CN107091817A - 火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置及实验方法，包括真空舱体实验装置和全光谱表征及联用实验装置，真空舱体实验装置包括真空舱体、与真空舱体连通的湿度控制单元、与湿度控制单元连通的供气单元和放置于真空舱体外的温度控制单元，真空舱体内设有冷热台和样品盛放件，温度控制单元与冷热台连接；全光谱表征及联用实验装置包括设于真空舱体外的至少两台光谱仪，每台光谱仪连接一个传感元件，每个传感元件连接一个光源，传感元件位于真空舱体内，光源位于真空舱体外。本发明能够模拟火星环境，并在模拟的火星环境下进行样品从紫外、可见近红外到中红外和拉曼光谱收集，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系，用于火星遥感和就位探测光谱数据的比对和解译。
Description
技术领域
本发明涉及光谱实验技术领域，涉及火星模拟环境下的光谱实验技术，具体地说，涉及一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置及方法，用于不同火星模拟环境条件下的多种光谱综合性原位测试。
背景技术
火星和地球一样拥有多样的地形地貌，有高山、平原和峡谷，地表沙丘、砾石遍布，火星也具有大气层，但其主要成分为CO2(～95.5％)，而且气压很低(～600-1000Pa)，全球年平均温度低达-63℃。火星表面物质成分的光谱学特征(如紫外光谱、可见近红外反射光谱、中红外光谱、拉曼光谱等)是进行火星未知岩石或矿物成分的遥感和就位探测的主要手段。特定火星环境下，火星表面物质(如矿物/盐类)可能会出现异于地球的新光谱特征，尤其是中红外和近红外等光谱受火星环境条件的影响更为明显。目前，国内未见关于火星模拟环境下的光谱原位表征实验的相关报道，国外虽然报道了某些光谱表征实验，但大部分不是在模拟火星环境条件下进行的，而关于火星模拟环境下火星矿物/盐类实验主要为单种光谱表征，所获光谱信息较为单一，缺乏联用多种光谱技术进行综合原位表征的相关实验。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷和不足，提供了一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置及方法，用于进行不同模拟火星环境下的多种光谱(包括可见近红光谱、中红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱)的综合原位测试实验。
为了达到上述目的，本发明提供了一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，包括真空舱体实验装置和全光谱原位表征及联用实验装置，所述真空舱体实验装置包括：
用于提供真空和模拟火星环境的真空舱体，所述真空舱体内设有冷热台和放置于所述冷热台上的样品盛放件；
与所述真空舱体连通的湿度控制单元，用于模拟和控制火星表面环境湿度；
与所述湿度控制单元连通的第一供气单元，用于提供火星大气；
放置于所述真空舱体外的温度控制单元，所述温度控制单元与所述冷热台连接，用于模拟和控制火星表面环境温度；
所述全光谱原位表征及联用实验装置包括设于所述真空舱体外的至少两台光谱仪，每台光谱仪连接一个用于采集光谱信号的传感元件，每个传感元件连接一个光源，所述传感元件位于所述真空舱体内，所述光源位于所述真空舱体外。
优选的，所述光谱仪设有两台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中红外光谱仪，用于表征中红外光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪连接的可见近红外反射光纤探头和与所述傅里叶变换中红外光谱仪连接的中红外反射光纤探头；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头连接的可见近红外光源和与所述中红外反射光纤探头连接的中红外光源。
优选的，所述光谱仪设有三台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中红外光谱仪，用于表征中红外光谱，第三光谱仪为激光拉曼光谱仪，用于表征拉曼散射光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪连接的可见近红外反射光纤探头、与所述傅里叶变换中红外光谱仪连接的中红外反射光纤探头以及与所述激光拉曼光谱仪连接的拉曼光纤探头；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头连接的可见近红外光源、与所述中红外反射光纤探头连接的中红外光源以及与所述拉曼光纤探头连接的532nm激光器。
优选的，所述光谱仪设有四台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中红外光谱仪，用于表征中红外光谱，第三光谱仪为激光拉曼光谱仪，用于表征拉曼散射光谱，第四光谱仪为紫外光谱仪，用于表征紫外光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪连接的可见近红外反射光纤探头、与所述傅里叶变换中红外光谱仪连接的中红外反射光纤探头、与所述激光拉曼光谱仪连接的拉曼光纤探头以及与所述紫外光谱仪连接的紫外反射光纤探头；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头连接的可见近红外光源、与所述中红外反射光纤探头连接的中红外光源、与所述拉曼光纤探头连接的532nm激光器以及与所述紫外反射光纤探头连接的紫外光源。
