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氣溶膠消光光譜儀原理與樣機(jī)

　　科研儀器主要考量精確度，即測試結(jié)果“準(zhǔn)不準(zhǔn)”的問題，而工業(yè)化應(yīng)用并不一定要求特別高的準(zhǔn)確度，而是更偏向?qū)τ诜€(wěn)定性的要求。氣溶膠消光光譜儀的研發(fā)是“兩條腿走路”，只是要賣給企業(yè)的話，穩(wěn)定性等方面的努力還得繼續(xù)。

　　人們在日常生活中常見的云、霧、煙甚至霧霾等大氣現(xiàn)象其實(shí)在科學(xué)家的眼里還有別的叫法——?dú)馊苣z。所謂氣溶膠，實(shí)則是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系，又被稱為氣體分散體系。

　　“通常而言，就是指大氣中的顆粒物，比如在空氣質(zhì)量評估中提到的PM2.5?！敝袊茖W(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所助理研究員徐學(xué)哲在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

　　近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員趙衛(wèi)雄、張為俊及其團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的科研專項(xiàng)“氣溶膠消光光譜儀研制”項(xiàng)目通過驗(yàn)收，儀器的成功研發(fā)被認(rèn)為不僅在業(yè)務(wù)觀測和科研上產(chǎn)生重要的社會(huì)效益，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)氣象觀測儀器的國產(chǎn)化并產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。徐學(xué)哲就是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的重要成員之一。

　　不同于市面上的“普通”光譜儀

　　氣溶膠消光光譜儀是什么？因何產(chǎn)生重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益？項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙衛(wèi)雄介紹道，該儀器是一臺(tái)基于寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)的氣溶膠消光光譜儀，實(shí)現(xiàn)消光光譜的實(shí)時(shí)、原位測量，并對測量技術(shù)和方法進(jìn)行研究，建立了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)校方法，完成項(xiàng)目既定研究內(nèi)容。在項(xiàng)目驗(yàn)收中，儀器技術(shù)指標(biāo)達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期考核要求，儀器靈敏度和探測精度優(yōu)于項(xiàng)目設(shè)定目標(biāo)。

　　氣溶膠消光光譜儀是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的光譜觀測設(shè)備。據(jù)介紹，在技術(shù)的發(fā)展方面，其具有可擴(kuò)展性，通過多組高反射率透鏡的聯(lián)用，可獲得整個(gè)紫外—可見波段的消光光譜。

　　“消光”是這一儀器的重要技術(shù)特點(diǎn)。所謂“消光”，徐學(xué)哲告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“就是指大氣中的顆粒物反射和吸收太陽光的特性?！彼硎荆w粒物消光的大小直接影響大氣能見度，同時(shí)反映了空氣質(zhì)量。

　　“通俗而言，消光光譜儀就是評估反映大氣顆粒物消光能力的儀器?！毙鞂W(xué)哲補(bǔ)充道，“我們用這臺(tái)機(jī)器測試顆粒物的消光特性，從而評估顆粒物對大氣能見度、空氣質(zhì)量以及氣候效應(yīng)的影響。在氣候評估中，氣溶膠的光學(xué)特性是一個(gè)非常重要的參數(shù)?！?/p>

　　當(dāng)前國內(nèi)外市場上的光譜儀技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，與通常意義上的光譜儀相比，氣溶膠光譜儀實(shí)際上存在很大的不同。徐學(xué)哲告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“氣溶膠消光光譜儀是由光源、光學(xué)諧振腔和光譜儀三個(gè)部分組成?？梢哉f，氣溶膠消光光譜儀和市場上的光譜儀不是一個(gè)概念?！?/p>

　　徐學(xué)哲表示，“市場上的光譜儀主要是測量不同波長處的光強(qiáng)，我們的這臺(tái)儀器主要測量氣溶膠的相關(guān)光譜特性。”

　　朝著小型化、智能化發(fā)展

　　研究表明，灰霾期間吸濕增長對大氣能見度降低的貢獻(xiàn)可達(dá)到60%，超過顆粒物本身的消光作用，氣溶膠消光光譜儀項(xiàng)目首次將消光光譜儀運(yùn)用于氣溶膠吸濕增長研究中。

　　通過采用寬帶腔增強(qiáng)光譜測量技術(shù)，氣溶膠消光光譜儀有效解決了現(xiàn)有單波長儀器測量時(shí)氣體吸收對消光系數(shù)測量的影響問題。

