DMT PAX光聲氣溶膠消光儀

該儀器由位于美國科羅拉多州博德市（Boulder,Colorado, USA）的粒子測量技術公司（Droplet Measurement Technologies,Inc.）制造。與PASS-3一樣，PAX不含慮膜，能快速、實時、連續(xù)、直接、精確地測量氣溶膠在870 納米、532 納米、或 405 納米波段的光吸收系數(shù)和光散射系數(shù)，進而得到消光系數(shù)、單次散射反照率和黑炭質量濃度。該儀器既可安裝在固定地點，也可以安裝在汽車、船舶、飛機等移動平臺上運行。

PAX 激光波段選擇：

Red (870nm)： 標準版-專門針對黑碳粒子的吸收特征設計。870nm激光（1.4W）對黑碳有極高的靈敏性，因為在此波段，氣體和非黑碳類氣溶膠物質相對吸收能力非常低。

Green (532 nm)： 測量可見光部分，專門針對能見度的影響；

Blue (405 nm)： 測量有機物或者棕色碳含量影響的吸收特性；散射系數(shù)針對細粒子和超細粒子；

技術優(yōu)勢

采用原位測量技術，無濾膜采樣，避免了數(shù)據(jù)中的人為污染；

在線直接同時測量光的吸收和散射特性，與黑碳質量濃度有關的吸收系數(shù)測量；

使用反式濁度技術，靈敏度極高，快速測量，時間分辨率達到1秒；

實時數(shù)據(jù)顯示；

寬動力學測量范圍，連續(xù)自動運行；

高分辨率液晶顯示屏，可實時顯示數(shù)據(jù)和儀器狀態(tài)；

應用范圍

PAX可應用于空氣質量和能見度監(jiān)測，大氣和氣候研究，健康研究，燃燒源排放及生物質燃燒等研究，也可用于清潔地區(qū)以及污染源采樣。 

應用案例

案例一

圖 1. 會議期間BC質量濃度的時間變化序列 

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2012年美國國家空氣質量監(jiān)測會議在丹佛召開期間，DMT的科學家Bruce Gandrud使用PAX連續(xù)監(jiān)測當時參展攤位的空氣質量。PAX監(jiān)測到早晨空氣中黑碳濃度的增加，圖1所示。黑碳濃度的升高由兩個因素造成：早晨以柴油為燃料的卡車運送貨物至賓館卸貨區(qū)和早晨大街上的交通增加。 

PAX在從丹佛到博德的途中也連續(xù)運行，BC在高速路的入口處(I-25)有明顯的高值出現(xiàn)；在44800秒時遇到暴風，可以看出BC有明顯的變化痕跡。見圖2。 

圖 3 描述了2012年夏季在落基山國家公園站點PAX運行記錄的數(shù)據(jù)小時平均值變化序列。

圖 4 展示了實驗室測量的生物質燃燒時吸收系數(shù)、散射系數(shù)和消光系數(shù)的變化情況。

案例二

2013 年 1 月 , 我國中東部地區(qū)發(fā)生持續(xù)性霧霾污染期間，湯莉莉等使用PAX和其它大氣環(huán)境監(jiān)測儀器觀測了污染期間大氣光學性質的變化情況.觀測期間大氣顆粒物平均散射系數(shù)為 329±140 Mm/1, 平均吸收系數(shù)為 32±16.7 Mm/1, 散射和吸收系數(shù)在消光系數(shù)的平均占比分別為 0.9±0.03 和 0.09±0.03。

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大氣顆粒物的散射、 吸收和消光系數(shù)均呈現(xiàn)出明顯的日變化特征(圖 2-2(g)~(i))。散射系數(shù)在 9:00~11:00和 18: 00~20: 00 出現(xiàn)高峰值，大氣顆粒物的散射系數(shù)在 12: 00~15: 00 會出現(xiàn)較低值。吸收系數(shù)與 BC 的日變化特征(圖 2(b))一致.大氣顆粒物消光與散射系數(shù)呈一致的日變化特征(圖 2(i)), 進一步反映出大氣顆粒物的消光系數(shù)主要是以散射系數(shù)的貢獻為主.