进一步的，所述真空舱体实验装置还包括与所述真空舱体连接的真空控制单元，用于使所述真空舱体内形成真空环境；所述真空控制单元包括真空泵和与所述真空舱体连接的真空计，所述真空泵通过密封管路与所述真空舱体连通。
优选的，所述湿度控制单元包括温控加热器、放置于所述温控加热器上的密闭容器以及与所述密闭容器连通的气体配置件，所述密闭容器内盛放有去离子水，所述气体配置件与所述真空舱体连通，所述第一供气单元与所述气体配置件连通。
优选的，所述的第一供气单元包括气源和盛放气源的气源钢瓶。
进一步的，还包括与所述密闭容器连通的第二供气单元，所述第二供气单元与密闭容器之间的设有气体流量计，所述气体流量计设于连通所述第二供气单元与所述气体配置件连通的密封管路上。
优选的，所述温度控制单元包括温度控制器、液体泵和杜瓦瓶，所述温度控制器与所述液体泵电连接，所述液体泵分别通过密封管路与所述杜瓦瓶和设置于所述冷热台内的冷却件连通，所述冷热台上设有与所述温度控制器连接温度传感器；所述冷热台上表面设有旋转样品台，所述旋转样品台在所述冷热台上水平360°旋转，所述样品盛放件放置于所述旋转样品台上。
进一步的，所述真空舱体实验装置还包括压力控制单元，所述压力控制单元包括气体流量计以及与所述气体流量计连接压力控制器，所述气体流量计设于连通所述第一供气单元与所述气体配置件连通的密封管路上，所述压力控制器与所述真空控制单元的真空泵电连接。
进一步的，所述真空舱体实验装置还包括用于提供火星表面紫外辐射条件的紫外辐照光源，所述紫外辐照光源安装于所述真空舱体的透明真空视窗上。
进一步的，所述真空舱体还连接有温湿度计，用于测量真空舱体内的温度和湿度。
进一步的，所述真空舱体实验装置还包括用于提供火星表面电场环境的电场控制单元，所述电场控制单元包括放置于真空舱体内的电动平移台和平行板电容，以及放置于真空舱体外的电压控制单元，所述电压控制单元包括电压发生器、变压器和电动平移台控制器。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种火星模拟环境全光谱(包括可见近红光谱、中红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱)原位表征及联用实验方法，采用上述火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、温度条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
为了达到上述目的，本发明又提供了一种火星模拟环境全光谱(包括可见近红光谱、中红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱)原位表征及联用实验方法，采用上述火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、温度、紫外辐射条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
为了达到上述目的，本发明又提供了一种火星模拟环境全光谱(包括可见近红光谱、中红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱)原位表征及联用实验方法，采用上述火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、紫外辐射、电场条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置包括真空舱体实验装置和全光谱原位表征及联用实验装置，真空舱体实验装置能够真实模拟火星表面环境包括气氛、压强、温度、湿度、紫外辐照和电场等，并实现对这些环境参数的精确调控；在真空舱体实验装置模拟的火星环境条件下通过全光谱原位表征及联用实验装置进行火星矿物样品光谱的原位采集，至少联用两种光谱表征方法，获取的光谱信息更为丰富和多样化，可用于火星遥感和就位探测光谱数据的综合比对和解译。
(2)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置采用独立的多台光谱仪，可以根据实验目的和需求选择光谱仪、波段范围和光谱分辨率，可拓展性强，采用不同光谱联用的方式，分析火星模拟环境对火星矿物样品光谱的影响效应，以及不同样品在模拟火星环境条件下的全光谱综合效应，为科学解译火星表面物质存在形式、空间分布及动态变化提供关键基础数据和实验约束。
(3)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置还设有压力控制单元，包括气体流量计和压力控制器，通过压力控制器和气体流量计实现对火星表面环境气氛的调控，并据此研究光谱受不同火星环境气氛和压力条件的影响效应。
(4)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置还设有紫外辐照光源，还能够实现火星表面环境紫外辐照的模拟及其对火星光谱的影响，使实验装置模拟的火星环境更加真实。
(5)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置还设有电场控制单元，还能够实现火星表面电场环境的模拟及其与火星表面物质的相互作用研究。
(6)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置在冷热台上设置旋转样品台，能够在火星表面环境包括气氛、湿度、温度、压力和紫外辐照下研究多个样品，节约实验时间，提高实验效率。
