学术研究报告：p-二甲苯的荧光与吸收特性及其在温度测量中的应用

一、研究作者与发表信息
本研究由Qianlong Wang（上海交通大学机械工程学院）、Yuyin Zhang（上海交通大学机械工程学院）、Liqiao Jiang（中国科学院广州能源研究所）、Daiqing Zhao（中国科学院广州能源研究所）、Philippe Guibert（法国巴黎第六大学）和Shunhua Yang（中国空气动力研究与发展中心超燃冲压发动机技术重点实验室）合作完成，发表于期刊*appl. phys. b*（2017年8月30日在线发表），标题为《fluorescence and absorption characteristics of p‑xylene: applicability for temperature measurements》。

二、学术背景与研究目标
本研究属于燃烧诊断与光学测量领域，聚焦于内燃机混合气形成过程中温度场的高精度测量。背景知识包括：
1. 燃烧诊断需求：均质直喷火花点火（DISI）发动机需精确控制混合气的时空分布参数（如温度、燃料-空气比），而平面激光诱导荧光（PLIF）技术是当前主流的非接触式测量方法。
2. 荧光示踪剂选择：酮类（如丙酮、3-戊酮）和芳香烃（如甲苯、三甲苯）是常用的温度示踪剂，但p-二甲苯（p-xylene）作为汽油中天然存在的组分，其光物理特性（如吸收截面、荧光量子产率）尚未系统研究。
3. 研究目标：量化p-二甲苯在266 nm激发下的吸收与荧光光谱特性，验证其通过单波长激发双色检测PLIF技术测量温度场的可行性，并优化光谱波段组合以提高精度。

三、研究流程与方法
1. 实验设计与装置
- 研究对象：气态p-二甲苯在氮气中的吸收与荧光光谱，温度范围423–623 K，压力0.2 MPa。
- 实验系统：
- 恒容燃烧室（CVC）：三面光学窗口设计，可承受10 MPa和800 K条件，内置热电偶和压力传感器。
- 气体制备系统：液态p-二甲苯通过闪蒸喷雾与预热的氮气混合，确保均匀的气相浓度（浓度波动<1.15%）。
- 光学诊断系统：
- 吸收测量：氘-卤素灯（215–2500 nm）结合光纤光谱仪（Ocean Optics QEPro）。
- 荧光测量：Nd:YAG激光器（266 nm，70 mJ/pulse）生成激光片，ICCD相机（PI-MAX 1024×1024像素）配合289/320/340 nm带通滤光片采集荧光信号。

1. 关键实验步骤

   • 吸收截面测定：通过Beer-Lambert定律计算吸收截面，路径长度（l）和p-二甲苯数密度（c）由实验条件精确控制。
     
   • 荧光光谱分析：记录270–400 nm范围内的荧光光谱，分析温度对峰值强度（289 nm、320 nm、340 nm）的影响。
     
   • 温度场标定：基于荧光强度比（如320/289 nm）与温度的校准曲线，通过ROI（310×670像素区域）统计平均温度，对比热电偶实测值验证精度。
     

2. 创新方法

   • 单波长双色检测PLIF技术：通过单一激光激发（266 nm）和双波段荧光信号比（如320/289 nm）消除浓度与激光能量波动的影响，适用于非均匀场测量。
     
   • 自研气体制备系统：通过闪蒸喷雾与预热氮气混合，避免液态残留和热降解，确保气相p-二甲苯的稳定性。
     

四、主要研究结果
1. 吸收特性
- p-二甲苯在266 nm的吸收截面为（3.4±0.2）×10⁻¹⁹ cm²/分子，温度升高导致吸收谱精细结构消失（热致展宽效应）。
- 与甲苯、三甲苯对比显示，吸收截面随温度变化的趋势与激发光子能量和S₁态能隙相关。

1. 荧光特性

   • 荧光峰值（289 nm）强度随温度升高呈指数衰减（每100 K下降3倍），源于非辐射衰变速率增加。
     
   • 三组光谱波段（289/320/340 nm）的强度比与温度呈明确相关性，其中320/289 nm组合的灵敏度最高。
     

2. 温度场测量性能

   • ³²⁰⁄₂₈₉ nm组合在423–573 K范围内的平均相对误差为2.6%，优于340/289 nm（高温度下信噪比降低）和340/320 nm（灵敏度不足）。
     
   • 激光衰减对温度场测量的影响可忽略，证实了方法的鲁棒性。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 首次系统量化了p-二甲苯在高温下的吸收与荧光特性，填补了汽油中组分示踪剂的数据库空白。
- 验证了单波长双色检测PLIF技术的可行性，为内燃机混合气温度场测量提供了新方案。

1. 应用价值：
   
   • p-二甲苯可作为中沸点汽油组分的代表性示踪剂，适用于实际燃料的蒸发与混合过程研究。
     
   • 该方法在高压（10 MPa）、高温（800 K）环境下具有扩展潜力，适用于工业燃烧器与航空发动机诊断。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：通过优化光谱波段组合（320/289 nm），将温度测量误差控制在3%以内，优于同类技术（如甲苯PLIF的5.5%误差）。
2. 跨学科贡献：结合光物理（吸收-荧光机理）与工程需求（燃烧诊断），为燃料设计与发动机优化提供了实验基础。

七、其他发现
- 吸收截面在波长>270 nm时随温度单调上升，可能与振动能级分布有关，为后续理论研究提供了方向。
- 荧光自淬灭效应未被观察到，与甲苯的研究结果形成对比，暗示p-二甲苯在高浓度下的稳定性。

本研究得到了中国博士后科学基金（2016M591672）和广东省科技计划（2016A040403095）的资助，实验设备开发得到了中国高超声速冲压发动机重点实验室的支持。