实验站
1.流动管热解实验平台
流动管反应器是燃烧化学研究中一种比较常用的气液燃料热解反应器，而对于热解产物的探测，前人多采用色谱法和传统的质谱法。色谱法的优点是灵敏度高、定量准确且可准确区分热解产物中的同分异构体，但热解产物中活性的自由基和中间体会在狭长的色谱柱中完全淬灭；传统的质谱法则往往由于无法找到合适的电离方法而难以全面检测热解物种。因此，色谱法和传统的质谱法在研究燃烧反应动力学中的表现均不够理想。为此, 本课题组将SVUV-PI-MBMS法应用于气液燃料的流动反应器热解研究，利用同步辐射光宽能量范围和分子束取样的优点实现对热解产物的在线分析和全面检测。
同步辐射流动反应器热解实验装置如上图所示，其由热解腔、差分腔、光电离腔和飞行时间质谱仪4部分组成。实验中, 将气态燃料或气化后的液态燃料与Ar混合后通入位于热解室内被热解炉加热的刚玉流动管中，产生的热解产物被石英喷嘴取样进入差分室，形成的超声分子束再经过镍制漏勺(skimmer)后到达光电离室，并在其中的电离区与同步辐射光相交而被电离，产生的离子信号由自制的反射式飞行时间质谱仪(RTOF-MS)探测。实验中有两种实验模式：(1)固定加热温度，改变光子能量，测量每种热解物种的光电离效率(PIE)谱，从而获得热解物种的电离能(IE)信息，以确定其分子结构；(2)固定光子能量，改变加热温度，得到燃料的初始分解温度、耗尽温度、各产物的初始生成温度、中间物的峰值温度以及各热解物种的浓度随温度的变化曲线。实验中，利用一根热电偶在流动管外的加热区中部位置监测热解炉的温度(Tout)。实验后，利用另一根热电偶测量相应的管内温度(Tin)分布曲线，并建立Tout 和Tin 之间的关系，从而推导出实验中所有实验温度点下的管内温度分布曲线，其最高值以Tmax 命名。利用管内温度分布曲线和出口压力可以推导出管内的压力分布情况，从而为反应动力学模拟工作提供温度和压力参数。
2.低温氧化实验平台
自燃是指可燃物在没有外部火花、火焰等火源的作用下，因受热或自身发热并蓄热所产生的自行燃烧，是一种受低温氧化机理控制的过程，也是内燃机的主要点火方式之一。此外，氧化过程对石油化工的安全也造成了一定威胁。因此，对碳氢化合物低温氧化机理的认识有助于合理地利用自燃现象，对于内燃机设计和石油化工安全等实用领域意义重大。射流搅拌反应器可以模拟自燃温度前后的工况，是研究碳氢化合物低温氧化的最佳实验平台之一。
为了检测低温氧化过程中的活泼中间体，Battin-Leclerc等将SVUV-PI-MBMS方法应用于碳氢燃料的射流搅拌反应器(JSR)低温氧化研究，利用分子束取样技术实现了对氧化物种的在线分析，实验平台如上图所示。实验中所使用的装置主要包括一个石英制成的射流搅拌反应器以及SVUV-PI-MBMS系统。JSR中部有4个孔径为200 μm的喷嘴, 燃料/O2/Ar的混合物经过4个喷嘴后形成射流，然后均匀混合。在反应器的侧面有一个熔融而成的孔径为100 μm的石英喷嘴，对反应产物进行取样。取样后经过镍制漏勺形成超声分子束，并到达光电离室(II)，中性分子被同步辐射光电离成离子后由RTOF-MS进行探测。实验中有3 种实验模式：(1)固定反应温度和停留时间，改变光子能量，得到产物随能量变化的谱图，即光电离效率(PIE)谱，从而获得其IE信息，以帮助鉴别其分子结构；(2)固定光子能量和停留时间，改变反应器温度，得到燃料和产物随温度变化的分布；(3)在保持光子能量和反应器温度不变的情况下改变滞留时间，可以获得低温氧化产物浓度随滞留时间的变化曲线。实验过程中，可以调节燃料和O2的比例，实现贫氧和富氧条件下的低温氧化，为模型的验证提供详实的实验数据。
