大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

提出了反演折射率虚部的方法.以光散射为原理的粒子计数器测量光学等效直径,其结果受折射率虚部的影响较大;以粒子飞行时间为原理的粒子计数器测量空气动力学直径,其结果不受折射率虚部的影响.利用两种仪器的测量结果受折射率影响的差异来反演大气气溶胶的折射率虚部.通过与其它独立的测量结果对比表明,该方法反演气溶胶折射率虚部是合理的.     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

孔隙率对气溶胶凝聚粒子光学特性的影响

采用Monte-Carlo方法,对气溶胶凝聚粒子进行了模拟,讨论了凝聚粒子的孔隙特性,分析了空间结构、原始粒子数目对凝聚粒子孔隙率和等效折射率的影响。结合物质的电结构,将气溶胶凝聚粒子离散为一系列偶极子,利用离散偶极子近似方法,数值计算了不同孔隙率气溶胶凝聚粒子的散射、吸收和消光截面各种取向的统计平均值。结果表明,气溶胶凝聚粒子的孔隙率明显取决于其空间形状和所含原始微粒的数目;气溶胶凝聚粒子的等效折射率、吸收、散射和消光截面则随孔隙率的增加而减小。研究结果可为全面理解气溶胶粒子光学特性提供参考;也可为某些涂层材料光学性能的改变提供参考,通过改变涂层材料中凝聚粒子的孔隙率来改变涂层材料的等效折射率,进而改变涂层材料对光的散射和吸收。     

随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

大气气溶胶粒子数密度谱和折射率虚部的测量

介绍一种综合利用光学粒子计数器和能见度仪测量大气气溶胶折射率虚部的新方法。首先，使用光学粒子计数器测量出大气气溶胶粒子的数密度谱(待订正)，用能见度仪同步测量出水平能见度。然后，根据球形粒子的米氏(Mie)散射理论，通过分析气溶胶粒子的折射率虚部、分档半径、粒子数密度谱、消光系数和能见度之间的关系，对分档半径进行订正，得到折射率虚部和能见度之间的对应关系。结合同步测量的能见度，反演出大气气溶胶粒子的折射率虚部。最后，利用折射率虚部对光学粒子计数器数据进行订正，得到大气气溶胶粒子的数密度谱。     

内混合强吸收气溶胶粒子光散射的等效性

 以黑碳和水两种成分组成的内混合单分散气溶胶粒子为例，根据其各消光效率因子、吸收效率因子和散射相函数，分析了用等效折射率来描述含有不同成分的内混合气溶胶系统的适用性。结果表明：在瑞利散射区和几何光学区内，内核（碳粒）体积比为0.01,0.1,0.5,0.9时，消光效率在大多数尺度参数下等效性都很好，但在米散射区内相对较差；当体积比大于0.3时，其吸收效率、消光效率等效性较好；除瑞利散射区外，散射相函数在各体积比下的等效性都很差。当考虑内混合气溶胶粒子系统的散射和吸收特性时，一般不难找到等效折射率，但在光散射技术中，应用相函数反演等效折射率的可靠性还有待商榷。     

一种内混合气溶胶粒子模型光散射的等效性

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例,利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子,探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明,在尺度参数为0.1～25时不同半径比下,消光、吸收和散射效率因子的等效性较好,相对误差分别在3%、3%和4%以内;不对称因子的等效性相对稍差,相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5,即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时,等效折射率实部和虚部值基本可以确定,而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时,较为容易找到等效的气溶胶粒子。     

外混合气溶胶粒子光散射的等效性

以两种典型的气溶胶粒子组成的单分散和多分散处理混合气溶胶粒子系统的光散射的各效率因子，各散射截面和散射相函数分析了以等效折射率描述由具有不同折射率的各种粒子组成的混合气溶胶粒子系统的适用性，结果表明，对单分散系统，本不同的混合比下对于许多尺度参数吸收效率因子和散射相函数的等效性很差，对多分散系统，在不同的混合比下等效性较稳定但各散射光学量的余差很大，因而对多分散系外混合气溶胶粒子系统如使用等效折射     

