本文为2025年发表于Atmospheric Measurement Techniques的研究论文，由塔尔图大学、CERN、赫尔辛基大学等多机构联合完成，核心介绍了簇离子计数器(CIC，Airel 生产) 的设计原理、结构参数、测量方法与实验室 / 实地性能验证，解决了传统大气离子测量仪器的核心缺陷，实现5nm以下正负离子的高精度、快响应、低噪声同步测量。

一、研究背景与动机

1.   大气小离子的重要性

对流层中银河宇宙射线与氡衰变产生的电离辐射持续形成稀薄等离子体，1–2nm 小离子是气溶胶离子诱导核化、大气电学、全球电路的关键参与者，亟需精准稳定的测量仪器。

2.   传统离子计数器的局限

u 无法同步测量正、负离子，多为时序检测；

u 检测效率与迁移率范围缺乏实验室验证；

u流量固定，难以适配实验室流量限制；

u圆柱结构集成性差，空间适配性低；

u商用手持设备噪声高、时间响应慢，无法满足长期野外与高精度实验需求。

3.   研发目标

基于塔尔图大学数十年离子计数器技术积累，打造低噪声、快响应、易操作、低维护的离子测量设备，适配实验室实验、长期无人值守野外监测、机载/电池供电场景。

二、 CIC 仪器核心设计

CIC 为双独立通道结构，可同时测量正、负带电离子与颗粒物，核心设计如下：

1.   核心结构

包含两套独立圆柱差分迁移率分析仪，每套分析仪设3 个收集电极；中心电极电压可控（-40~40V），入口配备可切换高压电过滤器（零点测量时阻断离子进入）。

图 1 簇离子计数器（CIC）的截面结构与示意图。该簇离子计数器配备两台完全相同的分析器，可同时测量正离子与负离子。每台分析器均设有三个收集电极，用于测量不同迁移率直径范围的离子。红色阴影代表正极性，蓝色阴影代表负极性。在 30 L・min⁻¹ 采样流量下，中心电极的典型工作电压为 ±19.5 V。在零点测量期间，入口过滤器电压切换至 ±300 V。

图 2 簇离子计数器实物照片。(a) 仪器正面图，可见两个外径 35 mm 的进气口；(b) 仪器背面图，可见出气口、电源接口与通信接口。图 1 示意图中所示的所有部件均集成于该仪器壳体内。簇离子计数器外形尺寸为：宽 200 mm、高 130 mm、长 400 mm。

2.   检测原理

离子进入分析仪后被中心电极排斥，沉积于外壁 3 个独立收集电极；电极电流由高精度低噪声积分静电计检测，最高采样率 30Hz，实现离子浓度与迁移率的定量计算。

3.   流量与电压控制

单分析仪流量软件可控（5~50 L/min），中心电极电压自动调节，保持电压 / 流量比恒定，确保迁移率截止值稳定。

图 3 单电荷离子与颗粒物的模拟流场分布。基于 COMSOL Multiphysic® 数值模拟得到的簇离子计数器内部，不同粒径单电荷正离子及颗粒物的归一化浓度分布。气流速率为 10 L・min⁻¹，中心电极电压为 6.5 V，入口过滤器电压为 0 V。

4.  关键性能设计

u  入口优化：最小化离子扩散与杂散电场损失，球形黄铜入口过滤器粒子损失最低；

u  静电计技术：沿用 NAIS 成熟设计，24 位 ADC 采样，自动电容放电防饱和，测量间隙仅 5~10s；

u  自动零点校准：定期切换入口高压过滤器，补偿温漂、电极污染导致的泄漏电流，延长维护周期；

u  物理参数：尺寸 200mm×130mm×400mm，重 5kg，功耗 4~5W，便携低功耗。

5.   迁移率与粒径划分

10 L/min 流量、6.5V 中心电极条件下，3 个电极的极限迁移率分别为 2.5、0.5、0.25 cm²V⁻¹s⁻¹，对应粒径 0.90、2.01、2.85nm；前两通道覆盖簇离子核心区间，第三通道捕捉 2nm 以上大离子，用于扣除背景干扰。

图 4 三个收集电极的理论检测效率随粒径与电迁移率的变化关系。在不考虑离子扩散损失的前提下，三个收集电极的理论传递函数随 (a) 电迁移率与 (b) 迁移率等效直径的变化曲线。检测效率指到达收集电极的离子通量与进入簇离子计数器的总离子通量之比。三段电极达到峰值收集效率时对应的电迁移率分别为 2.5、0.5、0.25 cm²・V⁻¹・s⁻¹，对应的迁移率等效直径分别为 0.90、2.01、2.85 nm。三个收集电极的总响应曲线（红线）计算结果显示，其在 0.8～2.8 nm 迁移率直径范围内可实现高且均匀的检测效率。单台分析器中中心电极电压与气流速率的比值为 6.5 V/10 L・min⁻¹=0.65 V・min・L⁻¹。

三、 CIC 测量参数

1.   小离子数浓度

基于收集电极电流公式  计算，可测得5nm 以下正、负离子总浓度。

2.   离子迁移直径

通过Millikan–Fuchs 公式将离子迁移率换算为迁移等效直径，默认离子为单电荷。

3.   空气电导率

小离子贡献空气总电导率的 96.3%，基于 CIC 测得的离子浓度与平均迁移率，可计算正、负极性空气电导率。

四、 性能验证实验方法

实验在塔尔图大学、赫尔辛基大学 INAR、CERN CLOUD 舱完成，核心验证方案：

1.   检测效率与流量校准

钨丝离子源生成离子，经 DMA 粒径筛分，以 TSI 3068B 静电计为参考，测试 1.2\5.0nm 离子的检测效率，及 10/50 L/min 流量对效率的影响。