3.层流预混火焰实验平台
层流预混火焰由于具有火焰结构简单、稳定性优异、当量稳定等优点，是燃烧化学研究中最早也是最常用的燃烧反应体系，为验证燃烧动力学模型提供了理想的手段。
目前，国际上层流预混火焰化学结构研究多采用低压(P < 1 atm)实验装置开展。低压实验的优点在于火焰化学结构完整、反应区宽广、便于探测重要的链式反应载体—自由基和活泼的中间体等，是很好的用于燃烧化学研究的模型体系。2002年，美国科学家在劳伦斯伯克利国家实验室先进光源(ALS)上建设了首台用于研究低压层流预混火焰的同步辐射燃烧实验站。2003年，齐飞等在中国科学技术大学国家同步辐射实验室(NSRL)建立了世界上第二台用于研究低压层流预混火焰的同步辐射燃烧实验站。上图展示了NSRL中同步辐射低压层流预混实验装置的示意图，此装置主要由燃烧室(I)、差分室(II)、电离室(III)及自制的反射式飞行时间质谱组成。燃烧室中装有Mckenna燃烧炉， 由计算机控制的步进马达可以带动燃烧炉轴线方向前后运动，从而完成对燃烧炉轴向上各个位置的火焰物质取样。取样后的火焰物质经过石英喷嘴和镍制漏斗形成超声分子束，然后进入电离室被飞行时间质谱探测。气体样品流量由质量流量控制计精确控制，气态样品混合后直接通入燃烧炉中；液体样品则由微进样泵注入气化装置，气化后用Ar作为载气将气化后的样品送入燃烧炉中。实验模式如下：(1)固定火焰炉的位置，改变光子能量，测量各火焰物种的PIE谱，进而获得火焰物种的IE信息，以确定其分子结构；(2)固定光子能量，改变火焰炉的位置，得到火焰物种浓度在空间中的变化曲线。
4.扩散火焰实验平台
层流扩散火焰是一种主要受扩散传质过程控制的火焰，燃烧的剧烈化学反应过程主要发生在燃料和空气接触的火焰面上。相比层流预混火焰, 扩散火焰更加接近真实的燃烧过程，且燃烧过程中更加容易形成PAH和碳烟(soot)。因此，对层流扩散火焰进行定性和定量的实验研究，结合理论计算模拟，能很好地揭示出传热、传质和化学反应等过程在燃料燃烧和燃烧污染物形成过程中的相互影响，并能准确地推断出燃烧污染物的形成机制。
目前，国际上普遍利用激光诱导炽光(LII)法对碳烟进行测量，但这种方法只能探测到颗粒物粒径的大小，无法确定其化学成分。早期对层流扩散火焰的检测一直使用激光单光子电离质谱，但其物种的鉴别能力和定量的准确性均受到激光波长的制约，导致在PAH和碳烟之间存在实验测量的空白区域。鉴于SVUV-PIMS 技术的强大功能，我们将其结合至层流扩散火焰实验平台，利用SVUV光能量连续可调的优势和物种电离能的性质，实现了对火焰中多种中间产物，尤其是几种重要的PAH前躯体的结构鉴定和燃烧产物的定量分析。
同步辐射同轴扩散火焰实验平台的示意图如上图所示，其中火焰炉的主体部分为同轴的两根圆管。实验时，将燃料、Ar和N2混合后通入内管，压缩空气通入外管，点燃后即可形成同轴扩散火焰。燃烧炉由步进马达带动，可沿轴向和径向位置二维移动，从而改变石英取样探针在火焰中的位置。取样后的火焰物种经过差分室传输到光电离室并被同步辐射光电离，产生的离子信号由RTOF-MS探测。实验模式如下：(1)固定火焰炉的位置，改变光子能量，测量各火焰物种的PIE谱，进而获得火焰物种的IE信息，以确定其分子结构；(2)固定光子能量，改变火焰炉的位置，得到火焰物种浓度在空间中的变化曲线。
