(57)【要約】  本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器は、光路装置、検測装置及び気体回路装置を備え、光路装置が三つの異なる波長のレーザーを提供して順番通り検測装置に入り、検測装置にマルチアングル光電検出器を設けて測定を行って、エアロゾル散乱システムの測定誤差を削減し、気体回路装置は、試料注入ユニット、較正ユニット及び試料搬出ユニットを備え、光路装置から発生した光源と気体回路装置から発生した気流が検測装置の光音響セルにそれぞれ入って、制御ユニットにより検測される。本発明に係るエアロゾル散乱吸収測定器は、エアロゾル粒子の散乱位相関数と吸収係数をマルチチャンネル、マルチアングル、全体的に直接測定する特徴を備え、エアロゾルの散乱係数、吸光係数、可視度、透過率、単一散乱アルベドなどの光学パラメータを同期的に獲得する機能も備えて、エアロゾル各光学パラメータの一体化オンライン検測を実現し、自動化レベルが高く、安定性が優れている。【選択図】図１
2016526172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路装置、検測装置及び気体回路装置を備え、前記光路装置は光源提供に用いられ、前記検測装置は制御ユニットと検測ユニットを備え、前記検測ユニットは光音響セル、第一ロングレンジ多重反射鏡、第二ロングレンジ多重反射鏡、4〜10個の光電検出器、温度圧力湿度センサー及び音声コンバータを備え、その中の前記第一ロングレンジ多重反射鏡と第二ロングレンジ多重反射鏡がそれぞれ光音響セルの両端に位置し、前記光電検出器の中の一つの光電検出器が検測装置の外部に設けられて検測ユニットから発射された光源の光強度の検測に用いられ、その他の光電検出器は光音響セルの内表面に設けられて異なる角度のエアロゾルの散乱強度の検測に用いられ、前記温度圧力湿度センサーと音声コンバータはそれぞれ前記光音響セルの内表面に設けられ、前記音声コンバータは光音響セルの中間位置に設けられて光音響セルの長軸と垂直となり、前記光電検出器、温度圧力湿度センサーと音声コンバータがそれぞれ前記制御ユニットと連結され、前記気体回路装置は試料注入ユニット、較正ユニット及び試料搬出ユニットを備え、前記試料注入ユニットと試料搬出ユニットは前記光音響セルの両端とそれぞれ通じており、光路装置から発生した光源と気体回路装置から出た気流がそれぞれ検測装置の光音響セルに入り、制御ユニットが検測を行う、
ことを特徴とするマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項２】
前記光路装置は順番通り連結されたレーザー発射ユニットとレーザー変調ユニットを備え、前記レーザー発射ユニットはレーザー発生装置とレーザーコントローラを備え、前記レーザー発射ユニットは基本周波数波長1064nmのレーザーを発射し、前記レーザー変調ユニットは順番通り連結された周波数倍増ユニット、周波数分離ユニット及び光結合ユニットを備え、前記レーザー変調ユニットが波長1064nmの基本周波数レーザーを波長1064nm、532nm及び355nmのレーザーにそれぞれ変調する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項３】
前記周波数倍増ユニットは順番通り設けられたチョッパー、第一レンズ、第一THG LBO結晶、第二レンズ及び第二THG LBO結晶を備え、レーザー発射ユニットから発生した波長1064nmのレーザーがチョッパーを経過して変調した後、第一レンズと第一THG LBO結晶を順番通り経過して波長1064nm及び532nmのレーザーになり、前記1064nm及び532nmのレーザーが第二レンズと第二THG LBO結晶を順番通り経過して波長1064nm、532nm及び355nmレーザーになる、
ことを特徴とする請求項２に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項４】
前記周波数分離ユニットは第三レンズ、第四レンズ、第五レンズ、第一分光器、第二分光器、第一光チョッパー、第二光チョッパー及び第三光チョッパーを備え、周波数倍増ユニットから発生したレーザーが第三レンズと第一分光器を順番通り経過して第一ビームと第二ビームに分離され、第一ビームが第一光チョッパーを経過して波長355nmのレーザーになり、第二ビームが第四レンズと第二分光器を経過してレーザーを第三ビームと第四ビームに分離し、前記第三ビームが第二光チョッパーを経過して波長532nmのレーザーになり、第四ビームが第五レンズと第三光チョッパーを経過して波長1064nmのレーザーになる、
ことを特徴とする請求項２に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項５】
前記光結合ユニットは第六レンズ、第七レンズ、第八レンズ、第九レンズ、第十レンズ、第十一レンズ、第十二レンズ、第十三レンズ、第一折りたたみミラー、第二折りたたみミラー、第三折りたたみミラー、光結合器及び光コリメータを備え、光路装置から発生した波長355nmのレーザーが第六レンズ、第一折りたたみミラー及び第七レンズを順番通り経過して光結合器に入り、光路装置から発生した波長532nmのレーザーが第八レンズ、第二折りたたみミラー及び第九レンズを順番通り経過して光結合器に入り、光路装置から発生した波長1064nmのレーザーが第十レンズ、第三折りたたみミラー、第十一レンズを順番通り経過して光結合器に入り、三つの異なる波長のレーザーが順番通り光結合器に入り、その後、第十二レンズを経過して順番通り光コリメータに入り、最後に第十三レンズを経過して検測装置に入る、
ことを特徴とする請求項２に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項６】
光音響セル表面に位置した光電検出器は5個あり、それぞれ第一光電検出器、第二光電検出器、第三光電検出器、第四光電検出器及び第五光電検出器であり、第一光電検出器の探知角度は3°と177°であり、第二光電検出器の探知角度は33°と147°であり、第三光電検出器の探知角度は90°であり、第四光電検出器の探知角度は1°から179°までであり、第五光電検出器の探知角度は55°と125°であり、光電検出器5個が探知角度に従って光音響セルの内表面に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項７】
前記試料注入ユニットは、順番通り連結されたエアロゾル切断ヘッド、流量計、三方弁及び質量流量計を備え、前記エアロゾル注入気流は、まずエアロゾル切断ヘッドと流量計を経過した後、三方弁及び質量流量計を経過して検測装置に入り、前記三方弁と前記質量流量計の間には温度圧力湿度センサーが設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項８】
前記較正ユニットは、ゼロエアジェネレーター、第一標準気体源及び第二標準気体源を備え、ゼロエアジェネレーターから発生したゼロエア、第一標準気体源から発生した第一標準気体及び第二標準気体源から発生した第二標準気体がそれぞれ質量流量計を経過した後、検測ユニットに入る、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項９】
前記試料搬出ユニットは、順番通り連結された質量流量計、流量計及びポンプを備え、検測ユニットを経過した気流が質量流量計及び流量計を順番通り経過した後、ポンプのドラッグ作用の下で検測ユニットに排出され、前記質量流量計と流量計の間には温度圧力湿度センサーが設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項１０】
