[实用新型]用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统

摘要

本专利公开了一种用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统，该系统由质谱子系统、光学头部、紫外超快脉冲LIBS激光器、紫外单纵模拉曼激光器、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪、时序控制器及主控制器组成。本专利的有益效果是，提供了一种用作微区物质分布精细分析的行星车舱内多技术融合探测系统，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。

主权项

1.一种用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统，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：所述的光学头部(27)包含LIBS光纤耦合镜(9)、光纤耦合器(11)、接收针孔(12)、紫外可见扩束镜(13)、切入控制器(18)、脉冲激光扩束镜(19)、发射光纤耦合器(23)、发射针孔(24)、紫外扩束镜(25)、紫外双色镜(28)、紫外可见多色镜(30)、LIBS切入反射镜(31)、三维高精度扫描平台(32)、紫外显微物镜(36)、扫描控制器(39)；光学头部(27)开有测试窗口(35)，以便进行测试；紫外显微物镜(36)安装在三维高精度扫描平台(32)上，可在扫描控制器(39)带动下作三维精细移动；所述的质谱子系统(2)包括辅助供气装置(3)、质谱仪(4)、质谱探测器(5)、分离锥(6)、ICP组件(7)、截取锥(8)、毛细管(38)、取样锥(40)、回流管(41)、流量计(43)、输运气泵(44)、ICP气泵(45)和质谱气泵(46)组成；所述的紫外单纵模拉曼激光器(16)用于拉曼的分子成像及荧光超光谱成像，较短紫外波长泵浦出的拉曼大部分分子的斯托克斯波数频移仍位于紫外段，而它同时激光的荧光光谱大部分位于可见谱段；因此，选择紫外拉曼激光器的可使在激发拉曼及荧光光谱的同时又有一定的分离度；紫外单纵模拉曼激光器(16)为光纤输出，通过发射光纤(20)及发射光纤耦合器(23)耦合进光学头部(27)的发射光轴(26)；所述的紫外超快脉冲LIBS激光器(14)有两种工作模式：低重频模式小于10Hz，用作LIBS激光源，用以激发行星探测目标(33)的LIBS信号，进行元素组成粗分析；高重频模式5千赫兹以上，用于激光解附粒子输运至质谱子系统(2)进行行星探测目标(33)组成元素的精细分析；所述的截取锥(8)、取样锥(40)、ICP气泵(45)、毛细管(38)、回流管(41)、输运气泵(44)、流量计(43)组成粒子输运模组，它可在行星开放环境下，把激光解附粒子高效率地输运至ICP组件(7)；截取锥(8)、取样锥(40)与ICP气泵(45)属于ICP组件(7)的入口组成部件，主要完成粒子在进入ICP组件(7)之前在富集区(42)的高效富集和进入ICP组件(7)；截取锥(8)、取样锥(40)之间连接有ICP气泵(45)，可被ICP气泵(45)抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流(37)输运；毛细管(38)、回流管(41)、输运气泵(44)三者利用抽气和虹吸效应，可实现紫外超快脉冲LIBS激光器(14)激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在行星大气的承载下进入毛细管(38)，形成管内等离子体粒子流(37)，并进行高效输运；回流管(41)的作用是使进入毛细管(38)的行星大气承载分子与管内等离子体粒子流(37)分离，并通过输运气泵(44)抽出，重回行星大气环境；ICP组件(7)把粒子输运模组输运过来的等离子体粒子流(37)进行二次高温等离子体电离送入质谱仪(4)中的分离锥(6)，辅助供气装置(3)用于对ICP组件(7)中的高温炬管进行冷却；质谱气泵(46)用于将质谱仪(4)中分离锥(6)与质量分析器之间的区域抽成高度真空，以利用ICP组件(7)输出的二次高温等离子体高效进入质量分析器；质量分析器将不同元素粒子分离出来，被质谱探测器(5)进行探测分析；所述的高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)为LIBS与激光拉曼荧光光谱检测复用，其光谱范围为220‑900nm，将整个光谱范围分成三个通道，紫外谱段220～355nm，可见光谱段360‑580nm，近红外谱段580‑900nm，以实现整个谱段平均0.2nm的光学分辨率；由于激光拉曼及荧光的激发波长为360nm，因此激光拉曼及荧光复用第二个通道，即360‑580nm；由于飞秒激光激发的LIBS信号较弱，拉曼信号也较弱，因此三个通道都需兼顾高灵敏度要求，传感器阵列选择增强型电荷耦合器件ICCD；LIBS与激光拉曼荧光光谱信号分别通过两合一光纤(21)的两根输入光纤耦合进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)进行光谱信号采集；所述的时序控制器(17)三个控制端口分别接紫外单纵模拉曼激光器(16)、紫外超快脉冲LIBS激光器(14)、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的外部触发端口，用来设定紫外超快脉冲LIBS激光器(14)的工作频率以及紫外超快脉冲LIBS激光器(14)与高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)两者之间开启的延时；设定紫外单纵模拉曼激光器(16)和高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的同步，即启动紫外单纵模拉曼激光器(16)的时刻开启高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)进行采集；所述的主控制器(15)可对切入控制器(18)、时序控制器(17)、扫描控制器(39)发送控制指令；用于接收流量计(43)的流量值信息；控制输运气泵(44)、ICP气泵(45)和质谱气泵(46)的抽气速度；设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的曝光时间并接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)输出的光谱数据；启动并接收质谱探测器(5)输出的质谱数据；所述的LIBS接收光轴(10)、发射光轴(26)、主光轴(29)、LIBS发射光轴(47)四者共面，主光轴(29)与LIBS发射光轴(47)平行，与LIBS接收光轴(10)、发射光轴(26)两者垂直。