1、自选光电测量仪器 翟晴飞 2008202466n一、光电仪器探测原理n二、气象中应用的光电仪器n三、DOAS仪器数据范例及分析一、光电仪器探测原理n光电探测器种类繁多,不胜枚举。原则上讲,只要受到光照射后其物理性质会发生变化的任何材料都可用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的。n光电效应:光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。n光电效应分为两类：内光电效应和外光电效应外光电效应n电真空器件中的光电管或光电倍增管是利用外光电效应工作的,即人射光子打在阴极材料上,将其内部电子轰击出来形成光电流,它随人射光强改变,从而可检测出
2、光信号。光电倍增管n光电仪器中的一个核心的东西就是光电倍增管，它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。n光电倍增管由1个光阴极K和多个倍增电极D1、D2、D3(通常称为打拿极)以及阳极A构成,在阳极和阴极之间加高压,各个打拿极上由分压电阻给出一极比一极高的电位。光电倍增管工作原理n光阴极K把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上，在各打拿极 D1、D2、D3和阳极阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1，这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更
3、多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后,在高电位的阳极收集到放大了的光电流。n光电倍增管被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。光电倍增管有两个缺点缺点：灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；光阴极表面各点灵敏度不均匀。内光电效应n半导体光电器件包括光敏电阻,光电池,光电二极管,光电三极管,雪崩光电二极管等利用的是内光电效应。n内光电效应和外光电效应的区别在于人射光子并不直接将光电
4、子从光电材料内部轰击出来,而只是将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态,于是在低能态留下一个空位空穴,而在高能态上产生一个能自由移动的电子这样一对由人射光子所激发产生的电子一空穴对,称为光生电子。空穴对光生电子空穴对虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的导电性能如果设法检测出这种性能的改变,就可探测出光信号的变化。雪崩光电二极管n在反向偏置二极管的耗尽层中,存在着一相当强的电场，反向偏置电压越高,耗尽层中电场强度越大，如果耗尽层中的电场强度达到非常高时,在耗尽层中的光生电子和空穴会被强电场加速而获得巨大的动能,它们将与其他的原子发生碰撞而激发产生新的二次碰撞电离的电子空穴对。这些新产生
5、的电子空穴对反过来又在耗尽层中被强电场加速而获得足够的动能,再一次又与其他原子发生碰撞电离而激发产生更多的电子空穴对这样的碰撞电离一个接一个地不断发生,就形成所谓“雪崩”倍增现象,使光电流放大。气象中应用的光电仪器n太阳光谱的光电探测：常用仪器有太阳光度计，光电接收方面如波长及相对能量的光谱仪，总辐射表，净辐射表等。n气溶胶粒子的光电探测：常用仪器为凝结核计数器。n化学成分的光电探测：常用仪器TE、DOAS。nTE:全称为Thermo Environmental Instrument Ine.是世界领先的分析仪器研发和制造公司。其提供的产品，扩大了个别的气态污染物分析仪的标准，包括涵盖范围广泛
6、的微粒监测，有毒气体传感器，挥发性有机化合物含量分析仪和完整的环境监测系统。nDOAS：长光程差分吸收光谱（stands for Differential Optical Absorption Spectroscopy）系统。自选光电仪器介绍长光程差分吸收光谱长光程差分吸收光谱法痕量气体检测仪（长光程法痕量气体检测仪（长光程DOAS仪）仪）n差分吸收光谱技术（DOAS）系统被誉为远距离监测的尖端技术，是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收光谱为基础，通过特征吸收光谱鉴别大气中污染气体的类型和浓度，因此适用于在该波段有特征吸收的气体分子。如标准污染物NO2、SO2、NO、O3和芳香族
7、有机物苯、甲苯、间、邻、对二甲苯、甲醛等。n整套试验装置是由电源，氙灯，望远镜，角反射镜，光谱仪和分析系统组成。长光程长光程DOAS仪仪器特点仪仪器特点n高灵敏度，足以探测到极低浓度的痕量气体（ppb级）n高区分能力，能够区别多成分混合物中的不同物质；实现定量分析，至少实现对于混合物中指定化合物的监测。n用一个仪器实现多种化合物的同时监测（30余种气体）。n大的动态范围，利用相同的仪器即能实现低浓度的监测，又能完成高浓度的监测。n高的时间分辨率，能够实现在线监测。n轻便，适用于现场监测和远程探测。n无需采样，可实现开放大气中的非接触测量。差分吸收光谱法原理n差分吸收光谱技术(DOAS)是一种光
8、谱监测技术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度来推演气体的浓度。nDOAS以Lambert一Beer定律为基础,“差分”的概念是将气体的吸收截面分为随波长的慢变化部分如分子瑞利散射、米氏散射等和快变化部分即分子的窄带吸收。通过多项式拟合高通滤波方法去除光谱中的慢变化部分,剩下的是由于分子的窄带吸收造成的光衰减。由于Lambert一Beer定律具有线性性质,空气中诸多气体的吸收可看作是线性叠加,故可采用最小二乘拟合方法,用气体标准差分吸收截面对测量得到的差分吸收光谱进行拟合,反演出大气中气体的浓度。DOAS数据范例及处理分析n数据范例采用来自气象楼
9、12楼的DOAS仪器所测量的2008年4月1日至2008年9月30日O3、SO2、NO2三种气体的浓度值。n经过数据处理做出了O3、SO2 和NO2 2008年4月到2008年9月的时间序列图，日变化及季节变化对比图。利用Fortran程序求相关系数n由于协方差的估计量是：方差的估计量是：所以取相关系数Corr(X,Y)的估计为：多数情况下，样本相关系数取区间(1,1)中的一个值。相关系数的绝对值越大，表明X和Y之间存在的关系越接近线性关系。niiiXYYYXXn1)(11niiYYniiXXYYnXXn1212)(11,)(11niiniiniiiYYXXXYXYYYXXYYXX12121)()()(n利用Fortran程序求出O3和NO2的相关系数为-0.3616（通过显著性检验），SO2和NO2的相关系数为0.646（正相关性很好），O3和SO2的相关系数为-0.15（相关性不理想说明SO2对O3的产生没什么贡献）DOAS测量结果绘图n2008年4月到2008年9月O3、SO2 和NO2 浓度的时间序列图O3、SO2和和NO2浓度日变化特征及其相互关浓度日变化特征及其相互关系系NO2浓度的春夏季对比习题n1、NO2产生O3的机理是什么？n2、光电倍增管的工作原理是什么？谢谢！谢谢！