前記マルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器に温度制御ユニットを設け、前記温度制御ユニットは、二重ステンレス鋼ボックス、半導体冷却器、熱交換ファンと温度圧力湿度センサーを備え、前記二重ステンレス鋼ボックスが前記検測装置の外面に覆設され、前記半導体冷却器、熱交換ファン及び温度圧力湿度センサーが前記二重ステンレス鋼ボックスの表面に設けられ、前記二重ステンレス鋼ボックスの一側に窓を設けて、光路装置から発生した光源を前記検測装置に入らせ、前記温度圧力湿度センサーにより検測されたデータが制御装置に伝送され、制御装置が伝送されたデータに基づいて半導体冷却器と熱交換ファンの稼働可能性を決めて、二重ステンレス鋼ボックス内温度を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【請求項１１】
前記マルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器には、吸気防音装置と排気防音装置が設けられ、前記吸気防音装置は順番通り連結された第一緩衝装置、第一音声濾波器及び第二緩衝装置を備え、前記第一緩衝装置は試料注入ユニットの出口に設けられて第一受信器と連結され、前記第二緩衝装置が前記光音響セルの一端を構成し、前記排気防音装置は、一回連結の第三緩衝装置、第二音声濾波器と第四緩衝装置を備え、前記第三緩衝装置は試料搬出ユニットの入口に設けられて第二受信器と連結され、前記第四緩衝装置が前記光音響セルの他の一端を構成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気エアロゾル吸収係数測定装置などのマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大気エアロゾルとは、気体及び重力場で一定の安定性のある沈降速度の小さい粒子から構成された混合システムであり、大気中に浮遊している直径0.001〜100μmの液体や固体微粒子システムも指し、構成が複雑で危害性が大きい大気環境中の汚染物である。大気エネルギーバランスの角度から見ると、エアロゾルは、紫外線、可視光線から赤外線に至るまでの広い周波数帯域内で放射伝送に影響を及ぼす。エアロゾル光学効果により所属大気圏が加熱され、地表に到達する太陽放射を削減して、地面蒸発に影響を及ぼし、水循環も変化させるが、これはエアロゾルの直接的効果である。また、エアロゾルは雲凝結核の役割も果たし、大量のエアロゾル顆粒により雲粒の数密度が増加する可能性があるので、雲粒の平均半径が小さくなり、降水が減少し、雲量が削減して、雲の放射特性に影響するが、これはエアロゾルの間接的効果である。これらの状況は、地表-大気システムのエネルギーバランスを変化させ、人類の生存する気候環境条件にも影響を及ぼす。そのため、エアロゾルの直接的効果と間接的効果に対する研究は、大気科学中の基礎科学問題に属する。
【０００３】
現在、我が国では、大気探測分野のエアロゾル散乱位相関数と光吸収など光学パラメータの一般的な観測をまだ行っておらず、エアロゾルの散乱及び吸収特性に対する学界の科学観測もまだ不完全であり、エアロゾル各光学特性（エアロゾル散乱係数、吸収係数、散乱位相関数、吸光係数、透過率、可視度、単一散乱アルベド）の測定に対して、同期一体化獲得を実現しておらず、エアロゾル散乱位相関数と単一散乱アルベドの直接測定科学機器が不足している。現在のチャンバリングダウン分光法でエアロゾル散乱係数と吸収係数を測定する方法では、吸光係数と散乱係数の測定を通じて、エアロゾル吸収係数を確定するが、この方法は、エアロゾル吸収係数を測定する間接的方法であり、当該方法ではエアロゾル散乱位相関数の直接測定結果を提供できない。また、現在の散乱係数測定は、近軸の小さな角度付近の光散乱強度の直接測定結果（例えば、積分型比濁計）が欠落しており、近軸前後から発生する散乱に対する測定が欠落しているので、エアロゾル散乱係数の測定に大きな誤差が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の問題に対して、本発明では、従来技術の前記欠陥を克服したマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器を提供して、異なる環境でマルチチャンネル・エアロゾルの散乱係数と吸収係数を同期的に獲得できるようにし、散乱位相関数、吸光係数、可視度、透過率、単一散乱アルベドなどエアロゾル光学パラメータのリアルタイム・オンライン一体化測定を行い、自動化レベルの向上、安定性向上の実現をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器は、光路装置、検測装置及び気体回路装置を備え、前記光路装置を光源提供に用い、前記検測装置は制御ユニットと検測ユニットを備え、前記検測ユニットは光音響セル、第一ロングレンジ多重反射鏡、第二ロングレンジ多重反射鏡、6個の光電検出器、温度圧力湿度センサー及び音声コンバータを備え、その中の前記第一ロングレンジ多重反射鏡と第二ロングレンジ多重反射鏡がそれぞれ光音響セルの両端に位置し、第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の反射原理は、Herriott型マルチパスセルと同じであり、反射を通じて二つのロングレンジ多重反射鏡の間で光路が空心円柱型光柱を形成して、二つのロングレンジ多重反射鏡の間で一つの空洞を形成し、前記光音響セルが二つの前記ロングレンジ多重反射鏡に覆設されて検測チャンバを形成し、前記光電検出器の中の一つが検測装置外部に設けられて検測ユニットから発射された光源の強度を検測し、他の光電検出器が光音響セルの表面に設けられて異なる角度のエアロゾルの散乱強度の検測に用いられ、前記温度圧力湿度センサーと音声コンバータが前記光音響セルの内表面にそれぞれ設けられ、前記音声コンバータが前記光音響セルの中間位置に設けられて、光音響セルの長軸と垂直となり、前記光電検出器、温度圧力湿度センサーと音声コンバータがそれぞれ前記制御ユニットと連結され、前記気体回路装置は試料注入ユニット、較正ユニット及び試料搬出ユニットを備え、その中で、前記試料注入ユニットと試料搬出ユニットは前記光音響セルの両端とそれぞれ通じており、光路装置から発生した光源と気体回路装置から出た気流がそれぞれ検測装置の光音響セルに入り、制御ユニットが検測を行う。光音響セル検測原理は、光がエアロゾル粒子を照らすと、粒子が光エネルギーを吸収して音圧が発生し、光と音声の間の相互転換が形成することである。光音響分光法ではサンプルが光エネルギーを吸収することにより発生した音圧の大きさを測定するため、反射光、散乱光などによる測定に対する干渉が少なく、第一ロングレンジ多重反射鏡と第二ロングレンジ多重反射鏡を光音響セルの中に内蔵したため、音声コンバータの検出信号を大幅に強化でき、通過率の測定を簡単に実現し、音声コンバータ、即ち、マイクがエアロゾル吸収係数を直接測定する検出センサーになる。その中で、前記温度圧力湿度センサーは、温度、圧力及び湿度の測定を集大成したセンサーであり、個別の温度センサー、圧力センサー及び湿度センサーでこの温度圧力湿度センサーに取って代わってもよい。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態として、前記光路装置は順番通り連結されたレーザー発射ユニットとレーザー変調ユニットを備え、前記レーザー発射ユニットはレーザー発生装置とレーザーコントローラを備え、前記レーザー発射ユニットは基本周波数波長1064nmのレーザーを発射し、前記レーザー変調ユニットは順番通り連結された周波数倍増ユニット、周波数分離ユニット及び光結合ユニットを備え、前記レーザー変調ユニットが波長1064nmの基本周波数レーザーを波長1064nm、532nm及び355nmのレーザーにそれぞれ変調し、順番通り検測装置に入る。