CN207528679U - 用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统，该系统由质谱子系统、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。本专利的有益效果是，提供了一种用作微区物质分布精细分析的行星车舱内多技术融合探测系统，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。

Description

用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统

技术领域

本专利涉及一种物质检测系统,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。

背景技术

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，本专利提出一种行星车舱内集成探测系统，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。

发明内容

本专利的目的在于提供一种深空微区物质精细分析的行星车舱内探测系统，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。

本专利提出的行星车舱内探测系统用于深空探测领域，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；

本专利提出的行星车舱内探测系统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(x_i,y_i,z_i)；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，...，λ_n，记录其谱线强度I_i1,I_i2,...,I_in；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J_i1,J_i2,J_i3,...,J_im；(注：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,...,I_i1,...,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,...,I_i2,...,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λ_n的拉曼图像；最后，综合各个扫描点的J₁₁,J₂₁,...,J_i1,...,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,...,J_i2,...,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，定性及定量分析该点的元素组成及含量，直至完成整个A×B点的微区LIBS分析；

(3)微区激光解附质谱精细分析

主控制器发出指令给时序控制器，设定紫外超快脉冲LIBS激光器的工作频率并启动；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)相同的S形扫描，完成同一微区扫描点数A×B；

对每一个扫描点，紫外超快脉冲LIBS激光器沿LIBS发射光轴发射的高重频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；其在聚焦点表面形成的高温高压，将在聚焦点上进行烧蚀解附，激发出持续的等离子粒子气溶胶；主控制器按照设定的初始抽气速度，开启输运气泵、ICP气泵和质谱气泵；当这三个气泵开启后，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ICP组件，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主控制器，主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；而等离子体粒子流在取样锥的锥尖位置形成富集区，并进入取样锥，再穿过取样锥锥孔，通过截取锥，进入ICP组件；ICP组件把等离子体粒子流进行二次高温等离子体电离送入分离锥，再进入质谱仪的质量分析器，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计数；主控制器获取计数值进行分析，得出该扫描点处元素的组成及其精确含量；直至完成整个A×B点的微区质谱分析；

(4)微区物质分析光质谱信息融合

主控制器将步骤(1)至(3)的信息融合，完成微区物质精细分析，即共获取微区的三维形貌分布，及三维形貌分布上A×B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。

本专利的有益效果是，提供了一种用作微区物质分布精细分析的行星车舱内多技术融合探测系统，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。

附图说明

图1为本专利系统结构示意图，图中：1——行星舱；2——质谱子系统；3——辅助供气装置；4——质谱仪；5——质谱探测器；6——分离锥；7——ICP组件；8——截取锥；9——LIBS光纤耦合镜；10——LIBS接收光轴；11——光纤耦合器；12——接收针孔；13——紫外可见扩束镜；14——紫外超快脉冲LIBS激光器；15——主控制器；16——紫外单纵模拉曼激光器；17——时序控制器；18——切入控制器；19——脉冲激光扩束镜；20——发射光纤；21——两合一光纤；22——高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪；23——发射光纤耦合器；24——发射针孔；25——紫外扩束镜；26——发射光轴；27——光学头部；28——紫外双色镜；29——主光轴；30——紫外可见多色镜；31——LIBS切入反射镜；32——三维高精度扫描平台；33——行星探测目标；34——聚焦点；35——测试窗口；36——紫外显微物镜；37——等离子体粒子流；38——毛细管；39——扫描控制器；40——取样锥；41——回流管；42——富集区；43——流量计；44——输运气泵；45——ICP气泵；46——质谱气泵；47——LIBS发射光轴。

注：LIBS，laser-induced spectroscopy,激光诱导击穿光谱；ICP，inductivelycoupled plasma，电感耦合等离子体。

具体实施方式

本专利具体实施方式如图1所示。

本专利提出的行星车舱内探测系统用于深空探测领域，对行星表面的土壤、岩石、矿物等行星探测目标33作微区物质组分精细探测，它安装在行星舱1内部，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；

其中光学头部27包含LIBS光纤耦合镜9、光纤耦合器11、接收针孔12、紫外可见扩束镜13、切入控制器18、脉冲激光扩束镜19、发射光纤耦合器23、发射针孔24、紫外扩束镜25、紫外双色镜28、紫外可见多色镜30、LIBS切入反射镜31、三维高精度扫描平台32、紫外显微物镜36、扫描控制器39；光学头部27开有测试窗口35，以便进行测试；紫外显微物镜36安装在三维高精度扫描平台32上，可在扫描控制器39带动下作三维精细移动；

