本發(fā)明涉及人工誘導降雨領域，具體為激光誘導卷積云內(nèi)部的水汽凝結(jié)以及沉降，特別是一種模擬飛秒激光與卷積云相互作用的小型實驗裝置及其操控方法。
背景技術：
人工影響天氣，是指為避免或者減輕氣象災害，合理利用氣候資源，在適當條件下通過科技手段對局部大氣的物理、化學過程進行人工影響，實現(xiàn)增雨雪、防雹、消雨、消霧、防霜等目的的活動。
迄今為止，傳統(tǒng)的方法主要是在云層中播撒小顆粒的干冰，碘化銀以及其他的鹽。由于人工降雨降雪對農(nóng)業(yè)和人類其他活動有重要的影響，因此，研究人工降雨降雪問題尤為重要。近年來，隨著飛秒激光技術的迅猛發(fā)展，超強超短激光脈沖射入空氣中被證明能產(chǎn)生一條等離子體通道，即激光光絲，光絲能產(chǎn)生吸濕性物質(zhì)形成凝結(jié)核從而誘導激發(fā)水汽凝結(jié)及沉降過程?；诩す夤饨z獨特的性質(zhì)，激光光絲在飛秒激光誘導水凝結(jié)方面有許多潛在的應用，且引起廣泛的關注。因此，開展相關的基礎研究和應用探索研究具有十分重要的意義。
目前，關于激光誘導水凝結(jié)在空氣和云室中的相關研究已經(jīng)展開
[參見文獻：
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其中，激光與卷積云的相互作用尤為引人關注。卷云一般大面積形成于對流層的上層，其高度在6至12公里之間，溫度低于-37℃，并且由于所有的水均通過均相成核凍結(jié)，卷云中只含有冰。中緯度卷云中的降水主要依賴于由冰活性氣溶膠顆粒促進的過冷云滴的非均相凍結(jié)以及隨后通過水蒸氣沉積和邊緣的冰顆粒長。由于良好的冰核在大氣中非常罕見，冰和液體云粒子可以在高于-37℃的溫度下共存。因此碘化銀或干冰等冰活性物質(zhì)可以用于誘導人工降雨，但是此方法價格昂貴，不確定性大而且易于造成環(huán)境污染。飛秒激光可以在大氣湍流以及云中成絲，因此可以傳播很長的距離，便于遠程遙控，并且成本小，準確度極高。因此，飛秒激光產(chǎn)生的等離子通道(光絲)與卷云的相互作用具有極大的研究價值。
模擬飛秒激光與卷積云相互作用的小型實驗裝置及其操控方法，其核心技術是控制飛秒激光誘導水凝結(jié)模擬系統(tǒng)中云室環(huán)境的溫度與濕度。目前采用的方法有在云室底板下面盤冷凝管，然后通過壓縮機壓縮冷卻冷凝管的方式來調(diào)整腔室的環(huán)境溫度，并通過加熱云室上方水庫中的電阻絲來增加濕度，這種方法結(jié)構復雜，成本較高，溫濕度不能精確控制，而且達不到卷云的溫濕度需求。另外，也有通過干冰制冷的方式調(diào)節(jié)云霧室內(nèi)的溫度，干冰由于其易揮發(fā)等特點，在制冷方面有廣泛的應用。干冰制冷的方法操作簡易，成本也比較低，但是由于其及易揮發(fā)，升華為比固體體積大600-800倍的氣體二氧化碳，所以利用干冰制冷不能在密封性能好、體積較小的容器中，容易引起爆炸，同時，干冰制冷雖然溫度可以達到-37攝氏度，但環(huán)境溫度不易維持。還有一種基于半導體制冷的方法，即在云室上方加上半導體制冷片，該系統(tǒng)結(jié)構簡單，操作安全方便，但是依然存在溫度梯度，云室內(nèi)部溫度不均勻，并且濕度不可控。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于解決上述現(xiàn)有技術不能用于卷積云實驗的問題，提出一種模擬飛秒激光與卷積云相互作用的小型實驗裝置及其操控方法。本發(fā)明利用溫控器和氣溶膠發(fā)生器，來控制腔室內(nèi)的溫、濕度，實現(xiàn)對卷積云溫濕度條件的精確模擬和激光誘導水凝結(jié)及沉降的研究。該系統(tǒng)結(jié)構簡單，操作安全方便，價格便宜，可精確模擬不同溫濕度環(huán)境條件，并且最低溫度可以達到零下60攝氏度。
本發(fā)明的技術解決方案如下：
一種模擬飛秒激光與卷積云相互作用的實驗裝置，包括：飛秒激光器、透鏡、低溫冷柜、溫濕度探測裝置、氣溶膠發(fā)生器、掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀、數(shù)碼相機、光束收集裝置；
所述的低溫冷柜具有一個不銹鋼立方體空腔內(nèi)膽，內(nèi)膽外側(cè)四個面都盤有冷凝管和超厚環(huán)保保溫材料，內(nèi)膽上方為溫度控制器，內(nèi)膽下方為壓縮機和熱交換裝置，該內(nèi)膽內(nèi)裝有高度可調(diào)節(jié)的樣品收集平臺；