上記の三つの波長のレーザーは、大気エアロゾル測定に現在頻繁に使用される一般基板と衛星搭載ライダーの波長であり、近赤外線周波数帯域1064nm、可視光線周波数帯域532nm及び紫外線周波数帯域355nmに跨り、この三つの波長を選択すると、後期の大気検測の際に更に幅広く応用することができる。また、本発明の光路装置により提供される光源も複数の単波長レーザー発生装置から提供することができ、例えば、3台の単波長レーザー発生装置を利用して波長870nm、405nm及び781nmのレーザーを提供することができるし、必要に応じて、単波長のレーザー発生装置を選択することもでき、1064nmの基本周波数波長のみ測定する場合は、周波数分離と周波数倍増を行う必要がなく、1064nm波長におけるエアロゾル光学特性のみ測定する。本発明の好ましい実施形態では、周波数倍増結晶を用いて波長1064nmのレーザーを1064nm、532nm及び355nmのレーザーに分離して、マルチチャンネル測定の目的を実現する。
【０００７】
その中で、前記レーザー変調ユニットは、順番通り連結された周波数倍増ユニット、周波数分離ユニット及び光結合ユニットを備える。
【０００８】
前記周波数倍増ユニットは順番通り設けられたチョッパー、第一レンズ、第一THG LBO結晶、第二レンズ及び第二THG LBO結晶を備え、その中で、レーザー発射ユニットから発生した波長1064nmのレーザーがチョッパーを経過して変調した後、第一レンズと第一THG LBO結晶を順番通り経過して波長1064nm及び532nmのレーザーになり、前記1064nm及び532nmのレーザーが第二レンズと第二THG LBO結晶を順番通り経過して波長1064nm、532nm及び355nmレーザーになる。ここで使用するTHG LBO結晶は、周波数三倍増結晶LiB3O5であり、これによって基本周波数レーザー発生装置から波長1064nmのレーザーを出力して1064、532及び355nmの三つの波長を得ることができ、広い透光周波数帯域、高い損傷閾値及び大きな受光角を有し、THG LBO結晶表面には反射防止膜（ARコート）が施されている。
【０００９】
前記周波数分離ユニットは第三レンズ、第四レンズ、第五レンズ、第一分光器、第二分光器、第一光チョッパー、第二光チョッパー及び第三光チョッパーを備え、周波数倍増ユニットから発生したレーザーが第三レンズと第一分光器を順番通り経過して第一ビームと第二ビームに分離され、その中で、第一ビームが第一光チョッパーを経過して波長355nmのレーザーになり、第二ビームが第四レンズと第二分光器を経過してレーザーを第三ビームと第四ビームに分離し、その中で、前記第三ビームが第二光チョッパーを経過して波長532nmのレーザーになり、第四ビームが第五レンズと第三光チョッパーを経過して波長1064nmのレーザーになる。
【００１０】
前記光結合ユニットは第六レンズ、第七レンズ、第八レンズ、第九レンズ、第十レンズ、第十一レンズ、第十二レンズ、第十三レンズ、第一折りたたみミラー、第二折りたたみミラー、第三折りたたみミラー、光結合器及び光コリメータを備え、その中で、光路装置から発生した波長355nmのレーザーが第六レンズ、第一折りたたみミラー及び第七レンズを順番通り経過して光結合器に入り、光路装置から発生した波長532nmのレーザーが第八レンズ、第二折りたたみミラー及び第九レンズを順番通り経過して光結合器に入り、光路装置から発生した波長1064nmのレーザーが第十レンズ、第三折りたたみミラー、第十一レンズを順番通り経過して光結合器に入り、三つの異なる波長のレーザーが順番通り光結合器に入り、その後、第十二レンズを経過して順番通り光コリメータに入り、最後に第十三レンズを経過して検測装置に入る。本発明の好ましい実施形態として、光音響セル表面に位置した光電検出器は5個あり、それぞれ第一光電検出器、第二光電検出器、第三光電検出器、第四光電検出器及び第五光電検出器であり、その中で、第一光電検出器の探知角度は3°と177°であり、第二光電検出器の探知角度は33°と147°であり、第三光電検出器の探知角度は90°であり、第四光電検出器の探知角度は1°から179°までであり、第五光電検出器の探知角度は55°と125°であり、光電検出器5個が探知角度に従って光音響セルの内表面に取り付けられている。エアロゾル散乱位相関数を正確に測定するため、最小4個の光電検出器を取り付け、スペースが足りる場合は検出器を適当に増加することができるが、多ければ多いほど良いと言う意味ではなく、検出器が多すぎると検測チャンバの固有振動数を変える可能性があるので、逆効果が発生しがちで、4-10個ぐらいにするのが望ましい。
【００１１】
前記試料注入ユニットは、順番通り連結されたエアロゾル切断ヘッド、流量計、三方弁及び質量流量計を備え、前記エアロゾル注入気流は、まずエアロゾル切断ヘッドと流量計を経過した後、三方弁及び質量流量計を経過して検測装置に入り、その中で、前記三方弁と前記質量流量計の間には温度圧力湿度センサーが設けられている。
【００１２】
前記較正ユニットは、ゼロエアジェネレーター、第一標準気体源及び第二標準気体源を備え、その中で、ゼロエアジェネレーターから発生したゼロエア、第一標準気体源から発生した第一標準気体及び第二標準気体源から発生した第二標準気体がそれぞれ質量流量計を経過した後、検測ユニットに入る。
【００１３】
前記試料搬出ユニットは、順番通り連結された質量流量計、流量計及びポンプを備え、検測ユニットを経過した気流が質量流量計及び流量計を順番通り経過した後、ポンプのドラッグ作用の下で検測ユニットに排出され、その中で、前記質量流量計と流量計の間には温度圧力湿度センサーが設けられている。
【００１４】
前記マルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器に温度制御ユニットを設け、前記温度制御ユニットは、二重ステンレス鋼ボックス、半導体冷却器、熱交換ファンと温度圧力湿度センサーを備え、その中で、前記二重ステンレス鋼ボックスが前記検測装置の外面に覆設され、前記半導体冷却器、熱交換ファン及び温度圧力湿度センサーが前記二重ステンレス鋼ボックスの表面に設けられ、前記二重ステンレス鋼ボックスの一側に窓を設けて、光路装置から発生した光源を前記検測装置に入らせ、前記温度圧力湿度センサーにより検測されたデータが制御装置に伝送され、制御装置が伝送されたデータに基づいて半導体冷却器と熱交換ファンの稼働可能性を決めて、二重ステンレス鋼ボックス内温度を制御する。
【００１５】
前記マルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器には、吸気防音装置と排気防音装置が設けられ、その中で、前記吸気防音装置は順番通り連結された第一緩衝装置、第一音声濾波器及び第二緩衝装置を備え、その中で、前記第一緩衝装置は試料注入ユニットの出口に設けられて第一受信器と連結され、前記第二緩衝装置が前記光音響セルの一端を構成し、前記排気防音装置は、一回連結の第三緩衝装置、第二音声濾波器と第四緩衝装置を備え、その中で、前記第三緩衝装置は試料搬出ユニットの入口に設けられて第二受信器と連結され、前記第四緩衝装置が前記光音響セルの他の一端を構成する。
【００１６】