质谱子系统2包括辅助供气装置3、质谱仪4、质谱探测器5、分离锥6、ICP组件7、截取锥8、毛细管38、取样锥40、回流管41、流量计43、输运气泵44、ICP气泵45和质谱气泵46组成；

紫外单纵模拉曼激光器16(本实施例采用波长360nm、单纵模、窄线宽、功率30mW的连续半导体泵浦固体激光器)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16为光纤输出，通过发射光纤20及发射光纤耦合器23耦合进光学头部27的发射光轴26；

紫外超快脉冲LIBS激光器14(本实施例采用波长355nm、重频1-1MHz可调、脉宽小于400fs、脉冲能量40μJ、平均功率4W、峰值功率100MW的飞秒激光器)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33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2进行行星探测目标33组成元素的精细分析；

截取锥8、取样锥40、ICP气泵45、毛细管38、回流管41、输运气泵44、流量计43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7；截取锥8、取样锥40与ICP气泵45属于ICP组件7的入口组成部件，主要完成粒子在进入ICP组件7之前在富集区42的高效富集和进入ICP组件7；截取锥8、取样锥40之间连接有ICP气泵45，可被ICP气泵45抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流37输运；毛细管38、回流管41、输运气泵44三者利用抽气和虹吸效应，可实现紫外超快脉冲LIBS激光器14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38，形成管内等离子体粒子流37，并进行高效输运；回流管41的作用是使进入毛细管38的行星大气承载分子与管内等离子体粒子流37分离，并通过输运气泵44抽出，重回行星大气环境；ICP组件7把粒子输运模组输运过来的等离子体粒子流37进行二次高温等离子体电离送入质谱仪4中的分离锥6，辅助供气装置3用于对ICP组件7中的高温炬管进行冷却；质谱气泵46用于将质谱仪4中分离锥6与质量分析器之间的区域抽成高度真空，以利用ICP组件7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5进行探测分析；

高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22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21的两根输入光纤耦合进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22进行光谱信号采集；

时序控制器17三个控制端口分别接紫外单纵模拉曼激光器16、紫外超快脉冲LIBS激光器14、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的外部触发端口，用来设定紫外超快脉冲LIBS激光器14的工作频率以及紫外超快脉冲LIBS激光器14与高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22两者之间开启的延时；设定紫外单纵模拉曼激光器16和高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的同步，即启动紫外单纵模拉曼激光器16的时刻开启高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22进行采集；

主控制器15可对切入控制器18、时序控制器17、扫描控制器39发送控制指令；用于接收流量计43的流量值信息；控制输运气泵44、ICP气泵45和质谱气泵46的抽气速度；设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的曝光时间并接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22输出的光谱数据；启动并接收质谱探测器5输出的质谱数据；

LIBS接收光轴10、发射光轴26、主光轴29、LIBS发射光轴47四者共面，主光轴29与LIBS发射光轴47平行，与LIBS接收光轴10、发射光轴26两者垂直；

本专利提出的行星车舱内探测系统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15发出指令开启时序控制器17；发出指令给切入控制器18，带动LIBS切入反射镜31切出主光轴29；主控制器15发出指令，设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的曝光时间；时序控制器17发出控制脉冲触发紫外单纵模拉曼激光器16及高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22开始工作；

紫外单纵模拉曼激光器16通过发射光纤20发出的连续窄线宽紫外激光束，经发射光纤耦合器23聚焦至发射针孔24，穿过发射针孔24的激光，经紫外扩束镜扩束25扩束后沿发射光轴26行进，透过紫外双色镜28，被紫外可见多色镜30反射后沿主光轴29向上行进，再由紫外显微物镜36聚焦至行星探测目标33聚焦点34；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36，透过紫外可见多色镜30，经紫外可见扩束镜13后聚焦至接收针孔12上；穿过接收针孔12的拉曼及荧光信号经光纤耦合器11聚焦至两合一光纤21内，经两合一光纤21传输进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22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15，主控制器15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15发出指令给扫描控制器39，带动安装在三维高精度扫描平台32上的紫外显微物镜36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12与发射针孔24关于紫外可见多色镜30为共焦对称关系，该光学约束可保证只有激光聚焦点34的回波信号才可穿过接收针孔12被接收分析；