　　徐學(xué)哲介紹，氣溶膠消光光譜儀使用的是發(fā)光二極管，相比傳統(tǒng)激光器，具有價(jià)格低、壽命長、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便等優(yōu)勢。

　　徐學(xué)哲告訴《中國科學(xué)報(bào)》，氣溶膠消光光譜儀對PM2.5等環(huán)境的監(jiān)測和防治具有積極意義。2014年至2015年，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將研制樣機(jī)成功應(yīng)用于APEC空氣質(zhì)量保障暨中科院“先導(dǎo)2014”京津冀地區(qū)灰霾綜合外場實(shí)驗(yàn)；2016年至2017年，該儀器在安徽省壽縣國家氣候觀象臺(tái)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)月的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化連續(xù)觀測，性能良好。

　　目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已將該儀器與研制的其他同類設(shè)備在長三角地區(qū)（合肥）和珠三角地區(qū)（廣州）進(jìn)行外場綜合觀測。

　　接下來，氣溶膠消光光譜儀將向小型化、智能化的方向發(fā)展。徐學(xué)哲介紹道，小型化更利于儀器的外場工作，而智能化則是儀器一個(gè)更重要的方向。

　　“按照科學(xué)研究的要求，在數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控方面做一些智能化處理，定時(shí)將儀器需要的參數(shù)輸入設(shè)備，定時(shí)校準(zhǔn)，定時(shí)反饋，將大大減少與儀器的人為交互。”徐學(xué)哲說。

　　當(dāng)問及什么時(shí)候能夠看到氣溶膠消光光譜儀智能化研究的成果時(shí)，徐學(xué)哲表示，智能化樣機(jī)大概在一兩年可以跟大家見面。

　　推進(jìn)相關(guān)儀器的國產(chǎn)化進(jìn)程

　　談到氣溶膠消光光譜儀的市場前景，徐學(xué)哲向《中國科學(xué)報(bào)》表達(dá)了他“看好”的態(tài)度。他表示已經(jīng)“有訂單”了，不過目前的合作單位多為高校及科研院所，以研究為主，還沒有達(dá)到“工業(yè)級”的應(yīng)用。

　　徐學(xué)哲告訴記者，科研儀器主要考量精確度，即測試結(jié)果“準(zhǔn)不準(zhǔn)”的問題，而工業(yè)化應(yīng)用并不一定要求特別高的準(zhǔn)確度，而是更偏向?qū)τ诜€(wěn)定性的要求。不過，他坦言，氣溶膠消光光譜儀的研發(fā)是“兩條腿走路”，只是要賣給企業(yè)的話，穩(wěn)定性等方面的努力還得繼續(xù)。

　　徐學(xué)哲告訴《中國科學(xué)報(bào)》，其實(shí)，項(xiàng)目剛開始的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)成員并沒有首先考慮轉(zhuǎn)化的問題。

　　與“市場化程度”相比，徐學(xué)哲更引以為豪的是儀器的研發(fā)“多大程度上讓我們國家擁有屬于自己的設(shè)備”。

　　“一開始只是專注實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究，當(dāng)時(shí)和氣象局合作，簡單的想法就是發(fā)展我們國家可以自行測量的氣溶膠設(shè)備。”徐學(xué)哲表示，“項(xiàng)目從開展到現(xiàn)在已經(jīng)有10年的時(shí)間了，已經(jīng)完成了3代，經(jīng)過了4年的改進(jìn)，這是一個(gè)比較長的過程?！?/p>

　　徐學(xué)哲認(rèn)為目前氣溶膠消光光譜儀“不說國際領(lǐng)先，也已經(jīng)達(dá)到了國際水平”。他表示，現(xiàn)在主要做一些推廣，“我們現(xiàn)在需要更多用戶的反饋，看看市場需要什么，然后做出一些相應(yīng)的調(diào)整”。

　　當(dāng)前，我國相關(guān)高端儀器的總體技術(shù)水平仍然與國外先進(jìn)水平有一定差距。“需要這些儀器的機(jī)構(gòu)常常只能通過進(jìn)口購置，價(jià)格昂貴，涉及到工程師的后期維護(hù)也總是出現(xiàn)問題。”徐學(xué)哲說。

　　某種程度上，氣溶膠消光光譜儀的研發(fā)將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)氣象觀測儀器的國產(chǎn)化進(jìn)程。

　　徐學(xué)哲同時(shí)希望國家適當(dāng)?shù)丶哟髮ψ灾餮兄苾x器的支持，“特別是在購置方面”。

　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2019-03-21 第8版 裝備制造)