本発明で各レンズを取り付る目的は、レーザーが結晶や光路を経過して次段階に到達する度に、波長分散を消去し、光路が集束型で次段階に入るように保証するためであり、より良い効果を実現するため、各レンズにARコートを施して、その透過率を99.9％以上に達成させる。レンズ材質はプラスチックレンズやガラスレンズを使用することができるが、コストを削減したければプラスチックレンズを使用する方がよい。機器設置に関するスペース上の要件を満たすため、システムに全反射鏡とレンズを設けて光路の伝播方向を変更することができる。
【発明の効果】
【００１７】
既存技術と比べて、本発明のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器は、エアロゾルの散乱位相関数と吸収係数を直接測定できる他、エアロゾル散乱位相関数と吸収係数をマルチチャンネル（3つの波長）、マルチアングル及び全体的に（0.001〜100μm）測定できる光音響分光法同期オンライン直接測定器を実現して、エアロゾル粒子散乱空間の強度分布を全面的にカバーし、エアロゾル散乱位相関数と吸収係数を正確に獲得した上で、エアロゾル散乱係数、吸光係数、透過率、可視度、単一散乱アルベドを獲得して、エアロゾル各光学特性の同期一体化獲得を実現した。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器の構造を示す図である。
【図２】光電検出器の取付位置と局部方法を示す図である。
【図３】散乱位相関数と吸収検測チャンバを示す図、及び音圧強度の分布を示す図である。
【図４】本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器が波長532nmで発生した異なる有効半径のエアロゾル粒子散乱位相関数の分布を示す図であり、図4（a）、（b）、（c）及び（d）は、それぞれ、エアロゾル粒子の有効半径0.18 um、0.44 um、0.60 um及び0.74 umのエアロゾル粒子散乱位相関数を示す図である。
【図５】本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器の波長355nm、532nm及び1064nmの三つのチャンネルにおけるエアロゾル散乱係数が相対湿度に従って変化することを示す図である。
【図６】本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器の波長355nm、532nm及び1064nmの三つのチャンネルにおけるエアロゾル吸収係数が相対湿度に従って変化することを示す図である。
【図７】本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器の波長355nm、532nm及び1064nmの三つのチャンネルにおけるエアロゾル単一散乱アルベドが相対湿度に従って変化することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の実施例に基づいて、本発明をより良く理解できる。但し、実施例で説明した内容は本発明を説明する場合のみに限定されており、特許請求の範囲内の本発明の詳しい説明を制限せず（及び制限してはならない）、本分野の技術者はこの点を十分理解している。
【００２０】
本発明のマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器は、主に光路装置A、検測装置B、気体回路装置C、温度制御ユニット、吸気防音装置及び排気防音装置を備える。
【００２１】
光路装置は、順番通り連結されたレーザー発射ユニットとレーザー変調ユニットを備える。その中で、図1に示すように、レーザー発射ユニットは、順番通り連結された電源1、切替スイッチ2、スタビライザ3、切替スイッチ4、レーザーコントローラ5及びレーザー発生装置6を備え、切替スイッチ2をONにしたら、スタビライザ3に電源を供給し、切替スイッチ4をONにしたら、レーザーコントローラ5を通じてレーザー発生装置6を制御し、基本周波数波長1064nmのレーザーを出力する。スタビライザ3がレーザー発生装置に給電される電圧安定性を保証する。
【００２２】
レーザー変調ユニットは、順番通り連結された周波数倍増ユニット、周波数分離ユニット及び光結合ユニットを備え、その中で、周波数倍増ユニットは、順番通り設けられたチョッパー91、第一レンズ7、第一THG LBO結晶8、第二レンズ9及び第二THG LBO結晶10を備える。ここで使用するTHG LBO結晶は、周波数三倍増結晶LiB3O5であり、これによって基本周波数レーザー発生装置から波長1064nmのレーザーを出力して1064、532及び355nmの三つの波長を得ることができ、広い透光周波数帯域、高い損傷閾値及び大きな受光角を有し、THG LBO結晶表面には反射防止膜（ARコート）が施されている。その中で、レーザー発射ユニットから発生した波長1064 nmの基本周波数レーザーがチョッパー91を経過して周波数を変調した後、高周波数1500Hzになり、要件通り安定された基本周波数波長1064nmのレーザーを出力した後、第一レンズ7と第一THG LBO結晶8を順番通り経過して波長1064nm及び532nmにレーザーに変化され、1064nm及び532nmのレーザーが第二レンズ9及び第二THG LBO結晶10を順番通り経過して波長1064nm、532nm及び355nmのレーザーになる。周波数倍増ユニットと周波数分離ユニットの間に一つの第十四レンズ11と第一全反射鏡12を儲けて、レーザーがTHG LBO結晶を経過する度、又は、光路が転換して次段階に到達する度に、波長分散を消去し、光路ができるだけ集束型で次段階に入るように保証し、全反射鏡はシステム光路の方向転換に用いる。
【００２３】
周波数分離ユニットは、第三レンズ13、第四レンズ15、第五レンズ17、第一分光器14、第二分光器16、第一光チョッパー19、第二光チョッパー20及び第三光チョッパー21を備え、周波数倍増ユニットから発生したレーザーが第三レンズ13及び第一分光器14を順番通り経過してレーザーを第一ビームと第二ビームに分離し、その中で、第一ビームが第一光チョッパー19を経過して波長355nmのレーザーになり、第二ビームが第四レンズ15及び第二分光器16を順番通り経過してレーザーを第三ビームと第四ビームに分離し、その中で、前記第三ビームが第二光チョッパー20を経過して波長532nmのレーザーになり、第四ビームが第五レンズ17及び第三光チョッパー21を順番通り経過して波長1064nmのレーザーになり、第五レンズ17と第三光チョッパー21の中間に一つの第二全反射鏡18を設けて、光路方向の転換に用い、機器の放置を便利にさせる。周波数分離の目的は、各チャンネルのレーザー波長を制御するためであり、チョッパー91を利用して変調周波数が光音響セルと共振できる測定要件を満たすように保証し、音声コンバータ69で測定したエアロゾル吸収係数の結果を満たし、三つのレーザーの光音響信号の測定が互いに干渉を受けないように保証する。また、三つのレーザー波長を分離して、散乱光電検測と透過率検測を個別的に行うようにして、各レーザーのエアロゾル散乱信号と透過率信号を獲得する。
【００２４】