(7)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置及方法为火星环境相关实验提供了综合实验平台，不仅可以用于火星样品原位光谱测试，还可用于火星遥感光谱解译、火星生命痕迹探索、模拟火星样品的热动力学实验、火星探测有效载荷定标实验等，应用范围广。
(8)本发明提供的火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置及方法模拟的火星表面环境参数连续可调，可以研究环境参数对于火星矿物/盐类样品光谱的影响，同时进行单、多变量研究，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系，为未来火星表面物质成分的遥感和就位探测提供重要的地面实验室基础数据。
附图说明
附图1为本发明一实施例中火星环境模拟实验装置的结构图。
附图2为本发明另一实施例中火星环境模拟实验装置的结构图。
附图3本发明实施例中火星模拟环境全光谱原位表征及联用实验装置的结构图。
附图4为本发明实施例火星环境全光谱原位表征及联用实验方法的流程图。
附图5-7为本发明实施例真空舱体实验装置模拟火星环境的流程图。
图中，1、真空舱体，10、气源钢瓶，101，第一气源钢瓶，102，第二气源钢瓶，11、透明真空视窗，12、样品盛放件，21、温控加热器、22、密闭容器，23、气体配置件，31、冷热台，32、温度控制器，33、液体泵，34、杜瓦瓶，35、温度传感器，36、旋转样品台，37、导管，41、气体流量计，411、第一气体流量计，412、第二气体流量计，42、压力控制器，51、真空泵，52、真空计，6、紫外辐照光源，7、温湿度计，71、电动平移台，72、平行板电容，73，电压控制单元，81、第一真空法兰，82、第二真空法兰，83、第三真空法兰，84、第四真空法兰，85、第五真空法兰，86、第六真空法兰，91、可见近红外光谱仪，911、可见近红外反射光纤探头，912、可见近红外光源，913、束状光纤，92、傅里叶变换中红外光谱仪，921、中红外反射光纤探头，922、中红外光源，923、中红外光纤，924、中红外光纤保护套，93、激光拉曼光谱仪，931、拉曼光纤探头，932、532nm激光器，933、束状光纤，94、紫外光谱仪，941、紫外反射光纤探头，942、紫外光源，943、紫外光纤。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，包括真空舱体实验装置和全光谱原位表征及联用实验装置，真空舱体实验装置用于模拟火星环境，全光谱原位表征及联用实验装置用于在真实模拟火星环境条件下进行样品光谱的采集。该装置能够模拟火星环境，并在模拟的火星环境下进行样品的光谱采集，用于分析环境对火星矿物样品光谱的影响效应，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系，为探索和发现火星表面物质存在形式、空间分布及动态变化提供关键基础数据和实验约束。
为了达到上述目的，实现火星表面环境的模拟，参见图1，所述真空舱体实验装置包括：
用于提供真空环境的真空舱体1，所述真空舱体1内设有冷热台31和放置于所述冷热台31上的样品盛放件12；
与所述真空舱体1连通的湿度控制单元，用于模拟和控制火星表面环境湿度；
与所述湿度控制单元连通的第一供气单元，用于提供火星大气；
放置于所述真空舱体1外的温度控制单元，所述温度控制单元与所述冷热台31连接，用于模拟和控制火星表面环境温度。
在进行火星环境研究过程中，研究火星特定对象，如模拟火星样品的热动力学实验、火星生命研究、火星探测有效载荷定标实验等需要严格的湿度控制。为了实现湿度控制，对上述实验装置进行优选设计，所述湿度控制单元包括温控加热器21、放置于所述温控加热器21上的密闭容器22以及与所述密闭容器22连通的气体配置件23，所述密闭容器22内盛放有去离子水，所述气体配置件23与所述真空舱体1连通，所述第一供气单元与所述气体配置件23连通。通过第一供气单元提供火星大气，通过温控加热器21对密闭容器22中的去离子水进行加热形成水蒸气，水蒸气与第一供气单元提供的火星大气经气体配置件23混合形成湿度火星表面气体，传输至真空舱体1内，实现火星表面环境气氛和湿度的模拟。同时，通过温控加热器21控制水蒸气的产生量进行湿度的调节。
继续参见图1，作为优选设计，气体配置件23通过密封管路与真空舱体1连通，为了保证气氛和湿度模拟时真空舱体的密封状态，连通气体配置件23与真空舱体1的密封管路通过安装于所述真空舱体1上的第一真空法兰81与真空舱体1连通。
由于火星表面环境昼夜温差较大，在进行火星环境温度模拟时，为了能够实现对火星表面环境温度调控，对上述实验装置进行优选设计，继续参见图1，所述温度控制单元包括放置于所述真空舱体1内的冷热台31，以及分别放置于所述真空舱体1外的温度控制器32、液体泵33和杜瓦瓶34，所述温度控制器32与所述液体泵33电连接，所述液体泵33分别通过密封管路与所述杜瓦瓶34和设置于所述冷热台31内的冷却件连通，所述冷热台31上设有与所述温度控制器32连接温度传感器35。液体泵33将杜瓦瓶34中的液体经由密封管路输入冷热台31，从而降低冷热台31的温度，并通过温度传感器35实时进行测量冷热台的温度，反馈给温度控制器32，通过温度控制器32控制液体泵33中液体的流量实现降温控制。作为优选设计，所述杜瓦瓶34中盛放的液体为液氮，还可以为液氩、液氦等，所述冷热台31内的冷却件为均匀分布的导管37，实现温度的降温控制。进一步优选，所述温度控制器32还与设置在冷热台31内均匀分布的加热元件连接，通过温度控制器32控制加热元件来实现温度升温控制，作为优选，所述加热元件为加热丝或热电阻。继续参见图1，进一步优选，为了保证，模拟温度时真空舱体的密封状态，连接所述液体泵33与所述冷热台31内冷却件的密封管路和连接所述温度控制器32与所述温度传感器35的控制线均通过安装于所述真空舱体1上的第二真空法兰82与所述真空舱体1连接。在进行火星环境模拟时，能够完成火星表面环境温度的模拟和调控，进一步真实模拟火星环境。
