便携式多光程吸收池的设计及应用

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1、分类号：O439学校代码：10109密级：公开太原科技大学硕士学位论文（学术型）学位论文题目：便携式多光程吸收池的设计及应用英文题目：DesignandApplicationofPortableMultipassOpticalAbsorptionCell研究生姓名：吴飞龙导师姓名及职称：魏计林教授培养单位：应用科学学院学科专业：光学论文提交日期：2016年5月20日论文答辩日期：2016年6月5日答辩委员会主席：张宽收教授论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在导师指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中特别加以标注和

2、致谢的地方外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果。对本研究所做的任何贡献的个人或集体均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明产生的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：中文摘要中文摘要随着社会经济的快速发展，工厂排放的废气、汽车排放的尾气和燃煤发电等产生大量的可吸入颗粒物(PM10)。若空气中可吸入颗粒物的浓度超过一定值，不仅降低了大气的能见度，而且对人类的健康造成威胁。因此，对空气中可吸入颗粒物的测量有着重要的意义。目前测量颗粒物的方法有很多，如显微镜法、称重法和光散射法等，其中，光散射法因其响应范围大

3、、精度高和快速测量等优势，成为目前研究的一个热点。通常情况下，空气中可吸入颗粒物的浓度较低（小于0.35μg/L），因此散射效应引起的光强变化较小。本文基于各种多光程池的结构特点，提出一种便携的螺旋型多光程池以增加光与颗粒物相互作用的有效光程。该多光程池是由圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成，入射光束同时沿着池中的径向和轴向传播，形成有规律的螺旋形分布，实现入射光和出射光的分离，从而提高了光路的可调性。池中的反射次数与螺旋圈数成正比，可以根据实际需要选择合适的有效光程。而且池体结构简单，主体是一个圆筒，机械稳定性和抗震性优异。并介绍反

4、射光束在池中收敛的条件和此装置的旋光性。此外，本文根据Herriott型多光程池的结构，模拟计算光束在曲率半径为400mm两凹面镜之间的反射情况。最终选择基长为304.64mm，有效光程为15841.3mm的Herriott型多光程池。然后根据Herriott型多光程池的相关参数，加工了一款Herriott型便携式多光程吸收池的真空装置，用于测量PM10的浓度值。实验中采用三波长激光器，实现三种不同波长的光在Herriott池中与PM10发生Mie散射作用。通过探测器得到输出的强度与波长的依赖关系，结合Mie散射理论，利用Sau

5、ter的平均粒径法，把多分散系颗粒群等效成单分散系颗粒群，测量颗粒物的平均粒径D。并描述了Mie散射消32光系数的计算过程，最后由平均粒径D和消光系数K计算出空气中PM10的浓度值32ext和粒径分布情况。同时采用称重法测量出PM10浓度值与其作对比。结果表明，三波长Mie散射实验测量的PM10浓度与与称重法相接近。关键词：多光程池；螺旋型；便携式；消光法；可吸入颗粒物IABSTRACTABSTRACTWiththerapiddevelopmentofsocietyeconomic,emissionsfromfactories,

6、exhaustfrommotorvehiclesandcoal-firedpowergenerationetc.producealargenumberofinhalableparticles(PM10).Whentheconcentrationofinhalableparticles(PM10)intheairexceedstheairpollutionindex,itnotonlyreducesthevisibilityoftheatmosphere,butalsothreatsthehealthofhuman.Therefo

7、re,itisimportantsignificancetomonitortheconcentrationofparticulatematterintheair.Therearemanykindsofmethodsdetectingtheconcentrationofparticlemattersatpresent,suchasmicroscopemethod,weighingmethod,lightscatteringmethodetc.Amongthem,lightscatteringmethodhasbecomeahotr

8、esearchtopicbecauseofitswiderangeofresponse,highprecisionandfastmeasurement.Usually,theconcentrationofinhalableparticlesintheairiss