[發明專利]火星原位光譜聯用實驗裝置及實驗方法

有效

• 申請號: 201710493354.8
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107300549B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 武中臣;凌宗成;張江;李勃;徐偉杰;倪宇恒;付曉輝
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/71;G01N21/33;G01N21/01
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

1.一種火星原位光譜聯用實驗裝置，其特征在于，包括用于模擬火星表面環境的火星環境模擬實驗裝置以及用于火星環境下原位光譜測試的光譜聯用模擬實驗裝置，其中，所述火星環境模擬實驗裝置包括：真空艙體，用于提供真空環境；

與所述真空艙體連接的真空控制單元，用于使所述真空艙體內形成真空環境；

與所述真空艙體連通的濕度控制單元，用于模擬和控制火星表面環境濕度；

與所述濕度控制單元連通的第一供氣單元，用于提供模擬火星大氣；

所述濕度控制單元包括溫控加熱器、放置于所述溫控加熱器上的密閉容器以及與所述密閉容器連通的氣體配置件，所述密閉容器內盛放有去離子水，所述氣體配置件與所述真空艙體連通；所述第一供氣單元與所述氣體配置件連通；還包括與所述密閉容器連通的第二供氣單元；所述第一供氣單元包括氣源和盛放氣源的第一氣源鋼瓶，連通所述第一氣源鋼瓶與所述氣體配置件的密封管路上設有第一氣體流量計；所述第二供氣單元包括氣源和盛放氣源的第二氣源鋼瓶，連通所述第二氣源鋼瓶與所述密閉容器的密封管路上設有第二氣體流量計，并且連通所述第二氣源鋼瓶與所述密閉容器的密封管路的一端伸入所述密閉容器內去離子水的液面以下；

與所述真空艙體連接的溫度控制單元，用于模擬和控制火星表面環境溫度；

所述原位光譜聯用實驗裝置設置于所述真空艙體外部，用于遠程Raman光譜和遠程LIBS光譜聯用測試；

所述原位光譜聯用實驗裝置包括數字脈沖發生器、放置于所述真空艙體的透明真空視窗處的卡塞格林光學望遠鏡、與所述數字脈沖發生器連接的光譜儀以及與所述數字脈沖發生器連接的激光器；所述卡塞格林光學望遠鏡由依次放置的望遠鏡主鏡、望遠鏡副鏡和凹面鏡組成，所述卡塞格林光學望遠鏡的透射光路上依次設有二向色片、濾波片和凹面反射鏡，所述凹面反射鏡的光線會聚點上設有與光譜儀連接的光纖探頭；所述激光器的出射光路上設有二向色鏡，所述二向色鏡的透射光路上設有擴束器，所述二向色片位于所述擴束器的出射光路上，所述二向色鏡的反射光路上設有反射鏡，所述卡塞格林光學望遠鏡內的凹面鏡位于所述反射鏡的反射光路上；

所述真空艙體內設有放置于旋轉樣品臺上的樣品盛放件，所述樣品盛放件位于所述卡塞格林光學望遠鏡內的凹面鏡的焦點處；

所述溫度控制單元包括放置于所述真空艙體內的冷熱臺，以及分別放置于所述真空艙體外的溫度控制器、液體泵和杜瓦瓶，所述溫度控制器與所述液體泵相連接，所述液體泵分別通過密封管路與所述杜瓦瓶和設置于所述冷熱臺內的冷卻件連通，所述冷熱臺上設有與所述溫度控制器連接的溫度傳感器；所述冷熱臺上表面設有旋轉樣品臺，所述旋轉樣品臺在所述冷熱臺上水平360°旋轉。

2.根據權利要求1所述的火星原位光譜聯用實驗裝置，其特征在于，所述火星環境模擬實驗裝置還包括壓力控制單元，所述壓力控制單元包括氣體流量計以及與所述氣體流量計連接的壓力控制器，所述氣體流量計設于連通所述第一供氣單元與所述氣體配置件連通的密封管路上，所述壓力控制器與所述真空控制單元的真空泵相連接。

3.根據權利要求1至2任意一項所述的火星原位光譜聯用實驗裝置，其特征在于，所述真空控制單元包括真空泵和與所述真空艙體連接的真空計，所述真空泵通過密封管路與所述真空艙體連通。

4.根據權利要求1所述的火星原位光譜聯用實驗裝置，其特征在于，所述火星環境模擬實驗裝置還包括用于提供火星表面紫外輻射條件的紫外輻照光源，所述紫外輻照光源安裝于所述真空艙體的透明真空視窗上。

5.一種火星原位光譜聯用實驗方法，采用如權利要求1所述的火星原位光譜聯用實驗裝置，其特征在于，其具體實驗步驟為：檢測火星原位光譜聯用實驗裝置并調試其至正常工作狀態，根據火星表面存在的礦物種類選擇礦物樣品；

向真空艙體內的樣品盛放件中添加礦物樣品；

通過火星環境模擬實驗裝置模擬火星環境；

打開激光器及光譜儀電源，激光器發出激光，通過光路照射到礦物樣品上，礦物樣品受到激發后產生的激發光譜信號通過光路反向傳回至光纖探頭，光譜儀通過光纖探頭順序采集礦物樣品的Raman光譜信號和LIBS光譜信號；

礦物樣品的Raman光譜信號和LIBS光譜信號采集完成后，關閉激光器以及光譜儀電源即可。

6.根據權利要求5所述的火星原位光譜聯用實驗方法，其特征在于，模擬火星環境的步驟為：檢測火星環境模擬實驗裝置并調試其至正常工作狀態；

啟動真空泵，將真空艙體調至真空環境；

通過第一供氣單元配置火星表面氣體，根據需求通過溫控加熱器加熱密封容器內的去離子水，控制去離子水的溫度獲得水蒸氣，通過氣體配置件將水蒸氣與配置的火星大氣混合獲得濕度火星表面氣體；

向真空艙體內通入濕度火星表面氣體，調節氣體配置件出口的閥門開關程度和氣體流量計，控制濕度火星表面氣體的流量，使真空艙體內的壓力達到火星表面氣體壓力；

啟動冷熱臺進行制冷，溫度控制器根據溫度傳感器測量的冷熱臺溫度控制通過液體泵由杜瓦瓶流入冷卻件的液氮流量，使真空艙體內的溫度達到設定的工作溫度；

火星環境濕度、壓力、溫度的模擬完成。