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基于粒子群的虚像相位阵列光谱仪光谱反演算法研究

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光学学报 2024年

作者：吕丙选赵卫雄周昊崔卫华方波杨娜娜张为俊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学技术大学

虚像相位阵列光谱仪是一种兼具宽谱、高分辨优点的新型正交色散型光谱仪。本文使用虚像相位阵列光谱仪在6900 cm-1～6990 cm-1波段对CO2开展了宽光谱测量，发展了一种基于粒子群的吸收光谱反演优化算法。首先基于HITRAN数据库建立CO2分... 详细信息

虚像相位阵列光谱仪是一种兼具宽谱、高分辨优点的新型正交色散型光谱仪。本文使用虚像相位阵列光谱仪在6900 cm-1～6990 cm-1波段对CO2开展了宽光谱测量，发展了一种基于粒子群的吸收光谱反演优化算法。首先基于HITRAN数据库建立CO2分子吸收模拟谱线，然后在实测谱线三次多项式波长标定的基础上，通过粒子群优化模拟吸收峰的峰值位置参数实现模拟谱线与实测谱线位置上的最优吻合，从而提高吸收光谱参数反演精度。结合超连续光源和Chernin型光学多通池检测了不同体积分数的CO2吸收光谱。实验表明未优化峰值位置时CO2浓度反演结果与理论值相差约33%，优化峰值位置后，浓度反演结果与理论值偏差仅为1.8%，证明该粒子群优化算法可用于虚像相位阵列光谱仪分子浓度反演优化。

关键词：虚像相位阵列光谱仪粒子群高分辨率 CO2探测

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小型催化裂化系统的研制及性能表征

环境科学学报 2024年

作者：牛红伟周家成郭皓天崔卫华余同柱盖艳波赵卫雄张为俊安徽大学物质科学与信息技术研究院中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学技术大学

为研究大气中挥发性物质对气溶胶性质的影响，设计了一种高集成度的小型催化裂化系统（Catalytic Stripper，以下简称CS）.CS系统由CS催化部件、罐状保温层、外围PID温控电路及不锈钢外壳组成，采用直流24 V供电，尺寸和质量分别为26 cm... 详细信息

为研究大气中挥发性物质对气溶胶性质的影响，设计了一种高集成度的小型催化裂化系统（Catalytic Stripper，以下简称CS）.CS系统由CS催化部件、罐状保温层、外围PID温控电路及不锈钢外壳组成，采用直流24 V供电，尺寸和质量分别为26 cm×20.2 cm×20 cm和1.96 kg.性能测试表明，PID温控效果较好，从室温升至目标温度350℃仅需6 min，精度为±1℃；CS系统的气溶胶传输效率较高，当粒径大于150 nm时，其传输效率大于90%，远优于已有的热扩散管；而且CS系统对挥发性物质的去除效率接近理想情况，可有效去除挥发组分.

关键词：催化裂化系统小型化 PID温控颗粒物传输效率挥发性

苯系物二次有机气溶胶金属有机络合物组分的表征实验研究

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环境科学学报 2024年

作者：曾志威黄明强朱敏聪张丽梅赵卫雄胡长进顾学军张为俊闽南师范大学化学化工与环境学院福建省现代分离分析科学与技术重点实验室中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学实验室

大气二次有机气溶胶（SOA）金属有机络合物组分具有较强的吸光能力和生物毒性，可加重灰霾污染，危害人体健康.本文利用烟雾箱系统模拟氯化铁细粒子存在时，苯系物大气化学过程产生SOA粒子，采用在线质谱和离线光谱表征金属有机络合物... 详细信息

大气二次有机气溶胶（SOA）金属有机络合物组分具有较强的吸光能力和生物毒性，可加重灰霾污染，危害人体健康.本文利用烟雾箱系统模拟氯化铁细粒子存在时，苯系物大气化学过程产生SOA粒子，采用在线质谱和离线光谱表征金属有机络合物的化学组分和光学性质.气溶胶激光飞行时间质谱在线测量和电喷雾电离质谱的离线验证表明，邻苯二酚类合铁（Ⅲ）、二邻苯二酚类合铁（Ⅲ）、二氯邻苯二酚类合铁（Ⅲ）是苯系物SOA粒子主要的金属有机络合物组分.氯化铁细粒子存在时，苯系物SOA粒子的吸光能力显著增强，并具有荧光特性，最大激发和发射波长约为λех/λem=704 nm/740 nm.SOA在200～1000 nm范围内的平均质量吸收系数（）在186～732 cm2·g-1之间.苯环上存在甲基和乙基等取代基时，空间位阻效应阻碍OH自由基加成到苯环上.乙烯基存在时，其C=C键与苯环C=C键形成共轭双键，乙烯基电子离域到苯环上，使其电子云密度显著增强，加合反应更易发生.苯系物SOA粒子质量浓度、、发射740 nm荧光强度呈现1,2,4-三甲苯<对-二甲苯<甲苯<乙苯<苯<苯乙烯的规律.这为大气人为源SOA金属有机络合物化学组分和光学性质研究提供了实验参考和依据.