继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述冷热台31上表面设有旋转样品台36，所述旋转样品台36在所述冷热台上水平360°旋转，所述样品盛放件放置于所述旋转样品台36上。在进行火星环境下进行火星样品原位光谱测试、火星遥感光谱解译、火星生命痕迹探索、模拟火星样品的热动力学实验、火星探测有效载荷定标实验等时，用于更换样品，可以顺序更换，也可以逆序更换，可以实现在相同火星环境下研究多个样品，节约实验时间，提高实验效率。
继续参见图1，为了控制真空舱体内的真空度，保证实验时真空舱体的真空环境，作为上述实验装置的进一步设计，所述真空舱体实验装置还包括与所述真空舱体连接的真空控制单元，用于使所述真空舱体内形成真空环境；所述真空控制单元包括真空泵51和与所述真空舱体1连接的真空计52，所述真空泵51通过密封管路与所述真空舱体1连通。通过真空泵51对真空舱体1进行抽真空，并通过真空计52测量真空舱体内的真空度，在进行火星环境模拟实验时，根据实验需要，通过测量的真空度和真空泵51调节真空舱体1内的真空度，以便达到实验要求。继续参见图1，作为优选设计，为了保证真空舱体1的密封状态，连通所述真空泵51与所述真空舱体1的密封管路通过安装于所述真空舱体1上的第三真空法兰83与所述真空舱体1连通，所述真空计52通过安装于所述真空舱体1的第四真空法兰84与所述真空舱体1连接。
继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述真空舱体实验装置还包括压力控制单元，所述压力控制单元包括气体流量计41以及与所述气体流量计41连接压力控制器42，所述气体流量计41设于连通所述第一供气单元与所述气体配置件23连通的密封管路上。通过气体流量计41控制气体的流速，从而实现对真空舱体1内模拟火星大气的加压控制。继续参见图1，作为优选设计，所述压力控制器42与所述真空控制单元的真空泵51电连接，压力控制器42和真空泵51共同作用，控制进入和抽出真空舱体1内气体的流量，从而实现对真空舱体1内压力的精确调控。
继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述真空舱体实验装置还包括用于提供火星表面紫外辐射条件的紫外辐照光源6，所述紫外辐照光源6安装于所述真空舱体1的透明真空视窗11上。紫外辐照光源6提供火星表面紫外辐射条件，通过调节紫外辐照光源6的光照强度实现紫外辐射剂量的调节，模拟火星表面紫外辐照条件，使本发明实验装置对火星环境模拟的更加真实。
继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述真空舱体1还连接有温湿度计7，用于测量真空舱体内的温度和湿度，根据测量的温度和湿度以及实验要求对真空舱体内的温度和湿度进行调节。作为优选设计，继续参见图1，为了保证测量温度和湿度时所述真空舱体1的密封状态，所述温湿度计7通过安装于所述真空舱体1上的第五真空法兰85与所述真空舱体1连接。
继续参见图1，对上述实验装置进一步设计，所述真空舱体实验装置还包括电场控制单元，电场控制单元包括电动平移台71、平行板电容72以及电压控制单元73。所述平行板电容72安装在电动平移台71上，与电压控制单元通过安装与所述真空舱体1的第六真空法兰86电连接。通过调节电压控制单元73的变压器和电动平移台71，改变平行板电容72的电场强度，模拟火星表面电场环境，使本发明实验装置模拟的火星环境更加真实。
继续参见图1，作为上述实验装置的优选设计，所述的第一供气单元为包括气源和盛放气源的气源钢瓶10。
参见图2，作为上述火星环境模拟实验装置的另一优选设计，所述的火星环境模拟实验装置不仅包括与所述气体配置件23连通的第一供气单元，用于提供火星大气，还包括与所述密闭容器22连通的第二供气单元。所述第一供气单元包括气源和盛放气源的第一气源钢瓶101，连通所述第一气源钢瓶101与所述气体配置件23的密封管路上设有第一气体流量计411；所述第二供气单元包括气源和盛放气源的第二气源钢瓶102，连通所述第二气源钢瓶102与所述密闭容器22的密封管路上设有第二气体流量计412。
温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，但该方案产生水蒸气的量很少，且湿度不易调节，不满足火星大气环境湿度控制的要求。因此，为了使湿度参数可控，使模拟火星大气的湿度条件更加真实，利用通过第二供气单元向密闭容器内的去离子水中充入气体的方式获取更高的湿度，然后与第一供气单元提供的干燥火星大气混合，通过气体配置件控制水蒸气与配置的火星大气混合比例获得不同湿度火星表面气体。
为了实现火星模拟环境下火星矿物样品的光谱采集，所述全光谱原位表征及联用实验装置包括设于所述真空舱体外的至少两台光谱仪，每台光谱仪连接一个用于采集光谱的传感元件，每个传感元件连接一个光源，所述传感元件位于所述真空舱体内，所述光源位于所述真空舱体外。上述全光谱原位表征及联用实验装置采用独立的多台光谱仪，可以根据实验目的和需求选择光谱仪、波段范围和光谱分辨率，可拓展性强，采用不同光谱联用的方式，分析不同火星模拟环境对同一火星矿物样品光谱的影响效应，以及不同样品在相同模拟火星环境条件下的全光谱综合效应。