主控制器15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15发出指令给扫描控制器39，带动安装在三维高精度扫描平台32上的紫外显微物镜36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15记录三维高精度扫描平台32的三维位移量，确定其三维坐标(x_i,y_i,z_i)；主控制器15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(本实施例n＝3)离散拉曼谱线λ₁，λ₂，...，λ_n，记录其谱线强度I_i1,I_i2,...,I_in；然后将连续荧光谱线分成等光谱间隔的m段(本实施例m＝200)；并记录每段的荧光谱平均强度J_i1,J_i2,J_i3,...,J_im；(注：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15首先综合A×B个扫描点的三维坐标，绘制行星探测目标33表面微区的三维几何形貌；接着，综合各个扫描点的I₁₁,I₂₁,...,I_i1,...,得到行星探测目标33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,...,I_i2,...,得到行星探测目标33表面微区的波长为λ₂的拉曼图像，...，直至得到行星探测目标33表面微区的波长为λ_n的拉曼图像；最后，综合各个扫描点的J₁₁,J₂₁,...,J_i1,...,得到行星探测目标33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,...,J_i2,...,得到行星探测目标33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33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15发出指令给切入控制器18，带动LIBS切入反射镜31切入主光轴29；主控制器15发出指令设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的曝光时间(本实施例为1毫秒)；主控制器15发出指令给时序控制器17，设定紫外超快脉冲LIBS激光器14的工作频率(本实施例为3赫兹)，以及紫外超快脉冲LIBS激光器14与高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22两者之间开启的延时(本实施例为10微秒)；

主控制器15发出指令给扫描控制器39，带动安装在三维高精度扫描平台32上的紫外显微物镜36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1秒的LIBS探测，此时，紫外超快脉冲LIBS激光器14沿LIBS发射光轴47发射的飞秒级紫外脉冲激光经脉冲激光扩束镜19扩束，经紫外双色镜28(本实施例为355nm高反，360nm高透镜)反射后沿发射光轴26传输，再经紫外可见多色镜30(本实施例为355-360nm高反、220-350及364nm-900nm高透镜)反射后沿主光轴29行进，由紫外显微物镜36聚焦至行星探测目标33聚焦点34；其瞬时激发的高温等离子辐射经紫外显微物镜36返回，穿过紫外可见多色镜30，经LIBS切入反射镜31全反射后，由LIBS光纤耦合镜9聚焦进入两合一光纤21，经两合一光纤21传输进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22进行光谱采集；主控制器15接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪22的输出LIBS光谱信息(本实施例对1秒中获得的3幅LIBS光谱进行平均，然后作分析)，根据谱线位置和强度关系，定性及定量分析该点的元素组成及含量，直至完成整个A×B点的微区LIBS分析；

(3)微区激光解附质谱精细分析

主控制器15发出指令给时序控制器17，设定紫外超快脉冲LIBS激光器14的工作频率(本实施例为1M赫兹)并启动；主控制器15发出指令给扫描控制器39，带动安装在三维高精度扫描平台32上的紫外显微物镜36按记录的A×B个扫描点的三维坐标，作与步骤(1)相同的S形扫描，完成同一微区扫描点数A×B；

对每一个扫描点，紫外超快脉冲LIBS激光器14沿LIBS发射光轴47发射的高重频飞秒级紫外脉冲激光经脉冲激光扩束镜19扩束，经紫外双色镜28反射后沿发射光轴26传输，再经紫外可见多色镜30反射后沿主光轴29行进，由紫外显微物镜36聚焦至行星探测目标33聚焦点34；其在聚焦点34表面形成的高温高压，将在聚焦点34上进行烧蚀解附，激发出持续的等离子粒子气溶胶；主控制器15按照设定的初始抽气速度，开启输运气泵44、ICP气泵45和质谱气泵46；当这三个气泵开启后，紫外超快脉冲LIBS激光器14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38，形成管内等离子体粒子流37，并沿毛细管38流向ICP组件7，其流速和输运气泵44的抽气速度有关，抽气速度由流量计43监控，实时流量计43的读数被传送到主控制器15，主控制器15根据这个读数改变输运气泵44的抽气速度，以形成稳定的等离子体粒子流37。等离子体粒子流37在行星大气的承载下流进回流管41，到达取样锥40的锥尖位置，行星大气经由回流管41被抽出，重新回到行星的开放大气环境中；而等离子体粒子流37在取样锥40的锥尖位置形成富集区42，并进入取样锥40，再穿过取样锥40锥孔，通过截取锥2，进入ICP组件7；ICP组件7把等离子体粒子流37进行二次高温等离子体电离送入分离锥6，再进入质谱仪4的质量分析器，质量分析器将不同元素粒子分离出来，被质谱探测器5进行探测计数；主控制器15获取计数值进行分析，得出该扫描点处元素的组成及其精确含量；直至完成整个A×B点的微区质谱分析；

