空气负离子浓度测试结果

空气是多种气体的混合物，其中主要成分是氮、氧、二氧化碳和水蒸气。通常空气中的各种气体分子都很稳定，呈中性，即不带电。然而，由于自然界的宇宙射线、紫外线、雷电、植物等的作用，会导致周围空气电离，产生负离子，也叫空气负离子。空气负离子实质上就是带负电荷的空气粒子。通常人们所说的空气负离子是指的负氧离子，它是空气中的氧分子结合了自由电子而形成的。

在自然界的空气中，负离子的多少和气候、地理条件及大气污染等有关，据测定6～9月负离子浓度最高，1～3月则最低，其余月份则介于两者之间。

在地球表面，负离子浓度一般为几千个/㎝3。大城市剧场中，仅为10～30个/㎝3，大城市房间一般为40～50个/㎝3，街头绿化地带为100～200个/㎝3，公园里为400～600个/㎝3，郊外可达700～1000个/㎝3，而在海滨、山谷、瀑布等处可高达20000个/㎝3以上。

空气离子所携带的电荷是极其微小的，要测量它必须使用离子收集器和微电流计构成的空气离子测量仪。这种仪器灵敏度高、绝缘要求也很高，在测量中很容易受到环境因素和人为因素的影响而造成测试的误差，甚至测不到本来应该有的离子。为此，要尽可能多地掌握有关仪器的原理，根据被测对象选择合适的仪器，并规定合理的测试方法和步骤。

（一）空气离子浓度测量

空气离子测量仪一般采用电容式收集器收集空气离子所携带的电荷，并通过一个微电流计测量这些电荷所形成的电流，其结构如图9－14所示。

图9－14　空气离子测量示意图

极性分别向收集板和极化板偏转，把各自所携带的电荷转移到收集板和极化板上。收集板上收集到的电荷通过微电流计落地，形成一股电流；极化板上的电荷通过极化电源（电池组）落地，被复合掉，不影响测量。一般认为每个空气离子只带一个电荷（当然特殊情况下可以带多个电荷）。

离子浓度可以由所测得的电流及取样空气流量换算出来，公式为：

式中：N——单位体积空气中离子数目，个/cm3；

I——微电流计读数，A；

q——基本电荷电量，1.6×10－19C；

v——取样空气流速，cm3/s；

A——收集器有效横截面积，cm2。

（二）仪器结构

空气离子测量仪可分为离子收集器及微电流放大器两部分。

1.离子收集器是由抽气机将空气抽入，同时用一个电场收集这些被取样气体中的离子，以形成一股离子电流的装置。目前，比较通用的离子收集器为平行板式收集器。

平行板式离子收集器的收集板与极化板为互相平行的两组金属板，这种收集器可以采用多组极板结构，可使收集器截面相对大一些，以增大取样量，提高灵敏度。平行板电场属于均匀电场，为了克服平行板电场的“边缘效应”一般让收集板稍微超前于极化板，使整个电场更加均匀。

2.微电流放大器是空气离子测量仪的关键性部件之一，微电流放大器一般采用全反馈式直流放大器，其工作原理如图9－15所示。

图9－15　微电流放大器的工作原理

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式中：Is——输入电流，A；

V0——输出电压，V；

Rf——反馈电阻，Ω。

根据这一公式便可以得到被测电流Is的数值。

仪器的反应速度基本上取决于反馈电阻Rf的数值和与它们并联的电容Rf（包括分布电容量）。

较快的响应速度对于观察离子浓度的变化是有利的，然而在野外测量时，由于风的影响，离子浓度波动较大，容易造成读数跳动不定，无法读取的问题。在这种情况下，采用较长的响应时间的仪器可以得到较平稳的读数，如图9－16所示。

图9－16　响应时间较长的仪器的工作原理

式中：τ——响应速度，s；

Rf——反馈电阻，Ω；

Cf——电容，F。

（三）选择空气离子测量仪应着重考虑下面的几个问题

1.离子浓度测量上限考虑到目前各种应用项目的实际需要，空气离子测量仪上限要能达到109个/cm3就足够了，超过这个限度是没有必要的。

2.离子浓度的最小分辨力即仪器的灵敏度极限（下限）。如果要求进行空气本底离子浓度值测试，则要选用分辨力优于20个/cm3的仪器，否则会由于灵敏度不够而影响测量。

3.抽气速率指仪器所使用的抽气气流速率，它和仪器的取样量直接相关。取样量大的灵敏度一般较高，适宜于对较大空间范围的空气进行测试。取样量较小的灵敏度较低，也较易受外界气流干扰。但它对被测对象影响较小，适合用于那些不允许大量采样的场合。

4.离子浓度测试误差主要由微电流计的误差和抽气速率误差组成。前者一般在5％左右，后者在10％左右，因此离子测量仪的浓度测量误差为10％～15％。

5.响应时间从被测量的气体开始被抽入收集器到仪器指示稳定的时间，各种仪器不同。在野外测试或被测离子源存在波动较大的情况下最好选用反应时间长一些的仪器，一般的情况下，响应时间可在5～20s的范围内选择。

6.测量对象空气离子测量仪的测试对象，大体上可分为自然离子源和人造离子源。自然离子源，主要有地表放射性物质、放射性气体、宇宙线、天然瀑布等。人造离子源主要有各种电晕式离子发生器、水激式离子发生器及放射源离子发生器等。自然离子源又可分为室内、室外、城里、野外等各种自然条件，在室外测试应避免风直接吹到收集器的入口或出口，以免加快或减弱抽气速率。在有风的情况下应尽量使收集器入口气流方向与风向垂直，最大限度地减弱外界风对测量结果可能造成的影响。

室内测量时，要考虑避免室内电器对测试的干扰，还要考虑墙壁、桌面等材料是否会吸附（储存）离子电荷，造成静电干扰，一般不希望使用塑料等高绝缘性材料做实验室的桌面、墙壁，因为这些材料很容易吸附电荷形成附加电场，从而对测量结果造成影响。

在湿度大的环境中要避免因连续测量而使仪器受潮，此时除了采取驱潮措施外，最好采取间断性测试的方法，这样可利用仪器自身的驱潮器使其恢复功能，保持正常测量的性能。

各种不同类型的空气离子发生器所产生的离子浓度梯度的分布相差很大，为了比较它们的性能，应该规定一个合理的测试距离。从实用的角度出发，并考虑尽量减少测量仪器的对使原有离子分布状况的改变，可以选在距离离子发生器30～50cm远处进行测试；在能保证测试环境气流稳定的情况下，后者似乎更为合适。