光結合ユニットは、第六レンズ25、第七レンズ31、第八レンズ26、第九レンズ32、第十レンズ27、第十一レンズ33、第十二レンズ39、第十三レンズ41、第一折りたたみミラー28、第二折りたたみミラー29、第三折りたたみミラー30、光結合器36及び光コリメータ40を備え、その中で、光路装置から発生した波長355nmのレーザーが第六レンズ25、第一折りたたみミラー28及び第七レンズ31を順番通り経過して光結合器36に入り、その中で、第七レンズ31と光結合器36の間に第三全反射鏡34及び第十五レンズ35を設けることを通じて光路方向を変化させ、ビームを集中させて光結合器36に入れる。光路装置から発生した波長532nmのレーザーが第八レンズ26、第二折りたたみミラー29及び第九レンズ32を順番通り経過して光結合器36に入り、光路装置から発生した波長1064nmのレーザーが第十レンズ27、第三折りたたみミラー30、第十一レンズ33を順番通り経過して光結合器36に入り、第十一レンズ33と光結合器36の間にも同じく第四全反射鏡38及びレンズ37を設け、その中で、レンズ37は第二チャンネルレーザーを経過して第三チャンネルレーザーを全部反射することができ、その目的は、第三チャンネルレーザーの方向を変更させて、第二チャンネルレーザーと同軸になるようにし、第四全反射鏡38及びレンズ37の設けることを通じて光路方向を変更し、ビームを集中させて光結合器36に入れるためであり、三つの異なる波長のレーザーが順番通り光結合器36に入った後、順番通り第十二レンズ39を経過して光コリメータ40に入り、最後に第十三レンズ41及び一つの第五全反射鏡42を経過して検測装置に入る。光結合ユニットを採用した理由は、三つのレーザーを順番通り同軸により測定システムに入れるためであり、三つのレーザーの変調周波数は、第一ステッピングモーター22、第二ステッピングモーター23及び第三ステッピングモーター24を利用して第一光チョッパー19、第二光チョッパー21及び第三光チョッパー20をそれぞれ制御し、三つのレーザーに対して間欠段階的遮断を行い、毎回一つのレーザーを散乱位相関数及び吸収係数の検測チャンバに入れる。また、光電検出器と光音響セルが毎回一つの波長のエアロゾル散乱位相関数及び吸収信号のみ測定できないようにして、エアロゾルの各光学パラメータを獲得する。
【００２５】
本発明で各レンズを取り付る目的は、レーザーが結晶や光路を経過して次段階に到達する度に、波長分散を消去し、光路が集束型で次段階に入るように保証するためであり、より良い効果を実現するため、各レンズにARコートを施して、その透過率を99.9％以上に達成させる。レンズ材質はプラスチックレンズやガラスレンズを使用することができるが、コストを削減したければプラスチックレンズを使用する方がよい。
【００２６】
検測装置は、制御ユニット及び検測ユニットを備え、その中で、検測ユニットは、光音響セル、第一ロングレンジ多重反射鏡71、第二ロングレンジ多重反射鏡61、第一温度圧力湿度センサー68、音声コンバータ69及び第一光電検出器62、第二光電検出器64、第三光電検出器65、第四光電検出器66、第五光電検出器67及び第六光電検出器73を備え、その中で、第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61は光音響セルの両端にそれぞれ位置しており、第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の反射原理は、Herriott型マルチパスセルと同じであり、反射を通じて二つのロングレンジ多重反射鏡の間で光路が空心円柱型光柱を形成して、二つのロングレンジ多重反射鏡の間で一つの空洞を形成し、光音響セルが二つのロングレンジ多重反射鏡に覆設されて検測チャンバを形成し、その中で、第六光電検出器73は検測ユニットの光源発射口に設けられて外側の光源発射方向と対応しながら制御ユニット88と連結され、その他光電検出器は光音響セルの表面に設けられて（図2の示すように）3°と177°、33°と147°、90°、1°から179°まで及び55°と125°の測定に用い、図の中の黒色のブロック部分が検出器の検出面であり、一方向のエアロゾル散乱光のみ光電検出器に入るため、測定角度1°から179°までの光電検出器66の他、その他光電検出器が取り付けられた光入射部分に遮断作用のある複数の光制限セパレータ93を設け、セパレータの中間に穴をつけると、一方向のエアロゾル散乱光のみが入射する。その中で、測定角度3°と177°の第一光電検出器62は、第二ロングレンジ多重反射鏡61の軸端点に設けられ、測定角度33°と147°の第二光電検出器64、測定角度55°と125°の第五光電検出器67、及び測定角度1°から179°までの第四光電検出器66は、光音響セル中部の両側に設けられ、測定角度90°の第三光電検出器65は光音響セル中部の内表面に設けられて光音響セルの中心軸と垂直となり、第二光電検出器64、第五光電検出器67及び第三光電検出器65の対称軸と光音響セルチャンバの長軸の間の夾角はそれぞれ33°/147°、55°/125°及び90°であり、第四光電検出器66の探測面が光音響セルの中に若干進入されており、チャンバ長軸と垂直となったので、1°から179°までの散乱光を測定でき、第一温度圧力湿度センサー68及び音声コンバータ69がそれぞれ前記光音響セルの内表面に設けられ、音声コンバータ69が光音響セルの中間位置に設けられてチャンバ長軸と垂直となり、第一温度圧力湿度センサー68のプローブが光音響セルのチャンバに若干進入されてチャンバ内の温度・圧力・湿度パラメータが測定し易くなり、スペースが十分な状況で、5個の光電検出器と第一温度圧力湿度センサー68を全部チャンバ長軸に垂直となった中心断面に位置させ（図2の短軸と同じ平面に位置する）、即ち、音声コンバータ69と同じ平面に設けられるが、角度が異なる。第一温度圧力湿度センサー68、音声コンバータ69及びすべての光電検出器は全部前記制御ユニット88とそれぞれ連結され、音声コンバータ69を設けた理由はエアロゾルの吸収係数を正確に測定するためであり、第一温度圧力湿度センサー68は光音響セル内の環境状況を監視制御するする他、機器の較正及び測定信号の処理などに対しても重要な役割を果たす。3°及び177°測定用光電検出器62を���用する目的は、近軸前後から散乱する測定値を得るためであり、第二光電検出器64、第五光電検出器67及び第三光電検出器65で異なる角度の散乱光を測定する目的は、正確なエアロゾル散乱位相関数を得るためであり、総散乱係数測定用光電検出器66を使用する目的は、1〜179°のエアロゾル総散乱係数を得るためである。各光電検出器の検出角度を適当に微調整してもよい。半径の異なるエアロゾル粒子は異なる波長のレーザー照射によりその散乱角度が異なり、散乱強度の分布も位相関数であり、位相関数を測定した基礎で散乱係数を獲得する。異なる粒子が異なる波長に対して異なる散乱図案があるため、全体的に言えば、我々は比較的に敏感な強度分布に対応する散乱角度を選択して測定する必要があり、そのため、取付要件及び光音響セルチャンバ空間の実際状況に基づいて、適当な微調整を行うことができる。検測チャンバ（光音響セル）は円柱構造であり、各種検測機器の取付要件を満たすことができ、エアロゾル吸収の直接測定で円柱形構造を選択すると吸収した測定信号を強化でき、図3に示す音声コンバータ69（マイクやマイクロホンと言う）の取付位置図の中で、Xは光音響セルの長さであり、図3に示す音圧分布曲線Pは光音響セル長さの変化により変化される曲線であり、音圧が最も大きな位置は音声コンバータ69の取付位置で、即ち、光音響セルの中間位置である。光音響セルの検測原理は、光がエアロゾル粒子を照らすと、粒子が光エネルギーを吸収して音圧が発生し、光と音声の間の相互転換が形成され、光音響分光法でサンプルが光エネルギーを吸収することにより発生した音圧の大きさを測定するため、測定に対する反射光、散乱光などの干渉が少なく、第一ロングレンジ多重反射鏡81と第二ロングレンジ多重反射鏡61を光音響セルの中に内蔵したため、音声コンバータの検出信号を大幅に強化でき、通過率の測定を簡単に実現し、音声コンバータ69がエアロゾル吸収係数を直接測定する検出センサーになる。進出光を密閉して、標準気体とサンプル気体の流失を防止し、光音響セルチャンバの第一ロングレンジ多重反射鏡71が位置している一端に窓口92を設置して、光路装置から発生されたレーザーを経過させる。