关　键　词:光学粒子计数器;发光二极管;气溶胶;谱分布

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 292 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(DLJ206) 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:
                  R( r , n) = ∫λ2λ1∫ψ+γψ- γ∫φ+βφ-βλ28π2 ( i1 + i2 ) ·E(λ) ·S (λ) ·F (θ,φ) dθdφdλ , (1)
                  E(λ) =c1λ5 ·1ec2/λT - 1, (2)
                  F (θ,φ) = 4sinφ·sinθ·arccos ( cosβ- co sθco sφsinθsinφ) ·arccos ( cosγ- cos φcosψsin ψsin φ ) , (3)
       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 ×108 W ·m - 2 ·μm4 , c2 = hc/ k = 1. 438 79 ×μ ·K。其中, 为普朗克常数, 为玻耳兹曼常数, 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DLJ206 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L ED 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。

3 　实验装置和仪器参数
       DL 2 6 光学粒子计数器由光电测量箱和数据处理计算机两部分组成。光电测量箱包括光源、聚光系统、光学散射腔、光电倍增管、前放、滤
波电路、抽气泵及电源、气路系统等。仪器使用90°散射光学系统,如图3 所示,系统参数列于表1 。气溶胶粒子通过光照区时所散射的光信号被高灵敏度光电倍增管(日本滨凇公司生产1 P28)接收并转换为电脉冲,以电脉冲的幅度来确定粒子的大小, 以电脉冲的计数来确定粒子的浓度。它将半径为0. 15～6. 0 μm 的粒子分成17 档,其分档半径如表2 所示。标定仪器使用的标准粒子是折射率n= 1. 59 - i0. 0 ,直径为(1. 745 ±0. 025)μm 的聚苯乙烯小球。

       数据处理计算机采用工控机,兼作控制和数据处理用,其规格是:P4 1. 8 G CPU ,液晶显示器等。工控机总线槽中配有一块高性能的12 bi tPCI A/ D 转换板,它将电压信号转换成数值量供工控机处理,其特色是粒子谱的测量完全由软件完成。
      被采样空气通过散射腔的气柱直径约1 mm ,气柱散射区长度是0. 8 mm。为避免气流中气溶胶粒子扩散出去造成镜片污染和虚假计数,气柱外有一个由气路提供的干净空气保护气套。当所采空气中气溶胶粒子浓度较大时,粒子同时穿过散射区的几率提高,使测量误差增大。这时可在混合腔中通过稀释气路输入经过滤的干净空气对粒子进行稀释,以减小误差。
      采用暗电流较小的光电倍增管接收散射光信号。从光电倍增管出来的电信号上叠加有少量的高频本底噪音,为保证测量精度设计了放大和滤波电路[ ] 。放大和滤波后的信号送至D 采集器。在工控机控制下做波形采集,软件对数据进行判峰、分道、计数等处理,然后再进行下一批采集直至总采集量完成。整个采集控制和信号处理软件采用VB 语言编程,软件具有紧凑、运行快、效率高的特点,仪器的稳定性、易维护性、易使用性较好。例如,需要时可改变分道数目和分道电压而无须增加任何硬件,测量结果可自动保存在硬盘上,可在屏幕上直接显示计数结果,可灵活地进行自动测量、现场分析等。这些显著的特点适合于各种大气气溶胶测量研究的需要。
4 　测量结果和对比分析
      2006 年12 月在厦门进行了气溶胶测量实验,得到了DLJ206 测量的一些数据,同时也得到了浊度计( IN ,测量散射系数) 的测量数据。图4是2006 年12 月厦门地区气溶胶谱分布的平均结果,可以看出平均谱分布基本上符合分布。图5 是由月日和日DL 2 6 测量的谱分布计算出的散射系数(使用其它方法[ ] 得到大气平均折射率为n = 1. 53 - i0. 008) 与浊度计( IN)测量结果的对比。由图5 可以看出,两种方法得到的散射系数差别不大(约15 %) ,变化趋势具有较好的一致性。两种方法测量结果的差别可能与平均折射率有关。以上对比表明,DLJ 206 测量气溶胶谱分布的结果是合理的。
5 　结　论
       本文详细介绍了DLJ206 光学粒子计数器测量气溶胶粒径的原理、特点及一些实际测量结果。由于使用了高强度长寿命的L ED 作为光源,使其光源使用寿命提高了近60 倍,测量性能也大大提高。与其它仪器的测量结果对比表明,使用DLJ206 测量结果计算得到的消光系数平均误差在15 %以内,证明了使用DLJ 206 测量气溶胶谱分布是合理的。