(4)微区物质分析光质谱信息融合

主控制器15将步骤(1)至(3)的信息融合，完成微区物质精细分析，即共获取微区的三维形貌分布，及三维形貌分布上A×B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。

Claims (1)

1.一种用于微区物质精细分析的行星车舱内探测系统，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：

所述的光学头部(27)包含LIBS光纤耦合镜(9)、光纤耦合器(11)、接收针孔(12)、紫外可见扩束镜(13)、切入控制器(18)、脉冲激光扩束镜(19)、发射光纤耦合器(23)、发射针孔(24)、紫外扩束镜(25)、紫外双色镜(28)、紫外可见多色镜(30)、LIBS切入反射镜(31)、三维高精度扫描平台(32)、紫外显微物镜(36)、扫描控制器(39)；光学头部(27)开有测试窗口(35)，以便进行测试；紫外显微物镜(36)安装在三维高精度扫描平台(32)上，可在扫描控制器(39)带动下作三维精细移动；

所述的质谱子系统(2)包括辅助供气装置(3)、质谱仪(4)、质谱探测器(5)、分离锥(6)、ICP组件(7)、截取锥(8)、毛细管(38)、取样锥(40)、回流管(41)、流量计(43)、输运气泵(44)、ICP气泵(45)和质谱气泵(46)组成；

所述的紫外单纵模拉曼激光器(16)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(16)为光纤输出，通过发射光纤(20)及发射光纤耦合器(23)耦合进光学头部(27)的发射光轴(26)；

所述的紫外超快脉冲LIBS激光器(14)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(33)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(2)进行行星探测目标(33)组成元素的精细分析；

所述的截取锥(8)、取样锥(40)、ICP气泵(45)、毛细管(38)、回流管(41)、输运气泵(44)、流量计(43)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(7)；截取锥(8)、取样锥(40)与ICP气泵(45)属于ICP组件(7)的入口组成部件，主要完成粒子在进入ICP组件(7)之前在富集区(42)的高效富集和进入ICP组件(7)；截取锥(8)、取样锥(40)之间连接有ICP气泵(45)，可被ICP气泵(45)抽成高度真空，形成负压以方便等离子体粒子流(37)输运；毛细管(38)、回流管(41)、输运气泵(44)三者利用抽气和虹吸效应，可实现紫外超快脉冲LIBS激光器(14)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(38)，形成管内等离子体粒子流(37)，并进行高效输运；回流管(41)的作用是使进入毛细管(38)的行星大气承载分子与管内等离子体粒子流(37)分离，并通过输运气泵(44)抽出，重回行星大气环境；ICP组件(7)把粒子输运模组输运过来的等离子体粒子流(37)进行二次高温等离子体电离送入质谱仪(4)中的分离锥(6)，辅助供气装置(3)用于对ICP组件(7)中的高温炬管进行冷却；质谱气泵(46)用于将质谱仪(4)中分离锥(6)与质量分析器之间的区域抽成高度真空，以利用ICP组件(7)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(5)进行探测分析；

所述的高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)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(21)的两根输入光纤耦合进高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)进行光谱信号采集；

所述的时序控制器(17)三个控制端口分别接紫外单纵模拉曼激光器(16)、紫外超快脉冲LIBS激光器(14)、高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的外部触发端口，用来设定紫外超快脉冲LIBS激光器(14)的工作频率以及紫外超快脉冲LIBS激光器(14)与高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)两者之间开启的延时；设定紫外单纵模拉曼激光器(16)和高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的同步，即启动紫外单纵模拉曼激光器(16)的时刻开启高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)进行采集；

所述的主控制器(15)可对切入控制器(18)、时序控制器(17)、扫描控制器(39)发送控制指令；用于接收流量计(43)的流量值信息；控制输运气泵(44)、ICP气泵(45)和质谱气泵(46)的抽气速度；设定高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)的曝光时间并接收高分辨高灵敏度紫外可见光谱仪(22)输出的光谱数据；启动并接收质谱探测器(5)输出的质谱数据；

所述的LIBS接收光轴(10)、发射光轴(26)、主光轴(29)、LIBS发射光轴(47)四者共面，主光轴(29)与LIBS发射光轴(47)平行，与LIBS接收光轴(10)、发射光轴(26)两者垂直。