仪器概述

连续气流扩散云室-冰核活化谱仪（英文名：Continuous Flow Diffusion Chamber – Ice Activation Spectrometer - Ground；缩写：CFDC-IAS-G）可准实时地测量冰核粒子，并将人为干扰降至最低。该仪器由美国Handix Scientific LLC （Boulder, Colorado, USA）制造。基于冰核粒子长期测量的最新成功纪录，CFDC-IAS-G设计了自动运行等特色功能，使其能够在实验室研究和外场观测中稳定运行，提供可靠的数据。

仪器实物

CFDC-IAS-G.jpg

技术优势

  1. 圆筒形云室设计，可以最大程度降低边隙效应；
  2. 云室测量范围：温度约-10℃到-40℃，相对湿度约为80%至108%；
  3. 采用液体制冷系统，提供高度稳定和分布一致的温度；
  4. 灵敏度约为1个/升；

应用范围

  1. 实验室冰核特性研究；
  2. 外场大气冰核测量；
  3. 云-气溶胶相互作用；
  4. 气候研究；
  5. 人工影响天气和播云作业。

应用案例

仪器初始测试过程中，使大型设备测量装置产生的冰核粒子数浓度。冰核粒子的背景浓度低于2/L。此样气中冰核数浓度为20-30/L，其值高于一般大气中冰核数浓度的观测值。测量平均时间为5分钟。

CFDC-IAS-G.measure.jpg

技术指标

  1. 粒子测量范围：1-2.5μm（取决于气路上游粒子撞击器型号）；
  2. 灵敏度：σ(300s)=1#/L
  3. 最大测量范围：约500#/L（取决于粒子性质）；
  4. 采样流量：1.5LPM；
  5. 响应时间：约3-5分钟；
  6. 鞘气：氮气，15PSI；
  7. 活化液体：去离子水（~4L）；
  8. 冷却液体：乙醇（~12L）
  9. 电源：110-230 VAC，50/60 Hz，6000W（峰值）；
  10. 通信接口：8-wire，RJ-45，10/100 BASE-T，TCP/IP
  11. 存储：内置计算机，2T
  12. 尺寸：26 x 50 x 60英寸
  13. 重量：约225 kg
  14. 工作环境：温度，5-30℃; 相对湿度，无凝结

结构与原理

CFDC-IAS-G.theory.jpg

CFDC将采集的气溶胶置于可控制的温度和饱和水汽环境中，使其达到观测发现的混合相云中同等的条件。CFDC包含两个表面覆盖有冰层的铜质圆筒，但分别保持不同的低温，由此在两层圆筒之间形成温度和水汽梯度。由于水汽和热量的扩散速率不同，在两层圆筒之间形成冰面过饱和区域，并随温度梯度大小而变化。进入此区域的气溶胶，或被直接活化为冰晶（凝华过程），或被活化为过冷水滴再结冰（凝结/冷冻过程）。在过饱和区域形成的粒子经过蒸发区域，去除液滴，以尽可能消除不确定性，最后将筛选出的冰晶导入光学计数器检测。

CFDC测量云室的结构示意图。左图为同轴的两个圆筒，蓝色为温度较低的内层，表面附着冰层；红色为温度相对较高的外层。右图表示液滴和冰晶经过云室不同区域的增长过程。只有长大的冰晶和小粒径的气溶胶能够到达光学计数器。

参考文献

  1. Creamean, J. M., K. J. Suski, D. Rosenfeld, A. Cazorla, P. J. DeMott, R. C. Sullivan, A.B. White, F. M. Ralph, P. Minnis, J. M. Comstock, J. M. Tomlinson, and K. A. Prather, Dust and biological aerosols from the Sahara and Asia influence precipitation in the western US, Science, 339, 1572-1578, 2013.
  2. Petters, M. D., M. T. Parsons, A. J. Prenni, P. J. DeMott, S. M. Kreidenweis, C. M.Carrico, A. P. Sullivan, G. R. McMeeking, E. Levin, C. E. Wold, J. L. Collett, Jr., and H.Moosmüller, Ice nuclei emissions from biomass burning, Journal of GeophysicalResearch, 10.1029/2008JD011532, 2009.