面向深空探测的Micro-LIBS关键技术研究

发布时间：2020-07-23 23:26

【摘要】：物质成分分析是深空探测的核心任务之一。通过探测行星地表元素的分布及含量,对研究行星的形成、演变、矿物资源以及地表与气候的相互作用具有重要的科学意义。而微区、高精度和高灵敏度的光谱分析技术是行星地表观测和深部探测的核心技术手段。由于深空探测环境的特殊性,相比较其它光谱探测技术,微区激光诱导击穿光谱(Micro-LIBS)技术能够实现原位、微区、高分辨率的行星岩石表面及亚表面物质成分元素探测及定量分析,且可以提取目标物质的三维元素分布信息。Micro-LIBS技术在深空探测领域具有巨大的应用前景。为了提高Micro-LIBS系统的空间分辨率及探测灵敏度,提高Micro-LIBS技术的物质成分分析能力,本论文从实验系统的研制、实验参数的优化、数据预处理方法的研究等角度提高大气环境下Micro-LIBS系统的探测能力,并在模拟类行星环境下的气氛、气压下开展相应的实验研究,为发展我国深空探测战略提供一定的研究基础和技术沉淀。首先,本论文阐述了Micro-LIBS技术的研究背景及科学意义,总结了现有物质分析技术在深空探测领域的应用及各自的优缺点,并详细介绍了Micro-LIBS技术的优势、物理原理和国内外研究进展。其次,本论文设计并搭建了一套MicroLIBS实验系统。系统主要分为三个模块:光路模块、延时控制模块、三轴运动模块,论文对各模块的设计进行了较为详细的介绍说明。最后,本实验系统实现了光学系统的自聚焦以及目标物质亚表面空间区域的元素扫描,且扫描分辨率优于40μm。基于上述Micro-LIBS实验系统,本论文开展了大气环境下Micro-LIBS相关实验参数优化的研究工作。主要研究了脉冲激光频率、延时时间、待测样品位置、物镜倍数等实验参数对光谱信号的影响,并得到了最优实验参数:脉冲激光频率40Hz,光谱仪延时时间1000ns,样品位置-20μm,物镜倍数20。基于上述Micro-LIBS实验系统和最优实验参数,本论文首先开展多种MicroLIBS数据预处理方法的对比研究,包括筛选异常数据、数据均值处理、去除背景噪声、数据归一化、平滑降噪等。在上述数据预处理方法的基础上,针对性的制备了一批标准样品,进一步开展了基于传统定标法的定量实验、基于多元线性回归法的定量实验和基于自由定标法的定量实验的研究。分析结果表明,多元线性回归法的定量分析误差较小,预测精度为92.9%。基于上述实验建立的钙元素定量分析模型,研究了菊石化石中钙元素的区域分布情况。本论文设计了模拟环境下的Micro-LIBS实验,对比地球大气环境下和模拟火星大气环境下的Micro-LIBS信号。实验验证了在模拟火星气体和气压的环境下Micro-LIBS技术的可行性,并揭示了Micro-LIBS信号与环境气压的关系。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P148;V419
【图文】：

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究背景及科学意义 21 世纪后，世界各国的科研机构都开始研究激光诱导击穿inducedBreakdownSpectroscopy，简称 LIBS 技术）在深空探测美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administrat欧洲航空局（EuropeanSpaceAgency，简称 ESA）、奥德赛月球（和中国科学院上海技术物理研究所等。年，NASA 开始研究 LIBS 技术应用于深空探测的可行性，并样机[1]。2004 年，LIBS 技术被 NASA 批准应用于火星探测领SA 牵头研制的好奇号火星车成功发射，好奇号上的 ChemCam[2]。图 1.1 是 ChemCam 的系统架构图。其主要技术参数为：脉冲能量 30mJ；频率 1-10Hz；光谱范围 240nm-850nm。

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.3 我国火星探测器科学载荷的系统架构（图片来源于国家空间科学中Figure 1.3 System architecture of scientific load of Mars detector in China(Picture comes from National Space Science Center) 年 1 月，我国首次火星探测任务立项[4]，计划于 2020 年左右任务。图 1.3 是我国火星探测器科学载荷的系统架构图。火星面成分探测仪，其中包含一套 LIBS 系统[5]。LIBS 载荷的研发技术物理研究所承担，该载荷将承担火星表面土壤和矿石物质

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LIBS-Raman组合仪器的系统架构（图片来源于ESA）

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