[发明专利]一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法

说明书

 技术领域

本发明涉及激光烧蚀光谱分析技术领域，特别涉及一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法。本方法采用双脉冲激光诱导击穿光谱技术，在无需样品预处理条件下，在低气压环境下对固体样品实现原位、远距离快速成分分析，可用于月球车在线分析月球表面固体矿石样品的成分，同时可对矿石样品中多种元素含量进行三维成像。

背景技术

月球是离地球最近的天体，上面蕴藏着丰富的矿藏，月壳由多种元素组成，主要包括：铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢。据介绍，月球上稀有金属的储藏量比地球还多。地球上最常见的17种元素，在月球上比比皆是。以铁为例，仅月面表层5厘米厚的沙土就含有上亿吨铁，而整个月球表面平均有10米厚的沙土。月球表层的铁不仅异常丰富，而且便于开采和冶炼。此外，科学家已研究出利用月球土壤和岩石制造水泥和玻璃的办法。

月球土壤中还含有丰富的氦-3，利用氘和氦-3进行的氦聚变可作为核电站的能源，这种聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变，不仅可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。据悉，月球土壤中氦-3的含量估计为715000吨。从月球土壤中每提取一吨氦-3，同时可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。从分析看，由于月球的氦-3蕴藏量大，对于未来能源比较紧缺的地球来说，无疑是雪中送炭。许多航天大国已将获取氦-3作为开发月球的重要目标之一。

同时，月球表面分布着广泛的富含钾、稀土元素和磷等元素的克里普岩，富含钍和铀元素的风爆洋区的克里普岩被后期月海玄武岩所覆盖，克里普岩混合并形成高钍和铀物质，其厚度估计有10～20千米。风暴洋区克里普岩中的稀土元素总资源量约为225亿至450亿吨。克里普岩中所蕴藏的丰富的钍、轴也是未来人类开发利用月球资源的重要矿产资源之一。此外，月球还蕴藏有丰富的铬、镍、钠、镁、硅、铜等金属矿产资源。2004年起，我国正式积极开展月球探测工程，命名为“嫦娥工程”。其中就包括着陆器和月球车进行现场采样。

激光诱导击穿光谱分析技术（简称LIBS）是一种激光烧蚀光谱分析技术，它利用聚焦的强脉冲激光将被测样品激发成等离子体, 通过分析等离子体中原子或离子光谱来实现对样品的元素分析，与传统元素分析技术相比有许多优点：可以进行全元素分析，样品无需预处理, 样品形式不限, 灵敏度高, 可以进行实时分析等。因此，激光诱导击穿光谱技术已被广泛地应用于矿业、冶金业、环境分析等多个领域。LIBS作为一种原位、实时、连续、无接触检测技术，特别适用于一些异常环境下的化学成分检测。 美国航天局2011年年底发射的“好奇”号火星车探测器成功在火星表面着陆，“好奇”号火星车上搭载了一套基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的化学元素分析及相机摄像机仪器（ChemCam），该系统可以向9米远的火星岩石发射激光，使其蒸发，而后分析蒸发的岩石成分。借助于这台仪器，“好奇”号可以研究机械臂无法触及的火星岩石。此外，ChemCam同样可以帮助任务组在远处确定是否应该派遣“好奇”号前往一个特定的地带进行探测。ChemCam由几个不同组件构成，其双脉冲激光器安装在“好奇”号桅杆上，旁边是一台摄像机和一架小型望远镜，安装在车身上3台光谱仪，通过光纤与桅杆上的设备相连，负责分析蒸发的岩石样本中物质发出的光谱线。

实验研究发现，常规的LIBS技术并不适合于月球的极低气压环境，图1所示，在10mbar和3×10^-5mbar环境下对钢铁样品进行了LIBS测试，结果显示在3×10^-5mbar环境下LIBS信号强度、信背比、信噪比很低，无法准确探测样品中所含元素种类。图2 、3给出了LIBS信号随环境气压的变化规律，首先随着气压的下降LIBS信号明显增强，但当气压小于1mbar以后，信号开始衰减。这是由于气压下降，等离子体对激光的屏蔽作用减弱，激光对样品的烧蚀量增加，信号增强，同时气压下降，等离子体密度降低，原子分子碰撞几率下降，会使LIBS信号减弱。两种物理机制的存在，使得在10mbar（火星气压范围）下信号灵敏度很高，但气压低于0.01mbar后，包括月球表面(10^-12mbar)的极低气压环境下，传统LIBS系统的灵敏度都很差，对低含量物质进行探测相当困难，因此，亟待一种双脉冲激光诱导击穿光谱分析装置及方法。

发明内容