模拟空间环境的激光诱导离解光谱探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟空间环境工作的激光诱导离解光谱探测系统，及可避免由于线列ＣＣＤ光栅光谱仪存在“波长准确度”问题的探测方法。本发明专利技术的激光诱导离解光谱探测系统包括：脉冲激光器、会聚光学透镜、光谱仪、脉冲延迟产生器、计算机、样品室。其特征在于：样品室是一个模拟空间气压条件的真空室，该系统可以验证激光诱导离解光谱探测技术应用于深空探测的可行性。本发明专利技术的探测方法是利用系统本身建立标准样品原子光谱数据库，把系统获取的未知样品的原子光谱数据和标准样品的原子光谱数据进行对照，从而实现元素种类的识别。这种方法避开了由于光谱仪“波长准确度”问题引起的元素识别误差，原则上使得元素识别误差变为零。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光诱导离解光谱探测技术，具体是指一种带模拟空间环境条件的激光诱导离解光谱探测系统及探测方法。
技术介绍
物质元素成分探测技术，较先发展起来的是X射线探测技术(XRF)，而后是激光诱导离解光谱探测技术(LIBS)，LIBS是基于激光技术和光谱技术的有机结合，是一种新型的物质元素探测分析技术，其工作机制为高能脉冲激光束透过会聚透镜会聚于物质表面，在极短时间内使会聚点处的微量物质气化、电离形成高温高压的等离子体；等离子体中被激发到高能态的粒子在衰变过程中辐射出等离子体光谱，把这些谱线收集起来经高分辨率的光谱仪器分析就可以提取元素的原子谱线和离子谱线；各种元素都具有与其对应的标准原子谱线和离子谱线，通过分析原子谱线和离子谱线的波长就可以确定元素的种类，通过分析谱线的相对强度可以反演元素的含量。LIBS和XRF相比最大的优势是快速探测能力，通常XRF需要较长的积分时间，而LIBS通常在1秒钟内就可以实现多次探测。XRF一直是美国人用于火星表面资源分布勘探的首选仪器，然而从20世纪90年代起美国相关实验室对LIBS应用于深空探测领域表现出极大的兴趣，这其中的原因是，与XRF相比，激光诱导离解光谱技术在深空探测领域表现出很强的探测优势，具体表现在遥感探测能力使得激光诱导离解光谱仪可以对登陆车无法到达的区域进行探测；自清洁能力使得激光诱导离解光谱仪可以深入到星球岩石表层以下进行内部资源探测；与XRF较长的积分时间相比，激光诱导离解光谱探测可以实现不到1秒钟的快速探测，极大的增加了登陆车在有限的工作时间内的有效数据返回量。激光诱导离解光谱探测技术在深空探测领域具有很强的探测优势，但是目标周围的探测条件，尤其是气压条件对激光诱导离解过程的影响比较大，因此建立深空模拟环境，以验证激光诱导离解光谱技术应用于深空探测的可行性是非常必要的。另外，目前LIBS探测方法中，通常是先获取样品谱线峰值点对应的波长值，利用此波长值与“标准原子光谱数据库”中的数据进行对照，实现元素识别。由于线列CCD光栅光谱仪存在不可避免的“波长准确度”问题，谱分析直接读取的谱线波长值与真实的波长值之间存在一定的误差，当利用这一带有误差的波长值和“标准原子光谱数据库”中的数据进行对照时，必然导致元素种类识别误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是要建立一种模拟空间环境工作的激光诱导离解光谱探测系统，及可避免由于线列CCD光栅光谱仪存在“波长准确度”问题的探测方法。本专利技术的激光诱导离解光谱探测系统包括脉冲激光器1、会聚光学透镜2、光谱仪3、脉冲延迟产生器4、计算机5、样品室6。其特征在于样品室是一个模拟空间气压条件的真空室，真空室由底座601通过O型密封圈与筒体602密封连接组成。底座上置有带螺纹的载物台支柱604，支柱上装有通过螺纹调节高低的载物台603。在底座上，在载物台的旁边，置有固定光纤探头7的“T”字形支架605，探头通过螺钉6051固定在“T”字形支架的横杆6052上，“T”字形支架的横杆6052由螺钉6053固定可上下调节。筒体侧壁置有可拆卸的视窗606和真空抽气阀607，视窗用于存取样品和观察样品被激光激发的状态。筒体顶部置有通过O型密封圈密封的会聚透镜2和光纤引出管道608。与引出管道608依次真空密封连接有A真空快卸卡箍8、波纹管9、B真空快卸卡箍10。A光纤11的一端连接光纤探头7，另一端从真空室的引出管道608穿出、依次穿过A真空快卸卡箍8、波纹管9、与真空光纤接头12光连接。真空光纤接头12与B真空快卸卡箍10构成真空密封连接，完成光纤从真空室内穿出真空室外。波纹管的作用主要是支撑A光纤，避免光纤折断。另外，波纹管有一定的伸缩性，以此来调整光纤探头的安装误差。激光器发出的光束经会聚透镜2聚焦在载物台上的样品上。激光激发样品产生的等离子谱由光纤探头7，依次与光纤探头7光连接的A光纤11、真空光纤接头12、B光纤13耦合到光谱仪的入射狭缝中。激光器发光的同时，发出同步信号触发脉冲延迟器，经延迟后再触发光谱仪采集光谱，光谱仪产生的光谱信号经其A/D转换以后通过USB接口与计算机连接。计算机内安装有标准样品测得的光谱数据和未知样品测得的光谱数据的采集和处理软件。