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研究生： 蕭旭成
Hsu-Cheng Hsiao
論文名稱： 雲凝結核計數器的製作與測試
Experimental Testing of Fukuta-Saxena Cloud Condensation Nuclei Counter
指導教授： 林能暉
Neng-Huei Lin
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 地球科學學院 - 大氣物理研究所
Graduate Institute of Atmospheric Physics
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 82
中文關鍵詞： 氣懸膠 、雲凝結核 、數器
外文關鍵詞： Spectrometer, ounter, erosol, C C N
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    • 本文主要依據Fukuta-Saxena (1979)所設計及規範之雲凝結核譜儀的原則，完成實際儀器的建構和測試。建構所使用的裝配，主要是在於後方採樣裝置及計數器的部分，使用了較新型的配備加以改良，由以往紙張繪出量得數目改成了由電腦完成的數位存取。在儀器的測試上，分別完成了後方採樣管線損失的研究及設定面板溫度達預設溫度至少所需的時間研究。另外以室內及室外的實際採樣，利用變化流率使其能產生最大活化水滴數目結果，來選擇適合的流率，更進一步確認測試儀器本身定性上的吻合。
    後方採樣管線的損失測試，在不同的兩個偵測粒徑上所得累加數目，並未發現因採樣管彎曲的不同程度，而有明顯不同的數目損失。吾人估算達到上板面板的預設溫度所需的時間約為30分鐘。另外，對不同流率所產生的活化水滴數目，在所完成的四次觀測中，發現最大的活化水滴數目，均超過100 cm3 s-1。選定流率後，同時可決定出所需濾紙的長度。最後測試室內外空氣樣本的活化情形，結果發現誤差發生在較低的過飽和度上，此與Fukuta-Saxena所推論離熱導牆的前6公分處有大於5％的絕對誤差，有一致的表現。

    Based on the design guidelines of the cloud condensation nuclei (CCN) counter made by Fukuta-Saxena (1979), this study is aimed to rebuild the same counter and improve it.A new particle counting device with LCD display is deployed at the end of the CCN chamber. The CCN spectrum is recorded in computer, instead of the previous design with a graphic display.
    Besides, the loss of particle counting due to the configuration sampling tube is studied.Time request for preheating of the chamber is also discussed. . Optimization of the flow rate of the chamber with respect to the activated particle number concentrations is investigated. Indoor and outdoor air flows were sampled to test the CCN counter. The results were consistent with Fukuta-Saxena''s.