双散射角光学粒子计数器测量气溶胶折射率的新方法研究

根据米氏(Mie)散射理论,通过数值模拟分析了气溶胶折射率虚部n_i在不同散射角度上对双散射角激光光学粒子计数器(L-OPC)响应曲线的影响,定义了敏感函数。根据分析,散射角应该在小于20°和40°～60°之间选取。以散射角系统ψ=9°,β=5°,λ=0．65μm和ψ=50°,β=20°,λ=0．65μm为例,其中一个散射角受折射率虚部n_i的影响较小,另一个较大。在测量粒子谱分布的同时,利用n_i对不同散射角度响应曲线的影响差异,来确定n_i值,并提出确定n_i的方法。还给出了双散射角激光光学粒子计数器的模拟测量结果。     

Ambiguity of Polystyrene Aerosol Beads Properties Found with Mie Spectra Analysis

Broadband Mie scattering is used to determine the parameters of polystyrene aerosol beads in air,such as size and wavelength dependence of refractive index.This method consists in the selection of such parameters of the scattering object,which reproduce observed spectrum properties.That is why it is very sensitive and hence very precise.We found that there is an ambiguity of polystyrene aerosol beads properties,determined with this method.Different combinations of polystyrene particle size and its refractive index can give the same position of Mie resonances.This ambiguity leads to an increase in the error in determining the size and refractive index of the particle.The refined errors are calculated and the way of their reduction is indicated.     

Influence of Refractive Index on Particle Size Analysis using the turbidimetric spectrum method

The light scattering technique is now widely used in particle sizing, and includes the turbidimetric spectrum method. Although it has been reported that the light scattering technique, especially the turbidimetric method, is sensitive to refractive index, quantitative studies are rare. In this work, the effects of refractive index on the turbidimetric spectrum method were comprehensively investigated and detailed results are presented.     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

Phase-Doppler Anemometry with the Dual Burst Technique for measurement of refractive index and absorption coefficient simultaneously with size and velocity

The principle of the dual burst technique (DBT) based on phase-Doppler anemometry (PDA) is proposed for simultaneous particle refractive index, size and velocity measurements. This technique used the trajectory effects in PDA systems to separate the two contributions of the different scattering processes. In the case of forward scattering and refracting particles, it is shown that from the phase of the reflected contribution, the particle diameter can be deduced, whereas from the refracted contribution the particle refractive index and velocity can be obtained. Furthermore, the intensity ratio of these two scattering processes can be used for absorption measurements. Simulations based on generalized Lorenz-Mie theory and experimental tests using monodispersed droplets of different refractive indices and absorption coefficients have validated this technique.     

Optical particle spectrometry—Problems and prospects

Optical particle counters and spectrometers have found broad use in aerosol and atmospheric research, air pollution studies and industrial particle monitoring. The utilization of the elastic scattering of light results in increasingly portable and cost effective instrumentation due to the ongoing miniaturization of building components such as light sources and detectors. However, the non-monotonic size dependence of scattered light intensity and its variability with the changing refractive index of particles influences the function of most single optical particle counters and spectrometers. This problem is a key issue still driving the development of these instruments, first introduced more than half a century ago. Ongoing progress has resulted in not only smaller but also more sophisticated and precise instruments, but the old weakness still remains—varying response to changes of the index of refraction of particles and non-monotonic response curves. Consequently, alternative approaches exploiting elastic scattering are presented here.     

Imaging and sizing of diamond nanoparticles

Typical disturbances of biological environment such as background scatter and refractive index variations have little effect on the size-dependent scattering property of highly refractive nanocrystals, which are potentially attractive optical labels. We report on what is to our knowledge the first investigation of these scattering optical labels, and their sizing, in particular, by imaging at subvideo frame rates and analyzing samples of diamond nanocrystals deposited on a glass substrate in air and in a matrix of weakly scattering polymer. The brightness of a diffraction-limited spot appears to serve as a reliable measure of the particle size in the Rayleigh scattering limit.     

气溶胶粒子散射和吸收特性对复折射率依赖性的数值研究

利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1~100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体,粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子,基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是,如果大气中存在大量的粗模态粒子时,气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂,只有选择有限的合适复折射率库区间,才有可能获得更合适的有效复折射率。