紫外恒角米氏散射檢測器在自由分子狀态下測定氣溶膠生長動力學的研究
本文探究更小的尺寸下測量氣溶膠生長動力學，實作過渡和自由分子狀态，利用一種基于紫外恒角米散射的儀器，該儀器利用絕熱膨脹引起過飽和并驅動氣溶膠生長，同時測量30°的散射光通量，然後與尺寸分辨Mie散射計算進行比較，提供氣溶膠生長測量。從UV獲得的生長曲線與來自紅色雷射的生長曲線相比對，能夠看到500 nm範圍内顆粒的紫外散射的第一個Mie峰。在類似條件下通過紅色雷射散射可以看到的最小顆粒，分辨率幾乎提高了兩倍。
氣溶膠的尺寸範圍很廣，可以分為不同的領域或制度，每個領域或制度都由不同的運輸過程主導。氣溶膠形成的第一步是成核，其中新的相，固體或液體，從氣相中出現。成核後，初期納米顆粒以動力學主導狀态生長，表示為自由分子狀态。對于尺寸範圍内與平均自由程相當的粒子，動力學和連續媒體效應都起作用，這就是為什麼這種狀态是所謂的過渡狀态，這種制度中的氣溶膠動力學是最難量化的。
氣溶膠動力學的測量需要具有足夠時間和空間分辨率的儀器來捕獲這種小而快速的過程。有關表征氣溶膠的可用儀器和技術的詳細讨論，絕大多數商用氣溶膠表征儀器都提供了氣溶膠特性的快照，尤其是數量濃度和大小。除了儀器固有采樣率之外，幾乎沒有獲得有關氣溶膠生長動力學的資訊。為了探究許多大氣和工業相關氣溶膠生長過程的機制，需要利用一種能夠在控制良好的系統中以亞毫秒分辨率更快地測量的儀器，而不會幹擾它，最好是恒角米氏散射法。
恒角米氏散射法是确定氣溶膠生長速率和數量濃度的一種強大而準确的方法。它被開發用于以亞毫秒分辨率測量單分散氣溶膠的絕對總數濃度和顆粒生長速率這種方法需要了解所用材料的折射率，這取決于入射光的波長。觀測到的全局極值對應于來自不斷增長的液滴的衍射圖案，而漣漪是由液滴内的共振現象引起的。這種散射光曲線是作為時間的函數通過實驗測量的。通過比較實驗測量和計算的Mie散射曲線，可以獲得生長曲線。
在這項工作中，使用紫外輻射測試CAMS方法，以便以毫秒時間分辨率檢測較小的顆粒。測量具有高時間分辨率的小顆粒很重要，因為品質和熱調節系數隻能在動力學狀态下測量。利用Mie散射通過CAMS方法測量氣溶膠生長速率的限制之一是由載氣開始吸收輻射的波長決定的。氦的這個極限約為60納米。開發具有足夠穩定性和可重複性的裝置和工藝，以提供數千次一緻的生長速率測量，以及成功使用波長為337 nm的紫外脈沖雷射器來重建氣溶膠生長曲線，紫外雷射生長曲線與紅色雷射生長曲線一緻。
進入UV SANC裝置的氣流通過自制的加濕器，該加濕器由兩個焊接在一起的同心不鏽鋼氣瓶組成，氣溶膠在内管中流動，冷卻液在外筒中流動。雷射器和光電探測器通過六個視窗連接配接到腔室，對于與紅色雷射器相關的端口，使用了三個硼矽酸鹽玻璃視窗，所使用的紫外雷射提供脈沖光而不是連續光。
對于每次測量，在擴充之前采集信号也需要建立背景電平。每個過飽和度的測量值被采集了700到2500次。然後，調整圖的x軸，使紅色散射信号始終在同一繪制時間開始，壓降位于時間0。由于散射信号在數百個周期中的微小變化，預計會出現這種平滑。但并不妨礙正确識别主峰。
除了紫外雷射之外，使用紅色雷射器的原因是，這種系統屬性使得全局極值和紋波模式識别随着波長的減小而變得越來越困難。如果信号中的峰值位于噪聲水準附近，就可以用作比對來自UV的相應Mie峰的參考，同時紫外雷射對生長曲線的任何意外影響都可以很容易地觀察到紅色雷射生長曲線的修改。由于這些原因，氣溶膠生長曲線測定是使用雙波長CAMS和兩種不同波長的相幹雷射器進行的。
紫外SANC中，在7000至200000的濃度範圍内測試了數量濃度對氣溶膠生長速率曲線的影響，在氣溶膠生長的初始階段，高達約1000nm液滴直徑的蒸汽消耗幾乎可以忽略不計。在氣溶膠生長的後期階段，對于數量濃度高的條件下，可用的水蒸氣量會更快地耗盡，進而減慢生長過程。另一方面，在數量濃度較低的情況下，氣溶膠可以在水蒸氣耗盡之前繼續生長到更大的尺寸。
結論
本文的研究獲得結果為真空紫外尺寸分析原子核計數器的發展鋪平了道路，可以提供關于自由分子和轉變狀态下的品質和熱容納系數。這兩個系數仍在争論中，隻能在由動力學狀态主導的氣溶膠生長條件下測量。為了在生長曲線的重建中使用脈沖源，使用微調的過程控制和高度可重複的系統進行計數至關重要。
參考文獻：
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