[发明专利]基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法有效
申请号: | 201710950243.5 | 申请日: | 2017-10-13 |
公开(公告)号: | CN107941761B | 公开(公告)日: | 2023-07-04 |
发明(设计)人: | 万雄;王泓鹏 | 申请(专利权)人: | 中国科学院上海技术物理研究所 |
主分类号: | G01N21/64 | 分类号: | G01N21/64;G01N21/65;G01N21/71;G01N27/64 |
代理公司: | 上海沪慧律师事务所 31311 | 代理人: | 李秀兰 |
地址: | 200083 *** | 国省代码: | 上海;31 |
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摘要: | 本发明公开了一种基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法,它是基于行星车舱内探测系统实现的,该方法包括微区共焦扫描激光拉曼/荧光成像、微区LIBS粗分析、微区激光解附质谱精细分析、微区物质分析光质谱信息融合四个步骤。本发明的有益效果是,提供了一种用作微区物质分布精细分析的探测方法,可获取微区的三维形貌分布,及三维形貌分布上各个扫描点的n个波长的紫外激光拉曼图像、m个谱段的紫外激光诱导荧光高光谱图像、LIBS元素粗含量分布图像以及质谱元素精细分布图像,可提供丰富的微区物质信息供行星科学研究。 | ||
搜索关键词: | 基于 行星 复合 探测 系统 物质 分析 方法 | ||
【主权项】:
一种基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法,该方法是在行星车舱内探测系统上实现的,所述系统由质谱子系统(2)、光学头部(27)、紫外超快脉冲LIBS激光器(14)、紫外单纵模拉曼激光器(16)、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)、时序控制器(17)及主控制器(15)组成;其特征在于所述的微区物质分析方法包括以下步骤:1)微区共焦扫描激光拉曼荧光成像主控制器发出指令开启时序控制器;发出指令给切入控制器,带动LIBS切入反射镜切出主光轴;主控制器发出指令,设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的曝光时间;时序控制器发出控制脉冲触发紫外单纵模拉曼激光器及高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪开始工作;紫外单纵模拉曼激光器通过发射光纤发出的连续窄线宽紫外激光束,经发射光纤耦合器聚焦至发射针孔,穿过发射针孔的激光,经紫外扩束镜扩束扩束后沿发射光轴行进,透过紫外双色镜,被紫外可见多色镜反射后沿主光轴向上行进,再由紫外显微物镜聚焦至行星探测目标聚焦点;其后向回波中的拉曼散射及荧光发射信号透过紫外显微物镜,透过紫外可见多色镜,经紫外可见扩束镜后聚焦至接收针孔上;穿过接收针孔的拉曼及荧光信号经光纤耦合器聚焦至两合一光纤内,经两合一光纤传输进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪进行分光、光电转换为含有拉曼的荧光光谱信号,将信号传送至主控制器,主控制器内的分析软件将整个光谱曲线的积分强度G进行实时计算更新;主控制器发出指令给扫描控制器,带动安装在三维高精度扫描平台上的紫外显微物镜在Z向上下精细移动,直至G达到最大值,此时为紧聚焦状态;接收针孔与发射针孔关于紫外可见多色镜为共焦对称关系,该光学约束可保证只有激光聚焦点的回波信号才可穿过接收针孔被接收分析;主控制器确定微区分析XY方向的扫描点数A、B,以及扫描步长C、D;主控制器发出指令给扫描控制器,带动安装在三维高精度扫描平台上的紫外显微物镜作XY平面的S形扫描,即沿X轴按扫描步长C扫至A个点后,Y轴正移一个步长D,再沿X轴反向扫A个点,然后Y轴正移一个步长D,再沿X轴正向扫A个点,再Y轴正移一个步长D,再沿X轴反向扫A个点,...,直至完成预定的扫描区域大小,共扫描点数为A乘以B,即A×B,对XY平面上的每个点,再沿Z轴上下运动,根据G达到最大值来实现单点紧聚焦状态;对每个扫描点i,在紧聚焦状态下,主控制器记录三维高精度扫描平台的三维位移量,确定其三维坐标(xi,yi,zi);主控制器内的分析软件将拉曼分立谱线信号与连续荧光谱分离出来,提取n条离散拉曼谱线λ1,λ2,...,λn,记录其谱线强度Ii1,Ii2,...,Iin;然后将连续荧光谱线分成等光谱间隔的m段;