图 2-2 光声池的设计图 9

图 2-3 光声池侧视的剖面图 9

图 2-4 光声池俯视的剖面图 10

图 2-5 光声池正面剖面图 10

图 2-6 光声池的三维视图 11

图 2-7 光声池实物图 11

图 3-1 532nm 固体激光器 12

图 3-2 锁相放大器 13

图 3-3 驻极体微音器 13

图 3-4 传声器供电器 14

图 3-5 函数发生器 14

图 3-6 微循环泵 15

图 4-1 激光器的输出光功率随时间的变化 17

图 4-2 光声池的共振频率 18

图 4-3 对应不同气溶胶含量的大气测量 19

图 4-4 信号幅值与含不同浓度大气气溶胶气体的关系 20

图 4-5 不同浓度乙烯气体的二次谐波光声信号 21

图 4-6 实验检测的乙烯浓度与样品配制时的浓度对比 22

图 4-7 光声光谱测大气系统对乙烯的探测极限 23

表清单

表序号 表名称 页码

表 2-1 圆柱形声共振器中角向和径向模式的最初几个mn      值 7

表 4-1 激光器的功率稳定度 17

变量注释表

E

0 基态能量

E1 激发态能量

 气体分子吸收的光子的角频率

N 气体分子吸收光的分子数的密度

 气体分子吸收的光子的跃迁的谱线宽度

S 气体分子吸收的光子的跃迁的谱线强度

0 气体分子吸收的光子处于高能态时，它的碰撞衰变时间

 气体分子吸收的光子处于高能态的自发衰变时间

P 气体分子所处的环境的总压强

P0 气体分子所处的环境的平均压强

Pr, t  声压

j, m, n 共振纵向 、角向 、径向模式数

L 共振腔的长度

Rc 共振腔的半径

Cs 介质中的声速

Q 品质因数

S 输出的光声信号的强度

P(w) 激光的光功率

M 微音器的灵敏度

Ccell 光声池的池常数

0    c 样品的吸收系数

c 样品浓度

f 激光器的共振频率

f 共振频率的1 2 的全线宽度

1 绪论

根据本次研究的内容，首先应该知道关于大气气溶胶的构成，了解大气气溶 胶的研究现状与前景，同时因为本次研究的主要是基于光声光谱技术的大气气溶 胶检测系统，所以在接下来会对光声光谱技术及光声光谱检测原理进行介绍。

1.1 大气气溶胶

气溶胶[1-3]是固体或液体小颗粒无规则分散，悬浮在气体介质中形成的胶体 分散体系，又被称为气体分散体系，是雾霾的主要成分。如图 1-1 所示为雾霾天 气的气象。

大气气溶胶是在空气中悬浮的固体或液体微粒，微粒的直径在 100nm 至 10000nm 之间，主要有两种方式产生：一种是通过沙尘暴和火山爆发所产生的气 体微粒，另一种是通过化石或其它的生物物质点燃所产生的气体微粒。大气气溶 胶是自然的大气中自然存在的没有固定的成分构成的聚合体，大气中的固体颗粒 物质通过吸收或者散射太阳辐射，进而影响地-气系统的能量交换，从而影响了 大气的气候系统。虽然大气中的气溶胶总体含量是微少的，但大气气溶胶却因为 外界一些因素或者环境的要求而对于一些情况会有非常大的重要性。例如：大气 气溶胶的产生与含量对于大气的气候系统、人们生活的自然环境和人类的健康都 具有极其重要的影响。高浓度的气溶胶不仅在城市空气、城市交通等方面对人们 生活带来非常大的不便利，对人们的健康也有很大的损伤——微纳级的气溶胶特 别是生物气溶胶，对一些从事特定特殊工作的人们的呼吸道等器官会造成非常大 的伤害。另外，近几年频频困扰人们生活和工作的一个主要大气问题——雾霾， 也是与大气气溶胶有紧密的关系。根据气溶胶与雾霾的本质及产生条件，可以得 出空气中所含的高浓度气溶胶在遇到静稳天气后，这将会形成困扰大家的雾霾天 气。所以目前对于大气气溶胶的研究已经成为科研界大气化学、物理乃至地球环境科学研究的热点之一。