参见图3，在上述全光谱原位表征及联用实验装置一优选方案中，所述光谱仪设有两台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪91，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中红外光谱仪92，用于表征中红外光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪91连接的可见近红外反射光纤探头911和与所述傅里叶变换中红外光谱仪92连接的中红外反射光纤探头921；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头911连接的可见近红外光源912和与所述中红外反射光纤探头921连接的中红外光源922。继续参见图2，作为优选，可见近红外光谱仪91、可见近红外反射光纤探头911、可见近红外光源912依次通过束状光纤913连接，傅里叶变换中红外光谱仪92、中红外反射光纤探头921、中红外光源922依次通过中红外光纤923连接，位于真空舱体1内的中红外光纤923外部设有中红外光纤保护套924，防止中红外光纤923弯曲，保护中红外光纤923。在火星模拟环境下进行光谱测试时，可见近红外光源912通过束状光纤913将可见近红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，可见近红外反射光纤探头911收集矿物样品的反射光并将其通过束状光纤913传输至可见近红外光谱仪91，可见近红外光谱仪91采集可见近红外光谱，根据可见光红外光谱仪91采集的可见近红外光谱可判断该火星样品中电子跃迁以及含水矿物基频振动的倍频和组合频等信息；中红外光源922通过中红外光纤923将中红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，中红外反射光纤探头921收集矿物样品的反射光并将其通过中红外光纤923传输至傅里叶变换中红外光谱仪92，傅里叶变换中红外光谱仪92采集中红外光谱，根据中红外光谱表征该火星样品晶体极性基团的非对称振动信息。
继续参见图3，在上述全光谱原位表征及联用实验装置另一优选方案中，所述光谱仪设有三台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪91，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中红外光谱仪92，用于表征中红外光谱，第三光谱仪为激光拉曼光谱仪93，用于表征拉曼散射光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪91连接的可见近红外反射光纤探头911、与所述傅里叶变换中红外光谱仪92连接的中红外反射光纤探头921以及与所述激光拉曼光谱仪93连接的拉曼光纤探头931；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头911连接的可见近红外光源912、与所述中红外反射光纤探头921连接的中红外光源922以及与所述拉曼光纤探头931连接的532nm激光器932。继续参见图2，作为优选，可见近红外光谱仪91、可见近红外反射光纤探头911、可见近红外光源912依次通过束状光纤913连接，傅里叶变换中红外光谱仪92、中红外反射光纤探头921、中红外光源922依次通过中红外光纤923连接，位于真空舱体1内的中红外光纤923外部设有中红外光纤保护套924，防止中红外光纤923弯曲，保护中红外光纤923,激光拉曼光谱仪93、拉曼光纤探头931、532nm激光器932依次通过束状光纤933连接。在火星模拟环境下进行光谱测试时，可见近红外光源912通过束状光纤913将可见近红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，可见近红外反射光纤探头911收集矿物样品的反射光并将其通过束状光纤913传输至可见近红外光谱仪91，可见近红外光谱仪91采集可见近红外光谱，根据可见光红外光谱仪91采集的可见近红外光谱可判断出该火星样品中电子跃迁以及含水矿物基频振动的倍频和组合频等信息；中红外光源922通过中红外光纤923将中红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，中红外反射光纤探头921收集矿物样品的反射光并将其通过中红外光纤传923输至傅里叶变换中红外光谱仪92，傅里叶变换中红外光谱仪92采集中红外光谱，根据中红外光谱表征该火星样品晶体极性基团的非对称振动信息；532nm激光器932出射532nm激光并通过束状光纤933传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，拉曼光纤探头931收集矿物样品的散射光并将其通过束状光纤933传输至激光拉曼光谱仪93，激光拉曼光谱仪93采集拉曼光谱，根据拉曼光谱表征该火星样品晶体的振动谱特性。同时将中红外光谱和拉曼光谱联用，能够全面表征火星样品晶体的红外和拉曼活性振动光谱特征，共同完成火星表面矿物晶体结构的全面分析。
