szálló por szennyeződés valós idejűvizsgálatára alkalmas...

Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

A légköri aeroszol kutatások jelentősége és legfontosabb motivációi

Légköri aeroszol típusok, jellemzésük

Valós idejű mérőműszerek

Spektrális sajátosságok mérése

Abszorpció

Aethalometer

MAAP

PAS

Szórás

Nephelometer

Méreteleoszlás

SMPS

OPC

EC/OC arány meghatározás

QC-EC/OC analyzer

Szálló por szennyeződés valós idejű vizsgálatára alkalmas mérőműszerek és alkalmazásaik

Légköri aeroszol típusok,keletkezésük és jellemzésük

Aeroszol: valamely gáznemű közegben finoman eloszlatottszilárd és/vagy cseppfolyós részecskék kolloid rendszer

Jellemzés:

Eredet Természetes

Mesterséges

Képződési mechanizmus

Másodlagos

Elsődleges

Konvekció

Kilökődés

Beszáradás, csepfelkapás stb..

Gócképződés

Abszorpció Kémiai összetétel

Mikorfizikai tulajdonságokMéreteloszlás, szám, és tömeg szerinti koncentráció

Spektrális sajátosságok Élettani hatások

Légköri aeroszol típusok,keletkezésük és jellemzésük

Fizikai, kémiai, biológiai jellemzésük

Légköri aeroszol típusok,keletkezésük és jellemzésük

Légköri aeroszol típusok,keletkezésük és jellemzésük

Mérőműszerek

Spektrális sajátosságok mérése

Abszorpció

Aethalometer

MAAP

PAS

Szórás

Nephelometer

Méreteleoszlás

SMPS

OPC

EC/OC arány meghatározás

QC-EC/OC analyzer

Aethalometer, PSAP

Aethalometer, PSAP

Fényforrás intenzitása

Filter spektrál-átviteli karakterisztikája

Optikai elemek spektrál-átviteli karakterisztikája

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

))(21exp)1()cos(()( 2

2

S

Multi Angle Absorption Photometer (MAAP)

Photoacoustic Spectrometer (PAS)

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

Fotoakusztikus jelkeltés

A BSO RPTIO N O F PERIO D ICA LLY

MO D U LATED LIG H T

N O N -RA D IATIV ERELA X ATIO N

PERIO D IC VA RIATIO NO F TH E TEMPERATU RE

PERIO D IC PRESSU RE VA RIATIO N

(SO U N D )

MO LECU LES IN EX CITEDSTATE

A gerjesztett aeroszolok térfogatiabszorberként viselkednek. A

fotoakusztikus jel nagysága nem a gerjesztett elekronátmenetek átmeneti

valószínűségével, hanem az aeroszolelegyabszorpciós hatáskeresztmetszetével arányos.

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

A fotoakusztikus jelkeltés nagysága

S: A fotoakusztikus jel [V]Pλ: A gerjesztő fényforrás fényteljesítménye [W]M: Mikrofon érzékenység [V/Pa]C: Kamraállandó [Pa/m-1/W]α0: fajlagos abszorpciós koefficiens [m2/g]c: Koncentráció [g/m3]F: Fotoakusztikus kvantumhatásfokAb: Háttérjel

α: abszorpció [m-1]

α, c és független abszorpció-szelektív koncentrációmérésesetén α0 is meghatározható ha az egyenletben szereplőmennyiségek S, α0, és c értékek kivételével ismert állandók

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

Fotoakusztikus háttérjelKamrakonstans Fotoakusztikus kvantumhatásfokFényteljesítmény

Értéke 0 és 1 között változhat kifejezi,hogy az abszorpció indukált energia hányadrésze fordítódik jelkeltésre

A mintatéren áthaladó fényneka kamra ablakán való elnyelődésből, ésa mintatér és a mikrofon falán történő

szóródásából származik.

A priori nem ismert.Kalibrációs mérések

segítségévelmeghatározható

A gerjesztő fényforrásintenzitásának fluktuációja

a mért abszorpció értékfluktuációjaként jelentkezik

A mért fotoakusztikus jel adott időponthoz tartozó (Sact) értékét szorozva a Pλ,ini/Pλ,act értékekkel a lézerteljesítmény fluktuációjának a fotoakusztikus jelre gyakorolt hatása megszűntethető

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

Fotoakusztikus rendszerek kalibrációja

Kalibrációval meghatározható. Megadja a fotoakusztikusrendszer válaszát egységnyi gerjesztés és optikai abszorpció esetén.

Gáz-fázisú kalibráció Aeroszol-fázisú kalibráció

Összetétel és méretfüggő.Az aeroszol-fázisú kalibráció által meghatározott

kamrakonstans a mért aeroszolelegy un.ekvivalens korom koncentrációját/abszorpcióját

adja meg.

Ekvivalens korom abszorpció:A mért aeroszol abszorpció egyenlő

annak az aeroszolnak az abszorpciójával,amely fizikai és kémiai tulajdonságai

a kalibráló aeroszoléval egyezőés ugyanakkora jelet ad a mintatérben, mint a kalibráló aeroszol.

