先进光源同步辐射设施中的火焰实验：碳烟形成过程的新见解

本实验的总体目标是分析实验室规模碳氢化合物火焰的化学组成，以深入了解燃烧环境中此类物质的形成过程。首先在约20至80毫巴的低压条件下建立由燃烧器稳定支撑的预混火焰；第二步是从这些火焰中抽取气体，并利用自行搭建的真空紫外光电离飞行时间质谱仪测定所采样物种的化学成分。

接下来，测定这些物质在距燃烧器不同距离处的浓度。最后一步是采用类似方法研究燃烧生成的颗粒物的化学组成，这些颗粒物是气相形成过程的产物。最终，结合真空紫外光的火焰采样质谱法。

光电离技术被用于证明共振稳定的自由基是重要的中间产物，并且单一简单机理无法解释所有观测到的烟炱组分。尽管该方法可为燃烧过程提供深入见解，但它也可用于研究大气化学、分子动力学和反应动力学等领域。首先，通过燃烧器表面建立每分钟一升的氩气流和每分钟1.5升的氧气流，并维持火焰室内的压力为80毫巴。

将热丝点火器置于燃烧器表面之上，然后将氢气流量调节至0.4升/分钟，并在点火后迅速启动点火器。点火完成后关闭热丝点火器，并将其移离燃烧器位置。

接下来，设定所需的氩氧、氢气和燃料流量。调节压力以匹配目标火焰的条件，当电离室内的压力小于或等于10⁻⁶毫巴时，目标压力通常在20至40毫巴之间。对飞行时间质谱仪和微通道板探测器的离子光学系统施加电压，并打开束线阀门。

启动实验室视图数据采集程序的通用界面vi，使用软件中的电机选项卡将燃烧器移动到所需位置。接着，使用通用选项卡定义扫描参数或每电子伏特光子能量的步数。然后，使用A LS选项卡将光子能量设置为所需的起始值，并在P 78 86选项卡上激活A LS能量。

使用“设置参数”按钮来设定扫描次数、数据箱数量和箱宽度。然后输入有效的文件路径和文件名，点击“开始”以启动计算机控制的数据采集过程。在采集燃烧器扫描数据时，将与飞行时间质谱仪和微通道板检测器的能量扫描相同的电压施加到离子光学系统上。

打开光束线阀门，使光子束进入腔室。在打开 LabVIEW 数据采集程序通用界面 vi 后，使用电机选项卡下的点动控制器将燃烧器表面尽可能移近采样锥，并将该位置定义为原点。然后将电机设为激活状态。

使用通用选项卡定义扫描参数或燃烧器每毫米移动的步数。接下来，使用a LS选项卡将光子能量设置为所需值，该值通常在P 78 86选项卡上的8至16.65电子伏特之间。使用“设置参数”按钮启动子虚拟仪器，以设置每次燃烧器位置处叠加的扫描次数或质谱图数量、分箱数以及箱宽。

接下来，提供一个有效的文件路径和名称，然后单击“开始”以启动气溶胶实验的自动化数据采集过程。反向流动火焰采用RAs。开始时，用氩气填充火焰室，并将压力升至约860毫巴。将点火线圈放置在两个燃烧器出口中心附近。

将氧化剂气流设置为氧气 0.3 升/分钟，氩气 1.6 升/分钟，氧化剂气流同流为氩气 2.5 升/分钟。然后将燃料气流设置为氢气 0.3 升/分钟，氩气 2.5 升/分钟，燃料气流同流为 2.5 升/分钟。对于氩气，打开氢气和氧气阀门，并立即开启点火线圈。

火焰点燃后，关闭点火线圈并将其缩回。此时，调节氧气、氩气和燃料至所需流量。关闭氢气流，并将压力和反应物出口间距设定至所需数值。

针对目标火焰，向气溶胶质谱仪的离子光学部件和检测器施加适当的电压，然后打开LabVIEW数据采集程序“general interface opposed flow vi”。

使用电机选项卡上的微调应用程序移动对冲流燃烧器，使石英微梁位于最靠近燃料流出口的位置。在此位置时，将电机步进位置重置为零。随后。

缓慢打开四分之一转球阀，使火焰采样管线中的气流进入空气动力学透镜或DL系统。确认A DL出口处的压力接近1×10⁻²毫巴。使用通用选项卡来设定扫描参数，或设定燃烧器移动或光子能量每毫米的步数。

使用 a LS 选项卡设置所需的光子能量，并使用电机选项卡将燃烧器移动到所需的位置。接下来，使用 P 78 86 选项卡及其内的“设置参数”按钮。为设置采集参数，请定义电机或 a LS 能量为激活状态。

在相应字段中输入有效的文件路径和文件名，然后点击开始以获取气溶胶质谱。此处展示了来自低压预混燃烧器的火焰采样气体的典型质谱图。通过每种母离子质荷比对应的火焰采样光致电离效率（PIE）曲线，并结合已知异构体特异性电离能及PIE曲线进行比对，可确定对信号有贡献的物种身份。

此处展示了火焰采样光电离效率（PIE）曲线的典型示例，对应母离子电荷比为39和41。数据来源于化学计量比的丙烷火焰。

该信号通过其特征电离阈值被明确识别，源自稳定的环状和链状自由基。对于许多质荷比值，通过观测多个阈值可常规识别出多种异构体。文献中已广泛讨论了大量实例。

例如，丙二烯和丙烷的母离子质荷比为40，乙醇和乙醛为44，1,3-丁二烯、正丁烷和异丁烷为54，而呋喃和苯则为78。一旦确定了异构体组成，便可在不同光子能量下并从火焰内不同位置采集质谱，从而获得各物种的异构体特异性摩尔分数分布。此处展示了在低压预混燃烧器产生的STO几何结构丙烷火焰中，距燃烧器表面不同距离处呋喃和苯的典型摩尔分数分布。

对于每种火焰，通常会测定40至50条独立的摩尔分数分布曲线，所涉及物种的质荷比（m/z）范围从1到78甚至更高，具体取决于科学目标。这些摩尔分数分布曲线随后用于评估燃烧化学模型的预测能力，并对其进行验证。此处展示了一张典型的气溶胶质谱图，数据取自丙烷对冲扩散火焰内部，检测到质荷比在150至600范围内的离子信号，其中在202附近出现峰值。

目前实验技术尚无法鉴定质谱中观察到的所有物种，也无法阐明其可能的生成路径。但如文中所述，通过获取距燃料出口不同距离处的质谱，可获得具有空间分辨的分布曲线。此处展示了一个质荷比等于256的代表性示例。对于其他任何物种，也可获得类似的分布曲线，这些曲线可进一步用作燃烧化学模型的验证目标。

一旦掌握，熟练的操作者可在短短几小时内利用该技术记录完整的火焰数据集。