光電検出器の測定原理は、レーザーが測定ユニットの第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の間で往復する時、音声コンバータ信号を強化すると同時に、各エアロゾル散乱光の検測信号も大幅に強化され、その中で、入射光路が第五全反射鏡42の作用により窓81と窓92を経過して、第一ロングレンジ多重反射鏡71の縁部から入射して、第二ロングレンジ多重反射鏡61の対応位置の縁部に到着し、このように複数回反射した（反射回数は、第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の間の相対ねじれ角、第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の面積、厚さ、凹面度、曲率半径及び両者の間の距離によって決まり、実際機器の検測チャンバの寸法に基づいて適当に調整する）後、出射する。第一ロングレンジ多重反射鏡71及び第二ロングレンジ多重反射鏡61と光電検出器73の連結を通じて、透過率の測定を実現できる。複数回反射した結果、光路が検測チャンバ内で一つの空洞を形成するので、第二ロングレンジ多重反射鏡61の対称��上に第一光電検出器62を設けることができ、小さな角度の近軸前後から散乱強度の測定を実現でき、上記測定方案の中で第一光電検出器から第五光電検出器までの測定結果はエアロゾルの全面的な散乱角分布図案を得て、エアロゾル散乱位相関数の実測曲線を得るためである。第一光電検出器62が第二ロングレンジ多重反射鏡61の対照軸に設けられた他、第二から第五光電検出器は光音響セルの中心対称軸の同じ軸面に分布させることができ、角度の需要に基づいて異なる角度に取り付ける。
【００２７】
気体回路装置は、試料注入ユニット、較正ユニット及び試料搬出ユニットを備え、その中で、試料注入ユニットと試料搬出ユニットが光音響セルの両端とそれぞれ通じている。試料注入ユニットは、順番通り連結されたエアロゾル切断ヘッド43、第一流量計44、第一三方弁48、第二三方弁49及び第一質量流量計90を備え、前記エアロゾル注入気流がまずエアロゾル切断ヘッド43及び第一流量計44を経過した後、第一三方弁48、第二三方弁49及び第一質量流量計90を経過して検測装置に入り、第二三方弁49と第一質量流量計90の間に第二温度圧力湿度センサー56を設けられ、較正ユニットは、ゼロエアジェネレーター45、第一標準気体源50及び第二標準気体源52を備える。ゼロエアジェネレーター45から発生したゼロエアは、それに連結された高効率フィルタ46と第二流量計47を順番通り経過した後、第一三方弁48、第二三方弁49及び第一質量流量計90を経過して検測システムに入り、第一標準気体源50から発生した第一標準気体は、それに連結された第三三方弁51、第四三方弁54及び第三質量流量計55を順番通り経過した後、第二三方弁49と第一質量流量計90を順番通り経過して検測装置に入り、第二標準気体源52から発生した第二標準気体は、それに連結された第五三方弁53と第四三方弁54を経過した後、第三流量計55と第一質量流量計90を経過して検測ユニットに入る。試料搬出ユニットは、順番通り連結された第二質量流量計89、第四流量計79及びポンプ80を備え、検測ユニットを経過した気流が第二質量流量計89と第四流量計79を順番通り経過した後、ポンプ80のドラッグ作用の下で検測ユニットに排出され、その中で、第二質量流量計89と第四流量計79の間に第三温度圧力湿度センサー78が設けられている。温度圧力湿度センサーは、温度、圧力及び湿度の測定を集大成したセンサーであり、個別の温度センサー、圧力センサー及び湿度センサーでこの温度圧力湿度センサーに取って代わって、システム環境の温度、圧力及び湿度の検測に用いることができる。エアロゾルの粒子スペクトル範囲が0.001〜100μmであるため、我々は異なる粒子半径のエアロゾル切断ヘッドを設計して、エアロゾル流サンプリング入口の制御を行って、最後にチャンバに入るエアロゾル粒子半径を我々の希望する範囲に制御することができる。注入気流に対して、必要な流量測定を行い（流量計及び質量流量計を使用する）、必要な温度・圧力・湿度の測定も行い、三方弁を使用する目的は、エアロゾル測定モードと較正モードの間で切り替えるためである。試料搬出ユニットと試料注入ユニットは比較的に簡単であり、エアロゾルが散乱吸収測定システムを経過した後、ポンプ80のドラッグ作用の下で測定システムに搬出され、必要な流量監視と品質監視を追加し、必要な温度・圧力・湿度の検測を行い、これらのパラメータと試料注入システムの関連測定結果に基づいて、本発明に係るエアロゾル散乱及び吸収特性の注入流/搬出流の間の差異と関連性を量化することができる。光路装置から発生した光源と気体回路装置から出た気流がそれぞれ検測装置の光音響セルに入り、制御ユニットが検測を行う。 
【００２８】
温度制御ユニットは、二重ステンレス鋼ボックス87、第一半導体冷却器82、第二半導体冷却器85、第一熱交換ファン83、第二熱交換ファン86、及び温度圧力湿度センサー84を備え、その中で、二重ステンレス鋼ボックス87が検測装置の外部に覆設されており、第一半導体冷却器82、第二半導体冷却器85、第一熱交換ファン83、第二熱交換ファン86及び第四温度圧力湿度センサー84は、それぞれ前記二重ステンレス鋼ボックス87の表面に設けられ、より均一な検測結果を得るため、第一半導体冷却器82と第一熱交換ファン83を二重ステンレス鋼ボックス87の同じ角の側壁に設け、第二半導体冷却器85と第二熱交換ファン86を上記角の対角の側壁に設け、二重ステンレス鋼ボックス87の一側に窓81を設け、光路装置から発生した光源が第五全反射鏡42、窓81及び窓92を順番通り経過して検測装置に入り、三つのレーザーが順番通り窓81を経過して検測ユニットに入り、光路はチャンバ内で第一ロングレンジ多重反射鏡71と第二ロングレンジ多重反射鏡61の間で複数回往復した後、光源出射口（光源入射口でもある）を通じて検測ユニットに設けられた窓外部の第六全反射鏡72に出射され、第六全反射鏡72が出射された光路を光電検出器73に到達させる。エアロゾルの散乱測定と吸収測定をカップリングして同じ検測チャンバの中に入れる、異なるチャンバ自体の背景信号により発生する誤差を防止ことができる。また、三つのレーザーが順番通り測定システムに入るので、相互の間の干渉を避けられる。温度圧力湿度センサーが検測したデータを制御ユニットに伝送し、制御ユニットが伝送されたデータに基づいて第一半導体冷却器82、第二半導体冷却器85、第一熱交換ファン83及び第二熱交換ファン86を起動するかどうかを決めて、二重ステンレス鋼ボックス87内の温度を制御する。温度制御ユニットを使用する目的は、長期的なサンプリングの中で、頻繁な光電、光音響の間の転換によって発生した測定システムの発熱現象を克服するため、二重ステンレス鋼ボックス87を用いて測定ユニット全体に対して保温を行い（二層ボックスの間に防音断熱材料を充填する）、第四温度圧力湿度センサー84でボックス内温度の変化を監視し、第一熱交換ファン83及び第二熱交換ファン86を適時に起動もしくは停止し、半導体冷却器82及び85を利用してボックスを冷却して、測定システムの正常な作業を保護することである。
【００２９】
