改进冷凝生长技术以提高1-3纳米大气颗粒物检测效率

Measuring sub-3 nm aerosols is essential to study atmospheric new particle formation. Current condensation particle counters (CPC) to detect sub-3 nm particles suffer from low activation efficiency and low sample flow rate. In this project, we explore the possibilities to expand the condensation growth region for improving aerosol activation efficiency through designing a new condensation growth unit to enhance the diffusion and convection transport of the vapor of the CPC working fluid and regulating the temperature profile inside the condensation growth unit to inhibit homogeneous nucleation of the vapor itself. At the same time, parameters to allow high sample flowrate in the condensation growth unit will be examined. Laboratory generated standard aerosols in the size range of 1-3 nm will be used for experimental tests. Based on these investigations, a new condensation particle counter with higher sample flowrate and higher activation efficiency of sub-3 nm particles will be developed and deployed in the field to study atmospheric new particle formation.

测量大气中1-3纳米颗粒物可为研究大气二次颗粒物形成机制提供重要技术支撑。现有基于冷凝生长计数的1-3纳米颗粒物检测技术存在检出颗粒物少、准确性低的问题，这主要受限于现有冷凝生长技术激活效率低和采样流量小。本项目拟通过调节气流分布加强工作液蒸气的对流传输，以及通过调节温度场分布调控其扩散传输，抑制均相成核，从而达到扩大颗粒物的激活区域和提高激活效率的目的。同时研究颗粒物在冷凝室内的生长规律，以确定适用于大流量条件下的冷凝生长参数。结合实验室1-3纳米标准颗粒物发生和评测，最终提出大采样流量、高激活效率的冷凝生长计数器新构型，开发出新型1-3纳米颗粒物冷凝生长计数器，并应用于大气外场实验实时测量大气中1-3纳米颗粒物的动态变化。

测量大气中1-3纳米颗粒物可为研究大气二次颗粒物形成机制提供重要技术支撑。现有基于冷凝生长计数的1-3纳米颗粒物检测技术存在检出颗粒物少、准确性低的问题，这主要受限于现有冷凝生长技术激活效率低和采样流量小。本项目通过数值模拟冷凝室中的工作液传热传质和颗粒物扩散过程，探究了不同仪器构型下颗粒物在冷凝生长计数器内的通过效率和冷凝室内过饱和度的分布规律。在数值模拟的基础上开发了无鞘气结构双级制冷的新型冷凝生长计数器，无鞘气结构提高了采样流量，双级制冷温度场提高了激活效率，并搭建了颗粒物激活效率标定系统对其进行了标定。将新型冷凝生长计数器运用于北京地区大气1-3纳米气溶胶粒径分布的在线观测，并进一步用于北京地区的新粒子生成和生长机制的研究。这些研究成果建立了提高1-3纳米颗粒物冷凝生长计数器的采样流量和激活效率的方法，研发的新型1-3纳米颗粒物冷凝生长计数器为研究大气二次颗粒物形成机制提供了重要技术支撑。