继续参见图3，在上述全光谱原位表征及联用实验装置又一优选方案中，所述光谱仪设有四台，第一光谱仪为可见近红外光谱仪91，用于表征可见近红外光谱，第二光谱仪为傅里叶变换中外红光谱仪92，用于表征中红外光谱，第三光谱仪为激光拉曼光谱仪93，用于表征拉曼散射光谱，第四光谱仪为紫外光谱仪94，用于表征紫外光谱；所述传感元件包括与所述可见近红外光谱仪91连接的可见近红外反射光纤探头911、与所述傅里叶变换中红外光谱仪92连接的中红外反射光纤探头921、与所述激光拉曼光谱仪93连接的拉曼光纤探头931以及与所述紫外光谱仪94连接的紫外反射光纤探头941；所述光源包括与所述可见近红外反射光纤探头911连接的可见近红外光源912、与所述中红外反射光纤探头921连接的中红外光源922、与所述拉曼光纤探头931连接的532nm激光器932以及与所述紫外反射光纤探头941连接的紫外光源942。继续参见图2，作为优选，可见近红外光谱仪91、可见近红外反射光纤探头911、可见近红外光源912依次通过束状光纤913连接，傅里叶变换中红外光谱仪92、中红外反射光纤探头921、中红外光源922依次通过中红外光纤923连接，位于真空舱体1内的中红外光纤923外部设有中红外光纤保护套924，防止中红外光纤923弯曲，保护中红外光纤923,激光拉曼光谱仪93、拉曼光纤探头931、532nm激光器932依次通过束状光纤933连接，紫外光谱仪94、紫外反射光纤探头941、紫外光源942依次通过紫外光纤943连接。在火星模拟环境下进行光谱测试时，可见近红外光源912通过束状光纤913将可见近红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，可见近红外反射光纤探头911收集矿物样品的反射光并将其通过束状光纤913传输至可见近红外光谱仪91，可见近红外光谱仪91采集可见近红外光谱，根据可见光红外光谱仪91采集的可见近红外光谱可判断出该火星样品中电子跃迁以及含水矿物基频振动的倍频和组合频等信息；中红外光源922通过中红外光纤923将中红外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，中红外反射光纤探头921收集矿物样品的反射光并将其通过中红外光纤923传输至傅里叶变换中红外光谱仪92，傅里叶变换中红外光谱仪92采集中红外光谱，根据中红外光谱92表征该火星样品晶体极性基团的非对称振动信息；532nm激光器932出射532nm激光并通过束状光纤933传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，拉曼光纤探头931收集矿物样品的散射光并将其通过束状光纤933传输至激光拉曼光谱仪93，激光拉曼光谱仪93采集拉曼光谱，根据拉曼光谱表征该火星样品晶体的振动谱特性；紫外光源942通过紫外光纤943将紫外光传输至真空舱体1，照射到样品盛放件12内的矿物样品上，紫外反射光纤探头941收集矿物样品的反射光并将其通过紫外光纤943传输至紫外光谱仪94，紫外光谱仪94采集紫外光谱，根据紫外光谱表征火星样品中分子基团的电子跃迁等信息。在本优选方案中，将中红外光谱和拉曼光谱联用，能够全面表征火星样品晶体的红外和拉曼活性振动光谱特征，共同完成火星样品矿物晶体结构的全面分析；紫外光谱与可见近红外光谱联用，能够全面获取火星样品中分子基团的电子跃迁以及含水矿物基频振动的倍频和组合频等信息，为火星轨道遥感的数据解译提供光谱对比和识别的基础光谱库；将上述四种光谱联用，分析环境对火星样品光谱的影响效应，为火星就位探测和轨道遥感数据解译提供可靠的地面试验光谱库参考，能够通过原位分析火星样品在模拟火星环境条件下光谱随环境的动态变化，研究样品的物相变化及热动力学过程等关键信息，为发现和科学解译火星表面物质存在形式、空间分布及动态变化提供关键基础数据和实验约束。
本发明上述火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，一方面能够真实模拟火星表面气氛、湿度、压力、温度、紫外辐照以及电场等环境条件，另一方面，能够在火星模拟环境下进行光谱原位采集，研究环境参数对矿物/盐类样品光谱的影响，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系，用于火星遥感和就位探测光谱数据的比对和解译，再一方面还可以为火星环境相关实验提供综合实验平台，用于火星样品原位光谱测试、模拟火星样品的热动力学实验、火星生命研究、火星探测有效载荷定标实验等，应用范围广。
参见图4，本发明提供了一种火星环境模拟下的全光谱原位表征及联用实验方法，采用上述火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其具体实验步骤如下：
S1：检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
S2：向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
S3：通过真空舱体实验装置模拟火星环境条件；
S4：依次打开光源及光谱仪，光谱仪依次采集可见近红外光谱信号、中红外光谱信号、拉曼光谱信号和紫外光谱信号，获取可见近红外光谱、中红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱；
S5：所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
步骤S4中，获取光谱信号的顺序可以互换，不限于依次为可见近红外光谱信号、中红外光谱信号、拉曼光谱信号和紫外光谱信号的顺序。
为了研究环境参数对于矿物样品光谱的影响，可以在步骤S4完成后，改变模拟的火星环境参数，重复步骤S4的操作，进行同一矿物样品在不同火星环境条件下的光谱采集；还可以在步骤S4完成后，更换矿物样品，重复步骤S4的操作，进行不同矿物样品在同一火星环境条件下的光谱采集，从而同时进行单、多变量研究，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系。更换矿物样品时，可以利用旋转样品台，能够完成在相同火星环境参数下研究多个矿物样品，节约实验时间，提高实验效率。