吸気防音装置は、順番通り連結された第一緩衝装置57、第一音声濾波器59及び第二緩衝装置63を備え、その中で、第一緩衝装置57は試料注入ユニットの出口に設けられて第一受信器58と連結され、第二緩衝装置63が光音響セル第二ロングレンジ多重反射鏡61の所属している一端を構成し、排気防音装置は、順番通り連結された第三緩衝装置77、第二音声濾波器75及び第四緩衝装置70を備え、その中で、第三緩衝装置77は試料搬出ユニットの入口に設けられて第二受信器76と連結され、第四緩衝装置が光音響セルの他の一端を構成する。第一音声濾波器59と第二緩衝装置64の間の配管に第五温度圧力湿度センサー60が設けられ、第二濾波器75と第四緩衝装置70の間の配管に第六温度圧力湿度センサー74が設けられている。防音には、三つの方面が含まれるが、一つは、測定光音響セルに対する全体的な防音で、即ち、二重ステンレス鋼ボックス87を用いて検測ユニット全体に対する防音を行って（二層ボックスの間に防音断熱材料を充填する）、外部環境の騒音を遮断し、もう一つは、注入気流サンプル騒音噪音を遮断すると同時に、騒音が最低になるぐらい気流流速を調整するが、この二つの方法はそれぞれ第一声濾波器59、第一緩衝装置57及び第二緩衝装置63を用いて実現し、三番目は搬出気流騒音の制御を第二声濾波器75、第三緩衝装置77及び第三緩衝装置70で実現する。受信器58と受信器76が注入気流及び搬出気流の中に沈積された水分をそれぞれ受け取る。
【００３０】
制御ユニット88は、データ収集カード（図示はない）とデータ監視処理ソフトウェア（図示はない）を備えた機器測定及び制御システムである。その中で、機器中のレーザー発生装置6、チョッパー3個、ステッピングモーター3個、温度圧力湿度センサー6個、光電検出器6個、音声コンバータ69、半導体冷却器2個、熱交換ファン2個は、全部データ収集カード及び制御回路と連結されている。前記データ監視制御ソフトウェアは、米国ナショナルインスツルメンツ社（National Instrument、略称はNI）のバーチャル・インストゥルメントソフトウェアLabVIEW8.6バージョンを使用する。
【００３１】
測定の具体的な手順は、以下の通りである。
（1）電源スイッチ2及び4をONにして、全システムに給電し、自己検査システムを起動すると、レーザー発生装置6から基本周波数レーザーが出力され、周波数倍増システム及び周波数分離システムを経過した後、三つのレーザーに変換される。
（2）また、第一三方弁48と第二三方弁49の制御の下で、ゼロエアジェネレーター45のゼロエアが第一三方弁48及び第二三方弁49を経過して検測チャンバ（即ち、光音響セル、以下も同じ）に入り、第一ステッピング電極22の連結、第二ステッピングモーター23及び第四ステッピングモーターの切断を制御し、第一光チョッパー19を利用して波長355nmのレーザーを検測チャンバに入射させ、当該波長の背景信号を検出して、較正用として使用する。この時、測定パラメータには、温度・圧力・湿度、質量流量、散乱光子数、出射光強度の検測及び吸収係数（音声コンバータ：マイクロホンやマイク）の検測が含まれる。（i）その中で、温度圧力湿度センサー6個で温度、圧力、湿度をそれぞれ検測する。（ii）第二質量流量計89及び第一質量流量計90が順番通り関連質量流量検測を行う。（iii）第一光電検出器から第五光電検出器（PMT、即ち、光電子増倍管）が各自位置上の散乱光子数を検測する。（iv）第六光電検出器73が出射強度を検測する。（v）音声コンバータ69が背景チャンバの吸収係数を検測する。
（3）システム制御回路の制御の下で第二三方弁49及び第四三方弁54を開き、第一定標準気体源50及び第二定標準気体源52を順番通りONにし、ポンプ80の駆動により355nmレーザーに対して較正測定を行う。この時、測定パラメータには、温度・圧力・湿度、質量流量、散乱光子数、出射光強度の検測及び吸収係数（音声コンバータ：マイクロホンやマイク）の検測が含まれる。（i）その中で、温度圧力湿度センサー6個で温度、圧力、湿度をそれぞれ検測する。（ii）第二質量流量計89及び第一質量流量計90が順番通り関連質量流量検測を行い、第一光電検出器から第五光電検出器（PMT、即ち、光電子増倍管）が各自位置上の散乱光子数を検測する。（iv）第六光電検出器73が出射光強度を検測する。（v）音声コンバータ69が較正気体チャンバの吸収係数を検測する。
（4）第一三方弁48及び第二三方弁49をエアロゾル注入気流口に転向した後、ポンプ80に駆動されて、エアロゾル粒子がエアロゾル切断ヘッド43を経過し、エアロゾルサンプル流が検測チャンバに入り、この時の測定パラメータには、温度・圧力・湿度、質量流量、散乱光子数、出射光強度の検測及び吸収係数（音声コンバータ：マイクロホンやマイク）の検測が含まれる。（i）その中で、温度圧力湿度センサー6個で温度、圧力、湿度をそれぞれ検測する。（ii）第二質量流量計89及び第一質量流量計90で順番通り関連質量流量検測を行う。（iii）第一光電検出器から第五光電検出器（PMT、即ち、光電子増倍管）が各自位置上の散乱光子数を検測する。（iv）第六光電検出器73が出射光強度を検測する。（v）音声コンバータ69が吸収係を検測する。
（5）上記過程を定期的に行って、正確な測定を保証する。波長532nmのレーザーを測定する時、第二ステッピングモーター23をONにし、第一ステッピングモーター22及び第三ステッピングモーター24を切断し、第二光チョッパー20を利用して波長532nmのレーザーを検測チャンバに入らせ、検測手順は波長355nmのレーザーと同じである。これと同様に、波長1064nmのレーザーを測定する時、第三ステッピングモーター24をONにし、第一ステッピングモーター22及び第二ステッピングモーター23を切断し、第三光チョッパー21を利用して波長1064nmのレーザーを検測チャンバに入射させる。その中で、背景と較正用気体の関連パラメータの測定は、二日一回行う。その後、一日24時間に渡るサンプリング測定を行う。すべての測定は、採集と処理を全部自動で制御する。
（6）上記過程を重複する。但し、測定を検証する際、エアロゾル発生装置から標準形状のエアロゾル粒子が検測チャンバに入って、半径0.44μmのエアロゾル粒子などに対して関連パラメータの測定を行う。
【００３２】
検測結果の数式
（一）散乱係数
放射伝送理論に基づいて、分子及び粒子の散乱強度に適合する普遍的な数式を得られる。
【数１】
2016526172.tif 000003
（1）
上式の中で、Ｉ０は入射光強度、
【数２】
2016526172.tif 000004
は散乱断面積、
【数３】
2016526172.tif 000005
は分極率、ｒは散乱半径、Ｐ（θ）は散乱位相関数である。上式の中で、λは入射レーザーの波長、Ｎｓは単位体積内の分子や粒子総数、ｍ＝ｍｒ−ｉｍｉは分子や粒子の屈折率、ｍｒ及びｍｉは分子や粒子の屈折率の実部と虚部をそれぞれ表し、分子や粒子の散乱及び吸収特性にそれぞれ対応し、その中で、屈折率は複数であり、iはその虚部の表示方法であり、モジュロは1である。図4は、本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器が波長532nmの時に発生した異なる有効半径のエアロゾル粒子散乱位相関数の分布を示す図であり、その中で、（a）、（b）、（c）及び（d）のエアロゾル粒子の有効半径は、0.18 um、0.44 um、0.60 um及び0.74 umのエアロゾル粒子散乱位相関数とそれぞれ等しい。光が異なる半径のエアロゾル粒子を照らすと、異なる散乱図案が発生し、散乱強度は散乱角と関係があり、散乱強度の角分布はエアロゾルの散乱位相関数と正比例をなすので、事実上、散乱位相関数の測定は散乱強度測定の主要要因になり、その中で、散乱位相関数は散乱角の関数であると同時に、無次元のパラメータでもある。
【００３３】
そのため、測定した散乱係数を簡単な数式で表示することができる。
【数４】
2016526172.tif 000006
（2）