图 5 三个收集电极的实验检测效率随颗粒物粒径与极性的变化关系。1.2～5.0 nm 范围内 (a) 正离子与 (b) 负离子及带电颗粒物，在三个收集电极各自及三者总和的实验检测效率。曲线为理论模型预测结果。小粒径下测量值与模型值存在偏差，原因是仪器内部存在扩散损失，而模拟过程中未考虑该因素。

图 6 实验检测效率随流量的变化关系。不同迁移率直径的带电颗粒物在单台分析器（总采样流量的一半）下，计数效率随簇离子计数器采样流量的变化：(a) 通道 1、(b) 通道 2、(c) 通道 3、(d) 通道 1～3 总和。单台分析器中中心电极电压与气流速率的比值保持 0.65 V・min・L⁻¹，以保证各通道传递函数恒定。簇离子计数器在低至 10 L・min⁻¹ 的流量下仍可保持高检测效率。

2.   线性度测试

测试 0.9/2.9 nm 正负离子在10²/10⁵ ions/cm³浓度范围的响应线性。

图 7 簇离子计数器线性度标定。簇离子计数器测得的离子与带电颗粒物浓度，与参考静电计测得浓度的对比结果：粒径为 (a) 1.0 nm、(b) 1.7 nm、(c) 2.5 nm 的负电颗粒物，以及粒径为 (d) 0.9 nm、(e) 1.5 nm、(f) 2.3 nm 的正电颗粒物。每幅图中四条曲线分别对应通道 1（蓝色）、通道 2（橙色）、通道 3（绿色）及通道 1～3 总和（红色）。数据表明该仪器线性度优异、噪声水平低。由于测量时额外加装了进气装置，降低了整体检测效率，因此无法通过本次测量推算簇离子计数器的实际效率。

3.   背景噪声与时间响应

CLOUD 舱内用高压清除电场制造无离子环境，测试仪器背景噪声；用 CERN 质子同步加速器 π 介子脉冲束，测试仪器时间响应。

图 8 本底测量结果。在 CLOUD 云室中，高压清除电场开启且室内无带电颗粒物时，不同痕量气体、温度与相对湿度条件下的簇离子计数器本底测量值。箱线图展示了簇离子计数器 1 秒平均采样数据的 25%～75% 分位区间（箱体）、5%～95% 分位区间（须线）及中位值（箱内横线）。测量时每台分析器采样流量为 7 L・min⁻¹。各次测量对应的云室环境条件见表 1。

表 1 与图 8 中簇离子计数器本底测量对应的痕量气体、温度及相对湿度条件。

五、核心性能结果

1.   检测效率

u  1.2~2.0nm 离子：检测效率 ＞80%；

u  2.0~3.0nm 离子：检测效率 ＞90%；

u  3nm 以上效率下降，形成小离子测量的自然截止。

2.   响应线性

在 10²~10⁵ ions/cm³ 浓度区间内，线性响应优异，覆盖洁净大气至高污染环境。

3.   噪声水平

1Hz 采样、7L/min 流量下，仪器噪声（1σ）为20~30 ions/cm³；背景浓度中位数 <±5 ions/cm³，远优于传统离子谱仪与静电计。

4.   时间响应

仪器时间分辨率达 1s，对 CERN 粒子束电离脉冲瞬时响应，仅存在 CLOUD 舱内气流传输的 5s 延迟。

5.   流量适应性

低至 10L/min 流量仍保持高检测效率，高流量可进一步提升信噪比。

图 9 簇离子计数器对 CERN 束流脉冲的响应。8 分钟时长内 (a) 每台分析器以 7 L・min⁻¹ 流量采集 CLOUD 云室空气时，簇离子计数器测得的离子数浓度变化；(b) 入射云室的 CERN 粒子束流强度变化。两幅图均为 1 秒采样率下的时间序列曲线。簇离子计数器对束流电离脉冲的响应时间为 1 秒，随后离子在云室内部混流风扇作用下与未受辐照空气混合而被稀释 (a)。数据中的空白段为仪器执行自动零点测量的时段。

六、应用与总结

1.   实际部署

CIC 已在全球多个大气观测站长期运行，包括芬兰 SMEAR II、爱沙尼亚 SMEAR、斯瓦尔巴新奥勒松、南极康科迪亚站；在 CERN CLOUD 舱稳定运行 5 年。

2.   核心优势

同步测双极性离子、低噪声、1s 快响应、低流量适配、便携低功耗、低维护，适配实验室快速离子过程、野外长期监测、机载 / 无人机测量。

3.   科学意义

可精准测量电离脉冲、离子复合率、气溶胶扩散充电等快速过程，助力大气新粒子形成、全球电路、离子诱导核化等研究，成为 NAIS、PSM、APi-TOF 等仪器的核心互补设备。

参考论文：

Mirme, S., Balbaaki, R., Manninen, H. E., Koemets, P., Sommer, E., Rörup, B., Wu, Y., Almeida, J., Ehrhart, S., Weber, S. K., Pfeifer, J., Kangasluoma, J., Kulmala, M., and Kirkby, J.: Design and performance of the Cluster Ion Counter (CIC), Atmos. Meas. Tech., 18, 5717–5728, https://doi.org/10.5194/amt-18-5717-2025, 2025.