Gerdien探針測(cè)量大氣電導(dǎo)率的原理與驗(yàn)證

1、Gerdien探針測(cè)量大氣電導(dǎo)率的原理與驗(yàn)證    關(guān)鍵詞： 大氣電導(dǎo)率；Gerdien電導(dǎo)率儀；大氣探測(cè)0 引言 大氣電導(dǎo)率主要是由于銀河系宇宙射線電離，在接近陸地表面的區(qū)域，電離的主要來(lái)源是放射性礦物和從土壤中釋放的放射性氣體產(chǎn)生的核輻射（BRICARD，1965）1。 在1905年，Gerdien首次證明，用一同軸圓柱形電容器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣電導(dǎo)率、離子濃度和遷移率的直接測(cè)量。50年代以來(lái)，隨著高阻抗放大器的出現(xiàn)，這種以Gerdien名字命名的電容探針及其各種改進(jìn)型被廣泛地用于大氣電學(xué)參數(shù)的直接探測(cè)，成為大氣電學(xué)特質(zhì)研究的重要手段。 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)

2、狀 電導(dǎo)率作為電磁場(chǎng)麥克斯韋方程組的基本電參量，反映了地球大氣的導(dǎo)電性能，因而測(cè)定大氣電導(dǎo)率是研究地球空間電動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基本問(wèn)題。實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)研究表明大氣電導(dǎo)率是決定全球電回路的關(guān)鍵參數(shù)。如Goldberg和其他許多研究人員所指出的，大氣電導(dǎo)率是決定低空和電離層之間耦合程度的關(guān)鍵2。 20世紀(jì)，對(duì)中低層大氣的電導(dǎo)率直接測(cè)量數(shù)據(jù)都是利用Gerdien電容式電導(dǎo)率儀測(cè)定的，運(yùn)載工具從氣球、發(fā)展到飛機(jī)甚至火箭。在19世紀(jì)末的歐洲，人造氣球就已經(jīng)開(kāi)始被用于進(jìn)行大氣電學(xué)參數(shù)測(cè)量的科學(xué)飛行，測(cè)量參數(shù)包括大氣電勢(shì)梯度、電導(dǎo)率、空氣和大地間的導(dǎo)電電流34。 人們利用從1905至1913年間的3次氣球飛行獲取的

3、大氣電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，研究出了大氣電導(dǎo)率剖面的基本模型。Gish和Wait在1950年利用飛機(jī)和氣球探測(cè)的結(jié)果給出了擬合公式。1958年Kraakevik從飛機(jī)探測(cè)結(jié)果中得到了0.26km高度范圍的電導(dǎo)率擬合公式5。 隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，1980年10月挪威用火箭探測(cè)獲得了高度從20120km電導(dǎo)率的高度剖面。1982年Volland還給出了200km以下電導(dǎo)率高度剖面模型。從二十世紀(jì)九十年代后，大氣電導(dǎo)率擴(kuò)展應(yīng)用于監(jiān)測(cè)各地大氣污染程度、宇宙射線等領(lǐng)域67。 譬如，大氣電導(dǎo)率受氣溶膠影響顯著，通過(guò)探測(cè)大氣電導(dǎo)率來(lái)研究城市、海洋、極地的大氣環(huán)境變化。最近，Nagaraja等還給出了離子氣溶膠模型，通過(guò)

4、測(cè)量地面大氣電導(dǎo)率來(lái)檢測(cè)大氣污染的程度89。 國(guó)外對(duì)大氣電導(dǎo)率測(cè)量和模型研究進(jìn)行了多年系統(tǒng)和全面的探索，而中國(guó)在大氣電導(dǎo)率領(lǐng)域的研究較少，大氣電導(dǎo)率測(cè)量的科學(xué)數(shù)據(jù)還很匱乏。 2 大氣電導(dǎo)率概述 大氣電導(dǎo)率隨高度變化，在70km以下，大氣基本是各向同性的，電導(dǎo)率為標(biāo)量，據(jù)估計(jì)，大氣輕離子的電導(dǎo)率對(duì)總的電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)的為95%，所以大氣正負(fù)極性的電導(dǎo)率可以近似地表示為 （1） （2） 式中和為大氣正負(fù)離子濃度，而 和 為大氣正負(fù)離子的遷移率?？梢钥闯觯髿怆妼?dǎo)率與大氣輕離子濃度間呈正相關(guān)。 晴天大氣電導(dǎo)率的時(shí)空分布取決于晴天大氣輕離子濃度的時(shí)空分布，所以晴天大氣電導(dǎo)率不僅隨地點(diǎn)而異，并具有日變化和年

