基于光散射法的氣體放電生成氣溶膠粒徑大小影響因素研究

合肥工業(yè)大學(xué) 蔡懿卿 魚江南 李建權(quán)

（1）粒徑測(cè)量區(qū)間廣，檢測(cè)下限低，能測(cè)到納米級(jí)以下的氣溶膠顆粒物。

（2）測(cè)量速度快，信號(hào)傳輸快，數(shù)據(jù)采集及時(shí)。單次測(cè)量時(shí)間只需5min，測(cè)得的光強(qiáng)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)收集并處理。

（3）測(cè)量裝置與氣溶膠不進(jìn)行直接接觸。光散射法不需要使用其他實(shí)驗(yàn)試劑對(duì)氣溶膠進(jìn)行采樣，并且測(cè)量過(guò)程不與儀器直接接觸，保證氣溶膠的完整與信息的真實(shí)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

本文使用介質(zhì)阻擋放電裝置產(chǎn)生低溫等離子降解甲苯氣體，搭建光散射濁度計(jì)測(cè)量降解尾氣中氣溶膠副產(chǎn)物的散射相函數(shù)并反演得到其粒徑信息，研究副產(chǎn)物粒徑大小與等離子降解參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為優(yōu)化降解條件提供理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)例證。

1 實(shí)驗(yàn)原理

光散射是指光在不均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)偏離其原來(lái)方向并散開(kāi)傳播到空間中其他位置的現(xiàn)象。在研究氣體放電產(chǎn)生氣溶膠光散射性質(zhì)時(shí)，通常要引入粒徑參數(shù)α，其表達(dá)式為：

其中λ為真空中入射光的波長(zhǎng)，d為氣溶膠顆粒物的粒徑。不同粒徑參數(shù)下氣溶膠顆粒物的散射特性有較大的區(qū)別，當(dāng)顆粒物的粒徑小于入射光的波長(zhǎng)，即顆粒物的粒徑參數(shù)，此條件下顆粒物的散射為瑞利散射，而當(dāng)顆粒物的粒徑參數(shù)α≈1或α＞1者時(shí)，即顆粒物的粒徑與入射光波長(zhǎng)相近或者大于入射光的波長(zhǎng)時(shí)顆粒物的散射為Mie散射。

對(duì)于Mie散射，當(dāng)入射光為強(qiáng)度I0的線偏振光，此時(shí)垂直于散射平面的散射光光強(qiáng)Is的表達(dá)式為：

玉米土壤耕種中，要做好后期淺中耕和免耕直播工作，促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)，提高玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量。玉米的生長(zhǎng)過(guò)程中，中耕要注意遠(yuǎn)和淺兩個(gè)原則。遠(yuǎn)是指植株之間的距離在10 cm左右；淺是劃破地皮，深度要注意控制在2 cm左右，保護(hù)玉米的根系，使土地中的微生物能夠積極活動(dòng)，增強(qiáng)玉米根部的生理機(jī)能，保障玉米生長(zhǎng)質(zhì)量。

對(duì)于瑞利散射，顆粒物的散射強(qiáng)度強(qiáng)度表達(dá)式為：

計(jì)算公式中r為觀測(cè)點(diǎn)與粒子間距離，θ為散射角，φ為方位角。i1(θ)與i2(θ)為散射強(qiáng)度函數(shù)，它們是對(duì)應(yīng)散射振幅函數(shù)S1(θ)和S2(θ)的模的平方。振幅函數(shù)S(θ)是由Bessel函數(shù)和Legendre函數(shù)組成的無(wú)窮級(jí)數(shù)，其表達(dá)式為：

式中an和bn稱為米散射系數(shù)，是復(fù)折射率和尺度參數(shù)的函數(shù)；πn和τn為散射角函數(shù)，僅與角度有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為測(cè)量甲苯氣體放電產(chǎn)生的氣溶膠的散射相函數(shù)并反演得到其粒徑信息，設(shè)計(jì)并搭建了氣體放電生成氣溶膠的光散射特性研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由介質(zhì)阻擋放電裝置系統(tǒng)以及光散射濁度計(jì)兩部分構(gòu)成，其中介質(zhì)阻擋放電裝置系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)甲苯氣體進(jìn)行放電降解，并由光散射濁度計(jì)負(fù)責(zé)測(cè)量降解尾氣中氣溶膠副產(chǎn)物的散射相函數(shù)。

