一台既有足够的粒径分道又能广泛使用的粒子计数器是很有意义的。

　　本文介绍了光学粒子计数器(DLJ-06)的测量原理、实验装置和具体参数,并把它的测量结果与TSI公司的浊度计的测量结果进行了对比分析,结果表明,新研制的光学粒子计数器的测量结果是合理的。

　　2　测量原理

　　对于气溶胶粒子,折射率为n、半径为r的粒子的散射响应量[5]R(r,n)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[4],c1和c2分别为第一、第二辐射常数,c1=2πhc2=3.741 5×, c2=hc/k= 1.438 79×μm·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。

　　光学粒子计数器的基本原理是单粒子的角散射测量,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光学粒子计数器的响应曲线,图1、2给出了DLJ-06光学粒子计数器的响应曲线。可以看出:(1)响应曲线对折射率特别是ni是很敏感的,说明粒子的光散射强度不仅依赖于粒子的半径,还与粒子的折射率有关系;(2)响应曲线的单调性好,斜率随粒子半径变化不大,说明该仪器在探测大粒子和小粒子方面分辨率变化不大;(3)在不知道粒子形状和折射率的情况下,所探测粒子的粒径是光学等效粒径,所以测量结果还需要用折射率来订正[6]。由于LED光源发光强度高(色温为5 400 K),所以具有使用寿命长(20 000 h以上)和响应曲线单调性好等优点。