基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术的有益效果是，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。

【技术实现步骤摘要】
基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法
本专利技术涉及一种物质检测方法,尤其涉及一种采用激光解附质谱、激光诱导等离子体LIBS、共焦扫描激光拉曼成像、共焦扫描激光诱导荧光成像的物质检测方法，所用复合探测系统适合安装在行星车舱内，用于深空探测行星开放环境下的微区物质探测，属于行星原位探测领域。
技术介绍
对于未来的深空探测，对物质成分探测技术及方法提出了更高的要求，原位精细探测能力是各航天大国瞄准的技术至高点。精细探测即要求激光聚焦点更小，分析的物质量很小，元素及分子种类更丰富，定量化更准确同时又在极高空间分辨成像的监控下进行。激光解附质谱、激光诱导等离子光谱(LIBS)、激光拉曼(Raman)及紫外激光诱导荧光为物质成分分析的重要手段，其中LIBS可实现物质组成元素的粗分析，激光解附质谱可实现物质组成精细分析，激光Raman可实现物质分子组成的分析，而紫外激光诱导荧光除了可用于成像以外，还可用于一些元素尤其是稀土元素的分析。如何在深空微区环境下，高效地实现四种探测技术的融合是一个巨大的挑战，包括激光解附质谱与LIBS的融合，要解决的是开放环境下解附粒子的高效传输；激光拉曼与紫外荧光高光谱成像的融合，需要解决是的激光波长的合理选择，光谱信号的划分与处理；LIBS与拉曼的融合，需解决光路与光谱通道的复用问题；探测精细度的问题，需加入共焦针孔的约束；此外，飞秒激光源可解附出纳米级的颗粒，但同时LIBS信号相对较弱，需提高光谱仪的灵敏度等等。针对以上深空微区多技术融合面临的挑战和问题，本专利技术提出一种基于行星车舱内集成探测系统的物质分析方法，可将激光解附质谱、激光诱导等离子光谱(LIBS)、激光拉曼(Raman)及紫外激光诱导荧光四种技术手段进行高效地结合，通过时序和扫描的控制，以及多种复用手段的应用，可实现同一微区所有扫描点的几何形貌、元素及分子分布的探测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法，可在行星车舱内车通过向下窗口，对下方行星表面的岩石、土壤、矿物等探测对象进行微区精细的物质分布探测。本专利技术提出的基于行星车舱复合探测系统的微区物质分析方法，可对行星表面的土壤、岩石、矿物等行星探测目标作微区物质组分精细探测，它所采用的系统安装在行星舱内部，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；其中光学头部包含LIBS光纤耦合镜、光纤耦合器、接收针孔、紫外可见扩束镜、切入控制器、脉冲激光扩束镜、发射光纤耦合器、发射针孔、紫外扩束镜、紫外双色镜、紫外可见多色镜、LIBS切入反射镜、三维高精度扫描平台、紫外显微物镜、扫描控制器；光学头部开有测试窗口，以便进行测试；紫外显微物镜安装在三维高精度扫描平台上，可在扫描控制器带动下作三维精细移动；质谱子系统包括辅助供气装置、质谱仪、质谱探测器、分离锥、ICP组件、截取锥、毛细管、取样锥、回流管、流量计、输运气泵、ICP气泵和质谱气泵组成；紫外单纵模拉曼激光器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为光纤输出，通过发射光纤及发射光纤耦合器耦合进光学头部的发射光轴；紫外超快脉冲LIBS激光器有两种工作模式：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进行行星探测目标组成元素的精细分析；截取锥、取样锥、ICP气泵、毛细管、回流管、输运气泵、流量计组成粒子输运模组，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；截取锥、取样锥与ICP气泵属于ICP组件的入口组成部件，主要完成粒子在进入ICP组件之前在富集区的高效富集和进入ICP组件；截取锥、取样锥之间连接有ICP气泵，可被ICP气泵抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流输运；毛细管、回流管、输运气泵三者利用抽气和虹吸效应，可实现紫外超快脉冲LIBS激光器激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在行星大气的承载下进入毛细管，形成管内等离子体粒子流，并进行高效输运；回流管的作用是使进入毛细管的行星大气承载分子与管内等离子体粒子流分离，并通过输运气泵抽出，重回行星大气环境；ICP组件把粒子输运模组输运过来的等离子体粒子流进行二次高温等离子体电离送入质谱仪中的分离锥，辅助供气装置用于对ICP组件中的高温炬管进行冷却；质谱气泵用于将质谱仪中分离锥与质量分析器之间的区域抽成高度真空，以利用ICP组件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，被质谱探测器进行探测分析；高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪为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的两根输入光纤耦合进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪进行光谱信号采集；时序控制器三个控制端口分别接紫外单纵模拉曼激光器、紫外超快脉冲LIBS激光器、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的外部触发端口，用来设定紫外超快脉冲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；设定紫外单纵模拉曼激光器和高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的同步，即启动紫外单纵模拉曼激光器的时刻开启高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪进行采集；主控制器可对切入控制器、时序控制器、扫描控制器发送控制指令；用于接收流量计的流量值信息；控制输运气泵、ICP气泵和质谱气泵的抽气速度；设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪的曝光时间并接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪输出的光谱数据；启动并接收质谱探测器输出的质谱数据；LIBS接收光轴、发射光轴、主光轴、LIBS发射光轴四者共面，主光轴与LIBS发射光轴平行，与LIBS接收光轴、发射光轴两者垂直；本专利技术提出的微区物质精细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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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...

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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，
类型：发明
国别省市：上海,31