DMT PAX光声气溶胶消光仪

该仪器由位于美国科罗拉多州博德市（Boulder,Colorado, USA）的粒子测量技术公司（Droplet Measurement Technologies,Inc.）制造。与PASS-3一样，PAX不含虑膜，能快速、实时、连续、直接、精确地测量气溶胶在870 纳米、532 纳米、或 405 纳米波段的光吸收系数和光散射系数，进而得到消光系数、单次散射反照率和黑炭质量浓度。该仪器既可安装在固定地点，也可以安装在汽车、船舶、飞机等移动平台上运行。

PAX 激光波段选择：

Red (870nm)： 标准版-专门针对黑碳粒子的吸收特征设计。870nm激光（1.4W）对黑碳有极高的灵敏性，因为在此波段，气体和非黑碳类气溶胶物质相对吸收能力非常低。

Green (532 nm)： 测量可见光部分，专门针对能见度的影响；

Blue (405 nm)： 测量有机物或者棕色碳含量影响的吸收特性；散射系数针对细粒子和超细粒子；

技术优势

采用原位测量技术，无滤膜采样，避免了数据中的人为污染；

在线直接同时测量光的吸收和散射特性，与黑碳质量浓度有关的吸收系数测量；

使用反式浊度技术，灵敏度极高，快速测量，时间分辨率达到1秒；

实时数据显示；

宽动力学测量范围，连续自动运行；

高分辨率液晶显示屏，可实时显示数据和仪器状态；

应用范围

PAX可应用于空气质量和能见度监测，大气和气候研究，健康研究，燃烧源排放及生物质燃烧等研究，也可用于清洁地区以及污染源采样。 

应用案例

案例一

图 1. 会议期间BC质量浓度的时间变化序列 

 

2012年美国国家空气质量监测会议在丹佛召开期间，DMT的科学家Bruce Gandrud使用PAX连续监测当时参展摊位的空气质量。PAX监测到早晨空气中黑碳浓度的增加，图1所示。黑碳浓度的升高由两个因素造成：早晨以柴油为燃料的卡车运送货物至宾馆卸货区和早晨大街上的交通增加。 

PAX在从丹佛到博德的途中也连续运行，BC在高速路的入口处(I-25)有明显的高值出现；在44800秒时遇到暴风，可以看出BC有明显的变化痕迹。见图2。 

图 3 描述了2012年夏季在落基山国家公园站点PAX运行记录的数据小时平均值变化序列。

图 4 展示了实验室测量的生物质燃烧时吸收系数、散射系数和消光系数的变化情况。

案例二

2013 年 1 月 , 我国中东部地区发生持续性雾霾污染期间，汤莉莉等使用PAX和其它大气环境监测仪器观测了污染期间大气光学性质的变化情况.观测期间大气颗粒物平均散射系数为 329±140 Mm/1, 平均吸收系数为 32±16.7 Mm/1, 散射和吸收系数在消光系数的平均占比分别为 0.9±0.03 和 0.09±0.03。

 

 

大气颗粒物的散射、 吸收和消光系数均呈现出明显的日变化特征(图 2-2(g)~(i))。散射系数在 9:00~11:00和 18: 00~20: 00 出现高峰值，大气颗粒物的散射系数在 12: 00~15: 00 会出现较低值。吸收系数与 BC 的日变化特征(图 2(b))一致.大气颗粒物消光与散射系数呈一致的日变化特征(图 2(i)), 进一步反映出大气颗粒物的消光系数主要是以散射系数的贡献为主.

 

如图 2-4 所示, 大气能见度随 RH 的升高而逐渐降低,特别地, 当 RH > 80%时大气能见度总体迅速降低,而 PM1 质量浓度变化幅度较小, 说明观测期间 RH 对此次持续性雾霾中大气能见度产生一定的影响 . 此外, 大气颗粒物散射系数和 PM1 质量浓度与大气能见度之间分别呈高度相关(r2 值分别为 0.96 和 0.90),而 PM1~2.5 (空气动力学直径为 1~2.5 m)质量浓度与大气能见度间呈较低相关性(r2=0.20), 进一步表明此次雾霾天气过程中 PM1 中二次组分质量浓度的增加会引起大气能见度的衰减。

图 2-4 大气水平能见度(Vis.)与颗粒物散射系数(Sca.)、空气相对湿度、 PM1 和 PM1~2.5 质量浓度相关性

技术指标(型号870nm)

同时测量气溶胶的光吸收系数和光散射系数

附加参数：温度、湿度、气压

推导参数：黑碳质量浓度、消光系数Bext、单次散射反照率SSA、露点温度

测量范围( 吸收系数和散射系数) ： <1(1/Mm) - 10,000 (1/Mm) (60 秒平均);

散射积分角度：6o–174o

激光调制频率：1500 Hz (方波)

灵敏度：<1 (1/Mm)

响应时间：< 10 秒

样本流量：1 lpm，流量控制：临界气孔，隔膜泵

标定粒子：吸收系数，使用强吸收性粒子，如气灯燃烧后的黑烟或者黑色玻璃碳；散射系数，使用强散射性的粒子，如硫酸铵、PSL标准粒子（Dp:200-260nm）

标定周期：一般为6个月，或大型观测前后

零气冲洗：根据需要开启，或者根据用户设置的时间间隔（5, 15, 20, 30, 或 60 分钟）自动切换。零气由高效空气过滤器产生。

一般维护内容：流量检查、内腔玻璃窗口清洗（或更换）、更换耗材部件

前面板内容：彩色触屏显示、两个USB接口、电源开关、用户交互界面（触屏或键盘）

后面板内容：进样口(¼英寸)、尾气口（¼英寸）、AC⁄DC电源接口、RS-232接口、网线接口、两个BNC接入口、两个BNC接出口

数据存储时长：>200天

数据输出：网线 100/10 Mbps, 或 RS-232 接口

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

PAX维护控制程序（PMC）：基于LabVIEW编写，用于仪器控制维护、数据回放存档。计算机和PMC不影响仪器运行和操作

安装PMC的计算机要求：Windows XP, Vista, or Windows 7，内存1G以上

工作环境：温度，0 – 40 C; 相对湿度，0–90 %（非凝结）

尺寸：18 x 48 x 61 cm （可以安放在19 英寸标准仪器架内）

重量：18 kg

工作原理

PAX 使用一个调频二极激光同时测量气溶胶的光吸收系数和光散射系数。

采样流量为1 L/min，经两个临界气孔控制，由内置气泵吸入仪器内部，然后分流为两路气流，一部分进入光声共鸣腔用于测量吸收系数，另一部分进入浊度仪用于测量散射系数。

吸收系数的测量使用原位光声技术。激光束直接通过气溶胶束，并设置为隔音室的谐振频率。吸收性物质会被加热，并迅速把热量传导给周围的空气。周期性的加热可以产生相应的气压振动，再传播给高灵敏性的麦克风。系统会确定谐振质量因子，用于定量气溶胶吸收系数。所有感应器均使用振动相的灵敏度检测。

PAX使用宽积分角度的反式浊度计测量光散射系数。散射系数包括所有粒子，不区分粒子的化学成分、混合状态、粒子形态。 

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参考文献

汤莉莉, 张运江, 孙业乐 , 等. 南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质. 科学通报, 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.