5、變化。大量觀測(cè)結(jié)果表明，全球地表面大氣總電導(dǎo)率平均值為 ，變化范圍為 。 根據(jù)美國(guó)大量氣球探測(cè)結(jié)果，在26km以下， 和 隨高度的分布可用以下指數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式表示10： （3） （4） 由于對(duì)高空大氣難以進(jìn)行原地的持續(xù)測(cè)量，大氣電導(dǎo)率這一關(guān)鍵參數(shù)遠(yuǎn)未完全清楚，大氣電學(xué)與天氣之間的關(guān)系也未完全確定。盡管如此，每次對(duì)大氣電導(dǎo)率進(jìn)行的氣球或者火箭探測(cè)總會(huì)給地球電學(xué)研究帶來(lái)新的成果和問(wèn)題。 3 Gerdien探針原理 Gerdien探針實(shí)際上為一同軸圓柱形電容器，可系于飛行器上。由于飛行器的運(yùn)動(dòng)，空氣流過(guò)電容器，流速為飛行器的速度。在電容器任一圓柱面（驅(qū)動(dòng)極）上加一電壓，則在電容器徑向方向上產(chǎn)生一電

6、場(chǎng)。受其作用，從電容器中流過(guò)的空氣流中的離子在徑向上將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并被收集。 在外圓柱面上加一正（負(fù)）電壓，則正（負(fù)）離子將向內(nèi)圓柱面（收集極）方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)收集極的離子在收集極產(chǎn)生一電流，經(jīng)過(guò)放大后送入后端處理系統(tǒng)，得到電容探針的I-V特性曲線，再加上氣流速度、管子尺寸等數(shù)據(jù)，就能求出流過(guò)電容探針氣流的離子濃度、電導(dǎo)率和遷移率，如圖1所示，為Gerdien電容探針原理圖。 圖1Gerdien電容探針原理圖 由高斯定律可知： 于是 其中， 為徑向電場(chǎng)強(qiáng)度，Q 為電容器所帶電荷量，得： 其中，V為電容器上所加電壓。 由式（7）代入式（6）可得： 對(duì)一個(gè)遷移率為的離子來(lái)說(shuō)，它在dt時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的徑向距

7、離為 如果考慮離子在外電極處開(kāi)始向內(nèi)電極運(yùn)動(dòng)，則式中，那么離子移動(dòng)徑向距離dr所需的時(shí)間為 則從外電極移動(dòng)到內(nèi)電極所需的總時(shí)間為 設(shè)空氣流速為G，則在這段時(shí)間內(nèi)，空氣移動(dòng)的距離為U=Gt。如果距離U小于內(nèi)電極的長(zhǎng)度l，則所有在管子中運(yùn)動(dòng)的離子都將被內(nèi)電極收集。令U=L，臨界電壓為，則有 可得臨界電壓 當(dāng)內(nèi)外電極電勢(shì)差時(shí)，空氣移動(dòng)距離U>L，并不是所有通過(guò)管子的離子都會(huì)被收集，管子工作在線性區(qū)，可以用于測(cè)量電導(dǎo)率。        設(shè)一離子進(jìn)入管子時(shí)的半徑大于某一值R時(shí)，它將不能到達(dá)內(nèi)電極，臨界半徑R可以通過(guò)如下

8、公式計(jì)算得出11： 可知： 于是所有進(jìn)入電容器時(shí)半徑小于或等于R的離子都將被內(nèi)電極全部收集，因此，單位時(shí)間內(nèi)收集到的離子數(shù)為： 又 所以 于是電導(dǎo)率 為了減少零點(diǎn)漂移帶來(lái)的影響，通常取I-V特性曲線線性范圍來(lái)計(jì)算電導(dǎo)率12，即 式（21）和（22）即為采用I-V法測(cè)量電導(dǎo)率的公式。 4 Gerdien 探針設(shè)計(jì) 4.1 尺寸設(shè)計(jì)與電壓配置 各種成分的遷移率也并不一樣，考慮到這種因素，當(dāng)測(cè)離子濃度n時(shí)，所加電壓必須使所有大于某一足夠小的 的離子成分，探針均處于飽和工作區(qū)；而當(dāng)測(cè)時(shí)，則相反，對(duì)于所有小于某一足夠大的 的離子成分，管子均處于線性工作區(qū)。 4.2 裝配與儀器設(shè)計(jì) 內(nèi)外電極均采用不銹鋼管

