基于光散射法的气体放电生成气溶胶粒径大小影响因素研究

合肥工业大学 蔡懿卿 鱼江南 李建权

（1）粒径测量区间广，检测下限低，能测到纳米级以下的气溶胶颗粒物。

（2）测量速度快，信号传输快，数据采集及时。单次测量时间只需5min，测得的光强数据能实时收集并处理。

（3）测量装置与气溶胶不进行直接接触。光散射法不需要使用其他实验试剂对气溶胶进行采样，并且测量过程不与仪器直接接触，保证气溶胶的完整与信息的真实，减小实验误差。

本文使用介质阻挡放电装置产生低温等离子降解甲苯气体，搭建光散射浊度计测量降解尾气中气溶胶副产物的散射相函数并反演得到其粒径信息，研究副产物粒径大小与等离子降解参数的对应关系，从而为优化降解条件提供理论依据与实验例证。

1 实验原理

光散射是指光在不均匀的介质中传播时偏离其原来方向并散开传播到空间中其他位置的现象。在研究气体放电产生气溶胶光散射性质时，通常要引入粒径参数α，其表达式为：

其中λ为真空中入射光的波长，d为气溶胶颗粒物的粒径。不同粒径参数下气溶胶颗粒物的散射特性有较大的区别，当颗粒物的粒径小于入射光的波长，即颗粒物的粒径参数，此条件下颗粒物的散射为瑞利散射，而当颗粒物的粒径参数α≈1或α＞1者时，即颗粒物的粒径与入射光波长相近或者大于入射光的波长时颗粒物的散射为Mie散射。

对于Mie散射，当入射光为强度I0的线偏振光，此时垂直于散射平面的散射光光强Is的表达式为：

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对于瑞利散射，颗粒物的散射强度强度表达式为：

计算公式中r为观测点与粒子间距离，θ为散射角，φ为方位角。i1(θ)与i2(θ)为散射强度函数，它们是对应散射振幅函数S1(θ)和S2(θ)的模的平方。振幅函数S(θ)是由Bessel函数和Legendre函数组成的无穷级数，其表达式为：

式中an和bn称为米散射系数，是复折射率和尺度参数的函数；πn和τn为散射角函数，仅与角度有关。

2 实验装置

为测量甲苯气体放电产生的气溶胶的散射相函数并反演得到其粒径信息，设计并搭建了气体放电生成气溶胶的光散射特性研究的实验系统。其实验系统如图1所示，由介质阻挡放电装置系统以及光散射浊度计两部分构成，其中介质阻挡放电装置系统负责对甲苯气体进行放电降解，并由光散射浊度计负责测量降解尾气中气溶胶副产物的散射相函数。

图1 气体放电生成气溶胶的光散射特性研究的实验系统

介质阻挡放电装置系统由配气装置、高压电源、介质阻挡放电装置三部分组成。其中配气装置使用三台质量流程控制计分别调节氮中甲苯标准气，氮气，氧气的流量，经由混合瓶混合后生成不同浓度或不同流量的甲苯气体，通入介质阻挡放电装置中进行放电降解。供电装置为介质阻挡放电装置提供高压交流电，从而使放电装置在标准大气压和常温环境下对气体放电产生低温等离子体，在放电降解过程中使用调压器调节放电装置的放电电压并用示波器实时对放电电压进行检测。介质阻挡放电装置对甲苯气体放电降解从而产生气溶胶。

使用光散射浊度计测量甲苯气体放电产生的气溶胶副产物。搭建的光散射浊度计由偏振光源，扫描探测系统以及浊度计箱体构成。整个浊度计使用波长445nm，最大输出功率80mw的激光器作为光源，出射光经由格兰泰勒棱镜调制为平行于散射平面的线偏振光进入样品池照射到其中的气溶胶并产生散射光，散射光通过固定在旋转臂上的透镜与光阑最后由光子计数器接受，测得对应角度的散射相函数。穿过样品池的透射光进入光陷阱，在其中多次反射衰减从而减小其对测量区域的干扰。整个浊度计使用步进电机转动旋转臂，采用连续扫描测量的方式测得20°～160°范围内气溶胶的散射相函数。在测量散射相函数时，光计数器随着旋转臂转动，以确定的角度间隔依次测量每个散射角20组散射相函数并取平均值以提高测量结果的信噪比。

3 光散射浊度计性能测试

实验前需要对光散射浊度计的性能进行验证，以确定其测量范围与测量结果的可靠性。使用光散射浊度计测量已知散射特性的标准颗粒物的散射相函数并拟合实验值与理论值，就能得到浊度计测量性能的直观认识。

