紫外恒角米氏散射检测器在自由分子状态下测定气溶胶生长动力学的研究
本文探究更小的尺寸下测量气溶胶生长动力学，实现过渡和自由分子状态，利用一种基于紫外恒角米散射的仪器，该仪器利用绝热膨胀引起过饱和并驱动气溶胶生长，同时测量30°的散射光通量，然后与尺寸分辨Mie散射计算进行比较，提供气溶胶生长测量。从UV获得的生长曲线与来自红色激光的生长曲线相匹配，能够看到500 nm范围内颗粒的紫外散射的第一个Mie峰。在类似条件下通过红色激光散射可以看到的最小颗粒，分辨率几乎提高了两倍。
气溶胶的尺寸范围很广，可以分为不同的领域或制度，每个领域或制度都由不同的运输过程主导。气溶胶形成的第一步是成核，其中新的相，固体或液体，从气相中出现。成核后，初期纳米颗粒以动力学主导状态生长，表示为自由分子状态。对于尺寸范围内与平均自由程相当的粒子，动力学和连续介质效应都起作用，这就是为什么这种状态是所谓的过渡状态，这种制度中的气溶胶动力学是最难量化的。
气溶胶动力学的测量需要具有足够时间和空间分辨率的仪器来捕获这种小而快速的过程。有关表征气溶胶的可用仪器和技术的详细讨论，绝大多数商用气溶胶表征仪器都提供了气溶胶特性的快照，尤其是数量浓度和大小。除了仪器固有采样率之外，几乎没有获得有关气溶胶生长动力学的信息。为了探究许多大气和工业相关气溶胶生长过程的机制，需要利用一种能够在控制良好的系统中以亚毫秒分辨率更快地测量的仪器，而不会干扰它，最好是恒角米氏散射法。
恒角米氏散射法是确定气溶胶生长速率和数量浓度的一种强大而准确的方法。它被开发用于以亚毫秒分辨率测量单分散气溶胶的绝对总数浓度和颗粒生长速率这种方法需要了解所用材料的折射率，这取决于入射光的波长。观测到的全局极值对应于来自不断增长的液滴的衍射图案，而涟漪是由液滴内的共振现象引起的。这种散射光曲线是作为时间的函数通过实验测量的。通过比较实验测量和计算的Mie散射曲线，可以获得生长曲线。
在这项工作中，使用紫外辐射测试CAMS方法，以便以毫秒时间分辨率检测较小的颗粒。测量具有高时间分辨率的小颗粒很重要，因为质量和热调节系数只能在动力学状态下测量。利用Mie散射通过CAMS方法测量气溶胶生长速率的限制之一是由载气开始吸收辐射的波长决定的。氦的这个极限约为60纳米。开发具有足够稳定性和可重复性的装置和工艺，以提供数千次一致的生长速率测量，以及成功使用波长为337 nm的紫外脉冲激光器来重建气溶胶生长曲线，紫外激光生长曲线与红色激光生长曲线一致。
进入UV SANC装置的气流通过自制的加湿器，该加湿器由两个焊接在一起的同心不锈钢气瓶组成，气溶胶在内管中流动，冷却液在外筒中流动。激光器和光电探测器通过六个窗口连接到腔室，对于与红色激光器相关的端口，使用了三个硼硅酸盐玻璃窗口，所使用的紫外激光提供脉冲光而不是连续光。
对于每次测量，在扩展之前采集信号也需要建立背景电平。每个过饱和度的测量值被采集了700到2500次。然后，调整图的x轴，使红色散射信号始终在同一绘制时间开始，压降位于时间0。由于散射信号在数百个周期中的微小变化，预计会出现这种平滑。但并不妨碍正确识别主峰。
除了紫外激光之外，使用红色激光器的原因是，这种系统属性使得全局极值和纹波模式识别随着波长的减小而变得越来越困难。如果信号中的峰值位于噪声水平附近，就可以用作匹配来自UV的相应Mie峰的参考，同时紫外激光对生长曲线的任何意外影响都可以很容易地观察到红色激光生长曲线的修改。由于这些原因，气溶胶生长曲线测定是使用双波长CAMS和两种不同波长的相干激光器进行的。
紫外SANC中，在7000至200000的浓度范围内测试了数量浓度对气溶胶生长速率曲线的影响，在气溶胶生长的初始阶段，高达约1000nm液滴直径的蒸汽消耗几乎可以忽略不计。在气溶胶生长的后期阶段，对于数量浓度高的条件下，可用的水蒸气量会更快地耗尽，从而减慢生长过程。另一方面，在数量浓度较低的情况下，气溶胶可以在水蒸气耗尽之前继续生长到更大的尺寸。
结论
本文的研究获得结果为真空紫外尺寸分析原子核计数器的发展铺平了道路，可以提供关于自由分子和转变状态下的质量和热容纳系数。这两个系数仍在争论中，只能在由动力学状态主导的气溶胶生长条件下测量。为了在生长曲线的重建中使用脉冲源，使用微调的过程控制和高度可重复的系统进行计数至关重要。
参考文献：
坎特雷尔，《矿物尘埃在接触模式下对冰成核的测量》
克莱门特，《蒸汽-气体混合物中的传热和传质形成气溶胶》
考克斯，《耦合气候模型中碳循环反馈加速全球变暖》
克雷格，《小颗粒对光的吸收和散射》