上式の中で、Ｋｓｃａは散乱較正時の傾斜度であり、Ｃは光電検出器で検測した光子数であり、Ｂは背景信号である。
【数５】
2016526172.tif 000007
（3）
上式の中で、
【数６】
2016526172.tif 000008
及び
【数７】
2016526172.tif 000009
は、それぞれ、エアロゾル粒子散乱係数及び分子散乱係数であり、
【数８】
2016526172.tif 000010
は較正標準気体及びゼロエアにより較正測定の時に計算を通じて得たものである。図5は、本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器が波長355nm、532nm及び1064nmの三つのチャンネルで発生したエアロゾル散乱係数が相対湿度に従って変化することを示す図であり、エアロゾルの散乱係数は粒子スペクトル分布及び入射レーザー波長と関係があるほか、大気の相対湿度とも関係がある。
【００３４】
（二）吸収係数
音響信号は、以下の数式で表す。
【数９】
2016526172.tif 000011
（4）
ここでＳは、光音響信号強度（ｍＶ）、Ｐはレーザー仕事率（Ｗ）、Ｍは音声コンバータの感度（ｍＶ・Ｐａ−１）、Ｃは光音響セル常数であり、チャンバの幾何学パラメータ、測定条件などの要因と関係があり（Ｐａ・ｃｍ・Ｗ−１）、ａｉはチャンバに入る各光吸収成分が波長λの入射波長の作用より発生するモル吸光係数（ｃｍ−１・ｍｏｌ−１・ｄｍ３）であり、ｃｉは各光吸収成分の濃度（ｍｏｌ・ｄｍ−３）、ηｉは各成分の吸収光を熱エネルギーに転化する効率、Ａｂは背景信号の発生効率（Ｐａ・Ｗ−１）、ｎは各光吸収成分の種類数を代表する。
【００３５】
光音響共振チャンバの常数Ｃを以下のように表示する。
【数１０】
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（5）
上式の中で、Υは等圧及び同じ容器で測定した比熱比常数、Ｌは光音響セルの長さ（ｃｍ）、Ｑは品質要因、即ち、共振周波数と共振曲線のハーフピークの全幅（the Full Width at Half Maximum）の比率、Ｇは幾何学的因子、ｆ０は変調周波数（Ｈｚ）である。
【００３６】
（三）可視度
大気可視度の数式は、以下の通りである。
【数１１】
2016526172.tif 000013
(6)
上式の中で、Ｖｉｓは可視度、
【数１２】
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は大気吸光係数であり、これはエアロゾル散乱係数
【数１３】
2016526172.tif 000015
、
エアロゾル吸収係数
【数１４】
2016526172.tif 000016
、
分子散乱係数
【数１５】
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及び分子吸収係数
【数１６】
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の合計である。上記パラメータは、較正測定及び実際の試料注入を通じて得ることができ、複数の角度の散乱光子数を測定してエアロゾル散乱位相関数を獲得し、更にはエアロゾル散乱係数を獲得し、エアロゾル吸収係数は音声コンバータの測定を通じて獲得し、分子の散乱係数と吸収係数は較正測定の後計算を通じて獲得する。
【００３７】
（四）吸光係数：
エアロゾルの吸光係数を
【数１７】
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で表示することができるが、これはエアロゾル散乱係数
【数１８】
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とエアロゾル吸収係数
【数１９】
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の合計である。上記パラメータは較正測定と実際の試料注入測定を通じて獲得し、即ち、複数の角度の散乱光子数を通じてエアロゾル散乱位相関数を獲得し、更にエアロゾル散乱係数を獲得し、エアロゾル吸収係数は音声コンバータの測定を通じて獲得し、分子の散乱係数と吸収係数は較正測定の後計算を通じて獲得する。
【００３８】
（五）単一散乱アルベド：
エアロゾル散乱係数と吸収係数を正確に獲得した上で、エアロゾル粒子の単一散乱アルベド
【数２０】
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を得ることができ、数式は、以下の通りである。
【数２１】
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(7)
図7は、本発明に係るマルチチャンネル・エアロゾル散乱吸収測定器が波長355nm、532nm及び1064nmの三つのチャンネルで発生したエアロゾル単一散乱アルベドが相対湿度に従って変化することを示す図であり、単一散乱アルベドは消光全体で占める散乱部分の比重であり、異なる波長、異なる相対湿度及び異なる粒子半径は、異なる単一散乱アルベドに対応する。
【００３９】
（六）散乱位相関数：
異なる散乱角に分布された測定値をσｓｃａ（λ，θｉ）（ここでλは、それぞれ、355 nm、532 nm及び1064 nmであり、散乱角θｉは、3°と177°、33°と147°、55°と125°、90°及び1から179°までである）とし、Lorenz-MieとT-matrix理論に基づいて各散乱角の散乱値σｓｉｍｕｌａｔｅｄ（λ，θｉ）を計算すると、両者の差は次の通りである。
ｅ（λ，θｉ）＝σｓｃａ（λ，θｉ）−σｓｉｍｕｌａｔｅｄ（λ，θｉ）       （8）
【数２２】
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の値が最も小さい場合、その時の測定値と模擬値の間の偏差係数ｋ（λ，θ）を計算した後、位相関数曲線を調整すると、散乱位相関数を得られる。エアロゾル粒子の散乱位相関数を得る時は、気体分子散乱位相関数の控除を考慮する必要がある。
【００４０】
（七）透過率
透過率は、以下の数式で表すことができる。
【数２３】
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(9)
上式の中で、Ｉ（ｉｎ）（λ）とＩ（ｏｕｔ）（λ）はそれぞれ入射及び出射光強度であり、ξｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ（λ）は較正係数、Ｆ（λ）は伝達関数であり、これはゼロエア較正及び標準気体較正と言う二つの過程を通じて計算したものである。透過率を計算する際は、チャンバ伝達関数の影響を重点的に考慮し、較正を通じてエアロゾル透過率の測定を実現できる。
【００４１】
本発明に係る測定器は、エアロゾルの散乱位相関数及び吸収係数を直接測定できる他、エアロゾル散乱位相関数及び吸収係数をマルチチャンネル（3つの波長）、マルチアングル（3°と177°、33°と147°、55°と125°、90°、1°から179°まで）、全体的（0.001〜100μm）に測定できる光音響分光法同期オンライン直接測定器を実現して、エアロゾル粒子散乱空間の強度分布を全面的にカバーし、エアロゾル散乱位相関数と吸収係数を正確に獲得した上で、エアロゾル散乱係数、吸光係数、透過率、可視度、単一散乱アルベドを獲得して、エアロゾル各光学特性の同期一体化獲得を実現した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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