在所述的低溫冷柜的一個側(cè)面上設有低溫冷柜柜門，該低溫冷柜柜門上設有水凝結(jié)觀察窗口，所述低溫冷柜的另二個相對的側(cè)面上分別設有激光入射窗口和激光出射窗口，所述的飛秒激光器輸出的激光光束經(jīng)所述的透鏡聚焦后，通過所述的激光入射窗口入射進所述的低溫冷柜，在該低溫冷柜中形成等離子體通道，即激光光絲，誘導激發(fā)水凝結(jié)以及沉降，最后通過所述的激光出射窗口出射，并被光束收集裝置收集；
在所述的低溫冷柜的另二個相對的側(cè)面上還設有粒徑探測通口、氣溶膠進入通口第一溫濕度探測通口和第二溫濕度探測通口，所述的水凝結(jié)觀察窗口、激光入射窗口、激光出射窗口均安裝石英玻璃密封，所述的第一溫濕度探測通口、第二溫濕度探測通口均有保溫塞子密封；
所述的溫濕度探測裝置的第一溫濕度探頭通過所述的第一濕度探測通口進入所述的低溫冷柜，并固定于所述的樣品收集臺上激光光絲附近，所述的溫濕度探測裝置的第二溫濕度探頭通過所述的第二溫濕度探測通孔進入所述的低溫冷柜，并固定于所述低溫冷柜內(nèi)膽的邊緣；
所述的氣溶膠發(fā)生器通過所述的氣溶膠進入通孔對所述的低溫冷柜的內(nèi)膽進行加濕；
所述的掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀通過所述的粒徑探測通孔對所述的低溫冷柜的內(nèi)部產(chǎn)生顆粒的粒徑數(shù)據(jù)進行探測；
所述的數(shù)碼相機通過所述的水凝結(jié)觀察窗口，觀察內(nèi)部的水凝結(jié)情況。
利用上述模擬飛秒激光與卷積云相互作用的實驗裝置的操控方法，該操控方法包括如下步驟：
①打開飛秒激光器，調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)，調(diào)節(jié)所述的聚焦透鏡的位置，使飛秒激光在所述的低溫冷柜中的中心部分形成等離子體通道，即飛秒激光光絲，激光絲與模擬的卷積云相互作用，引起腔室內(nèi)的云滴發(fā)生相變,誘導水汽凝結(jié)及沉降；
②設定所述低溫冷柜上的溫度控制器的溫度，使低溫冷柜中的反應溫度為卷積云內(nèi)部溫度；
③調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)生器的流量，使低溫冷柜中的濕度為卷積云內(nèi)部濕度；
④利用數(shù)碼相機通過水凝結(jié)觀察窗口監(jiān)測整個過程中的所述低溫冷柜內(nèi)部狀態(tài)；
⑤利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀實時監(jiān)測所述低溫冷柜內(nèi)產(chǎn)生的粒子粒徑分布情況。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的顯著優(yōu)點：
1、通過調(diào)節(jié)冷柜上的溫度控制器的設定溫度，精確調(diào)控腔室內(nèi)的環(huán)境溫度為大氣中卷云溫度，并且可以保持穩(wěn)定，這種方法的系統(tǒng)結(jié)構更加簡單，操作更加安全方便，價格更加便宜，調(diào)控環(huán)境溫度更加精準有效。
2、利用氣溶膠發(fā)生器和濕度傳感器的配合，精確控制云室內(nèi)的濕度條件，并且保持恒定，這種發(fā)放操作方便，結(jié)構簡單。
3、適用于實現(xiàn)卷云溫濕度條件之外的不同溫、濕度環(huán)境中的激光誘導水凝結(jié)和沉降的基礎研究；溫控裝置和濕度控制裝置能夠精確地調(diào)節(jié)腔室內(nèi)溫度和濕度，從而模擬腔室內(nèi)不同的環(huán)境條件。
附圖說明
圖1為本發(fā)明模擬飛秒激光與卷積云相互作用的實驗裝置的結(jié)構立體圖；
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細介紹，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍：
請參閱圖1，圖1是本發(fā)明基于冷媒制冷組件及氣溶膠發(fā)生器的控制環(huán)境溫、濕度的模擬飛秒激光與卷積云相互作用的小型實驗裝置系統(tǒng)的結(jié)構示意圖。由圖可見，一種基于冷媒制冷組件及氣溶膠發(fā)生器的控制環(huán)境溫、濕度的模擬飛秒激光與卷積云相互作用的實驗裝置，包括：飛秒激光器1、透鏡2、低溫冷柜3、溫濕度探測裝置4、氣溶膠發(fā)生器5、掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀6、光束收集裝置7、數(shù)碼相機17。