9、，內(nèi)電極用高頻絕緣材料固定，如圖2所示。 圖2Gerdien電導(dǎo)率儀裝配樣圖 為了對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量原理進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)量大氣電導(dǎo)率的Gerdien電容器，儀器尺寸如下：外電極 =10cm，內(nèi)電極 =0.9cm，l=0.8m，可以計(jì)算得到儀器電容量為 從而得出電導(dǎo)率為： 采用直徑10cm風(fēng)扇（BDS9225H12，DC12V，0.28A），用風(fēng)速計(jì)（VICTOR 816，量程030m，分辨率0.1）測(cè)得通過(guò)儀器的風(fēng)速為1.5m/s，從而測(cè)得臨界電壓為37.2V。 5 噪聲與誤差分析 5.1 噪聲分析 由于低電流測(cè)量（5.1.1 靜電耦合 當(dāng)一個(gè)帶電目標(biāo)接近一個(gè)不帶電目標(biāo)時(shí)，就容易引發(fā)靜電耦

10、合。于是對(duì)設(shè)備和電路進(jìn)行屏蔽，將屏蔽設(shè)備接地，當(dāng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)，在測(cè)試區(qū)域避免移動(dòng)和震動(dòng)，并讓帶電物體（包括人）和導(dǎo)體遠(yuǎn)離測(cè)試電路的敏感區(qū)域。 5.1.2 震動(dòng) 摩擦電效應(yīng)引起的震動(dòng)將會(huì)引發(fā)噪聲電流影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，固定電纜以避免不必要的震動(dòng)。 5.1.3 補(bǔ)償電流漂移 在一段時(shí)間里，由于設(shè)備和靜電計(jì)的溫度變化，使得偏置電流產(chǎn)生漂移，在測(cè)量時(shí)，穩(wěn)定靜電計(jì)、設(shè)備和周?chē)h(huán)境的溫度，盡量原理發(fā)熱設(shè)備。 5.2 誤差分析 引起低電流測(cè)量誤差的一個(gè)最主要原因就是偏移電流的影響，偏移電流可以來(lái)自于被測(cè)設(shè)備和測(cè)試儀器，幾種誤差來(lái)源： 5.2.1 絕緣材料 電流通過(guò)一個(gè)絕緣材料本身或者表面泄露絕緣材料本

11、身可能儲(chǔ)存或者產(chǎn)生電荷。本文采用高頻絕緣材料固定內(nèi)電極，以減少漏電流，同時(shí)保持絕緣子清潔。 5.2.2 儀器偏置電流 當(dāng)電壓源上電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些十分微小電流，可以通過(guò)增加儀器的抑制功能來(lái)減少儀器偏置電流，測(cè)量結(jié)束后斷開(kāi)輸入端使用零點(diǎn)檢查開(kāi)關(guān)功能。 6 測(cè)試結(jié)果 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，使用KEITHLEY 6430亞fA程控源表，測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，正負(fù)離子電導(dǎo)率I-V特性曲線見(jiàn)圖3。 計(jì)算可得，地表大氣電導(dǎo)率結(jié)果如下： （25） （26） 表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖3正負(fù)離子電導(dǎo)率I-V特性曲線 7 結(jié)論 Gerdien電容式電導(dǎo)率面世已有百余之年，并隨著應(yīng)用處于不斷發(fā)展改善的

12、過(guò)程當(dāng)中。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和電子技術(shù)的進(jìn)步，電導(dǎo)率儀有望成為經(jīng)濟(jì)的大氣探測(cè)工具。本文所設(shè)計(jì)的Gerdien電導(dǎo)率儀，在一定的尺寸配置下，可在030V電壓下穩(wěn)定工作，進(jìn)行了一定的噪聲來(lái)源和誤差分析，測(cè)量結(jié)果與理論值基本吻合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表大氣電導(dǎo)率測(cè)量原理的驗(yàn)證。中國(guó)在大氣電導(dǎo)率的探測(cè)研究方面相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)很少，有必要多開(kāi)展對(duì)大氣電導(dǎo)率方面的進(jìn)一步探測(cè)和研究，增強(qiáng)中國(guó)在大氣電學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)和開(kāi)發(fā)能力，為我國(guó)在環(huán)境檢測(cè)、空間探測(cè)和國(guó)防等領(lǐng)域做出一定的貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn)： 1BRICARD J，Action of radioactivity and of pollution upon parameter

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