参见图5，为了实现火星环境的模拟，实现对火星环境气氛、湿度、压力、温度的模拟，利用上述真空舱体实验装置模拟火星环境，其具体的实验步骤如下：
(1)检测真空舱体实验装置并调试其至正常工作状态；
(2)启动真空泵，将真空舱体调至真空环境；
(3)通过第一供气单元配置火星表面气体，根据需求通过温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，通过气体配置件控制水蒸气与配置的火星大气混合比例获得不同湿度火星表面气体；
(4)向真空舱体内通入湿度火星表面气体，调节气体配置件出口的阀门开关程度和气体流量计，控制湿度火星表面气体的流量，使真空舱体内的压力达到火星表面气体压力；
(5)启动冷热台，温度控制器根据温度传感器设置的目标温度控制液体通过液体泵由杜瓦瓶流入冷却件的液体流量或加热元件，使真空舱体内冷热台温度达到设定的工作温度；
(6)火星环境气氛、湿度、压力、温度的模拟完成。
上述(4)和(5)可以互换，不影响火星环境的模拟实现。
在上述(3)中，温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，但该方案产生水蒸气的量很少，且湿度不易调节，不满足火星大气环境湿度的要求。为了获取更高的可控湿度条件，在所述步骤三中，同时通过第二供气单元向密闭容器内的去离子水中充入气体，由充入的气体获取更多的水蒸气，并与第一供气单元的干燥气体混合，可通过调节混合比例控制混合气体的湿度，使模拟的火星表面湿度环境更加真实。
上述火星环境模拟实验方法能够完成火星表面环境气氛、湿度、压力、温度的模拟和精确控制，实现真实火星表面环境模拟，能够实现火星环境昼夜变化和季节性变化的模拟，为其他天体(如金星、土卫六等)的环境模拟设备的搭建提供技术积累和重要参考。
参见图6，为了进一步完善对火星环境的模拟，使模拟的火星环境更接近真实的火星环境，实现对火星环境气氛、湿度、压力、温度、紫外辐射的模拟，利用上述真空舱体实验装置进行所述火星环境模拟，其具体实验步骤如下：
(1)检测真空舱体实验装置并调试其至正常工作状态；
(2)启动真空泵，将真空舱体调至真空环境；
(3)通过第一供气单元配置火星表面气体，根据需求通过温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，通过气体配置件控制水蒸气与配置的火星大气混合比例获得不同湿度火星表面气体；
(4)向真空舱体内通入湿度火星表面气体，调节气体配置件出口的阀门开关程度和气体流量计，控制湿度火星表面气体的流量，使真空舱体内的压力达到火星表面气体压力；
(5)启动冷热台，温度控制器根据温度传感器设置的目标温度，控制液体通过液体泵由杜瓦瓶流入冷却件的液体流量或加热元件，使真空舱体内冷热台温度达到设定的工作温度；
(6)启动并调节紫外辐照光源，模拟火星表面紫外辐射环境；
(7)火星环境气氛、湿度、压力、温度、紫外辐射的模拟完成。
上述(4)、(5)和(6)可以任意互换，不影响火星模拟实现。
在上述(3)中，温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，但该方案产生水蒸气的量很少，且湿度不易调节，不满足火星大气环境湿度的要求。为了获取更高的可控湿度条件，在所述步骤三中，同时通过第二供气单元向密闭容器内的去离子水中充入气体，由充入的气体获取更多的水蒸气，并与第一供气单元的干燥气体混合，可通过调节混合比例控制混合气体的湿度，使模拟的火星表面湿度环境更加真实。
上述实验方法能够完成火星表面环境气氛、湿度、压力、温度以及紫外辐射的模拟和精确控制，实现更加真实的火星表面环境模拟，能够实现火星环境昼夜变化和季节性变化的模拟，为其他天体(如金星、土卫六等)的环境模拟设备的搭建提供技术积累和重要参考。
参见图7，为了进一步完善对火星环境的模拟，使模拟的火星环境更接近真实的火星环境，实现对火星环境气氛、湿度、压力、紫外辐射、电场的模拟，利用上述真空舱体实验装置进行所述火星环境模拟，其具体实验步骤如下：
(1)检测真空舱体实验装置并调试其至正常工作状态；
(2)启动真空泵，将真空舱体调至真空环境；
(3)通过第一供气单元配置火星表面气体，根据需求通过温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，通过气体配置件控制水蒸气与配置的火星大气混合比例获得不同湿度火星表面气体；
(4)向真空舱体内通入湿度火星表面气体，调节气体配置件出口的阀门开关程度和气体流量计，控制湿度火星表面气体的流量，使真空舱体内的压力达到火星表面气体压力；
(5)启动并调节紫外辐照光源，模拟火星表面紫外辐射环境；
(6)启动电压发生器，并调节变压器和电动平移台，模拟火星表面电场环境；
(7)火星环境气氛、湿度、压力、紫外辐射、电场的模拟完成。
上述(4)、(5)和(6)可以任意互换，不影响火星模拟实现。
在上述(3)中，温控加热器加热密封容器内的去离子水，控制去离子水的温度获得水蒸气，但该方案产生水蒸气的量很少，且湿度不易调节，不满足火星大气环境湿度的要求。为了获取更高的可控湿度条件，在所述步骤三中，同时通过第二供气单元向密闭容器内的去离子水中充入气体，由充入的气体获取更多的水蒸气，并与第一供气单元的干燥气体混合，可通过调节混合比例控制混合气体的湿度，使模拟的火星表面湿度环境更加真实。
上述实验方法能够完成火星表面环境气氛、湿度、压力、紫外辐射以及电场环境的模拟和精确控制，能够实现火星表面电场环境的模拟。