关键词：二次有机气溶胶金属有机络合物苯系物氯化铁光学特性

基于光频梳傅里叶变换红外光谱的3.5μm附近甲醛分子宽带光谱测量

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光学学报 2024年

作者：李双双胡长进程飞虎赵卫雄方波陈杨杨娜娜韦娜娜张为俊邓伦华中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学技术大学研究生院科学岛分院中国科学技术大学环境科学与光电技术学院华东师范大学精密光谱国家重点实验室

甲醛(H2CO)是对流层中含量最多的一种醛类，也是室内环境的主要污染物，获得高质量的甲醛光谱对大气科学、室内环境监测具有重要意义。基于此，本文搭建了一套频率梳傅里叶变换红外光谱(FC-FTIR)装置，利用Herriott光学多通池在光学基... 详细信息

甲醛(H2CO)是对流层中含量最多的一种醛类，也是室内环境的主要污染物，获得高质量的甲醛光谱对大气科学、室内环境监测具有重要意义。基于此，本文搭建了一套频率梳傅里叶变换红外光谱(FC-FTIR)装置，利用Herriott光学多通池在光学基长仅为1.2米的条件下获得60米的吸收光程，最终在室温、低压条件下获得甲醛在3.5μm附近的中红外宽带光谱，谱线的波数精度优于150 MHz。通过多谱线拟合甲醛光谱得到该仪器的探测限为3×10-8cm-1Hz-1/2，对应于414 ppb的探测灵敏度。根据实测谱图反演了吸收池内甲醛浓度，得到其平均浓度为3.5 ppm，浓度不确定度为9%-11%。为了体现宽谱测量的优势能力，还测量了在大量水存在时甲醛的吸收光谱，并确定其分子浓度。本装置不仅可以在宽光谱范围内同时获得多个物质的谱图，而且耗时较短，8次测量平均的情况下在35 s的响应时间内即可获得完整的吸收谱图。相较于传统的FTIR，中红外FC-FTIR在灵敏度及分辨率相同的条件下，具有采集时间短的显著优势，有望在甲醛等分子的红外光谱测量中发挥重要作用。

关键词：中红外频率梳傅里叶变换红外光谱甲醛光学多通池宽谱

电子激发高空大气辐射模拟装置的研制及初步应用

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量子电子学报 2024年第2期41卷 215-225页

作者：何睿祺刘向农温作赢顾学军张为俊戴聪明李建玉唐小锋合肥工业大学汽车与交通工程学院安徽合肥230009 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

地球大气组分与高能电子之间的电荷交换和能量传递在极光和气辉等高空大气发光现象中扮演着重要角色。通过搭建基于真空系统的电子激发高空大气辐射地面模拟装置,验证了高能电子对高空中性大气的电离激发及其辐射跃迁机制。该装置可实现... 详细信息

地球大气组分与高能电子之间的电荷交换和能量传递在极光和气辉等高空大气发光现象中扮演着重要角色。通过搭建基于真空系统的电子激发高空大气辐射地面模拟装置,验证了高能电子对高空中性大气的电离激发及其辐射跃迁机制。该装置可实现从10^(2)Pa过渡到10^(-3)Pa超过5个量级的真空梯度、10^(2)~10^(3)eV能量范围内的电子加速聚焦以及近紫外-可见光-近红外波段的宽光谱测量。将该模拟装置初步应用于N_(2)和O_(2)的电子激发实验,比较了大气中两种主要成分的谱线分布特征,发现激发光谱强度与电子能量成正相关,且在相同条件下N_(2)的激发光谱强度远大于O_(2)。利用单组分气体的已知光谱带系标定了实际大气的电子激发光谱,结果表明实际大气与纯N_(2)的激发光谱分布趋于一致但强度有所下降。初步测试与应用表明该装置可用于模拟高能电子沉降过程中与中高层大气组分的碰撞激发反应。

关键词：光谱学电离光谱电子激发大气辐射高空大气

真空紫外光电离质谱及其在大气化学中的应用研究

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质谱学报 2023年第2期44卷 181-196页

作者：温作赢顾学军林晓晓张为俊唐小锋中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

大气环境污染成因复杂,往往涉及一系列复杂的化学反应过程,且包含众多的挥发性有机物气体分子、自由基和气溶胶颗粒物等,在线检测是大气化学领域的难点和热点问题。真空紫外光电离质谱技术使分子吸收单个光子能量后,在其电离能阈值附近... 详细信息

大气环境污染成因复杂,往往涉及一系列复杂的化学反应过程,且包含众多的挥发性有机物气体分子、自由基和气溶胶颗粒物等,在线检测是大气化学领域的难点和热点问题。真空紫外光电离质谱技术使分子吸收单个光子能量后,在其电离能阈值附近“软”电离,可以获得分子离子质量信息,具有质谱图简洁、碎片离子少和易于解析等特点,能够从分子层面上在线测量大气化学反应过程中关键的化学成分,揭示复杂的大气化学反应机理,在大气化学领域具有较好的应用前景。本文介绍了基于真空紫外激光、同步辐射光源、自由电子激光和真空紫外放电灯等多种光源的真空紫外光电离质谱技术,阐述了近年来该技术在大气挥发性有机物、自由基以及气溶胶颗粒物化学成分检测方面的进展,并展望真空紫外光电离质谱技术的发展方向。

