可吸入粒度的气溶胶前后半球同时存在的弹性光的散射模式外文翻译资料

 2022-12-16 11:12

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可吸入粒度的气溶胶前后半球同时存在的弹性光的散射模式

Gustavo E. Fernandes, Yong-Le Pan, and Richard K. Chang

康涅狄格州纽黑文耶鲁大学应用物理和激光诊断中心06520-8284

Kevin Aptowicz

宾夕法尼亚州 西切斯特，西切斯特大学，物理系，19383

Ronald G. Pinnick

美国马里兰州，阿德尔菲，陆军研究实验室20783

用椭球反射罩和增强型CCD探测器从前半球15 ° lt; 0 lt; 90°和后半球90 ° lt; 0 lt; 165°同时测量气溶胶的二维角光学散射（检测63%4u sr的散射光）。TAOS模式自聚苯乙烯乳胶球（单体和聚集体）和单芽孢杆菌芽孢中取得。这些信息丰富的模式，采用了单脉冲激光测量飞行的单体颗粒，表明前TAOS和后TAOS的测量可用于单个气溶胶粒子的快速分类。2006美国光学学会。

OCIS codes: 010.1100, 010.1110, 010.1310, 000.1430, 290.1310, 290.5850.

空气中呼吸范围内的颗粒（直径1-10mu;m）对气候学和人类健康1-4这些领域来说很重要。近年，由于TAOS对粒子的形态和复折射率的敏感性，二维角光学散射[TAOS,Is一直被作为快速界定生物战和其他气溶胶5-8的工具被调查研究。TAOS可能提供从其他实时气溶胶测量技术萃取的互补性信息，例如单个颗粒荧光9，10或激光诱导分解光谱11。最近的实验5-7分别测量了前半球(F-TAOS)和后半球(B-TAOS)的气溶胶TAOS模式。两个案例中，都用椭球反射罩收集前半球7(F-TAOS) 和、后半球5，6(B-TAOS) 和散射强度大立体角。F-TAOS测量是在水滴、盐晶体、标准颗粒 (PSL) 圆球、枯草芽孢杆菌（BG）孢子和具有相对简单的几何形状的其他颗粒上进行的。B-TAOS测量液滴（水、D2O和邻苯二甲酸二辛酯）PSL球聚集体，和几个不同的几何形状的生物颗粒的聚集体5，6。TAOS模式获取了常规中包含的许多特点（斑点和群岛）。在F-TAOS 和B-TAOS两个案例中都尝试从它们的散射模式提取有关颗粒几何形状的信息和折射率。但是，反演结果一般是不能让人信服的。

在我们提出的这封信中，我们第一次认识到，TAOS结果在前后半球(FB-TAOS)同时收集。在单一测量中，通过结合前后半球的散射模式，我们已经增加了角度范围和减少phi;的角度范围，但这些信息对于球形颗粒是多余的。乍一看B-TAOS比F-TAOS看起来存在更多的高频特性。然而，这是由一个较弱的B-TAOS信号（相对于较明亮的F-TAOS信号）探测器的噪声而产生的假象。

对于直径1-10micro;m的颗粒，要解决目前散射图案的平均特征尺寸（连续强度峰谷间的距离）不需要全面增强型的CCD（ICCD）分辨率（1024x1024像素）。例如，由一个5micro;m的球形水滴产生的两个连续强度最大值约被10°隔开。对于单个球体TAOS测量5，6，散射模式是从1024 x 1024像素的探测器在中约90°范围收集的。每个峰值具有约512 / 9，或57像素的分辨率。对于双球TAOS测量，对每个半球使用的512X1024像素部分足够记录小至3%（1/28.5）主要强度峰值的线形变化。

我们在以照明几何为依据的新组态（如图1所示）中采用了椭球反射罩。颗粒通过顶部孔洞进入反射罩并沿Y轴向下游走。散射活动发生在图1的第一个焦点（F1）。在前后半球收集弹性散射强度的体系同时配有椭球反射罩和CCD探测器。球面坐标角和被定义为沿着Z方向的激光光束和沿着X方向的反射罩对称轴。椭球反射罩。颗粒散射的大部分光线（63%的4pi; sr）被反射罩截获并投射到ICCD探测器上。ICCD的一般探测后散射模式，另一半探测前散射模式。TAOS测量15°＜＜165°范围的方位散射角和覆盖近前后散射360°和近90°子午线200度的极角。探测器有五孔洞作为激光束、触发光束和颗粒的通道。