所述的低溫冷柜3具有一個不銹鋼立方體空腔內(nèi)膽，內(nèi)膽外側(cè)四個面都盤有冷凝管和超厚環(huán)保保溫材料，內(nèi)膽上方為溫度控制器8，內(nèi)膽下方為壓縮機和熱交換裝置9，該內(nèi)膽內(nèi)裝有高度可調(diào)節(jié)的樣品收集平臺19；
在所述的低溫冷柜3的一個側(cè)面上設有低溫冷柜柜門18，該低溫冷柜柜門18上設有水凝結(jié)觀察窗口13，所述低溫冷柜3的另二個相對的側(cè)面上分別設有激光入射窗口(10)和激光出射窗口14，所述的飛秒激光器1輸出的激光光束經(jīng)所述的透鏡2聚焦后，通過所述的激光入射窗口10入射進所述的低溫冷柜3，在該低溫冷柜3中形成等離子體通道，即激光光絲，誘導激發(fā)水凝結(jié)以及沉降，最后通過所述的激光出射窗口(14)出射，并被光束收集裝置7收集；
在所述的低溫冷柜3的另二個相對的側(cè)面上還設有粒徑探測通口16、氣溶膠進入通口12第一溫濕度探測通口11和第二溫濕度探測通口15，所述的水凝結(jié)觀察窗口13、激光入射窗口10、激光出射窗口14均安裝石英玻璃密封，所述的第一溫濕度探測通口11、第二溫濕度探測通口15均有保溫塞子密封；
所述的溫濕度探測裝置4的第一溫濕度探頭20通過所述的第一濕度探測通口11進入所述的低溫冷柜3，并固定于所述的樣品收集臺19上激光光絲附近，所述的溫濕度探測裝置4的第二溫濕度探頭21通過所述的第二溫濕度探測通孔15進入所述的低溫冷柜3，并固定于所述低溫冷柜3內(nèi)膽的邊緣；
所述的氣溶膠發(fā)生器5通過所述的氣溶膠進入通孔12對所述的低溫冷柜3的內(nèi)膽進行加濕；
所述的掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀6通過所述的粒徑探測通孔16對所述的低溫冷柜3的內(nèi)部產(chǎn)生顆粒的粒徑數(shù)據(jù)進行探測；
所述的數(shù)碼相機17通過所述的水凝結(jié)觀察窗口13，觀察內(nèi)部的水凝結(jié)情況。
控制所述的低溫冷柜上方的溫度控制器，設定實驗溫度，打開開關，開始制冷；打開所述的氣溶膠發(fā)生器，控制氣溶膠進入流速，同時打開所述的溫濕度探測器實時監(jiān)控內(nèi)部的溫濕度狀態(tài)；一段時間后，溫度降至設定溫度(卷云溫度)，同時濕度達到實驗需求值(卷積云內(nèi)部濕度)。
打開飛秒激光器，調(diào)節(jié)輸出光，在輸出的激光光束方向依次設置所述的透鏡、激光入射窗口、激光出射窗口和光束收集裝置，所述的飛秒激光器發(fā)射的激光光束，經(jīng)過所述的透鏡聚焦，在所述的低溫冷柜中形成激光光絲，光絲電離產(chǎn)生等離子體，誘導激發(fā)水凝結(jié)以及沉降過程。
具體的操控方法包括如下步驟：
①打開飛秒激光器1，調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)，調(diào)節(jié)所述的聚焦透鏡2的位置，使飛秒激光在所述的低溫冷柜3中的中心部分形成等離子體通道，即飛秒激光光絲，激光絲與模擬的卷積云相互作用，引起腔室內(nèi)的云滴發(fā)生相變,誘導水汽凝結(jié)及沉降；
②設定所述低溫冷柜3上的溫度控制器8的溫度，使低溫冷柜3中的反應溫度為卷積云內(nèi)部溫度；
③調(diào)節(jié)氣溶膠發(fā)生器5的流量，使低溫冷柜3中的濕度為卷積云內(nèi)部濕度；
④利用數(shù)碼相機17通過水凝結(jié)觀察窗口13監(jiān)測整個過程中的所述低溫冷柜3內(nèi)部狀態(tài)；
⑤利用掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀6實時監(jiān)測所述低溫冷柜3內(nèi)產(chǎn)生的粒子粒徑分布情況。
經(jīng)試驗表明，本發(fā)明可以通過控制溫度控制器的溫度設定按鈕，調(diào)節(jié)所述的低溫冷柜中的環(huán)境溫度；通過改變氣溶膠發(fā)生器的出射氣體流量，調(diào)節(jié)所述的低溫冷柜中的環(huán)境濕度。從而實現(xiàn)卷云溫濕度條件下的激光誘導水凝結(jié)和沉降實驗。本發(fā)明還可模擬不同的實驗環(huán)境，結(jié)構簡單、調(diào)節(jié)方便、操作安全，適用于觀察分析不同環(huán)境條件下的激光誘導水凝結(jié)以及沉降現(xiàn)象。其實質(zhì)屬于超強超短飛秒激光技術，適用于人工研究降雨降雪的基礎研究和應用研究領域。