圖1 氣體放電生成氣溶膠的光散射特性研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

介質(zhì)阻擋放電裝置系統(tǒng)由配氣裝置、高壓電源、介質(zhì)阻擋放電裝置三部分組成。其中配氣裝置使用三臺(tái)質(zhì)量流程控制計(jì)分別調(diào)節(jié)氮中甲苯標(biāo)準(zhǔn)氣，氮?dú)猓鯕獾牧髁浚?jīng)由混合瓶混合后生成不同濃度或不同流量的甲苯氣體，通入介質(zhì)阻擋放電裝置中進(jìn)行放電降解。供電裝置為介質(zhì)阻擋放電裝置提供高壓交流電，從而使放電裝置在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和常溫環(huán)境下對(duì)氣體放電產(chǎn)生低溫等離子體，在放電降解過(guò)程中使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)放電裝置的放電電壓并用示波器實(shí)時(shí)對(duì)放電電壓進(jìn)行檢測(cè)。介質(zhì)阻擋放電裝置對(duì)甲苯氣體放電降解從而產(chǎn)生氣溶膠。

使用光散射濁度計(jì)測(cè)量甲苯氣體放電產(chǎn)生的氣溶膠副產(chǎn)物。搭建的光散射濁度計(jì)由偏振光源，掃描探測(cè)系統(tǒng)以及濁度計(jì)箱體構(gòu)成。整個(gè)濁度計(jì)使用波長(zhǎng)445nm，最大輸出功率80mw的激光器作為光源，出射光經(jīng)由格蘭泰勒棱鏡調(diào)制為平行于散射平面的線偏振光進(jìn)入樣品池照射到其中的氣溶膠并產(chǎn)生散射光，散射光通過(guò)固定在旋轉(zhuǎn)臂上的透鏡與光闌最后由光子計(jì)數(shù)器接受，測(cè)得對(duì)應(yīng)角度的散射相函數(shù)。穿過(guò)樣品池的透射光進(jìn)入光陷阱，在其中多次反射衰減從而減小其對(duì)測(cè)量區(qū)域的干擾。整個(gè)濁度計(jì)使用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂，采用連續(xù)掃描測(cè)量的方式測(cè)得20°～160°范圍內(nèi)氣溶膠的散射相函數(shù)。在測(cè)量散射相函數(shù)時(shí)，光計(jì)數(shù)器隨著旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，以確定的角度間隔依次測(cè)量每個(gè)散射角20組散射相函數(shù)并取平均值以提高測(cè)量結(jié)果的信噪比。

3 光散射濁度計(jì)性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)光散射濁度計(jì)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，以確定其測(cè)量范圍與測(cè)量結(jié)果的可靠性。使用光散射濁度計(jì)測(cè)量已知散射特性的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的散射相函數(shù)并擬合實(shí)驗(yàn)值與理論值，就能得到濁度計(jì)測(cè)量性能的直觀認(rèn)識(shí)。

目前有多種用來(lái)驗(yàn)證光散射濁度計(jì)測(cè)量性能的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物，比如使用標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯小球（PSL球），水團(tuán)簇，癸二酸二異辛酯（DESH），氮?dú)怛?yàn)證了濁度計(jì)精度與探測(cè)上限。本文使用測(cè)量氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)來(lái)對(duì)濁度計(jì)的性能進(jìn)行測(cè)試。

氮?dú)獾募兌葹?9.999%，持續(xù)通入濁度計(jì)箱內(nèi)約120min，觀察溫濕度計(jì)的變化，當(dāng)箱內(nèi)的相對(duì)濕度下降至穩(wěn)定不變時(shí)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。使用瑞利散射公式計(jì)算氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)的理論值并對(duì)測(cè)量值與理論值分別歸一化到同一數(shù)量級(jí)。歸一化后氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)測(cè)量結(jié)果與理論值的對(duì)比如圖2所示。

從圖2中可以看出氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)的測(cè)量值和理論值在前向與后向散射的大部分散射角處擬合效果較好。但在90°及其附近的角度的測(cè)量值要大于理論值，這是因?yàn)?0°處顆粒物的散射相函數(shù)的理論值為0，其測(cè)量值容易受到本身的暗電流以及箱內(nèi)殘存的大氣氣溶膠的干擾導(dǎo)致實(shí)際測(cè)得的散射相函數(shù)偏大。

對(duì)歸一化后的氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)測(cè)量值與理論值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)兩者具有高度的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999，說(shuō)明光散射濁度計(jì)能精準(zhǔn)測(cè)量氮?dú)獾纳⑸湎嗪瘮?shù)，在90°及其附近角度的誤差并不影響整體的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。考慮到氮?dú)獾牧綖?.364 nm說(shuō)明光散射濁度計(jì)具有極低的測(cè)量下限，滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量的需要。