利用所述系统对被测物质元素成分探测的方法，其包括下列步骤§1将标准样品放入真空室的载物台603上，调节激光器1和载物台的位置，使激光器发出的光束经会聚光学透镜2聚焦在载物台上的样品上； §2调节探头7的位置，使样品电离产生的等离子体光谱汇聚进入探头；§3对样品室抽真空，真空度抽到5×10-5Pa；§4开启激光器，激光器发出的光束射入样品，样品电离产生的等离子体光谱进入探头7会聚，会聚光通过依次与光纤探头7光连接的A光纤11、真空光纤接头12、B光纤13耦合到光谱仪3的入射狭缝中；激光器发出光束的同时，发出同步信号触发脉冲延迟器，经延迟后再触发光谱仪采集光谱，光谱仪产生的光谱信号经其A/D转换以后通过USB接口输入计算机；§5如此重复§1-4步骤多次，得到一系列标准样品原子谱线，把这些标准样品原子谱线数据以数据库的形式存储在计算机中；§6将标准样品换上未知样品，重复§1-4步骤，获得未知样品原子谱线数据存入计算机，与计算机中存储的标准样品原子谱线进行对照识别，获得未知样品所含元素种类信息。本专利技术的优点是1.模拟空间环境条件的建立，可以验证激光诱导离解光谱探测技术应用于深空探测的可行性。2.利用系统自身获取标准样品的原子光谱数据和未知样品的原子光谱数据进行谱线峰值和轮廓的对照，完成对被测样品元素识别的这种测量方法抵消了系统自身引入的误差，原则上使得测量误差变为零；而且这种识别方法不仅仅适用于真空条件下的激光诱导离解光谱探测，还具有普适性。附图说明图1为本专利技术的测量系统结构示意图；图2为样品室的结构示意图；图3为本专利技术测量方法中所用的元素识别计算机软件流程图。具体实施例方式下面根据图1～图3给出本专利技术一个较好实施例，用以说明本专利技术的结构特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本专利技术的范围。系统包括如下几个部分1)激光器选用Nd:YAG调Q脉冲激光器，工作波长1064nm，脉宽3-5ns，最大脉冲能量200mJ，脉冲能量稳定性±2％，最大脉冲重复频率20Hz，激光束发散角小于1mrad。激光器发出的光束用于激发样品产生等离子谱。2)光谱仪光谱仪用来对探头收集到的激光诱导等离子体光谱作光谱分析。光谱仪采用凹面光栅。光栅响应波长200-600nm，刻线1200g/mm。光谱仪入射狭缝14μm，光谱分辨率优于0.5nm，光谱仪波长准确度优于±0.2nm。光谱仪探测器采用线列CCD芯片，光谱信号经其A/D转换以后通过USB接口与计算机连接。3)脉冲延迟产生器脉冲延迟产生器主要用来实现激光诱导等离子体光谱的时间分辩探测，用来抑制韧致辐射和复合辐射产生的等离子体连续谱背景，提高探测信噪比。脉冲延迟器的延迟精度优于1μs，并且可以手动随意调节。脉冲延迟器的输出脉冲形式可以自由设置。4)真空室真空室为样品提供模拟空间探测环境，最高真空度可以达到5×10-5Pa。5)计算机计算机内装有光谱数据采集处理软件，光谱仪通过USB接口与计算机相连，数据采集和处理软件实现光谱数据的采集和处理，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟空间环境的激光诱导离解光谱探测系统，包括：脉冲激光器（１）、会聚光学透镜（２）、光谱仪（３）、脉冲延迟产生器（４）、计算机（５）、样品室（６），其特征在于：样品室（６）是一个模拟空间气压条件的真空室，真空室由底座（６０１）通过Ｏ型密封圈与筒体（６０２）密封连接组成；底座上置有带螺纹的载物台支柱（６０４），支柱上装有通过螺纹调节高低的载物台（６０３）；在底座上，在载物台的旁边，置有固定光纤探头（７）的“Ｔ”字形支架（６０５），探头通过螺钉（６０５１）固定在“Ｔ”字形支架的横杆（６０５２）上，“Ｔ”字形支架的横杆（６０５２）由螺钉（６０５３）固定可上下调节；筒体侧壁置有可拆卸的视窗（６０６）和真空抽气阀（６０７）；筒体顶部置有通过Ｏ型密封圈密封的会聚透镜（２）和光纤引出管道（６０８）；与引出管道（６０８）依次真空密封连接有Ａ真空快卸卡箍（８）、波纹管（９）、Ｂ真空快卸卡箍（１０）；Ａ光纤（１１）的一端连接光纤探头（７），另一端从真空室的引出管道（６０８）穿出、依次穿过Ａ真空快卸卡箍（８）、波纹管（９）、与真空光纤接头（１２）光连接；真空光纤接头（１２）与Ｂ真空快卸卡箍（１０）构成真空密封连接；激光器发出的光束经会聚透镜（２）聚焦在载物台上的样品上；激光激发样品产生的等离子谱由光纤探头（７），依次与光纤探头（７）光连接的Ａ光纤（１１）、真空光纤接头（１２）、Ｂ光纤（１３）耦合到光谱仪的入射狭缝中；激光器发光的同时，发出同步信号触发脉冲延迟器，经延迟后再触发光谱仪采集光谱，光谱仪产生的光谱信号经其Ａ／Ｄ转换以后通过ＵＳＢ接口与计算机连接；计算机内安装有标准样品测得的光谱数据和未知样品测得的光谱数据的采集和处理软件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：舒嵘，亓洪兴，吕刚，马德敏，
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：31[中国|上海]