CN107727615A - 一种行星开放环境下光质谱联用的粒子输运组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种行星开放环境下光质谱联用的粒子输运组件，该粒子输运组件由截取锥、取样锥、分离锥、质谱气泵、毛细管、回流管、输运气泵、流量计及控制器组成。本发明的有益效果是，提供了一种行星开放环境下的高效粒子输运组件与方法，可在深空探测原位分析中，利用行星大气作为载气，以及毛细管的虹吸效应，将LIBS激光器诱导的等离子粒子，高效地传输进MS里进行分析，其流速可通过实时监测进行控制，满足光质谱两种技术同时分析原位物质的需求。

Description

一种行星开放环境下光质谱联用的粒子输运组件
技术领域
本发明涉及一种离子输运组件与方法,尤其涉及一种采用气泵结合毛细管抽运的粒子输运组件，适用于深空探测行星开放环境下光质谱联用时的离子输运，属于行星原位探测领域。
背景技术
深空物质成分探测领域，质谱与光谱联用的技术只有LA-ICP-MS，即激光剥离电感耦合等离子体质谱，激光用于解附剥离，电感耦合等子体ICP用于离子化，质谱MS用于粒子分析。国际上只有欧空局有类似载荷，不过尚未到达火星。更好的深空探测原位分析方法应采用激光诱导击穿光谱即LIBS，与质谱的联用，光质谱联用的关键是开放环境下高效的粒子解附与传输。
从2004年开始发展起来的常压敞开式离子化质谱技术中实现离子化的途径包括三大类：
一是基于喷雾和固液萃取的离子化技术，其原理为，在雾化气的带动下，溶剂在高压下形成电喷雾，并以一定角度吹扫样品表面；在与样品表面的分子接触过程中，将部分被分析物分子溶解，并且形成次级带电液滴束；次级带电液滴束以合适的角度喷入质谱入口，进而进行检测和分析。由于需要辅助溶剂，在航天应用上前景有限，因为在行星等深空环境，无法搭载充足的溶剂维持长时间的探测任务。
二是基于等离子体的离子化技术，此类技术用气体在电场放电作用下产生低温的等离子体，进而喷射到样品表面，使待测物质解吸并离子化，此类与激光诱导击穿光谱即LIBS，无法实现联用。
三是基于基于激光解吸消融的离子化技术，此类方法中激光起剥离消蚀作用，离子化还是和第一类一样的喷雾技术，也无法直接在深空原位探测上适用。
综上所述，深空开放环境需要高效蒸汽输运、离子化方法，以满足深空微区原位质谱仪与LIBS的联用的要求。LIBS所用激光源为低重频脉冲激光，它只有在激发样品的瞬时产生等离子体，很难维持恒定的离子流。另外，如何在深空开放环境中将每发激光脉冲产生的样品蒸汽高效传输进质谱仪即MS，是行星开放环境下光质谱联用最核心的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开放环境下的高效粒子输运系统与方法，可在深空探测原位分析中，将LIBS诱导的等离子粒子高效地传输进MS里进行分析，满足两种技术同时分析原位物质的需求。
本发明是这样来实现的：
本发明提出的行星开放环境下的高效粒子输运方法是在一种开放的粒子输运组件基础上实现的，它可在行星开放环境下，把LIBS激光聚焦至行星表面探测区目标物质组成测试点所激发的高温等离子粒子气溶胶高效率地输运至MS子系统。
该粒子输运组件由截取锥、取样锥、分离锥、质谱气泵、毛细管、回流管、输运气泵、流量计及控制器组成；
其中截取锥、取样锥、分离锥三者的锥顶都有锥孔，三者的锥孔都通过中心轴线；截取锥、取样锥与质谱气泵属于MS子系统的入口组成部件，主要完成粒子在进入MS子系统分析之前的高效富集和沿中心轴线穿过分离锥的锥孔进入MS子系统；
取样锥与截取锥之间连接有质谱气泵，可被质谱气泵抽成高度真空，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，可实现可调重频脉冲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；控制器用于接收流量计的流量值信息，控制质谱气泵与输运气泵的抽气速度；
此外，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；
本发明提出的行星开放环境下的高效粒子输运方法包括以下步骤：
(1)行星开放环境下的LIBS激光解附
LIBS子系统中包含有可调重频脉冲激光器，该激光器在低重频的情况下可作为LIBS的激光源，进行常规的微区LIBS元素组成粗分析；在解附的工作模式中，该脉冲激光器可发出数千赫兹及以上重频的飞秒级激光脉冲，当这些激光脉冲聚焦至行星表面探测区目标物质组成测试点，其在测试点表面形成的高温高压，将在测试点上进行烧蚀解附，激发出持续的等离子粒子气溶胶；
(2)离子粒子气溶胶输运
控制器按照设定的初始抽气速度，开启质谱气泵与输运气泵；当这两个气泵开启后，可调重频脉冲激光器激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在开放环境的行星大气的带动下进入毛细管，形成管内等离子体粒子流，并沿毛细管流向MS子系统，其流速和输运气泵的抽气速度有关，抽气速度由流量计监控，实时流量计的读数被传送到控制器，控制器根据这个读数改变输运气泵的抽气速度，以形成稳定的等离子体粒子流。等离子体粒子流在行星大气的承载下流进回流管，到达取样锥的锥尖位置，行星大气经由回流管被抽出，重新回到行星的开放大气环境中；
(3)MS元素及含量精细分析
而等离子体粒子流在取样锥的锥尖位置富集，并进入取样锥，取样锥与截取锥之间被质谱气泵抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流输运，这些等离子体粒子流穿过取样锥锥孔进入分离锥，再进入MS子系统的质谱分析模块进行元素及其含量精细分析。
本发明的有益效果是，提供了一种行星开放环境下的高效粒子输运组件与方法，可在深空探测原位分析中，利用行星大气作为载气，以及毛细管的虹吸效应，将LIBS激光器诱导的等离子粒子，高效地传输进MS里进行分析，其流速可通过实时监测进行控制，满足光质谱两种技术同时分析原位物质的需求。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图，图中：1——行星表面探测区；2——LIBS子系统；3——测试点；4——毛细管；5——回流管；6——截取锥；7——MS子系统；8——质谱气泵；9——控制器；10——输运气泵；11——流量计；12——等离子体粒子流；13——行星大气；14——取样锥；15——可调重频脉冲激光器；16——分离锥；17——质谱分析模块；18——中心轴线。
注：LIBS，laser-induced spectroscopy,激光诱导击穿光谱；MS，massspectroscopy，质谱。
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1所示。
本发明提出的行星开放环境下的高效粒子输运方法是在一种开放的粒子输运组件基础上实现的，它可在行星开放环境下，把LIBS激光聚焦至行星表面探测区1目标物质组成测试点2所激发的高温等离子粒子气溶胶高效率地输运至MS子系统7。
该粒子输运组件由截取锥6、取样锥14、分离锥16、质谱气泵8、毛细管4、回流管5、输运气泵10、流量计11及控制器9组成；
其中截取锥6、取样锥14、分离锥16三者的锥顶都有锥孔，三者的锥孔都通过中心轴线18；截取锥6、取样锥14与质谱气泵8属于MS子系统7的入口组成部件，主要完成粒子在进入MS子系统7分析之前的高效富集和沿中心轴线18穿过分离锥16的锥孔进入MS子系统7；
取样锥14与截取锥6之间连接有质谱气泵8，可被质谱气泵8抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流12输运；毛细管4、回流管5、输运气泵10三者利用抽气和虹吸效应，可实现可调重频脉冲激光器15激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在行星大气13的承载下进入毛细管4，形成管内等离子体粒子流12，并进行高效输运；控制器9用于接收流量计11的流量值信息，控制质谱气泵8与输运气泵10的抽气速度；
回流管5的作用是使进入毛细管4的行星大气13承载分子与管内等离子体粒子流12分离，并通过输运气泵10抽出，重回行星大气环境；
本发明提出的行星开放环境下的高效粒子输运方法包括以下步骤：
(1)行星开放环境下的LIBS激光解附
LIBS子系统2中包含有可调重频脉冲激光器15，该激光器在低重频的情况下可作为LIBS的激光源，进行常规的微区LIBS元素组成粗分析；在解附的工作模式中，该脉冲激光器可发出数千赫兹及以上重频的飞秒级激光脉冲；在本实施例中，解附模式的激光参数为波长213nm、脉宽140飞秒、重频5千赫兹、平均能量10瓦；在解附工作模式下，可调重频脉冲激光器15发出的激光聚焦至行星表面探测区1目标物质组成测试点2，其在测试点2表面形成的高温高压，将在测试点2上进行烧蚀解附，激发出持续的等离子粒子气溶胶；
(2)离子粒子气溶胶输运
控制器9按照设定的初始抽气速度，开启质谱气泵6与输运气泵10；当这两个气泵开启后，可调重频脉冲激光器15激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在开放环境的行星大气13的带动下进入毛细管4，形成管内等离子体粒子流12，并沿毛细管4流向MS子系统7，其流速和输运气泵10的抽气速度有关，抽气速度由流量计11监控，实时流量计11的读数被传送到控制器9，控制器9根据这个读数改变输运气泵10的抽气速度，以形成稳定的等离子体粒子流12。等离子体粒子流12在行星大气13的承载下流进回流管5，到达取样锥14的锥尖位置，行星大气13经由回流管5被抽出，重新回到行星的开放大气环境中；
(3)MS元素及含量精细分析
而等离子体粒子流12在取样锥14的锥尖位置富集，并进入取样锥14，取样锥14与截取锥6之间被质谱气泵8抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流12输运，这些等离子体粒子流12穿过取样锥14锥孔先后进入截取锥6与分离锥16，再进入MS子系统7的质谱分析模块17进行元素及其含量精细分析。

