非球形气溶胶粒子近前向光散射图样的理论与实验

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气溶胶的形态(尺寸和形状)对人类健康、气候变化以及视觉能见度等方面都起着重要作用,与其来源或者化学成分密切相关,有潜力用于气溶胶颗粒物的种类识别。因此,研究和发展气溶胶形态的检测技术与方法,为大气科学与气溶胶科学等领域提供新的研究手段,具有非常重要的意义。  空间角分辨弹性散射光测量是获取气溶胶颗粒物形态信息的有力方法,该方法具有非入侵性、非破坏性以及潜在的实时检测能力的特点。但非球形颗粒的散射强度图样非常复杂,使得形态测量成为气溶胶研究中的一难题。本文基于自行建立的可同时测量气溶胶单粒子近前向角分辨光散射分布和空气动力学粒径的实验装置,理论计算了气溶胶单粒子形态与前向光散射空间强度分布的关系,并对实验结果进行了初步分析。  本文针对可用的计算资源,研究了T矩阵和离散偶极子近似两种颗粒物光散射计算方法的准确度、计算速度及适用范围。基于颗粒物光散射振幅矩阵的计算,编写了探测器接收散射光强计算程序,可以针对不同位置以及口径大小的探测器,计算具有不同粒形和取向的非球形颗粒物对应的接收散射光强度。  本文利用T矩阵和离散偶极子光散射理论计算了四种光学结构中探测器的响应强度,理论对比分析了四种探测器响应强度与粒形的关系。基于实验装置的光学结构,详细研究了三个近前向探测器的响应强度与粒子尺寸、折射率、取向以及形状特征的关系。结果表明,该实验装置可以较好地区分直径大于1.0μm的球形和长形粒子,可能不适合区分粒径小于0.5μm对应粒子的形状。  论文计算了若干种类气溶胶粒子的近前向散射强度图样,理论分析了实验装置的探测与识别能力,并对长形结晶核黄素颗粒的实验测量结果进行了分析,验证了实验装置具有很好的识别非球形颗粒的能力。计算分析表明,结合空气动力学粒径,近前向角分辨散射光强可以区分枯草芽孢杆菌、类鼻疽伯克氏菌等生物气溶胶颗粒的形态特征。
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