Abszolút abszorpció mérést tesz lehetővé Termális relaxáció

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

Háttérjel ingadozás csökkentése

Fotoakusztikus háttérjel

A koncentráció/kémiai összetétel gyors változásának nyomon követéséhez folyamatos,míg rövidebb időfelbontású mérésekhez szakaszos háttérmérés szükséges

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

KvantumhatásfokAz F tag értéke 0 és 1 között változhat,

a gerjesztés paraméterei és a vizsgált minta fizikaitulajdonságainak függvényében. Értékét, adott gerjesztés mellett,

a vizsgált aeroszol minta méreteloszlása (termális relaxáció) és/vagy illékonyilletve szemi-illékony komponenseinek aránya határozza meg

termális relaxáció

Ha a periodikus –ν frekvenciájú– gerjesztés során a gerjesztett állapotban lévő részecske hőleadására jellemzőrelaxációs időállandó (τ) összemérhető vagy nagyobb, mint gerjesztés periódusideje, akkor a fotoakusztikus jel nagysága k-ad részére csökken, és modulációs frekvencia és a mikrofon jel között Θ fáziskésés lép (thermális relaxáció).

)exp(211

iki

k a

particlepparticlecr

3

2

SVOC, VOC

A felvett energia átadása nem csak hővezetés, hanem párolgás útján is történhet. Ebben az esetben a fotoakusztikus jelkeltés kvantumhatásfoka változik a gerjesztés során. A halmazállapot változásához szükséges energiát a gerjesztés fedezi, így a kvantumhatásfok csökken, ugyanakkor az elpárolgott komponensek a mintatér parciális nyomását növelik, ami a kvantumhatásfok növekedését eredményezi.

A fotoakusztikus mérőrendszer általános felépítése

Fényforrás

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

Mérőkamra

Gázkezelés

Jelfeldolgozás

CO2, CO, gázlézerek Félvezető QC lézerek

LLéégkgkööri aeroszolok optikai tulajdonsri aeroszolok optikai tulajdonsáágainak vizsggainak vizsgáálata II. lata II. Fotoakusztikus spektroszkFotoakusztikus spektroszkóópiapia

MuWaPaS

Laboratóriumi változatTerepi változat

Alkalmazások (Abszorpció)

Kalibráció és tesztmérésekInstitute for Meteorology and Climate Research

Atmospheric Aerosol Research (IMK-AAF)

Kalibráció és tesztmérések

200 400 600 800 10000,1

1

10

DM

A D

M m

ódsz

er 5

50nm

-es h

ullá

mho

sszá

ra n

orm

ált n

orm

ált o

ptik

ai a

bszo

rpci

ó

Hullámhossz [nm]

Angström együttható: 1.24 ± 0.08

mini-CAST korom C/O 0,29 PAS

200 400 600 800 1000

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Opt

ikai

abs

zorp

ció

[cm

-1]

Hullámhossz [nm]

mini-Cast korom Palas GFG 1000 korom Szahara homok

Az AE31 legrövidebb működési hullámhossza

Mini-Cast korom aeroszol hullámhosszfüggésének meghatározása

Szerves, szervetlen-korom, ásványi porAbszorpciós spektrumának meghatározása

Kalibráció és tesztmérések

400 600 800 1000

5

10

15

20

2530

Nor

mál

t opt

ikai

abs

zorp

ció

[Mm

-1]

Hullámhossz [nm]

Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)

PASS-37λ-Aethalometer

Kalibráció és tesztmérések

)ln()ln())(ln())(ln(),(

21

2121

AAE

400 600 800 1000

5

10

15

20

2530

Nor

mál

t opt

ikai

abs

zorp

ció

[Mm

-1]

Hullámhossz [nm]

Grafit (AAE=1.05) Cseh barnaszén (AAE=1.37) Orosz feketeszén (AAE=1.23) Faszén (AAE=1.15)

PASS-37λ-Aethalometer

400 600 800 1000

5

10

15

20

2530

Nor

mál

t opt

ikai

abs

zorp

ció

[Mm

-1]

Hullámhossz [nm]

Grafit Cseh barnaszén Orosz feketeszén Faszén

Ångström exponens

GrafitCseh barna szén

Orosz fekete szén

Faszén

1064-355nm 1,15±0,01 1,37±0,03 1,23±0,04 1,05±0,0

9

355-266nm 1,15±0,01 1,66 2,05 2,05

400 600 800 1000

5

10

15

20

2530

Nor

mál

t opt

ikai

abs

zorp

ció

[Mm

-1]

Hullámhossz [nm]

Grafit Cseh barnaszén Orosz feketeszén Faszén

250 500 750 10001E-3

0,01

0,1

1

10

Hoffer et al, daytime Amazomian sample Hoffer et al, nighttime Amazonian sample Dinar et al, CRD

Mas

s abs

orpt

ion

coef

ficie

nt (m

2 /g)

Wavelength (nm)

4-PAS

HULIS (Humic-Like Substancies) aeroszol

AAE532-1064/AAE532-355, mint forrásindikátor(terepi mérések )

Gázfázis - AbszorpcióMódus(méret)-Abszorpció

Elemösszetétel-Abszorpció

Méreteloszlásmérő műszerek

Méreteloszlásmérő műszerek

Méreteloszlásmérő műszerek

Szórásmérő

Szórásmérő