【摘 要】
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临近空间一般指距离地面20km～100km的地球大气圈层,与大气物理学科关注的“中层大气”范围基本重合,是大气物理科学研究中的重点领域。超细颗粒物（粒径≤100nm）通过辐射强迫、气溶胶核化成云等物理化学作用对临近空间大气产生复杂且重要的影响。近年来,世界各国均开展了临近空间气溶胶模态、浓度分布的相关研究,但是受限于光学方法以及空气动力学方法的测量极限,针对临近空间超细颗粒物的相关研究甚少。本文基
【基金项目】
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中国科学院鸿鹄专项计划临近空间科学实验系统专项子课题《临近空间超细颗粒物在线探测技术》；
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临近空间一般指距离地面20km～100km的地球大气圈层,与大气物理学科关注的“中层大气”范围基本重合,是大气物理科学研究中的重点领域。超细颗粒物（粒径≤100nm）通过辐射强迫、气溶胶核化成云等物理化学作用对临近空间大气产生复杂且重要的影响。近年来,世界各国均开展了临近空间气溶胶模态、浓度分布的相关研究,但是受限于光学方法以及空气动力学方法的测量极限,针对临近空间超细颗粒物的相关研究甚少。本文基于颗粒物电迁移率原理,研究设计了一种面向临近空间超细颗粒物原位探测的小型粒谱系统,实现了超细颗粒物在低气压时的荷电、粒径识别分级、检测及粒谱反演算法设计,并初步完成了整个传感系统的集成工作。文章的主要内容如下:（1）基于单极性电晕放电扩散荷电理论,设计了线-板式小型荷电模块,研究了不同极性、不同结构对电晕放电特性的影响,发现了低气压时正极性电晕放电更加均匀的特点,并通过实验证明了其在常压至5.5kPa低气压时的荷电稳定性,为整个系统在低气压时的正常运行打下了基础。（2）采用差分电迁移率粒径识别分级方法,设计了可与荷电模块一体化集成的小型平板差分电迁移率分析器（Differential Mobility Analyzer,DMA）,并通过计算机仿真模拟,研究了不同结构参数对DMA检测性能的影响,发现了 DMA流道宽度应大于八倍高度,从而减小流场的侧壁效应;当载气入口狭缝宽度低至0.75倍的流道宽度时,颗粒物的传递效率可达到90%;载气入口狭缝的缝隙大小对DMA的检测性能几乎没有影响。最后通过实验证明了该小型平板DMA具备在常压至5.5kPa低气压范围条件的粒径识别与分级能力。（3）根据法拉第杯检测原理,设计了集成化的法拉第杯-静电计检测模块。与商业化检测模块进行对比测试,证明了自制模块良好的检测效率,并利用粒谱反演算法,实现了检测信号到颗粒物粒谱信息的演化。（4）最后将整个粒谱传感系统各个子模块进行了集成,并开展了高空环境适应性测试,初步完成了面向临近空间超细颗粒物原位探测的小型化粒谱系统整体设计及测试。
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