科研与工业化应用“两条腿走路”

 
气溶胶消光光谱仪：  
科研与工业化应用“两条腿走路”  
 

气溶胶消光光谱仪原理与样机

科研仪器主要考量精确度，即测试结果“准不准”的问题，而工业化应用并不一定要求特别高的准确度，而是更偏向对于稳定性的要求。气溶胶消光光谱仪的研发是“两条腿走路”，只是要卖给企业的话，稳定性等方面的努力还得继续。

人们在日常生活中常见的云、雾、烟甚至雾霾等大气现象其实在科学家的眼里还有别的叫法——气溶胶。所谓气溶胶，实则是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又被称为气体分散体系。

“通常而言，就是指大气中的颗粒物，比如在空气质量评估中提到的PM2.5。”中国科学院安徽光学精密机械研究所助理研究员徐学哲在接受《中国科学报》采访时表示。

近日，中国科学院合肥物质科学研究院研究员赵卫雄、张为俊及其团队负责的科研专项“气溶胶消光光谱仪研制”项目通过验收，仪器的成功研发被认为不仅在业务观测和科研上产生重要的社会效益，同时也会进一步推动气象观测仪器的国产化并产生较大的经济效益。徐学哲就是项目团队的重要成员之一。

不同于市面上的“普通”光谱仪

气溶胶消光光谱仪是什么？因何产生重要的社会效益和经济效益？项目负责人赵卫雄介绍道，该仪器是一台基于宽带腔增强吸收光谱技术的气溶胶消光光谱仪，实现消光光谱的实时、原位测量，并对测量技术和方法进行研究，建立了实验室标校方法，完成项目既定研究内容。在项目验收中，仪器技术指标达到项目预期考核要求，仪器灵敏度和探测精度优于项目设定目标。

气溶胶消光光谱仪是一个连续运行的光谱观测设备。据介绍，在技术的发展方面，其具有可扩展性，通过多组高反射率透镜的联用，可获得整个紫外—可见波段的消光光谱。

“消光”是这一仪器的重要技术特点。所谓“消光”，徐学哲告诉《中国科学报》，“就是指大气中的颗粒物反射和吸收太阳光的特性。”他表示，颗粒物消光的大小直接影响大气能见度，同时反映了空气质量。

“通俗而言，消光光谱仪就是评估反映大气颗粒物消光能力的仪器。”徐学哲补充道，“我们用这台机器测试颗粒物的消光特性，从而评估颗粒物对大气能见度、空气质量以及气候效应的影响。在气候评估中，气溶胶的光学特性是一个非常重要的参数。”

当前国内外市场上的光谱仪技术已经相当成熟，与通常意义上的光谱仪相比，气溶胶光谱仪实际上存在很大的不同。徐学哲告诉《中国科学报》，“气溶胶消光光谱仪是由光源、光学谐振腔和光谱仪三个部分组成。可以说，气溶胶消光光谱仪和市场上的光谱仪不是一个概念。”

徐学哲表示，“市场上的光谱仪主要是测量不同波长处的光强，我们的这台仪器主要测量气溶胶的相关光谱特性。”

朝着小型化、智能化发展

研究表明，灰霾期间吸湿增长对大气能见度降低的贡献可达到60%，超过颗粒物本身的消光作用，气溶胶消光光谱仪项目首次将消光光谱仪运用于气溶胶吸湿增长研究中。

通过采用宽带腔增强光谱测量技术，气溶胶消光光谱仪有效解决了现有单波长仪器测量时气体吸收对消光系数测量的影响问题。

徐学哲介绍，气溶胶消光光谱仪使用的是发光二极管，相比传统激光器，具有价格低、寿命长、稳定性好、维护方便等优势。

徐学哲告诉《中国科学报》，气溶胶消光光谱仪对PM2.5等环境的监测和防治具有积极意义。2014年至2015年，项目团队将研制样机成功应用于APEC空气质量保障暨中科院“先导2014”京津冀地区灰霾综合外场实验；2016年至2017年，该仪器在安徽省寿县国家气候观象台实现了10个月的准业务化连续观测，性能良好。

目前，项目团队已将该仪器与研制的其他同类设备在长三角地区（合肥）和珠三角地区（广州）进行外场综合观测。

接下来，气溶胶消光光谱仪将向小型化、智能化的方向发展。徐学哲介绍道，小型化更利于仪器的外场工作，而智能化则是仪器一个更重要的方向。

“按照科学研究的要求，在数据校准、数据处理，以及数据质量的监控方面做一些智能化处理，定时将仪器需要的参数输入设备，定时校准，定时反馈，将大大减少与仪器的人为交互。”徐学哲说。

当问及什么时候能够看到气溶胶消光光谱仪智能化研究的成果时，徐学哲表示，智能化样机大概在一两年可以跟大家见面。

推进相关仪器的国产化进程

谈到气溶胶消光光谱仪的市场前景，徐学哲向《中国科学报》表达了他“看好”的态度。他表示已经“有订单”了，不过目前的合作单位多为高校及科研院所，以研究为主，还没有达到“工业级”的应用。

徐学哲告诉记者，科研仪器主要考量精确度，即测试结果“准不准”的问题，而工业化应用并不一定要求特别高的准确度，而是更偏向对于稳定性的要求。不过，他坦言，气溶胶消光光谱仪的研发是“两条腿走路”，只是要卖给企业的话，稳定性等方面的努力还得继续。

徐学哲告诉《中国科学报》，其实，项目刚开始的时候，团队成员并没有首先考虑转化的问题。

与“市场化程度”相比，徐学哲更引以为豪的是仪器的研发“多大程度上让我们国家拥有属于自己的设备”。

“一开始只是专注实验室基础研究，当时和气象局合作，简单的想法就是发展我们国家可以自行测量的气溶胶设备。”徐学哲表示，“项目从开展到现在已经有10年的时间了，已经完成了3代，经过了4年的改进，这是一个比较长的过程。”

徐学哲认为目前气溶胶消光光谱仪“不说国际领先，也已经达到了国际水平”。他表示，现在主要做一些推广，“我们现在需要更多用户的反馈，看看市场需要什么，然后做出一些相应的调整”。

当前，我国相关高端仪器的总体技术水平仍然与国外先进水平有一定差距。“需要这些仪器的机构常常只能通过进口购置，价格昂贵，涉及到工程师的后期维护也总是出现问题。”徐学哲说。

某种程度上，气溶胶消光光谱仪的研发将会进一步推动气象观测仪器的国产化进程。

徐学哲同时希望国家适当地加大对自主研制仪器的支持，“特别是在购置方面”。

《中国科学报》 (2019-03-21 第8版 装备制造)

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