圖3 歸一化后氮?dú)馍⑸湎嗪瘮?shù)理論值與測(cè)量值的相關(guān)性分析

4 甲苯氣體放電產(chǎn)生氣溶膠粒徑變化影響因素研究

根據(jù)Mie散射理論，顆粒物的光散射特性與其粒徑大小有關(guān)，顆粒物粒徑發(fā)生變化時(shí)基于角度的散射相函數(shù)就有較大的變化，可以通過(guò)反演的方式得到氣溶膠的粒徑大小。對(duì)于甲苯氣體放電降解產(chǎn)生的氣溶膠，其粒徑大小與介質(zhì)阻擋放電裝置的放電電壓，氣體在放電裝置內(nèi)的停留時(shí)間，甲苯氣體的濃度這三個(gè)等離子降解參數(shù)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)探討這些降解參數(shù)的改變對(duì)氣溶膠副產(chǎn)物粒徑大小的具體影響，測(cè)量降解參數(shù)改變的情況下產(chǎn)生的氣溶膠的散射相函數(shù)并反演得到粒徑。

常規(guī)的反演方法包括直接反演法，查表法，優(yōu)化法以及試錯(cuò)法，本文中使用直接反演法結(jié)合查表法對(duì)實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行反演得到氣溶膠副產(chǎn)物的粒徑大小，具體流程如下：

（1）根據(jù)Yu等人測(cè)得甲苯放電產(chǎn)生的氣溶膠副產(chǎn)物的粒徑分布數(shù)據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣溶膠粒徑大致范圍并規(guī)定步長(zhǎng)。

（2）使用Matlab根據(jù)Mie散射公式編寫計(jì)算氣溶膠散射相函數(shù)的程序，根據(jù)設(shè)定的步長(zhǎng)計(jì)算粒徑范圍內(nèi)每種粒徑分布情況下的散射相函數(shù)。

（3）將計(jì)算得到的散射相函數(shù)與氣體放電產(chǎn)生氣溶膠散射相函數(shù)的測(cè)量值分別進(jìn)行歸一化并做方差。

（4）使用Fminsearch函數(shù)找出方差最小時(shí)計(jì)算得到的散射相函數(shù)，此散射相函數(shù)對(duì)應(yīng)的粒徑即為被測(cè)氣溶膠的粒徑。

分別改變介質(zhì)阻擋放電裝置的放電電壓，氣體在裝置內(nèi)的停留時(shí)間，甲苯氣體的濃度這三種等離子降解參數(shù)，測(cè)量降解產(chǎn)生的氣溶膠的散射相函數(shù)并反演得到粒徑大小。氣溶膠的中值粒徑隨三種等離子降解參數(shù)的變化如圖4所示。

圖4 氣溶膠粒徑大小隨三種等級(jí)降解參數(shù)變化

可以看出甲苯氣體放電產(chǎn)生的氣溶膠的粒徑大小與介質(zhì)阻擋放電裝置的放電電壓，氣體在放電裝置內(nèi)的停留時(shí)間，甲苯氣體的濃度這三個(gè)等離子降解參數(shù)有關(guān)。可以通過(guò)提高放電電壓，增加氣體在放電裝置的停留時(shí)間以及減小甲苯的初始濃度的方法來(lái)減小氣溶膠副產(chǎn)物的粒徑大小。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）搭建了對(duì)甲苯氣體放電降解從而產(chǎn)生氣溶膠的介質(zhì)阻擋放電裝置系統(tǒng)，包括配氣裝置，供電裝置以及介質(zhì)阻擋放電裝置；搭建了用來(lái)測(cè)量氣溶膠散射相函數(shù)的光散射濁度計(jì)，包括偏振光源，掃描探測(cè)系統(tǒng)以及濁度計(jì)的箱體。使用氮?dú)庾鳛闃?biāo)準(zhǔn)粒子對(duì)整個(gè)光散射濁度計(jì)的測(cè)量范圍與測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2）通過(guò)改變放電電壓、甲苯氣體停留時(shí)間、甲苯的初始濃度這些等離子降解條件從而產(chǎn)生不同粒徑大小的氣溶膠，將其通入光散射濁度計(jì)中測(cè)量散射特性并反演得到粒徑大小。實(shí)驗(yàn)表明甲苯氣體放電產(chǎn)生的氣溶膠的粒徑大小與上述實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。可以通過(guò)提高放電電壓，增加氣體在放電裝置的停留時(shí)間以及減小甲苯的初始濃度的方法來(lái)減小氣溶膠副產(chǎn)物的粒徑大小。