    表目錄....................................................Ⅰ 圖目錄....................................................Ⅱ 第一章前言與動機.......................................1 1-1前言..........................................1 1-2動機..........................................2 第二章文獻回顧.........................................4 2-1熱擴散計數器的分類……………………………………4 2-2儀器設計所面臨的問題…………………………………6 2-2-1短暫過飽和度…………………………………………7 2-2-2牆效應(wall effect)………………………………10 2-3問題的避免………………………………………………10 第三章儀器原理與裝配……………………………………………13 3-1Fukuta-Saxena CCN Spectrometer設計原理…………13 3-1-1水氣和溫度場…………………………………………13 3-1-2過飽和場………………………………………………13 3-1-3濾紙的安排……………………………………………16 3-2儀器裝置…………………………………………………19 3-2-1雲霧室的規格………………………………………..19 3-2-2出入口裝置……………………………………………20 3-2-3附屬儀器的簡介………………………………………21 3-2-4採樣安排………………………………………………22 第四章儀器測試結果與討論………………………………………23 4-1後方採樣管線所造成計數的損失………………………23 4-2溫度場的建立觀測………………………………………24 4-3流率和各過飽和度位置活化數目測試…………………25 4-3-1實驗流程………………………………………………27 4-3-2資料的處理……………………………………………29 4-3-3CaseA1與CaseA2………………………………………29 4-3-4CaseA3…………………………………………………30 4-3-4CaseA4…………………………………………………30 4-4整個過飽和度區間的測量………………………………31 第五章結論…………………………………………………………33 第六章建議與展望…………………………………………………34 參考文獻…………………………………………………………………35 表目錄 表2.160-90年代雲凝結核計數器的發展……………………………38 表3.1溫度呈穩態時所算的過飽和度值及其誤差…………………39 表3.2CCN Spectrometer的細部構造與設定參數值……………….40 表3.3附屬儀器及物品清單……………………………………………41 表4.1比較採樣管彎曲對各點位置所造成採樣數目濃度損失的背景值……………………………………………………………………………42 表4.2各個流率變化對特定過飽和度活化水滴觀測的背景值…….43 圖 目 錄 圖2.1典型靜態水平擴散雲霧室(static-diffusion horizontal chamber type)。(Jiusto, 1976) ……………………………………….44 圖2.2Hudson and Squires 動態氣流型式的計數器(dynamic-flow chamber)。(Hudson and Squires, 1973) ………………………………45 圖2.3Fukuta and Saxena 水平熱梯度擴散雲凝結核計數器(horizontal thermal gradient cloud condensation nucleus spectrometer)。(Fukuta and Saxena, 1974) …………………………46 圖2.4Sinnarwalla and Alofs 垂直型式的雲霧室雲凝結核計數器(low-supersaturation vertical chamber)(Sinnarwalla and Alofs, 1973) …………………………………………………………………………47 圖2.5上板及下板溫度分別設為20oC及16oC時，擴散雲霧室中，導入在底板溫度(16oC)達飽和的空氣樣本，隨著不同時間(單位：sec)，所表現的過飽和度曲線。d為雲霧室的高度(1cm)，虛線為達穩態時的過飽和曲線。(Fitzgerald, 1970)……………………………………………………48 圖2.6同圖2.5，導入在上板溫度(20oC)達飽和的空氣樣本，隨著不同時間，所表現的過飽和度曲線。(Fitzgerald, 1970)…………………49 圖3.1設定上板邊緣A (20cm)處為36oC，下板邊緣C(20cm)處為29oC，所繪出的各點過飽和度曲線。(Fukuta-Saxena, 1979)………….50 圖3.2設上板邊緣(19cm)處為28oC，下板邊緣(19cm)處為22oC，所繪出各點過飽和度及溫度的曲線圖。…………………………………………51 圖3.3所做在不同採樣流率，及三個不同的偵測粒徑下，在過飽和度0.28％及1.14％的位置，所測量繪出的圖形。(Fukuta-Saxena, 1979)…………………………………………………………………………………52 圖3.4吾人所建構的雲凝結核計數器全貌。…………………………53 圖3.5出口室的上視圖及側視圖。……………………………………54 圖4.1比較採樣管彎曲對各點位置所造成採樣數目損失，在不同偵測粒徑下背景平均值與標準差。………………………………………………55 圖4.2在各個採樣點上，因採樣管彎曲，在不同偵測粒徑上所量測的平均值。………………………………………………………………………56 圖4.3上板各點溫度隨時間變化圖及穩態時各點溫度的線性迴歸圖(Ⅰ)。…………………………………………………………………………57 圖4.4上板各點溫度隨時間變化圖及穩態時各點溫度的線性迴歸圖(Ⅱ)。…………………………………………………………………………58 圖4.5Case A1實驗前後，室內空氣樣本的環境背景值。…………59 圖4.6Case A2實驗前後，室內空氣樣本的環境背景值。…………60 圖4.7Case A3實驗前後，室內空氣樣本的環境背景值。…………61 圖4.8實驗各天，在不同偵測粒徑下，平均值和標準差相較圖。.62 圖4.9Case A1、Case A2在過飽和度為0.01％ (1cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。……………………………………………63 圖4.10Case A1、Case A2在過飽和度為0.08％ (5cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。……………………………………………64 圖4.11Case A1、Case A2在過飽和度為0.28％ (9cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。……………………………………………65 圖4.12Case A1、Case A2在過飽和度為0.67％ (14cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。…………………………………………66 圖4.13Case A1、Case A2在過飽和度為1.11％ (18cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。…………………………………………67 圖4.14Case A3在過飽和度為0.01％ (1cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………68 圖4.15Case A3在過飽和度為0.08％ (5cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………69 圖4.16Case A3在過飽和度為0.28％ (9cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………70 圖4.17Case A3在過飽和度為0.67％ (14cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………71 圖4.18Case A3在過飽和度為1.11％ (18cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………72 圖4.19Case A4在過飽和度為0.12％ (6cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………73 圖4.20Case A4在過飽和度為0.28％ (9cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………74 圖4.21Case A4在過飽和度為0.49％ (12cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………75 圖4.22Case A4在過飽和度為0.77％ (15cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………76 圖4.23Case A4在過飽和度為1.11％ (18cm)處，在不同流率下活化液滴數目濃度的比較。………………………………………………………77 圖4.24雲霧室內不同過飽和度區間的室內採樣。………………….78 圖4.25各過飽和度區間(△S) 對各偵測粒徑區間其成長的數目(△N)。…………………………………………………………………………79 圖4.26雲霧室內不同過飽和度區間的室外採樣Case B1。…………80 圖4.27雲霧室內不同過飽和度區間的室外採樣Case B2。…………81 圖4.28雲霧室內不同過飽和度區間的室外採樣Case B3。…………82

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