并记录每段的荧光谱平均强度Ji1,Ji2,Ji3,...,Jim;i从1直到等于A×B;完成A×B个扫描点的微区扫描后,主控制器首先综合A×B个扫描点的三维坐标,绘制行星探测目标表面微区的三维几何形貌;接着,综合各个扫描点的I11,I21,...,Ii1,...,得到行星探测目标表面微区的波长为λ1的拉曼图像,类似地,综合各个扫描点的I12,I22,...,Ii2,...,得到行星探测目标表面微区的波长为λ2的拉曼图像,...,直至得到行星探测目标表面微区的波长为λn的拉曼图像;最后,综合各个扫描点的J11,J21,...,Ji1,...,得到行星探测目标表面微区的第一个谱段的荧光图像,类似地,综合各个扫描点的J12,J22,...,Ji2,...,得到行星探测目标表面微区的第二个谱段的荧光图像,...,直至得到行星探测目标表面微区的第m个谱段的荧光图像;2)微区LIBS粗分析主控制器发出指令给切入控制器,带动LIBS切入反射镜切入主光轴;主控制器发出指令设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的曝光时间;主控制器发出指令给时序控制器,设定紫外超快脉冲LIBS激光器的工作频率,以及紫外超快脉冲LIBS激光器与高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪两者之间开启的延时;主控制器发出指令给扫描控制器,带动安装在三维高精度扫描平台上的紫外显微物镜按记录的A×B个扫描点的三维坐标,作与步骤1)相反的扫描,即逆向S形扫描,反向完成同一微区的扫描点数A×B;对每一个扫描点,进行单点为时秒的LIBS探测,此时,紫外超快脉冲LIBS激光器沿LIBS发射光轴发射的飞秒级紫外脉冲激光经脉冲激光扩束镜扩束,经紫外双色镜反射后沿发射光轴传输,再经紫外可见多色镜反射后沿主光轴行进,由紫外显微物镜聚焦至行星探测目标聚焦点;其瞬时激发的高温等离子辐射经紫外显微物镜返回,穿过紫外可见多色镜,经LIBS切入反射镜全反射后,由LIBS光纤耦合镜聚焦进入两合一光纤,经两合一光纤传输进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪进行光谱采集;主控制器接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的输出LIBS光谱信息,根据谱线位置和强度关系,定性及定量分析该点的元素组成及含量,直至完成整个A×B点的微区LIBS分析;3)微区激光解附质谱精细分析主控制器发出指令给时序控制器,设定紫外超快脉冲LIBS激光器的工作频率并启动;主控制器发出指令给扫描控制器,带动安装在三维高精度扫描平台上的紫外显微物镜按记录的A×B个扫描点的三维坐标,作与步骤1)相同的S形扫描,完成同一微区扫描点数A×B;对每一个扫描点,紫外超快脉冲LIBS激光器沿LIBS发射光轴发射的高重频飞秒级紫外脉冲激光经脉冲激光扩束镜扩束,经紫外双色镜反射后沿发射光轴传输,再经紫外可见多色镜反射后沿主光轴行进,由紫外显微物镜聚焦至行星探测目标聚焦点;其在聚焦点表面形成的高温高压,将在聚焦点上进行烧蚀解附,激发出持续的等离子粒子气溶胶;主控制器按照设定的初始抽气速度,开启输运气泵、ICP气泵和质谱气泵;当这三个气泵开启后,紫外超快脉冲LIBS激光器激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在开放环境的行星大气的带动下进入毛细管,形成管内等离子体粒子流,并沿毛细管流向ICP组件,其流速和输运气泵的抽气速度有关,抽气速度由流量计监控,实时流量计的读数被传送到主控制器,主控制器根据这个读数改变输运气泵的抽气速度,以形成稳定的等离子体粒子流。等离子体粒子流在行星大气的承载下流进回流管,到达取样锥的锥尖位置,行星大气经由回流管被抽出,重新回到行星的开放大气环境中;而等离子体粒子流在取样锥的锥尖位置形成富集区,并进入取样锥,再穿过取样锥锥孔,通过截取锥,进入ICP组件;ICP组件把等离子体粒子流进行二次高温等离子体电离送入分离锥,再进入质谱仪的质量分析器,质量分析器将不同元素粒子分离出来,被质谱探测器进行探测计数;主控制器获取计数值进行分析,得出该扫描点处元素的组成及其精确含量;直至完成整个A×B点的微区质谱分析;4)微区物质分析光质谱信息融合主控制器将步骤1)至3)的信息融合,完成微区物质精细分析,即共获取微区的三维形貌分布,及三维形貌分布上A×B个扫描点的n个波长的紫外激光拉曼图像、m个谱段的紫外激光诱导荧光高光谱图像、LIBS元素粗含量分布图像以及质谱元素精细分布图像。
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