光声池是发生“光-热-声”耦合的场所, 光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。 为了提高光声池的性能, 在传统圆柱形光声池的基础上, 提出了一种两级缓冲式光声池。 利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高度及缓冲隔板数量对光声池内声场的影响规律。 结果表明, 光声池的共振频率随缓冲隔板数量和高度的增大而减小。 当缓冲隔板的数量固定, 缓冲隔板高度H大于11 mm时, 光声池的共振频率随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。 在光声池共振频率要求范围内, 共振频率的减小有利于光声信号幅值的提高; 当缓冲隔板的高度固定时, 光声池的声压随缓冲隔板数量的增加而减小; 当缓冲隔板高度在0～11 mm之间时, 声压值保持相对稳定; 当缓冲隔板高度大于11 mm时, 声压值随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。 流场方面, 通过在缓冲腔内设置缓冲隔板可减小左侧缓冲腔内的速度梯度。 一级缓冲方式虽可一定程度减小速度梯度, 但在缓冲隔板处出现速度波动, 而两级缓冲方式不仅减小了光声池内的速度梯度, 而且使气体流速更加平稳。 考虑到光声信号幅值、 声压及光声池内速度梯度等指标, 选用缓冲隔板高度为11 mm, 缓冲隔板数量为2。 基于所给最优参数的两级缓冲式光声池, 仿真及实验结果表明: 所设计的两级缓冲式光声池和同尺寸的圆柱形光声池相比, 声压由3.34×10-5降低为3.32×10-5, 本底噪声由(2.83±0.11) μV降低为(1.26±0.03) μV, 共振频率由1 344 Hz降低为1 299 Hz。 虽声压减小了1.2%, 但声噪比提高了2.22倍, 且共振频率在满足要求的范围内降低了3.3%, 使光声信号幅值得到一定程度提升。 整体来说, 两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声, 减小了流动噪声的波动幅度, 为光声池优化设计提供了一种新的思路。

氮氧化物是大气中一种重要的痕量气体, 影响大气的氧化性, 危害人和动物的生理健康、 导致光化学烟雾、 灰霾、 酸沉降等环境问题。 近年来随着我国经济的迅速发展, 能源消耗量的不断增加, 氮氧化物的排放量居高不下, 因此研究氮氧化物在大气中的含量及其化学性质具有非常重要的意义。 氮氧化物(NOx)的探测方式非常多样, 但总活性氮氧化物(NOy)的测量方式一直以来以催化转化化学发光法(CL)为主, 本文介绍了一种热解双通道腔衰荡光谱技术(TD-CRDS)同步测量大气中NO2和NOy浓度的方法。 优化了热解装置的性妮, 确定了NO2的有效吸收截面, 分析了系统可能存在的干扰(H2O、 乙二醛、 NH3、 N2O等), 探讨了系统的探测限(NO2腔: 8.72×108 molecules·cm-3; NOy腔: 9.71×108 molecules·cm-3)及误差(NO2的测量误差: 5%, NOy的测量误差: 12%)。 另外, 为了验证系统的性能, 将CRDS与长光程差分吸收光谱(LP-DOAS)同步测量了环境气体NO2浓度, 相关性系数r为0.960; 与Model 42i-NOy分析仪开展环境大气NOy的对比测量, 相关性系数r为0.968, 均具有较好的一致性。 在合肥科学岛综合楼顶楼开展了为期一周的外场观测, 测量期间NO2和NOy的平均浓度分别为0.411×1012和0.773×1012 molecules·cm-3 , 通过平均日变化图发现NO2与NOy浓度具有相似的变化趋势, 一般于10:00开始下降, 15:00达到最低值。 CRDS技术因其高灵敏度、 高时间分辨率已成为一种新型简便地测量环境大气中总活性氮氧化物的方法。

针对呼吸性粉尘浓度连续、 可靠、 低成本的实时检测需求, 实现了光谱应用技术创新, 提出了一种基于光声光谱的呼吸性粉尘探测系统, 低功率二极管激光器光谱中心波长为403.56 nm及相应的NO2有效吸收截面为5.948 5×10-19 cm2·mole-1; 通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率。 开展了光声池结构的影响分析, 得到了光声池长度参数对本底噪声影响较小但对激光信号影响较大、 内径参数对本底噪声存在一定影响但对本底噪声影响较小的结论。 在考虑品质因数、 加工条件、 使用场合和待测对象属性等影响情况下, 选用120 mm的长度参数和8 mm的内径参数; 基于长度为60 mm、 内径为25 mm的缓冲腔结构, 开展了缓冲隔板对系统稳定性的影响分析, 通过在缓冲腔中设置缓冲隔板, 降低了本底噪声、 稳定了系统, 其幅值及波动由(2.83±0.11) μv稳定为(1.26±0.03) μv。 分析得到了NO2的比吸收系数为195.28 Mm-1·(mg·m-3)-1, 利用NO2气体在405 nm处的吸收对系统进行了标定, 得到了拟合斜率为0.0436 8 μv/Mm-1、 相关系数为0.998、 池常数为300.24 Pa·cm·W-1的结论。 同时在1 min平均时间下, 得到了系统探测浓度下限及吸收系数为2.30 μg·m-3和0.448 Mm-1。 基于标准微球的聚苯乙烯作为气溶胶发生器对象开展了呼吸性粉尘的吸收系数影响分析, 进行了5μm以下不同数浓度颗粒及同一数浓度下不同粒径颗粒吸收系数的测试, 结果表明： 呼吸性粉尘的吸收系数和数浓度成正比, 线性拟合后的斜率为10.598±0.641 96, 相关系数为0.993; 吸收系数曲线的方差在3～4 Mm-1间, 不同粒径的颗粒对吸收系数存在着一定的影响; 随着粒径增加, 吸收系数随之增加。 开展了环境大气中NO2的测量, 选用0.2 μm的过滤膜滤除粉尘的干扰, 实验结果表明大气NO2浓度为16.4~61.6 μg·m-3, 平均浓度为41.1 μg·m-3。 为了证实测量系统的准确性, 与课题组自行研发的长光程差分吸收光谱系统(LP-DOAS)进行了对比测试, 测试结果显示了本光声光谱系统和LP-DOAS系统测量NO2浓度的相关性较好, 线性拟合后的斜率为1.011 78±0.040 13, 相关系数为0.947 81。 开展了环境大气中呼吸性粉尘的测量, 选用5 μm过滤片过滤环境大气, 通过“NO2+5 μm粉尘”和“NO2+0.2 μm粉尘”两路测量对象的差分测量, 得到了呼吸性粉尘的变化趋势, 可以满足自然悬浮状态下的呼吸性粉尘吸收系数实时测量。