目前有多种用来验证光散射浊度计测量性能的标准颗粒物，比如使用标准聚苯乙烯小球（PSL球），水团簇，癸二酸二异辛酯（DESH），氮气验证了浊度计精度与探测上限。本文使用测量氮气散射相函数来对浊度计的性能进行测试。

氮气的纯度为99.999%，持续通入浊度计箱内约120min，观察温湿度计的变化，当箱内的相对湿度下降至稳定不变时开始进行测量。使用瑞利散射公式计算氮气散射相函数的理论值并对测量值与理论值分别归一化到同一数量级。归一化后氮气散射相函数测量结果与理论值的对比如图2所示。

从图2中可以看出氮气散射相函数的测量值和理论值在前向与后向散射的大部分散射角处拟合效果较好。但在90°及其附近的角度的测量值要大于理论值，这是因为90°处颗粒物的散射相函数的理论值为0，其测量值容易受到本身的暗电流以及箱内残存的大气气溶胶的干扰导致实际测得的散射相函数偏大。

对归一化后的氮气散射相函数测量值与理论值进行拟合，拟合结果如图3所示。发现两者具有高度的相关性，相关系数达到0.999，说明光散射浊度计能精准测量氮气的散射相函数，在90°及其附近角度的误差并不影响整体的测量结果的准确性。考虑到氮气的粒径为0.364 nm说明光散射浊度计具有极低的测量下限，满足实验测量的需要。

图3 归一化后氮气散射相函数理论值与测量值的相关性分析

4 甲苯气体放电产生气溶胶粒径变化影响因素研究

根据Mie散射理论，颗粒物的光散射特性与其粒径大小有关，颗粒物粒径发生变化时基于角度的散射相函数就有较大的变化，可以通过反演的方式得到气溶胶的粒径大小。对于甲苯气体放电降解产生的气溶胶，其粒径大小与介质阻挡放电装置的放电电压，气体在放电装置内的停留时间，甲苯气体的浓度这三个等离子降解参数有关。实验探讨这些降解参数的改变对气溶胶副产物粒径大小的具体影响，测量降解参数改变的情况下产生的气溶胶的散射相函数并反演得到粒径。

常规的反演方法包括直接反演法，查表法，优化法以及试错法，本文中使用直接反演法结合查表法对实验值与理论值进行反演得到气溶胶副产物的粒径大小，具体流程如下：

（1）根据Yu等人测得甲苯放电产生的气溶胶副产物的粒径分布数据，确定实验中产生的气溶胶粒径大致范围并规定步长。

（2）使用Matlab根据Mie散射公式编写计算气溶胶散射相函数的程序，根据设定的步长计算粒径范围内每种粒径分布情况下的散射相函数。

（3）将计算得到的散射相函数与气体放电产生气溶胶散射相函数的测量值分别进行归一化并做方差。

（4）使用Fminsearch函数找出方差最小时计算得到的散射相函数，此散射相函数对应的粒径即为被测气溶胶的粒径。

分别改变介质阻挡放电装置的放电电压，气体在装置内的停留时间，甲苯气体的浓度这三种等离子降解参数，测量降解产生的气溶胶的散射相函数并反演得到粒径大小。气溶胶的中值粒径随三种等离子降解参数的变化如图4所示。

图4 气溶胶粒径大小随三种等级降解参数变化

可以看出甲苯气体放电产生的气溶胶的粒径大小与介质阻挡放电装置的放电电压，气体在放电装置内的停留时间，甲苯气体的浓度这三个等离子降解参数有关。可以通过提高放电电压，增加气体在放电装置的停留时间以及减小甲苯的初始浓度的方法来减小气溶胶副产物的粒径大小。

5 实验结论

（1）搭建了对甲苯气体放电降解从而产生气溶胶的介质阻挡放电装置系统，包括配气装置，供电装置以及介质阻挡放电装置；搭建了用来测量气溶胶散射相函数的光散射浊度计，包括偏振光源，扫描探测系统以及浊度计的箱体。使用氮气作为标准粒子对整个光散射浊度计的测量范围与测量的准确性进行了验证。

（2）通过改变放电电压、甲苯气体停留时间、甲苯的初始浓度这些等离子降解条件从而产生不同粒径大小的气溶胶，将其通入光散射浊度计中测量散射特性并反演得到粒径大小。实验表明甲苯气体放电产生的气溶胶的粒径大小与上述实验条件有关。可以通过提高放电电压，增加气体在放电装置的停留时间以及减小甲苯的初始浓度的方法来减小气溶胶副产物的粒径大小。