呼吸性粉尘吸收系数的光声光谱探测

针对呼吸性粉尘浓度连续、可靠、低成本的实时检测需求,实现了光谱应用技术创新,提出了一种基于光声光谱的呼吸性粉尘探测系统,低功率二极管激光器光谱中心波长为403.56 nm及相应的NO₂有效吸收截面为5.948 5×10-19 cm2·mole-1;通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率。开展了光声池结构的影响分析,得到了光声池长度参数对本底噪声影响较小但对激光信号影响较大、内径参数对本底噪声存在一定影响但对本底噪声影响较小的结论。在考虑品质因数、加工条件、使用场合和待测对象属性等影响情况下,选用120 mm的长度参数和8 mm的内径参数;基于长度为60 mm、内径为25 mm的缓冲腔结构,开展了缓冲隔板对系统稳定性的影响分析,通过在缓冲腔中设置缓冲隔板,降低了本底噪声、稳定了系统,其幅值及波动由(2.83±0.11) μv稳定为(1.26±0.03) μv。分析得到了NO₂的比吸收系数为195.28 Mm-1·(mg·m-3)-1,利用NO₂气体在405 nm处的吸收对系统进行了标定,得到了拟合斜率为0.0436 8 μv/Mm-1、相关系数为0.998、池常数为300.24 Pa·cm·W-1的结论。同时在1 min平均时间下,得到了系统探测浓度下限及吸收系数为2.30 μg·m-3和0.448 Mm-1。基于标准微球的聚苯乙烯作为气溶胶发生器对象开展了呼吸性粉尘的吸收系数影响分析,进行了5μm以下不同数浓度颗粒及同一数浓度下不同粒径颗粒吸收系数的测试,结果表明：呼吸性粉尘的吸收系数和数浓度成正比,线性拟合后的斜率为10.598±0.641 96,相关系数为0.993;吸收系数曲线的方差在3～4 Mm-1间,不同粒径的颗粒对吸收系数存在着一定的影响;随着粒径增加,吸收系数随之增加。开展了环境大气中NO₂的测量,选用0.2 μm的过滤膜滤除粉尘的干扰,实验结果表明大气NO₂浓度为16.4~61.6 μg·m-3,平均浓度为41.1 μg·m-3。为了证实测量系统的准确性,与课题组自行研发的长光程差分吸收光谱系统(LP-DOAS)进行了对比测试,测试结果显示了本光声光谱系统和LP-DOAS系统测量NO₂浓度的相关性较好,线性拟合后的斜率为1.011 78±0.040 13,相关系数为0.947 81。开展了环境大气中呼吸性粉尘的测量,选用5 μm过滤片过滤环境大气,通过“NO₂+5 μm粉尘”和“NO₂+0.2 μm粉尘”两路测量对象的差分测量,得到了呼吸性粉尘的变化趋势,可以满足自然悬浮状态下的呼吸性粉尘吸收系数实时测量。     

Synchronous detection of multiple optical characteristics of atmospheric aerosol by coupled photoacoustic cavity

Owing to the influence of sampling loss, cavity difference and detecting source, the multi-optical parameter measurement of atmospheric aerosol cannot be detected simultaneously in the same reference environment. In order to solve this problem, a new method of simultaneously detecting the aerosol optical parameters by coupling cavity ring-down spectrometer with photoacoustic spectroscopy is proposed. Firstly, the coupled photoacoustic cavity is formed by the organic fusion of the photoacoustic cavity and the ring-down cavity. Secondly, the integrated design of the coupling spectroscopy system is carried out. Finally, the extinction coefficient and absorption coefficient of aerosol are measured simultaneously by the system, and then the aerosol scattering coefficient and single albedo are calculated indirectly. The accuracy of the system is verified by comparing with the data from the environmental quality monitoring station, which provides a new idea for the detection of multi-optical characteristics of atmospheric aerosol.     

适用于ppb量级NO_2检测的低功率蓝光二极管光声技术研究

在405 nm处基于低功率蓝光二极管光声技术探测ppb量级NO_2浓度系统,获取了NO_2有效吸收截面,探讨了水蒸气等气体的测量干扰,通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率.采用内部抛光的铝制圆柱空腔作为光声谐振腔(内径为8 mm,长为120 mm),系统优化了腔体、窗片和电源等影响因素,分析了降低本底噪声、提高信噪比的方法,噪声信号可降至0.02μV.设计了两级缓冲结构,显著抑制了流量噪声的影响,提高了系统的稳定性.系统的标定梯度曲线经过线性拟合后的斜率为0.016μV/ppb, R~2为0.998,在60 s平均时间下,系统NO_2探测限为3.67 ppb(3σ).为了证实系统的测量结果,将其与二极管激光腔衰荡光谱系统同步对比测量大气NO_2浓度,二者线性拟合后的斜率为0.94±0.009,截距为1.89±0.18,相关系数为0.87,一致性较好.实验结果表明,该系统实现了ppb量级NO_2浓度的低成本在线探测,可用于NO_2浓度外场的实时检测.