关键词：真空紫外光(VUV) 光电离质谱(PIMS) 大气化学自由基气溶胶

真空紫外光电离质谱在线检测卷烟主流烟气气溶胶中气体和颗粒物的化学成分

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质谱学报 2023年第6期44卷 770-779,I0002页

作者：赵锋温作赢顾学军王健唐小锋张为俊安徽中烟工业有限责任公司烟草化学安徽省重点实验室安徽合肥230088 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230026

本文采用吸烟机模拟吸烟状态,结合自制的真空紫外光电离质谱仪,在线检测和表征卷烟主流烟气中气体和颗粒物的化学成分,获得各自的特征成分,并开展逐口抽吸特性研究。结果表明,卷烟主流烟气中的气体成分主要为小分子质量的挥发性有机物,... 详细信息

本文采用吸烟机模拟吸烟状态,结合自制的真空紫外光电离质谱仪,在线检测和表征卷烟主流烟气中气体和颗粒物的化学成分,获得各自的特征成分,并开展逐口抽吸特性研究。结果表明,卷烟主流烟气中的气体成分主要为小分子质量的挥发性有机物,而颗粒物的成分复杂,在质谱仪质量分析范围(m/z<400)内均有检出。烟气两相成分的归属结果显示,部分成分主要以气体形式存在于烟气中,而另一些成分仅存在于颗粒物中。此外,研究发现,苯酚、糠醛、二羟基苯、二甲基苯酚、愈创木酚和柠檬烯等成分在气相和颗粒相中均有检出。逐口分析中,气体成分呈现2种变化特征,绝大多数成分的信号强度随抽吸口数增加而增强,而部分不饱和烃则在第2口抽吸中具有较高的相对强度,之后逐渐降低并趋于稳定或略有上升;几乎颗粒相中所有成分都呈现逐口增强的趋势,与气相成分相比,颗粒相成分的增长趋势更平缓。

关键词：卷烟主流烟气气溶胶颗粒物在线成分分析真空紫外光电离质谱

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基于磁旋转光谱技术的氧气传感器研究

光学学报 2023年

作者：刘栋沅方波赵卫雄胡晓张为俊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学技术大学中国科学技术大学环境科学与光电技术学院

在全球气候变化导致大气氧气浓度持续下降背景下,为揭示青藏高原氧含量变化过程,利用氧气的顺磁性和法拉第磁光效应,研制了高精度磁旋转光谱大气氧气传感器。氧气测量选择近红外磁效应较强的13118.04 cm-1波数处PP(1)(J=1)跃迁谱线,结合... 详细信息

在全球气候变化导致大气氧气浓度持续下降背景下,为揭示青藏高原氧含量变化过程,利用氧气的顺磁性和法拉第磁光效应,研制了高精度磁旋转光谱大气氧气传感器。氧气测量选择近红外磁效应较强的13118.04 cm-1波数处PP(1)(J=1)跃迁谱线,结合Herriott光学多通池将有效吸收光程提高至7 m,使用通电螺线管线圈为测量提供180 Gauss直流磁场。基于噪声测量的信噪比分析显示装置中检偏器的最优偏转角为10°,此时系统总噪声为0.33μV/Hz1/2。最优光谱参数条件下的Allan方差评估表明,系统的探测精度为32 ppmv (1σ,60 s)。本装置可以通过使用稀土永磁体代替通电螺线管线圈,有望进一步提高磁旋转信号强度,以提升传感器性能。

关键词：光谱学磁旋转光谱技术传感器氧气

激光烧蚀Al靶产生的等离子体中辐射粒子的速度及激波

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物理学报 2001年第8期50卷 1512-1516页

作者：张树东张为俊西北师范大学物理系兰州730070 中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥230031

在低真空条件下 (5Pa) ,通过测量脉冲激光烧蚀平面Al靶产生的等离子体辐射谱的时间分辨特征 ,得到辐射粒子速度的空间分布 .在激光脉冲宽度为 10ns,烧蚀斑直径为 2 0 0 μm ,靶面上功率密度分别为 1.91× 10 1 0 ,5 .10×10 1 0 和 7.6 ... 详细信息

在低真空条件下 (5Pa) ,通过测量脉冲激光烧蚀平面Al靶产生的等离子体辐射谱的时间分辨特征 ,得到辐射粒子速度的空间分布 .在激光脉冲宽度为 10ns,烧蚀斑直径为 2 0 0 μm ,靶面上功率密度分别为 1.91× 10 1 0 ,5 .10×10 1 0 和 7.6 4× 10 1 0 W cm2 时 ,测得辐射粒子Al的速度均在 10 6 cm s量级 ,且随着靶面径向距离的增大而近似呈指数衰减 .在距靶面的相同距离处 ,激光功率密度的增大反而使速度减小 .利用激波模型 (shockwavemodel)较好地解释了实验结果。

关键词：激光等离子体平面Al靶粒子速度分布激波激光烧蚀