[發(fā)明專利]一種雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410109122.4
• 申請(qǐng)日: 2014-03-21
• 公開（公告）號(hào): CN103884649A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁洪斌;海然;吳鼎;劉平;趙棟燁;李聰;馮春雷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/01
• 分類號(hào): G01N21/01;G01N21/63
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所 21208
• 代理人: 裴毓英

?技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光燒蝕光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置及方法。本方法采用雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)，在無需樣品預(yù)處理?xiàng)l件下，在低氣壓環(huán)境下對(duì)固體樣品實(shí)現(xiàn)原位、遠(yuǎn)距離快速成分分析，可用于月球車在線分析月球表面固體礦石樣品的成分，同時(shí)可對(duì)礦石樣品中多種元素含量進(jìn)行三維成像。

背景技術(shù)

月球是離地球最近的天體，上面蘊(yùn)藏著豐富的礦藏，月殼由多種元素組成，主要包括：鈾、釷、鉀、氧、硅、鎂、鐵、鈦、鈣、鋁及氫。據(jù)介紹，月球上稀有金屬的儲(chǔ)藏量比地球還多。地球上最常見的17種元素，在月球上比比皆是。以鐵為例，僅月面表層5厘米厚的沙土就含有上億噸鐵，而整個(gè)月球表面平均有10米厚的沙土。月球表層的鐵不僅異常豐富，而且便于開采和冶煉。此外，科學(xué)家已研究出利用月球土壤和巖石制造水泥和玻璃的辦法。

月球土壤中還含有豐富的氦-3，利用氘和氦-3進(jìn)行的氦聚變可作為核電站的能源，這種聚變不產(chǎn)生中子，安全無污染，是容易控制的核聚變，不僅可用于地面核電站，而且特別適合宇宙航行。據(jù)悉，月球土壤中氦-3的含量估計(jì)為715000噸。從月球土壤中每提取一噸氦-3，同時(shí)可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。從分析看，由于月球的氦-3蘊(yùn)藏量大，對(duì)于未來能源比較緊缺的地球來說，無疑是雪中送炭。許多航天大國已將獲取氦-3作為開發(fā)月球的重要目標(biāo)之一。

同時(shí)，月球表面分布著廣泛的富含鉀、稀土元素和磷等元素的克里普巖，富含釷和鈾元素的風(fēng)爆洋區(qū)的克里普巖被后期月海玄武巖所覆蓋，克里普巖混合并形成高釷和鈾物質(zhì)，其厚度估計(jì)有10～20千米。風(fēng)暴洋區(qū)克里普巖中的稀土元素總資源量約為225億至450億噸。克里普巖中所蘊(yùn)藏的豐富的釷、軸也是未來人類開發(fā)利用月球資源的重要礦產(chǎn)資源之一。此外，月球還蘊(yùn)藏有豐富的鉻、鎳、鈉、鎂、硅、銅等金屬礦產(chǎn)資源。2004年起，我國正式積極開展月球探測(cè)工程，命名為“嫦娥工程”。其中就包括著陸器和月球車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)（簡(jiǎn)稱LIBS）是一種激光燒蝕光譜分析技術(shù)，它利用聚焦的強(qiáng)脈沖激光將被測(cè)樣品激發(fā)成等離子體,?通過分析等離子體中原子或離子光譜來實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的元素分析，與傳統(tǒng)元素分析技術(shù)相比有許多優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行全元素分析，樣品無需預(yù)處理,?樣品形式不限,?靈敏度高,?可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析等。因此，激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于礦業(yè)、冶金業(yè)、環(huán)境分析等多個(gè)領(lǐng)域。LIBS作為一種原位、實(shí)時(shí)、連續(xù)、無接觸檢測(cè)技術(shù)，特別適用于一些異常環(huán)境下的化學(xué)成分檢測(cè)。?美國航天局2011年年底發(fā)射的“好奇”號(hào)火星車探測(cè)器成功在火星表面著陸，“好奇”號(hào)火星車上搭載了一套基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)的化學(xué)元素分析及相機(jī)攝像機(jī)儀器（ChemCam），該系統(tǒng)可以向9米遠(yuǎn)的火星巖石發(fā)射激光，使其蒸發(fā)，而后分析蒸發(fā)的巖石成分。借助于這臺(tái)儀器，“好奇”號(hào)可以研究機(jī)械臂無法觸及的火星巖石。此外，ChemCam同樣可以幫助任務(wù)組在遠(yuǎn)處確定是否應(yīng)該派遣“好奇”號(hào)前往一個(gè)特定的地帶進(jìn)行探測(cè)。ChemCam由幾個(gè)不同組件構(gòu)成，其雙脈沖激光器安裝在“好奇”號(hào)桅桿上，旁邊是一臺(tái)攝像機(jī)和一架小型望遠(yuǎn)鏡，安裝在車身上3臺(tái)光譜儀，通過光纖與桅桿上的設(shè)備相連，負(fù)責(zé)分析蒸發(fā)的巖石樣本中物質(zhì)發(fā)出的光譜線。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的LIBS技術(shù)并不適合于月球的極低氣壓環(huán)境，圖1所示，在10mbar和3×10^-5mbar環(huán)境下對(duì)鋼鐵樣品進(jìn)行了LIBS測(cè)試，結(jié)果顯示在3×10^-5mbar環(huán)境下LIBS信號(hào)強(qiáng)度、信背比、信噪比很低，無法準(zhǔn)確探測(cè)樣品中所含元素種類。圖2?、3給出了LIBS信號(hào)隨環(huán)境氣壓的變化規(guī)律，首先隨著氣壓的下降LIBS信號(hào)明顯增強(qiáng)，但當(dāng)氣壓小于1mbar以后，信號(hào)開始衰減。這是由于氣壓下降，等離子體對(duì)激光的屏蔽作用減弱，激光對(duì)樣品的燒蝕量增加，信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)氣壓下降，等離子體密度降低，原子分子碰撞幾率下降，會(huì)使LIBS信號(hào)減弱。兩種物理機(jī)制的存在，使得在10mbar（火星氣壓范圍）下信號(hào)靈敏度很高，但氣壓低于0.01mbar后，包括月球表面(10^-12mbar)的極低氣壓環(huán)境下，傳統(tǒng)LIBS系統(tǒng)的靈敏度都很差，對(duì)低含量物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)相當(dāng)困難，因此，亟待一種雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容