对于高质量的TAOS数据，测量时椭球反射罩F1焦点的颗粒位置是相对至关重要的。紧紧聚焦在CW TEM00二极管激光的（微激光系统，波长在635和685 nm）的双交叉限制了触发量（20mu;m X20mu;m X20mu;m集中在F1。当颗粒通过两个二级管激光的交叉点（也就是触发量）散射光线由2个光电倍增管探测（在每一个二级管激光波长上都装有干扰滤波器）。光电倍增器管的输出需要超过临界值，还需要在AND线路发出脉冲触发以下前保持一致：1Nd YAG激光（光谱物理，X-30）发射532纳秒30纳米脉冲(二次谐波)来照亮粒子；2ICCD探测器记录散射强度分布；3用来触发的两个激光二极管没有脉冲，所以不在ICCD上产生不必要的噪音。因为颗粒通过F1的速度低于5m/s,在激光脉动期间(30ns)颗粒的运动低于0.15mu;m，这比颗粒的尺寸小多了。我们假设粒子在TAOS测量中是静止的。气溶胶由喷墨气溶胶发生器产生(IJAG)。12TAOS记录在ICCD上ZCCD和YCCD上的卡迪尔坐标转换成图1中的颗粒坐标和。测量到的强度I (， ) 被绘制在2个单独的部分，与前半球15 ° lt; 0 lt; 90°和后半球90 ° lt; 0 lt; 165°相对应，如图2所示。

图2同时记录了前后半球的（a）-（d）PSL球簇（直径1.44mu;m）和（e）-（h）单个BG孢子.每个例子都由单个30ns激光脉冲0.523mu;m照明。前后半球模式中的内黑圈的边缘分别对应=15°和=165°. 在模式的顶部和底部的最外层的曲线边缘对应=90°.为了使他们的强度将跨越整个灰色规模范围，分别常化了每个模式。相比之下，前半球测量的峰值强度。

图2（a）-2（h）显示了为直径是1.44mu;m的PSL球簇测量的F-TAOS和B-TAOS模式，图2（e）-2（h）是单枯草芽孢杆菌孢子。IJAG的PSL球每簇的平均数随着喷墨产生的液滴你读变化而变化（直径约50mu;m）。不同PLS浓度的液滴提供给不同的球簇尺寸。一些有代表性的样品随后收集用于扫描电子显微镜观察。图2（a）-2（d）样品的球簇颗粒平均数为1plusmn;0.7, 2plusmn;1.4,

5plusmn;2.2, 10plusmn;3.2。为每个球簇尺寸测量了许多TAOS模式。每次激光射击，相对于激光束轴的粒子的方向是随机的，但每组F-TAOS和B-TAOS模式的方向都是一样的。图2（a）中的模式对应单个PSL球。F-TAOS中的=0°方向的同心环比B-TAOS中=180°的要明显。0°和75°之间的强度最大值的数值和位置与Mie理论的预测相符。前半球的弹性散射强度比后半球的强。在前半球探测到的单个PSL球簇(1.44mu;m)的峰值强度是后半球的80倍。这种差异完全在使用的ICCD探测器的动态量程内(约1000)。因此前半球的ICCD中性密度滤光片的衰减是不必要的。在图2中显示记录的F-TAOS和B-TAOS，分别常化了前后半球的图像，以便其强度将跨越整个256 灰色规模范围自黑色（最小值）到白色（最大值）。对比了一下F-TAOS和B-TAOS中的特点数15（群岛和斑点）。通过采用MATLAB对比，包含以下几个步骤：1为了使他们的强度值将跨越整个灰色规模范围，分别常化了前后半球模式；2图像采用了55像素的中值滤波器来降低高频背景噪音；3MATLAB功能imextendedmax用来在图像中寻找扩展局部最大值；4步骤3的图像转变成二进制图像以及MATLAB常规regionprop被用于计算出现在每个图像的扩展最大值数量。应用于数据集中100图像的步骤对应大约为1-4PSL球簇和单BG孢子。计算计数总和平均数（前后相加）和前后平均计数率（后半球平均计数除以前半球数技术）但是我们发现这些平均值的标准偏差太高使我们得不出任何有意义的结论。在这些数字中，有几个因素导致大的标准偏差。首先，因为我们正在处理一个小数量的粒子群，每个簇的粒子不确定性很大[Sqrt(N), 对于一个泊松分布，其中氮是在集群中的粒子的平均数量]。第二，群簇的方向随着激光束变化，并在前后半球产生不同群岛分布的模式。此外，上述步骤取决于在设置上将灰度图像转换成二进制图像（黑色是谷白色是峰），且由于模式特点对应群岛，在处理前需依赖一个受训过的预测。

总之，我们阐述了一个新）组态可在前后半球(BF-TAOS)同时测量飞行气溶胶粒子的二维角分辨弹性散射。前后半球(BF-TAOS)可对单个聚苯乙烯乳胶球簇和单枯草芽孢杆菌单集群（BG）的孢子进行测量。前后半球BF-TAOS模式特征分析尝试采用群岛计数程序，但结果显示的标准偏差过大，无法得出进一步出结论。我们目前正在通过采用一个带新设计定制的椭球反射罩来努力改善我们的测量质量，它不易发生扭曲。

我们感谢史蒂芬C.希尔和博特V.布朗克的的支持和有益的探讨，以及杰罗德R.Bottiger提供IJAG的使用。我们通过联系F33615-02-6066.自美国空军研究实验室获得部分支持。古斯塔沃 E. 费尔南德斯的邮箱gustavo.fernandes@yale.edu.

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minimum dark current achievable is

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15. S. Holler, Y. L. Pan, J. R. Bottiger, S. C. Hill, D. B.

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