Claims (1)

1.一种行星开放环境下光质谱联用的粒子输运组件，包括截取锥(6)、取样锥(14)、分离锥(16)、质谱气泵(8)、毛细管(4)、回流管(5)、输运气泵(10)、流量计(11)及控制器(9)；其特征在于：
所述的截取锥(6)、取样锥(14)、分离锥(16)三者的锥顶都有锥孔，三者的锥孔都通过中心轴线(18)；截取锥(6)、取样锥(14)与质谱气泵(8)属于MS子系统(7)的入口组成部件，主要完成粒子在进入MS子系统(7)分析之前的高效富集和沿中心轴线(18)穿过分离锥(16)的锥孔进入MS子系统(7)；
所述的取样锥(14)与截取锥(6)之间连接有质谱气泵(8)，可被质谱气泵(8)抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流(12)输运；毛细管(4)、回流管(5)、输运气泵(10)三者利用抽气和虹吸效应，可实现可调重频脉冲激光器(15)激光烧蚀解附产生的等离子体气溶胶在行星大气(13)的承载下进入毛细管(4)，形成管内等离子体粒子流(12)，并进行高效输运；控制器(9)用于接收流量计(11)的流量值信息，控制质谱气泵(8)与输运气泵(10)的抽气速度；
所述的回流管(5)的作用是使进入毛细管(4)的行星大气(13)承载分子与管内等离子体粒子流(12)分离，并通过输运气泵(10)抽出，重回行星大气环境。
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