本发明上述实验方法，在模拟火星环境条件的基础上，进行火星环境下矿物样品光谱的原位采集，通过分析不同环境参数对同一矿物样品光谱的影响效应以及不同矿物样品在同一环境参数条件下的全光谱综合响应，为发现和科学解译火星表面物质的存在形式、空间分布及动态变化提供关键基础数据和实验约束。该实验方法一方面能够真实模拟火星表面环境气氛、湿度、压力、温度、紫外辐照和电场等条件，另一方面能够在火星模拟环境下进行多种光谱的原位采集，用于研究环境参数对矿物/盐类样品光谱的影响，全面掌握火星环境条件与样品光谱的耦合关系，对于火星遥感和就位探测光谱数据的比对和解译具有重要意义。再一方面可以为火星环境相关实验提供综合实验平台，用于火星遥感光谱解译、模拟火星样品的热动力学实验、火星生命研究、火星探测有效载荷定标实验等，应用范围广。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，包括真空舱体实验装置和全光谱原位表征及联用实验装置，所述真空舱体实验装置包括：
用于提供真空和模拟火星环境的真空舱体，所述真空舱体内设有冷热台和放置于所述冷热台上的样品盛放件；
与所述真空舱体连通的湿度控制单元，用于模拟和控制火星表面环境湿度；
与所述湿度控制单元连通的第一供气单元，用于提供火星大气；
放置于所述真空舱体外的温度控制单元，所述温度控制单元与所述冷热台连接，用于模拟和控制火星表面环境温度；
所述全光谱原位表征及联用实验装置包括设于所述真空舱体外的至少两台光谱仪，每台光谱仪连接一个用于采集光谱信号的传感元件，每个传感元件连接一个光源，所述传感元件位于所述真空舱体内，所述光源位于所述真空舱体外。
2.根据权利要求1所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用联实验装置，其特征在于，所述真空舱体实验装置还包括与所述真空舱体连接的真空控制单元，用于使所述真空舱体内形成真空环境；所述真空控制单元包括真空泵和与所述真空舱体连接的真空计，所述真空泵通过密封管路与所述真空舱体连通。
3.根据权利要求2所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，所述湿度控制单元包括温控加热器、放置于所述温控加热器上的密闭容器以及与所述密闭容器连通的气体配置件，所述密闭容器内盛放有去离子水，所述气体配置件与所述真空舱体连通，所述第一供气单元与所述气体配置件连通。
4.根据权利要求3所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，所述温度控制单元包括温度控制器、液体泵和杜瓦瓶，所述温度控制器与所述液体泵电连接，所述液体泵分别通过密封管路与所述杜瓦瓶和设置于所述冷热台内的冷却件连通，所述冷热台上设有与所述温度控制器连接温度传感器；所述冷热台上表面设有旋转样品台，所述旋转样品台在所述冷热台上水平360°旋转，所述样品盛放件放置于所述旋转样品台上。
5.根据权利要求4所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，所述真空舱体实验装置还包括压力控制单元，所述压力控制单元包括气体流量计以及与所述气体流量计连接压力控制器，所述气体流量计设于连通所述第一供气单元与所述气体配置件连通的密封管路上，所述压力控制器与所述真空控制单元的真空泵电连接。
6.根据权利要求1或5所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，所述真空舱体实验装置还包括用于提供火星表面紫外辐射条件的紫外辐照光源，所述紫外辐照光源安装于所述真空舱体的透明真空视窗上。
7.根据权利要求6所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，所述真空舱体实验装置还包括用于提供火星表面电场环境的电场控制单元，所述电场控制单元包括放置于真空舱体内的电动平移台和平行板电容，以及放置于真空舱体外的电压控制单元，所述电压控制单元包括电压发生器、变压器和电动平移台控制器。
8.一种火星火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验方法，采用如权利要求5所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、温度条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
9.一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验方法，采用如权利要求6所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、温度、紫外辐射条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
10.一种火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验方法，采用如权利要求7所述的火星模拟环境下的全光谱原位表征及联用实验装置，其特征在于，其具体实验步骤如下：
检测实验装置并调试其至正常工作状态，根据火星表面存在的矿物种类选择矿物样品；
向真空舱体内的样品盛放件中添加矿物样品；
通过真空舱体实验装置模拟火星环境气氛、湿度、压力、紫外辐射、电场条件；
依次打开光源及光谱仪，光谱仪采集光谱；
所有样品光谱采集完毕后，关闭光源及光谱仪。
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