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如圖 2-4 所示, 大氣能見度隨 RH 的升高而逐漸降低,特別地, 當 RH > 80%時大氣能見度總體迅速降低,而 PM1 質量濃度變化幅度較小, 說明觀測期間 RH 對此次持續(xù)性霧霾中大氣能見度產生一定的影響 . 此外, 大氣顆粒物散射系數(shù)和 PM1 質量濃度與大氣能見度之間分別呈高度相關(r2 值分別為 0.96 和 0.90),而 PM1~2.5 (空氣動力學直徑為 1~2.5 m)質量濃度與大氣能見度間呈較低相關性(r2=0.20), 進一步表明此次霧霾天氣過程中 PM1 中二次組分質量濃度的增加會引起大氣能見度的衰減。

圖 2-4 大氣水平能見度(Vis.)與顆粒物散射系數(shù)(Sca.)、空氣相對濕度、 PM1 和 PM1~2.5 質量濃度相關性

技術指標(型號870nm)

同時測量氣溶膠的光吸收系數(shù)和光散射系數(shù)

附加參數(shù)：溫度、濕度、氣壓

推導參數(shù)：黑碳質量濃度、消光系數(shù)Bext、單次散射反照率SSA、露點溫度

測量范圍( 吸收系數(shù)和散射系數(shù)) ： <1(1/Mm) - 10,000 (1/Mm) (60 秒平均);

散射積分角度：6o–174o

激光調制頻率：1500 Hz (方波)

靈敏度：<1 (1/Mm)

響應時間：< 10 秒

樣本流量：1 lpm，流量控制：臨界氣孔，隔膜泵

標定粒子：吸收系數(shù)，使用強吸收性粒子，如氣燈燃燒后的黑煙或者黑色玻璃碳；散射系數(shù)，使用強散射性的粒子，如硫酸銨、PSL標準粒子（Dp:200-260nm）

標定周期：一般為6個月，或大型觀測前后

零氣沖洗：根據(jù)需要開啟，或者根據(jù)用戶設置的時間間隔（5, 15, 20, 30, 或 60 分鐘）自動切換。零氣由高效空氣過濾器產生。

一般維護內容：流量檢查、內腔玻璃窗口清洗（或更換）、更換耗材部件

前面板內容：彩色觸屏顯示、兩個USB接口、電源開關、用戶交互界面（觸屏或鍵盤）

后面板內容：進樣口(?英寸)、尾氣口（?英寸）、AC?DC電源接口、RS-232接口、網(wǎng)線接口、兩個BNC接入口、兩個BNC接出口

數(shù)據(jù)存儲時長：>200天

數(shù)據(jù)輸出：網(wǎng)線 100/10 Mbps, 或 RS-232 接口

電源： 90 - 264 V, 47 - 63 Hz (交流電) or 12 V（直流電），功率：45W

PAX維護控制程序（PMC）：基于LabVIEW編寫，用于儀器控制維護、數(shù)據(jù)回放存檔。計算機和PMC不影響儀器運行和操作

安裝PMC的計算機要求：Windows XP, Vista, or Windows 7，內存1G以上

工作環(huán)境：溫度，0 – 40 C; 相對濕度，0–90 %（非凝結）

尺寸：18 x 48 x 61 cm （可以安放在19 英寸標準儀器架內）

重量：18 kg

工作原理

PAX 使用一個調頻二極激光同時測量氣溶膠的光吸收系數(shù)和光散射系數(shù)。

采樣流量為1 L/min，經兩個臨界氣孔控制，由內置氣泵吸入儀器內部，然后分流為兩路氣流，一部分進入光聲共鳴腔用于測量吸收系數(shù)，另一部分進入濁度儀用于測量散射系數(shù)。

吸收系數(shù)的測量使用原位光聲技術。激光束直接通過氣溶膠束，并設置為隔音室的諧振頻率。吸收性物質會被加熱，并迅速把熱量傳導給周圍的空氣。周期性的加熱可以產生相應的氣壓振動，再傳播給高靈敏性的麥克風。系統(tǒng)會確定諧振質量因子，用于定量氣溶膠吸收系數(shù)。所有感應器均使用振動相的靈敏度檢測。

PAX使用寬積分角度的反式濁度計測量光散射系數(shù)。散射系數(shù)包括所有粒子，不區(qū)分粒子的化學成分、混合狀態(tài)、粒子形態(tài)。 

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參考文獻

湯莉莉, 張運江, 孫業(yè)樂 , 等. 南京持續(xù)霧霾天氣中亞微米細顆粒物化學組分及光學性質. 科學通報, 2014, 59: 1955–1966.

Moosmüller, H., Arnott, W. P., Rogers, C. F., Bowen, J. L., Gillies, J. A., Pierson, W. R., ... & Norbeck, J. M. (2001). Time-resolved characterization of diesel particulate emissions. 2. Instruments for elemental and organic carbon measurements. Environmental science & technology, 35(10), 1935-1942.

Lewis, K., Arnott, W. P., Moosmüller, H., & Wold, C. E. (2008). Strong spectral variation of biomass smoke light absorption and single scattering albedo observed with a novel dual-wavelength photoacoustic instrument. Journal of Geophysical research, 113(D16), D16203.

Lan, Z. J., Huang, X. F., Yu, K. Y., Sun, T. L., Zeng, L. W., & Hu, M. (2012). Light absorption of black carbon aerosol and its enhancement by mixing state in an urban atmosphere in South China. Atmospheric Environment.